馬春紅

(中鐵十四局集團第二工程有限公司,山東泰安 271000)

武廣鐵路客運專線全線采用無砟軌道結構,要求工后沉降不大于 15 mm,過渡段差異沉降不大于 5 mm。路基上鋪設無砟軌道成敗的關鍵在于沉降的控制,其主要風險源于地基的不確定性和所選填料性質(zhì)的好壞和變異性。為確保沉降有效控制,利用 CFG樁復合地基處理軟基并采用堆載預壓進行加固處理就是一典型實例。

1 工程概況

武廣鐵路客運專線衡陽湘江特大橋 0號臺橋頭軟基段采用 CFG樁帶樁帽加褥墊層的處理方法,設計填土高 4m,堆載預壓填土高 3m。此段位于丘坡,丘坡較平緩,下為水塘。主要土層分布:0～5m為 Q2黏土、粉質(zhì)黏土,軟塑,σ0=80～140 kPa;1～4.0m黏土、粉質(zhì)黏土,褐黃、褐紅色,硬塑,σ0=180 kPa;0～ 2.0m粉土,黃色、褐黃色,稍濕、稍密,σ0=100 kPa;0～4.0m中粗砂,褐黃色,少量為雜色或灰黃色,潮濕,密實,σ0=150kPa;下伏泥質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖,紫紅色,全強風化。

2 工程設計

基底設計采用 CFG樁復合地基加固,樁徑 0.5m,樁長 6～9m,采用長螺旋成孔管內(nèi)泵壓混合料成樁法施工,混凝土強度等級 C15,配合比為:水泥 175 kg,中粗砂 831 kg,碎石(粒徑 5～16mm)318 kg,碎石(粒徑16～31.5mm)741 kg,粉煤灰 175 kg,外加劑 1.75 kg,水 160 kg,坍落度 160～200mm。

樁位采用三角形布置,處理范圍至坡腳外側至少1根。樁體施工完成后現(xiàn)澆 C15混凝土擴大樁頭,擴大頭頂寬 1.0m,高 0.6m。樁頂鋪 0.6m厚碎石墊層,層內(nèi)鋪設 1層抗拉強度不小于 80 kN/m的雙向土工格柵,基床底層填筑完成后采用堆載預壓,預壓高度3m。見圖1。

圖1 橋頭路基結構(單位:m)

3 CFG樁復合地基施工

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱,它是由水泥、粉煤灰、碎石(或石屑、砂)加水拌和形成的高粘結強度樁,成樁后與樁間土、褥墊層一起形成復合地基。通過改變樁長、樁距、褥墊層厚度和樁體配比,能使復合地基承載力大幅度提高。

CFG樁最常用的成樁施工方法有振動沉管灌注成樁和長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁兩種方法。根據(jù)武廣鐵路客運專線所處工點的具體地質(zhì)情況,按要求采用了長螺旋鉆機成孔泵送混合料進行施工。

3.1 施工工藝

3.1.1 作業(yè)流程(圖2)

3.1.2 成樁施工

(1)鉆機就位:利用全站儀測放出線路的中、邊線,在坡腳線外側,根據(jù) CFG樁平面布置放出每根樁樁位,用竹簽標示。根據(jù)標示做好鉆機定位,要求鉆機安放保持水平,鉆桿保持垂直,其垂直度偏差不得大于1.0%,鉆頭對準孔位中心,控制樁位偏差在 50mm以內(nèi),鉆桿與鉆孔方向一致。

圖2 CFG樁復合地基施工作業(yè)流程

(2)鉆進成孔:鉆孔開始時,關閉鉆頭閥門,向下移動鉆桿至鉆頭觸及地面時,啟動電機,將鉆桿旋轉(zhuǎn)下沉至設計高程,關閉電機,清理鉆孔周圍土。判斷鉆頭是否到了持力層一般有兩種方法:一是在樁機駕駛室觀測電流的變化。鉆機開始鉆孔及軟弱地層鉆孔時,電流表指針在 120～130 A,當鉆頭遇到持力層時,瞬間的電流將增大到 160 A以上,同時電壓下降。此時,應判定鉆頭已達到持力層。二是在鉆機導向架上按0.2m間隔做顯著標記,能夠直觀觀察,當鉆頭到達持力層時,鉆桿上部的動力頭發(fā)生顫動和輕微的擺動,鉆機的動力明顯減弱,此時,應判定鉆頭已達到持力層。成孔時應先慢后快,以避免鉆桿搖晃,及時檢查并糾正鉆桿偏位的差值。

(3)灌注及拔管:CFG樁成孔到設計高程后,停止鉆進,開始泵送混合料(泵送混合料前檢查其坍落度),當鉆桿芯管充滿混合料后開始拔管,嚴禁先拔管后泵料。成樁過程連續(xù)進行,避免供料出現(xiàn)問題導致停機待料。樁頂超灌 50～70 cm。

(4)移機:移機前對下一根樁的樁位進行清理辨識,確保樁位的準確性。

(5)封樁:灌注完成后,鉆桿拔出地面,確認成樁樁頂高程符合設計要求后,采用濕黏性土封頂。

(6)樁頭處理:CFG樁成樁 7 d后,用鋼釬等工具清除樁頭浮渣和多余部分,鑿除后樁頭表面平整,樁長符合設計要求。

3.1.3 樁帽施工

CFG樁樁帽為擴大樁頭,擴大頭頂直徑 1.0m,高0.6m。施工前先進行樁間土的回填,并分層用小型夯機夯實,壓實度確保達到 90%以上?；靥钪猎O計樁頭位置進行復合地基承載力及樁身完整性檢測,合格后根據(jù)具體尺寸挖除 0.6m范圍內(nèi)的樁頭及周圍土體,進行現(xiàn)場澆筑 C15混凝土。

3.1.4 褥墊層施工

為確保褥墊層施工時不破壞土工格柵,具體設置形式由下而上為 25 cm(碎石)+5 cm(砂)+土工格柵+5 cm(砂)+25 cm(碎石)。碎石墊層采用碎礫石類填料,且最大粒徑不宜大于 25mm,在碎礫石中應摻10%～12%的石粉或細顆粒,在拌和站集中拌和均勻后進行填筑。碎石墊層采用 25 t壓路機靜壓 2遍 +弱振 2遍 +靜壓 1遍。第 1層砂墊層鋪設厚度為 5 cm,鋪設完后采用壓路機靜壓 2遍。在第 1層砂墊層上鋪設土工格柵,采用極限抗拉強度不小于 80 kN/m的雙向土工格柵。鋪設時沿路基橫向鋪設,搭接寬度不小于 50 cm,鋪設時路基坡腳兩側預留 2m回折長度。同理進行第 2層砂墊層和碎石墊層的施工。

3.2 質(zhì)量控制措施

(1)做好地質(zhì)情況的復核工作。對有代表性的地點在施鉆過程中適時提鉆,確認地層分布情況是否和地質(zhì)資料一致,特別是鉆進達到設計深度時要確認樁尖土是否已經(jīng)達到持力層足夠深度。若出現(xiàn)異常情況,則必須及時通知監(jiān)理和設計單位到現(xiàn)場確認,并提出處理意見。

(2)布樁時,CFG樁的數(shù)量、布置形式及間距必須嚴格按設計要求。并遵循從中心向外推進施工,或從一邊向另一邊推進施工的原則。不宜從四周轉(zhuǎn)向內(nèi)推進施工。

(3)對進場施工的所有長螺旋鉆機在開鉆前應由施工技術人員對標尺、刻畫進行復核,消除標識誤差。尤其是鉆機初始標識要指定專人進行復查,防止操作人員弄虛作假。使用反差大的反光貼條每 0.5m進行標識,粘貼在鉆機導向架上,利于夜間記錄人員識別讀數(shù)。

(4)混合料灌注時鉆桿提拔速度和輸送泵的泵送量要密切配合,保證連續(xù)提拔,施工中嚴禁出現(xiàn)超速提拔及先提管后泵料。拔管速度太快可能導致樁徑偏小或縮頸斷樁,而拔管速度過慢又會造成水泥漿分布不勻,樁頂浮漿過多,樁身強度不足和形成混和料離析現(xiàn)象,導致樁身強度不足。故施工時,應嚴格控制拔管速度。正常的拔管速度應控制在 2～3m/m in。灌注過程中芯管插入混合料的最小深度宜按 30 cm控制。

(5)控制好混合料的坍落度。大量工程實踐表明,混合料坍落度過大,會形成樁項浮漿過多,樁體強度也會降低。坍落度控制在 18～20 cm時和易性好。當拔管速度為 2～3m/min時,一般樁頂浮漿可控制在30～50 cm,成樁質(zhì)量容易控制。樁身每 m3混合料摻加粉煤灰量控制在 140～180 kg。

(6)確保樁長達到設計要求。設計要求 CFG樁必須穿透軟弱土層至硬底,對于下伏基巖段應嵌入全風化層≮1m。

(7)土方開挖時不可對設計樁頂高程以下的樁體產(chǎn)主損害,盡量避免擾動樁間土。

(8)剔除樁頭時先找出樁頂高程位置,用鋼釬等工具沿樁周向樁心逐次剔除多余的樁頭,直到設計樁頂高程,并把樁頂找平,不可用重錘或重物橫向擊打樁體,樁頭剔至設計高程處,樁頂表面不可出現(xiàn)斜平面。

(9)樁間土回填至樁頭平齊并采用小型夯機分層夯實,確保壓實度達到 90%以上。進行褥墊層施工時,禁止大型機械車輛直接行走在 CFG樁工作區(qū)。

(10)土工格柵應在平整好的砂墊層上按路基底寬全斷面鋪設,攤鋪時拉直順平,緊貼下承層,確保無扭曲、褶皺、重疊現(xiàn)象。在斜坡上攤鋪時保持一定松緊度。鋪設時應在路基邊各留 2 m的錨固長度,回折覆裹在壓實的填料面上,外側用土覆蓋,以免人為破壞。

4 路堤填筑技術措施

在路基填筑過程中,隨著附加荷載的作用,軟土地基中超靜水壓力逐漸消散,為了能夠使路基填筑所產(chǎn)生的增加量與路堤底強度的增加量相適應,必須進行路堤沉降和位移觀測,控制路堤的填土速率,確保路基施工安全穩(wěn)定。

4.1 路堤的施工觀測與控制

4.1.1 沉降觀測元器件的設置原則

沉降觀測的元器件主要觀測兩個方面的內(nèi)容,一是基底沉降,路基基底沉降觀測元器件采用沉降板、剖面沉降管和單點沉降計,剖面沉降管主要是校核沉降板;二是路基自身的沉降,采用的元件是路面沉降監(jiān)測樁。觀測斷面的設置及觀測內(nèi)容、元件的布設應根據(jù)地形、地質(zhì)條件、地基壓縮層厚度、路堤高度、地基處理方法、堆載預壓等具體情況,結合沉降預測方法和工期要求具體確定。代表性觀測斷面見圖3。

圖3 堆載預壓地段沉降監(jiān)測元件布置示意(單位:m)

4.1.2 沉降變形觀測元器件埋設

(1)安裝沉降板

沉降板應埋設在褥墊層頂部(或換填層底部),在褥墊層施工完成后進行掏槽使其嵌入褥墊層 10 cm,采用中粗砂回填密實,再套上保護套管。上口加蓋封住管口。沉降板安放應與地面垂直。

隨著路基填筑施工應逐漸接高沉降板測桿和保護套管。每次接長高度以 1m為宜,接長前后測量桿頂高程變化量確定接高量。

(2)安裝剖面沉降儀

當路基基底碎石墊層施工完成后或基床底層施工完成,在垂直線路方向開挖出寬 20 cm、深 20 cm左右的溝槽,整平槽底并在溝底鋪設 1層 5 cm厚的中粗砂并找平,后安放剖面沉降管,然后再在剖面沉降管頂面回填 5 cm中粗砂并與碎石墊層頂部平。每側要伸出路基坡腳 2m,為防止沉降斜管被損壞,管頭兩端用C20混凝土澆筑保護井。

(3)單點沉降計

單點沉降計均為觀測路堤本體變形部分,在路基本體施工完成后進行,按設計斷面埋設。元件埋入之前應采取措施保證孔徑滿足安裝要求。

安裝工藝流程:鉆孔→探孔→安裝沉降計→注漿→安裝法蘭沉降盤→孔內(nèi)灌砂回填→傳輸電纜埋設。

4.1.3 沉降觀測的主要項目

(1)地表變化。巡回觀察路基、坡腳外地面的變形、裂縫、出水現(xiàn)象及其發(fā)展情況。當發(fā)現(xiàn)以上現(xiàn)象時,應考慮緩填或暫停施工。

(2)基底沉降觀測。在填土過程中,隨著填土高度的增加,通過觀測沉降板的沉降量和沉降與時間的變化情況,掌握和分析判斷地基在填筑過程中的穩(wěn)定性,進而根據(jù)沉降量的大小控制填土速率。

(3)路面監(jiān)測樁觀測。路基填筑完成后,在表面布置沉降監(jiān)測樁,通過觀測沉降量和沉降與時間的變化情況,分析判斷并預測路基是否沉降穩(wěn)定,能否進行無砟軌道的施工。

4.2 土方填筑及填土預壓

4.2.1 土方填筑

為保證路基沉降均勻,客運專線對路基的填筑提出嚴格的要求。第一必須在基床底層采用粒徑不大于60mm且級配良好的 A、B填料進行路基填筑;第二填筑過程通過埋設的沉降板嚴格控制填筑速率,確保工后沉降過渡段的差異沉降量不大于 5mm,路基沉降量不大于 15mm;第三對路基的壓實采取四控,即孔隙率n、地基系數(shù) K30、動態(tài)變形模量 Evd及地基系數(shù) EV2進行檢測指標控制。

為滿足要求,選擇 DK1 703+350～DK1 703+500作為試驗段,初步掌握位移與沉降情況,確定填土速率、填料最佳含水量、松鋪系數(shù)和碾壓遍數(shù)。根據(jù)管段內(nèi)的具體情況,選用了天然砂礫石土填料,由于南方雨水偏大,填料含水量較大,每層松鋪厚度 30～35 cm。推土機初平后晾曬,待接近最佳含水量時再進行平整碾壓。各項檢測指標合格后填筑上一層土方。根據(jù)試驗段取得的參數(shù),開始路基的填筑,按照“三階段、四區(qū)段、八流程”組織施工。

4.2.2 填土預壓

路基填筑至基床底層頂面,進行表層級配碎石填筑(先完成一層),檢測合格后,表面鋪設土工布而后進行堆載預壓土方的填筑。填筑時分層進行壓實。擺放期至少滿足 6個月且沉降板和觀測樁的沉降與時間的關系曲線趨勢穩(wěn)定后才能夠進行卸載,繼續(xù)第二層級配碎石的施工。

5 效果檢測及觀測數(shù)據(jù)分析

5.1 CFG樁基樁低應變動力測試

隨機抽檢了總樁數(shù)的 10%,共 30根進行了低應變動力測試。結果為Ⅰ類樁 28根,占抽檢樁數(shù)的93.3%,Ⅱ類樁 2根,占抽檢樁數(shù)的 6.67%,未發(fā)現(xiàn)嚴重缺陷樁和斷樁,樁身質(zhì)量滿足設計要求。

5.2 CFG樁復合地基靜載試驗

此段 CFG樁復合地基設計承載力為 300 kPa,根據(jù)規(guī)范要求,加載量取設計值的 2倍,為 600 kPa,每級載荷為加載量的 1/10。地基荷載試驗承壓板采用φ1.8m圓板,板底鋪設 5～15 cm厚中粗砂找平。采用液壓油泵千斤頂人工加載,工字鋼設堆載平臺,預制塊堆積提供反力,最大壓重 1 828.8 kN。通過加載系統(tǒng)的液壓表測量,用千斤頂?shù)臉硕ㄇ€換算給出每級壓力表讀數(shù),試點沉降則通過承壓板兩邊對稱架設的4個機械式百分表測量。荷載試驗示意如圖4所示,DK1 707+400樁號 50-1復合地基荷載試驗 P-S曲線見圖5。

圖4 荷載試驗示意

5.3 沉降及位移觀測

路基填筑完成或施加預壓荷載后應有不少于 6個月的觀測和調(diào)整期,觀測數(shù)據(jù)不足以評估時,應繼續(xù)觀測。對每個路基工點應以 3個月為周期根據(jù)最新推導的沉降擬合曲線進行工后沉降預測至少 2次以上,并檢查所有觀測斷面的預測工后沉降是否滿足要求。

圖5 復合地基荷載試驗P S曲線

對路基和剛性結構過渡段還應同時審核其預測工后差異沉降是否≤5mm,折角≤1/1 000。

此外,還應檢查同一個觀測斷面前后兩次工后沉降預測值的差異,如果其差值≤8 mm,可認為預測的工后沉降具有足夠的可信度。

設計預計總沉降量與通過實測資料預測的總沉降量的差值不宜大于 10mm。

如果一個路基工點所有的觀測斷面滿足以上要求,該路基工點可以鋪設無砟軌道施工。沉降分析結果見表1,荷載-沉降過程曲線見圖6、圖7。

圖6 DK1 707+400沉降點(沉降板)荷載 -沉降過程曲線

圖7 DK 1 707+400沉降點(路面觀測樁)荷載 沉降過程曲線

表1 DK1 707+350～DK 1 707+420段沉降分析結果匯總

6 結語

根據(jù)武廣公司施工組織安排,本段路基通行運梁車時間為 2008年 5月,雙塊式無砟軌道施工時間是2008年 10月。橋頭路基加固處理過程中,通過合理的施工組織和施工技術、質(zhì)量措施的控制和沉降觀測點的布置、觀測,該段路基在 2008年 5月順利通過了專家評估,達到了預期的效果,為架梁通道和后續(xù)的無砟軌道施工奠定了基礎。

[1] 鐵建設[2006]158號,客運專線鐵路無砟軌道鋪設條件評估技術指南.

[2] 鐵建設[2005]160號,客運專線鐵路路基工程施工質(zhì)量驗收暫行標準.

[3] 孟綏寶.CFG樁復合地基的原理與施工技術要點[J].鐵道標準設計,2009(S1).