王 立

(中鐵七局集團(tuán)有限公司， 鄭州 450016)

不破板條件下無砟軌道路基加固施工技術(shù)研究

王 立

(中鐵七局集團(tuán)有限公司， 鄭州 450016)

以在建的某高速鐵路客運(yùn)專線鋪軌后開通前路基沉降異常后，加固整治處理為載體，通過反復(fù)試驗，取得加固注漿參數(shù)，在不破板條件下，因路基類型不同而采用不同的加固參數(shù)進(jìn)行病害整治，通過機(jī)車壓道結(jié)合沉降觀測檢驗，整治后沉降穩(wěn)定，滿足客運(yùn)專線路基的要求,從加固效果說明注漿是解決客運(yùn)專線病害整治的有效辦法，為客運(yùn)專線路基加固工程積累經(jīng)驗。

高速鐵路；無砟軌道；路基加固；試驗；施工

1 背景

某客運(yùn)專線設(shè)計為350 km/h無砟軌道，在完成鋪軌施工3個月后，局部路段沉降觀測發(fā)現(xiàn)沉降異常。為查明原因，業(yè)主、設(shè)計、施工、監(jiān)理相關(guān)單位到現(xiàn)場查看，并組織對全線路基進(jìn)行了詳細(xì)核查，采用動探結(jié)合挖探、鉆探等手段，對全段路基的填料性質(zhì)、填料質(zhì)量、路基壓實、基底換填及基底地質(zhì)狀況等進(jìn)行了核查，并根據(jù)核查結(jié)果將路基的現(xiàn)狀總結(jié)發(fā)現(xiàn)，高路堤(填高≥3 m的路基)、低路堤(填高<3 m的路基)、路塹(挖方換填路基)分別呈現(xiàn)出不同的變化。為了滿足客運(yùn)專線運(yùn)營的高標(biāo)準(zhǔn)要求，對該段路基進(jìn)行整治試驗，取得參數(shù)后進(jìn)行了一系列的試驗研究，效果較好。

2 路基加固施工工藝試驗

按照設(shè)計方案，工藝性試驗分兩階段進(jìn)行，分別為確定施工方法和道岔區(qū)施工方案。

2.1 第一階段試驗

2.1.1 試驗?zāi)康?/p>

(1)通過現(xiàn)場試驗，驗證不同壓力狀態(tài)下旋噴樁、小導(dǎo)管注漿和袖閥管注漿加固路基本體填料、低路堤基床的加固效果及對軌道板的影響，確定用于無砟軌道軌道板已鋪設(shè)條件下加固路基基床的最適宜的加固方案。

(2)通過現(xiàn)場試驗，驗證設(shè)計建議的水灰比、壓力、進(jìn)漿量等施工工藝參數(shù)，獲取旋噴樁、注漿施工對軌道板的影響程度相關(guān)參數(shù)。

2.1.2 旋噴樁加固試驗及結(jié)果

旋噴樁直徑為0.6 m，加固頂面為路肩以下1 m，加固深度為進(jìn)入硬底0.5 m；縱向樁間距1.95 m(軌道板上3.9 m)，橫向每排5根。

通過不同壓力組合和施工工藝的試驗，結(jié)合各方面的數(shù)據(jù)分析，使用旋噴樁加固本段路基成樁效果較差，且會造成軌道變形[1]，不適用于客運(yùn)專線路基整治。

2.1.3 注漿試驗及結(jié)果

(1)施工工藝[2-4]

注漿采用小導(dǎo)管注漿，施工工藝如下。

①定孔位。根據(jù)設(shè)計要求標(biāo)出注漿孔位置，并進(jìn)行復(fù)測。

②鉆機(jī)和注漿設(shè)備就位。注漿孔位標(biāo)定后，移動鉆機(jī)至鉆孔位置，完成鉆機(jī)就位。各類設(shè)備就近安裝，注漿管線固定，長度為30～50 m，以防壓力損失。

③鉆孔。鉆孔用φ110 mm鉆頭人工開孔鉆進(jìn)，深斜孔采用地質(zhì)鉆機(jī)干鉆，淺斜孔采用潛孔鉆，鉆孔完畢，現(xiàn)場管理人員測量成孔深度。

④終孔。鉆孔應(yīng)以實際鉆探深度為準(zhǔn)，加固深度滿足設(shè)計要求，經(jīng)專業(yè)工程師自檢，報請現(xiàn)場監(jiān)理工程師檢查合格后終孔。

⑤清孔。在鉆孔結(jié)束后，要及時進(jìn)行清孔，將孔中碎石等破碎巖芯取出，確保注漿時水泥漿能順利充填破碎巖層和裂隙。

⑥封孔。當(dāng)天引孔當(dāng)天封孔，素混凝土封孔，保證封閉密實。

⑦注漿。注漿前先進(jìn)行試泵和注漿管路的試運(yùn)轉(zhuǎn)。水灰比、注漿壓力、注漿量、終止注漿條件等注漿參數(shù)暫以試驗段設(shè)計參數(shù)控制。

(2)注漿試驗質(zhì)量控制措施

①壓力控制。每臺注漿設(shè)備分別監(jiān)控后臺壓力表、孔口壓力表、百分表，注漿壓力以孔口壓力表控制。

②進(jìn)漿量控制。通過安裝在后臺的流量計控制進(jìn)漿量，在軌道變形允許的情況下，當(dāng)出現(xiàn)注漿壓力小于設(shè)計注漿壓力、漏漿、竄孔時，或者漿液外泄嚴(yán)重時，先停止注漿，待漿液在初凝后，進(jìn)行二次注漿，同時通過間歇式注漿來保證加固質(zhì)量。

③施工流程：施工準(zhǔn)備→引垂直孔→封孔→垂直孔注漿→深斜孔(引孔、注漿)→淺斜孔(引孔、注漿)→清理現(xiàn)場。

2.1.4 第一階段試驗結(jié)果評估

經(jīng)過第一階段的試驗，綜合各方面情況分析，旋噴樁不適合用在本工程的路基加固施工中；同時通過注漿試驗，并經(jīng)過大量現(xiàn)場有效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，獲得了注漿時間、注漿壓力、進(jìn)漿量以及樁間距之間的關(guān)系。從挖探的效果分析，在目前的注漿壓力、布置間距下，漿體的擴(kuò)散作用明顯，相鄰孔之間的漿體已相互重合，路基土體與漿體形成了明顯的膠結(jié)效果，路基密實度、承載力有一定提高，從而驗證了注漿方案可以作為后續(xù)設(shè)計與施工的初步依據(jù)。但還需對道岔區(qū)注漿加強(qiáng)變形監(jiān)測與控制注漿壓力進(jìn)行第二階段試驗，繼續(xù)獲取試驗參數(shù)。

2.2 第二階段試驗

2.2.1 試驗?zāi)康?/p>

在非岔區(qū)選擇與岔區(qū)路基結(jié)構(gòu)相近的地段通過現(xiàn)場試驗，驗證設(shè)計建議的水灰比、壓力、進(jìn)漿量等道岔區(qū)注漿的施工工藝參數(shù)，在確保路基加固效果的前提下，獲取注漿施工對軌道板影響可控的施工參數(shù)及合理的限位措施。

2.2.2 試驗方案

(1)高路堤注漿加固試驗方案

采用袖閥管注漿結(jié)合小導(dǎo)管注漿進(jìn)行加固處理，袖閥管注漿分為斜孔與直孔，小導(dǎo)管注漿分為淺斜孔和深斜孔，采用間隔布置，同類型孔的縱向間距1.0 m，分別布設(shè)于路肩與線路中心。

(2)低路堤加固試驗方案

采用小導(dǎo)管注漿進(jìn)行加固處理，小導(dǎo)管注漿分為淺斜孔、深斜孔和直孔，采用間隔布置，同類型孔的縱向間距1.0 m，分別布設(shè)于路肩與線路中心。

(3)路塹加固試驗方案

采用小導(dǎo)管注漿進(jìn)行加固處理，小導(dǎo)管注漿分為淺斜孔、深斜孔和直孔，采用間隔布置，同類型孔的縱向間距1.5 m，分別布設(shè)于路肩與線路中心。

2.2.3 試驗變形控制

在咨詢道岔及軌道方面的專家，同時經(jīng)過參與各方反復(fù)論證后，按照軌道板隆起量不超過1 mm，不均勻沉降變形量不大于0.5 mm，兩股道外軌的水平高差不大于1 mm進(jìn)行控制。必須注意施工過程中對每個關(guān)鍵工序的嚴(yán)格控制，特別是水灰比、壓力、進(jìn)漿量。

2.2.4 試驗結(jié)果

(1)高路堤注漿試驗結(jié)果(表1)

表1 高路堤袖閥管注漿統(tǒng)計

注：表中位移正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。

高路堤注漿結(jié)論：袖閥管成區(qū)段引孔完成后會造成0～0.8 mm的沉降，注漿會使軌道板隆起，單次最大隆起值為1.9 mm，袖閥直孔施工完成后袖閥斜孔的進(jìn)漿量很小。而高路堤小導(dǎo)管注漿因袖閥管注漿后的影響，注漿會使軌道板隆起，單次最大隆起值為1.3 mm，袖閥管注漿完成后，小導(dǎo)管注漿時進(jìn)漿量少而進(jìn)漿壓力大，容易造成軌道板隆起。

(2)低路堤小導(dǎo)管注漿試驗結(jié)果(表2)

表2 低路堤小導(dǎo)管注漿統(tǒng)計

注：①表中位移正值表示隆起，負(fù)值表示沉降

低路堤小導(dǎo)管注漿結(jié)論：成區(qū)段引孔完成后會造成0～0.79 mm的沉降，注漿會使軌道板隆起，單次最大隆起值為0.9 mm，直孔進(jìn)漿量比斜孔進(jìn)漿量大。注漿后結(jié)束后第3 d軌道變形趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后軌道板平均隆起0.25 mm。

(3)路塹小導(dǎo)管注漿試驗結(jié)果(表3)

路塹小導(dǎo)管注漿結(jié)論：成段引孔完成后會造成0～0.39 mm的沉降，注漿會使軌道板隆起，單次最大隆起值為1.51 mm，直孔進(jìn)漿量比斜孔進(jìn)漿量大。注漿結(jié)束后第2 d軌道變形趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后軌道最終平均隆起量為0.2 mm。

2.2.5 第二階段試驗結(jié)果評估

通過在非道岔區(qū)路基區(qū)段模擬道岔區(qū)注漿加固試驗，并嚴(yán)格按照初步制定的設(shè)計參數(shù)施工，進(jìn)行嚴(yán)密的工序卡控，輔以比較直觀的監(jiān)測手段(控制限位措施)，通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，軌道的最終位移量是可控的(控制在軌道可調(diào)整范圍以內(nèi))，同時路基加固補(bǔ)強(qiáng)效果明顯，試驗結(jié)果通過了專家評審會評審，試驗取得的道岔區(qū)注漿工藝參數(shù)及軌道變形等數(shù)據(jù)，可以作為后續(xù)施工的依據(jù)。

表3 路塹小導(dǎo)管注漿統(tǒng)計

注：表中位移正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。

3 路基加固設(shè)計

3.1 高路堤袖閥管結(jié)合小導(dǎo)管注漿加固設(shè)計(圖1)

袖閥管注漿分別為深斜孔與直孔；小導(dǎo)管注漿分別為淺斜孔和深斜孔，深斜孔孔深4.6 m，淺斜孔孔深2.15 m。

3.2 低路堤小導(dǎo)管注漿加固設(shè)計(圖2)

橫斷面上每排注漿孔由2排縱向間距0.75 m的注漿孔組成，分為垂直注漿孔、淺部斜孔(孔深2.15 m，鉆孔俯角為25°)、深部斜孔(孔深2.86 m，鉆孔俯角54°)。

圖1 高路堤加固橫斷面示意(單位：m)

圖2 低路堤小導(dǎo)管注漿加固橫斷面示意(單位：m)

3.3 路塹小導(dǎo)管注漿加固設(shè)計(圖3)

橫斷面上每排注漿孔由2排縱向間距0.75 m的注漿孔組成，分為垂直注漿孔、淺部斜孔(鉆孔俯角為25°)、深部斜孔(鉆孔俯角54°)。

圖3 路塹小導(dǎo)管注漿加固橫斷面示意(單位：m)

4 加固處理施工

4.1 加固總體情況

高路堤加固采用袖閥管注漿結(jié)合小導(dǎo)管注漿處理，低路堤及路塹加固采用小導(dǎo)管注漿處理，按照二階段試驗參數(shù)進(jìn)行施工。

4.2 施工工藝

4.2.1 工藝流程

(1)施工順序：先兩側(cè)后中間，先深孔后淺孔，分段進(jìn)行。

(2)引孔：袖閥管和小導(dǎo)管深斜孔采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行引孔；淺斜孔先用手鉆破除封閉層混凝土，然后用潛孔鉆進(jìn)行引孔。

(3)填充：孔內(nèi)安裝進(jìn)漿管與出漿管，隨后在孔內(nèi)充填直徑5～10 mm碎石。

(4)封孔：引孔完成后及時進(jìn)行封孔，采用C15素混凝土，封孔厚度不小于50 cm，保證封閉密實。

(5)壓漿：采用旋流式攪拌機(jī)進(jìn)行漿體攪拌，注漿前先進(jìn)行試泵和注漿管路的試運(yùn)轉(zhuǎn)，試泵合格，注漿管路運(yùn)轉(zhuǎn)正常方可進(jìn)行壓漿作業(yè)施工。

4.2.2停漿條件：[5-7]

(1)注漿壓力達(dá)到設(shè)計給定的最大值，且穩(wěn)壓時間大于10 min。

(2)當(dāng)注漿壓力小于設(shè)計值，發(fā)生漿液嚴(yán)重外泄時，應(yīng)停止注漿，待漿液初凝后進(jìn)行二次注漿。

4.2.3 控制措施

總體原則：嚴(yán)格按設(shè)計要求控制壓力和進(jìn)漿量，在滿足這一前提條件下采取必要的技術(shù)手段和監(jiān)控手段，按滲透注漿的原則，確保不破壞軌道板，從而達(dá)到對路基本體加固補(bǔ)強(qiáng)的作用。質(zhì)量卡控措施[8]如下。

①引孔質(zhì)量控制：鉆機(jī)就位后由專門的技術(shù)人員對鉆機(jī)鉆桿的傾斜角度進(jìn)行測量，施工過程中記錄各孔位的施工時間，并對鉆孔的芯樣進(jìn)行描述。鉆進(jìn)過程中應(yīng)注意觀察地層變化及其他異常情況，如孔內(nèi)有水或者其他不明物體，及時向該管段作業(yè)班長、技術(shù)負(fù)責(zé)人匯報。同時，通過鉆桿刻度進(jìn)行孔深控制。鉆孔至設(shè)計深度后請監(jiān)理檢查，檢查合格再進(jìn)行下個孔位的引孔施工。

②封孔質(zhì)量控制：主要控制封孔混凝土本身的密實性和與周邊孔位的緊密結(jié)合。首先對封孔混凝土的配比進(jìn)行優(yōu)化，先后進(jìn)行了摻加減水早強(qiáng)劑、速凝劑、水玻璃等措施確保封孔的時效和質(zhì)量，通過比選最終確定使用減水早強(qiáng)劑，主要考慮其密實性有保證、混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，但在早強(qiáng)方面相對較欠缺。設(shè)置專班進(jìn)行封孔混凝土的施工，嚴(yán)格按交底的配合比進(jìn)行，技術(shù)和現(xiàn)場人員進(jìn)行卡控。對封孔厚度進(jìn)行了在最大壓力下的理論計算，主要考慮了混凝土與孔壁的粘接力，并通過了各種條件下的實際檢驗，最終確定為50 cm封孔厚度?？紤]冬季施工條件，對封孔混凝土進(jìn)行及時合理的養(yǎng)護(hù)和覆蓋，避免凍傷。

③漿體質(zhì)量控制：對漿體原材料水泥按規(guī)范要求進(jìn)行及時送檢，合格后方可使用。設(shè)置專門的保管場所，確保水泥在干燥狀態(tài)下不結(jié)塊。使用比重計對漿體的容重進(jìn)行現(xiàn)場卡控，主要利用了水灰比與漿體容重一一對應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行間接控制。因注漿施工跨越冬季，須嚴(yán)格控制攪拌時間、及時掌握現(xiàn)場溫度，使?jié){體在冬季條件下不發(fā)生沉淀、不受凍。同時，在漿體外溢嚴(yán)重時、壓力很難達(dá)到的前提下進(jìn)行二次注漿，確保注漿孔的擴(kuò)散半徑，也可將使孔口沉淀的漿體重新恢復(fù)均勻。

④壓力控制：在壓漿泵的出漿口和進(jìn)漿管的管口處設(shè)置防振壓力表，設(shè)專人進(jìn)行記錄，嚴(yán)格按設(shè)計要求進(jìn)行注漿。在注漿過程中，通過對講、復(fù)述進(jìn)行前后的協(xié)調(diào)，確保壓漿的質(zhì)量和效率。

⑤進(jìn)漿量控制:主要通過電磁流量計進(jìn)行現(xiàn)場卡控，設(shè)專人進(jìn)行記錄。

⑥排水系統(tǒng)的優(yōu)化：對注漿過程中可能受影響的盲溝進(jìn)行全過程沖水，防止堵塞。對發(fā)現(xiàn)堵塞的或者排水不暢的排水溝，進(jìn)行及時疏理。特別重視在鉆進(jìn)過程中水的疏導(dǎo)，必要時在孔位處插打排水管。

⑦軌道板的合理控制：主要通過對稱注漿、間歇式注漿、分區(qū)段跳槽注漿實現(xiàn)。同時通過必要的技術(shù)輔助措施，對軌道板進(jìn)行監(jiān)控。

⑧內(nèi)業(yè)資料控制：對每天的原始記錄進(jìn)行逐級通報，并整理成電子文檔臺賬，及時分析當(dāng)天注漿過程中出現(xiàn)的問題，以利后續(xù)改進(jìn)。

通過現(xiàn)場挖探和重型動探，可以發(fā)現(xiàn)注漿后，漿液與路基填料的膠結(jié)效果明顯，也不難判斷其強(qiáng)度和密實性已大于其加固前的路基本體，從而實現(xiàn)了對原有路基加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。

5 路基加固效果驗證

為檢驗路基加固效果，對路基沉降觀測的對比來檢測路基注漿加固效果。同時對機(jī)車壓道期間加固段沉降進(jìn)行平行監(jiān)測。

5.1 驗證分析方法的確定

機(jī)車壓道，時間40 d。

機(jī)車壓道采用2臺DF4B型機(jī)車，相關(guān)參數(shù)滿足我國高鐵客運(yùn)專線設(shè)計動車軸重要求。

5.2 機(jī)車壓道期間加固段沉降觀測

(1)觀測目的：為檢測加固效果，采用機(jī)車進(jìn)行壓道，通過觀測布設(shè)于軌道板支撐層上的沉降觀測樁絕對高程值變化，來判定路基沉降情況[9]。

(2)觀測斷面及觀測樁布置：所有觀測樁均埋設(shè)于軌道板支撐層上，觀測斷面間距為30 m，在涵洞過渡段、道岔地段均進(jìn)行了加密[10]。

(3)觀測方法及頻次：采用閉合二等水準(zhǔn)測量，共進(jìn)行了6次測量，其中壓道前1次，壓道期間4次，壓道完成后1次。

(4)壓道數(shù)據(jù)分析：分析了104個斷面，208個沉降觀測點(diǎn)，加固最大沉降1.77 mm，最大隆起1.39 mm，其中累計沉降值大于1 mm的點(diǎn)有9個，占觀測點(diǎn)總數(shù)4.32%，累計隆起值大于1 mm的點(diǎn)有9個，占觀測點(diǎn)總數(shù)的4.32%。道岔各項參數(shù)滿足驗標(biāo)的要求[11]。典型時程曲線如圖4所示。

圖4 典型時程曲線示意

由圖4可見，路基沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，沉降速率和沉降量滿足客運(yùn)專線路基的沉降要求[12]。

6 加固效果總體分析

根據(jù)設(shè)計院提供的試驗參考數(shù)據(jù)，進(jìn)行了大量、深入、細(xì)致的路基加固試驗性工作，取得了大量的一手資料，剔除了一些效果不佳的施工方法，同時也驗證了一些行之有效的路基加固方法。通過各方對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，以及多次詳細(xì)的專家會評審，得到了指導(dǎo)加固實施的工藝參數(shù)和相關(guān)質(zhì)量控制措施，采用小導(dǎo)管和袖閥管等注漿方法進(jìn)行路基加固施工，對注漿壓力、進(jìn)漿量、軌道變形等指標(biāo)嚴(yán)格控制，通過挖探、機(jī)車壓道、物探、沉降觀測等各種驗證手段，比較直觀地看到了加固效果，特別是通過加固前后沉降、地震面波檢測等大量的數(shù)據(jù)對比分析，證明達(dá)到了設(shè)計路基加固的預(yù)期目的。該段整治后，高速鐵路運(yùn)行已經(jīng)2年，未出現(xiàn)異常情況。

7 結(jié)論

客運(yùn)專線無砟軌道路基沉降觀測出現(xiàn)異常情況，采用注漿加固的辦法并采用機(jī)車壓道進(jìn)行檢驗整治效果的做法是可行的，值得借鑒。

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Study on Ballastless Track Subgrade Consolidation without Destructing Slab

WANG Li

(China Railway 7th Bureau Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016, China)

2013-12-13；

：2014-01-08

中國鐵路工程總公司科技進(jìn)步項目(20124054)

王 立(1975—)，男，高級工程師，1996年畢業(yè)于西南交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail:343582272@qq.com。

1004-2954(2014)09-0061-06

U238； U213.1+5

：B

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.09.016