宋緒國,張志民,陳洪運,郭世周,董　捷,劉晶磊

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津　300251;2.鐵道第三勘察設計院集團

有限公司軌道交通勘察設計工程實驗室,天津　300251)

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加筋水泥土樁在既有重載鐵路路基加固中的應用研究

宋緒國1,2,張志民1,陳洪運1,2,郭世周1,董捷1,2,劉晶磊1,2

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津300251;2.鐵道第三勘察設計院集團

有限公司軌道交通勘察設計工程實驗室,天津300251)

摘要：由于路基病害及運能提高等因素,部分既有重載鐵路路基強度已無法滿足當下運營需求,需要進行加固處理。為了不影響既有重載鐵路的正常運營,提出用水平旋噴加筋水泥土樁加固既有重載鐵路路基的加固措施。結合朔黃線某路基現(xiàn)場試驗段,介紹該加固措施的施工機具、施工工藝、操作參數(shù)、施工質量控制措施及施工安全注意事項。通過現(xiàn)場試驗,證實了采用水平旋噴加筋水泥土樁加固既有重載鐵路路基是可行的,施工期間線路正常運營,施工便捷,加固效果好。

關鍵詞：既有鐵路；重載鐵路；路基加固；加筋水泥土樁；水平旋噴樁

1概述

重載鐵路運輸能力大，經(jīng)濟和社會效益顯著，為適應我國重載鐵路運量不斷增大，軸重不斷提高的發(fā)展需求，須對既有線進行擴能改造。由于既有重載鐵路路基設計標準低，部分地段路基強度難以滿足重載擴能要求，需要進行加固[1]。

經(jīng)過多年的工程實踐，針對重載鐵路路基加固措施已形成了一些較為成熟的方法，按加固位置可分為路基旁側加固和路基面加固，按施工方法可分為換填法、注漿法、旋噴樁法、封閉基床法、擠密樁法、加筋法等[2-3]。

國外重載鐵路行車密度小，這為既有線加固爭取了時間，一般采用拆鋪的方法在路基面上對既有線實施換填加固，或采用砂樁、碎石樁等加固措施。

針對我國重載鐵路行車密度高且不能中斷運營的特點，現(xiàn)基于前期研究成果[4-9]，參考相關規(guī)范標準[10-12]，提出采用水平旋噴加筋水泥土樁的施工工藝對既有重載鐵路路基進行加固，并在采用數(shù)值仿真技術對其作用機理進行了初步研究[13]之后，于朔黃線試驗段進行了現(xiàn)場施工試驗，驗證該方法的可行性。

該方法所涉及到的旋噴工藝是用漿液作為高壓射流，同時進行旋轉和推拉，漿液借助高壓作用與土顆粒混合，并產生凝膠作用，形成水泥土樁體，提高路基承載力、減少路基變形。

2工程概況

朔黃鐵路西起山西省神池縣神池南站，與神朔鐵路相聯(lián)，東至河北省黃驊市黃驊港口貨場。正線總長近600 km，設計為國家Ⅰ級干線、雙線電氣化鐵路，2002年11月1日通車運營，設計年運輸能力為近期(2005年)6 800萬t，遠期(2010年)1億t，而2007年朔黃線的實際運輸總量已達1.3億t，已超出了遠期設計年運輸能力，處于超負荷運作狀態(tài)，部分路基地段塑性累計變形明顯，亟待進行加固。

施工試驗地點位于朔黃線北大?！仫L區(qū)間內的K78+740～K78+790段，路堤高4 m，樁位布置于路肩下1～1.5 m，樁間距0.5～3 m。

3施工機具

應用于本施工試驗的水平旋噴鉆機是專門研制的配套施工設備，具有自主知識產權。該鉆機為全液壓注漿鉆機，所有部件(包括動力站﹑給進機構﹑動力頭﹑鉆架﹑夾持機構、操作臺等)分裝在動力源部分、執(zhí)行部分和操作部分三大主體上，并且三大主體之間可自由拆卸。其中鉆機支架和液壓泵站可移動，全液壓動力鉆架配備自動擰卸機構，操作臺的壓力測速儀表齊全(圖1)。

圖1　旋噴鉆機

其主要特點如下：

(1)操作簡單、自動化程度高、傳動可靠﹑結構緊湊、高壓密封可靠；

(2)儀表齊全，能及時反應鉆進速度、回轉速度和液壓系統(tǒng)工作狀況；

(3)液壓系統(tǒng)設計合理，先進而簡單，帶有自我保護，有較高的可靠性；

(4)手柄集中操作，操作簡單可靠；

(5)動力頭拉軸設有卸扣浮動機構，以減少對鉆桿絲扣的磨損；

(6)油管配有快速接頭，鉆機各個部分采用分體式結構，可方便拆卸運輸。

4施工工藝流程

針對本施工試驗的施工工藝特點，提出如下施工工藝流程，施工過程中遵照該流程進行具體的施工作業(yè)。加筋水泥土樁施工工藝流程見圖2。

圖2　加筋水泥土樁施工工藝流程

4.1施工準備

(1)技術準備：詳細了解加固試驗段路基填料狀況、施工圖和運營單位要求，根據(jù)現(xiàn)場情況，設置現(xiàn)場的平面和高程控制點，并加以保護。

(2)場地準備：進場前考察場地條件，對施工作業(yè)面進行清理，割除路堤邊坡表面的雜草及灌木。

(3)物資準備：主要設備、材料要先落實貨源，再按計劃采購、供應，陸續(xù)進場。

4.2鉆孔定位

在正式施工作業(yè)前，要做好孔位的定位放線工作，孔位須避開施工障礙物，不影響線路的正常運營，確定好各個作業(yè)孔的位置后，做好標記。

4.3搭設作業(yè)平臺

根據(jù)現(xiàn)場情況，在路基兩側分別搭設鉆機作業(yè)平臺和工字鋼焊接作業(yè)平臺。

(1)鉆機作業(yè)平臺

作業(yè)平臺搭設方法是固定一排腳手架，腳手架上鋪設木板作為施工平臺，其高度視鉆機高度、鉆孔位置而定，保證鉆機放置其上剛好達到預定鉆孔高度。

控制好腳手架平臺的水平度，在平臺上鋪設工字鋼作導軌，用吊車整體吊放鉆機于導軌上，如果鉆架未達到水平，可調節(jié)支架后立桿卡子高度使鉆架水平，支架緊固好后，沿著導軌推動鉆機，檢查導軌是否穩(wěn)定，平行與否，確認無問題后，將操作臺安放于鉆機支架上。

將液壓泵站吊放于平臺上，液壓泵站裝有輪子，為便于移動，可同樣在平臺上鋪設導軌以節(jié)省人力。

(2)工字鋼焊接作業(yè)平臺

工字鋼焊接作業(yè)平臺搭設的方法同鉆機作業(yè)平臺；考慮到焊接作業(yè)平臺負重要比鉆機作業(yè)平臺小，腳手架的鋼管密度可適當減小；平臺高度要略低于鉆桿在該側的出孔位置，為工字鋼的焊接施工提供便利，使得施工人員可以較好地完成工字鋼的焊接工作。

4.4施工設備調試及檢查

本施工試驗的水平旋噴鉆機是專門研制的配套施工設備，有特殊的安裝要求。

4.4.1調試鉆機

將鉆機各分體模塊吊放到位后，按照編號插接好油管，連接好鉆機動力系統(tǒng)，接通電源，點接接通按鈕隨即按停止按鈕，查看電機是否順時針轉動，如反轉，任意倒換兩根火線即可。

電源接好后，啟動電機油泵，進行旋轉、提拉、擰卸操作，檢查油路密封性。

4.4.2高壓系統(tǒng)檢查

連接好高壓管，用清水進行高壓試驗；試驗時噴嘴切勿對著有人方向；如有卸漏，必須檢查修復。

4.5鉆機對位調平

推動鉆機至指定鉆孔位置，左右移動鉆機前后輪，調整鉆機方位，使其在水平方向與鉆孔對好位，避免鉆孔錯位或沿線路方向偏斜。

本現(xiàn)場試驗采用的是水平旋噴樁，需要嚴格控制樁體的傾斜度，故而在水平對位完成后，還需調整鉆機的傾斜度。將水平尺置于鉆機主架中間，觀察水平氣泡，調整前后腳手架及鉆機支架的高度，使鉆機水平。

鉆機對位、調平后，固定滾輪，動力頭推進，使鉆頭貼著邊坡，開始鉆進作業(yè)。

4.6漿液拌制

在施工現(xiàn)場拌制水泥漿，泵送至旋噴鉆機。漿液配比選定后，首先將水加入桶內，再將水泥和外加劑倒入，開動攪拌機攪拌10～20 min，然后擰開攪拌桶底部閥門，放入第1道過濾篩(孔徑0.8 mm)，過濾后流入泥漿池，然后通過泥漿泵抽入第2道過濾篩(孔徑0.8 mm)，進行二次過濾后，流入泥漿桶備用。泥漿桶的漿液，通過高壓泵加壓后，經(jīng)高壓管送至鉆機用于旋噴注漿。

4.7水平鉆進引孔

在引孔鉆進過程中，為保證路堤內部土體結構的整體穩(wěn)定性，確保行車安全，鉆進過程嚴禁使用清水，應嚴格使用水泥漿液鉆進。為方便施工的連續(xù)性，鉆進水泥漿液與旋噴漿液通用。

水平鉆進引孔作業(yè)時，需要根據(jù)土層情況調好轉速，鉆進速度手動控制，第一根鉆桿鉆進時應放慢速度，保證鉆架穩(wěn)定，鉆入第一根鉆桿后，可適當加快，控制鉆進過程中的反力水平，鉆進過程中給壓要平緩，嚴禁猛推給進操作桿，防止頂動鉆架，總的原則是要保持鉆架的穩(wěn)定性。當?shù)谝桓@桿完成后，停止噴漿，此時壓力下降，接長鉆桿，再繼續(xù)噴漿、鉆進直至設計位置。為保證旋噴成樁施工過程中在路基對側不出現(xiàn)漿液外流，引孔鉆進至距離出孔處約2 m即停止鉆進，擰卸、抽出鉆桿，將引孔鉆頭換成旋噴鉆頭，開始水平旋噴成樁施工。鉆機施工鉆頭如圖3所示。

圖3　鉆機施工鉆頭

4.8水平旋噴成樁

采用旋噴鉆頭，按鉆桿每推進2 m(1根鉆桿長度)，回拉旋噴成樁，再向前鉆進2 m，再回拉旋噴成樁的工藝，直至打穿整個路基，凝固后形成樁體。水平旋噴成樁施工流程見圖4。

圖4　水平旋噴成樁施工流程

水平旋噴成樁的具體操作內容如下。

(1)調轉速：向正轉方向輕輕推動轉速手柄，觀察轉速表，數(shù)字顯示達到工藝要求的轉速停止轉速自然固定。

(2)給漿壓：轉速調好后通知后臺調節(jié)高壓泵轉速，達到要求壓力且穩(wěn)定后通知旋噴機操作人員。

(3)提拉噴漿：接到壓力達到要求的通知后，慢慢調節(jié)給進手柄的旋轉螺絲，觀察給進表，數(shù)字顯示達到工藝要求的提速停止提速自然固定。

(4)擰卸鉆桿：本鉆機擰卸鉆桿主要靠液壓系統(tǒng)完成。完成一根鉆桿行程后，兩根鉆桿接頭位到前后夾持器中間，漿液停止給壓，推動前夾持器手柄夾緊前面鉆桿，動力頭反轉卸開主動鉆桿錐扣，推動后夾持器手柄夾緊后面鉆桿并保持直至油缸轉動卸開夾持器之間錐扣，再用鏈鉗或者管鉗人工擰卸取下鉆桿。

為減少漿液流失，鉆孔兩頭0.5 m范圍內應減小壓力，使兩頭樁體變小，形成口袋形，防止?jié){液流出，發(fā)生脫空現(xiàn)象，見圖5。

圖5　口袋形約束水泥土漿液

4.9插工字鋼

在每根水泥土樁內插入加筋材料，本現(xiàn)場施工試驗的加筋材料采用工字鋼，型號為I10型鋼，截面高度100 mm，截面寬度63 mm，腹板厚度4.5 mm，翼緣厚度4.5 mm。

插入過程具體操作內容如下。

穿鋼絲繩：旋噴鉆頭穿過路堤后，將鉆頭與鋼絲繩一端連接，另一端與工字鋼連接，回拉拆卸鉆桿，將鋼絲繩一端拉過路堤。

固定卷揚機：于鉆孔水平位置處固定好卷揚機，要求卷揚機的鋼絲繩導向輪輪頂正對或者稍高于鉆孔。

拉工字鋼：為方便鋼絲繩拉拽工字鋼，將工字鋼一端翼緣切割成三角形并在腹板開孔(圖6)，開孔與鋼絲繩連接好后，工字鋼尖頭對準孔位，保持整根工字鋼與鉆孔成一線。開動卷揚機拉穿工字鋼，拉動后要一氣呵成，中間不要停留。一根樁需要3根工字鋼連接才能貫穿，中間需要進行2次焊接作業(yè)，將2根工字鋼對齊后，先用短粗鋼筋幫焊，待2根工字鋼連接基本牢固后，再對焊。插工字鋼施工流程見圖7。

圖6　工字鋼切割及開孔

圖7　插工字鋼施工流程

4.10沖洗機具

按照上述操作，鉆機完成單孔注漿、將鋼絲繩拉過路堤后，應及時移動鉆機，為卷揚機提供作業(yè)空間，并用清水沖洗鉆具、管路、高壓泵等漿液輸送系統(tǒng)，如間隔時間不長，可進行簡短沖洗。

4.11連系梁

所有加筋水泥土樁施工完成后，在樁兩端分別用加筋水泥土連系梁連接各樁，將加筋水泥土樁形成一個整體結構，提高加固結構的整體穩(wěn)定性，增強加固效果。

5施工工藝參數(shù)

(1)旋噴樁施工前必須試樁，試樁數(shù)不少于2根，以查明旋噴固結體的強度和直徑，驗證設計的可靠性和安全度，確定各項施工參數(shù)。

(2)嚴格控制水平度，旋噴機就位后，應對鉆機進行水平校正，使鉆頭水平鉆穿路基，必須保證孔身偏斜度(沿線路方向與路堤剖面)≤1%。

(3)鉆進過程中嚴禁水鉆，漿液采用純水泥漿，水灰比為0.8～1∶1。

(4)水泥采用強度等級為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥，用水按國家現(xiàn)行規(guī)定要求執(zhí)行，外加劑為NNO(亞甲基二萘磺酸鈉)0.5%、711型速凝劑3%。

(5)按照設計要求的水灰比攪制漿液，漿液不得出現(xiàn)沉淀離析現(xiàn)象，對于超過6 h的漿液應及時停止使用。

(6)施工過程中旋轉速度16～20 r/min，提拉速度15～20 cm/min，引孔噴射壓力0～15 MPa、旋噴噴射壓力15～25 MPa。

(7)旋噴過程中漿壓必須穩(wěn)定達到確定值，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)壓力不穩(wěn)或達不到要求，應及時停噴檢修。

(8)旋噴成樁時宜均勻連續(xù)施工，無論何種原因造成停噴，再噴時須再鉆20 cm以上進行搭接，以防樁體脫節(jié)。

(9)旋噴樁施工時，應加強監(jiān)測路基、軌道、接觸網(wǎng)立柱變形情況，以不影響運營安全為原則。

(10)相鄰樁嚴禁連續(xù)施工，必須至少間隔4根樁，已成樁體未達到固化時嚴禁施工相鄰樁，一般應至少間隔48 h。

(11)施工結束28 d后應進行質量檢查，抽取總樁數(shù)2%的樁進行鉆芯取樣，進行抗壓強度試驗，要求28 d無側限抗壓強度不小于2.0 MPa。

6成樁效果檢驗(圖8)

為直觀檢驗成樁效果，施工完成后開挖了部分樁體的邊坡部分，觀測發(fā)現(xiàn)，成樁均勻，樁體輪廓清晰，基本呈圓形，工字鋼位于樁體截面下部。

樁徑測量結果為：當旋噴壓力為18 MPa時，樁徑為0.3～0.33 m，當旋噴壓力為20 MPa時，樁徑為0.38～0.4 m。

圖8　施工完成后的樁體

7結語

就各類加固處理方法對運營的干擾程度看，水平旋噴加筋水泥土樁屬于路基旁側加固法，在路基邊坡上施工，采用高壓注漿改良土體并插入工字鋼等加筋材料的施工措施，提高路基承載力，減少路基下沉，鉆孔孔徑小，對線路正常運營沒有影響，對于解決工期緊、質量要求高的重載鐵路來說，這種路基加固技術優(yōu)勢突出。

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Application of Reinforced Soil-Cement Mixed Pile in Strengthening Existing Heavy Haul Railway Subgrade SONG Xu-guo1,2, ZHANG Zhi-ming1, CHEN Hong-yun1,2, GUO Shi-zhou1, DONG Jie1,2, LIU Jing-lei1,2

(1.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251, China; 2.Engineering Laboratory of Rail Traffic Survey and Design, The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation, Tianjin 300251, China)

Abstract：Due to ubgrade defects and transport capacity expansion, the subgrade strength of some existing heavy haul railway is too weak to satisfy the demand of current transportation. Horizontal jet-grouting reinforced soil-cement mixed pile is presented to strengthen the subgrade and maintain normal services of the existing heavy haul railway. Based on a field subgrade test section on Shuo-Huang heavy haul railway line, details of the strengthening measure are introduced, including equipment, technological process, parameters, quality control measures and security considerations of the construction. Results of the field construction test show that it is feasible to strengthen the subgrade with horizontal jet-grouting reinforced soil-cement mixed piles without interruption to the service of the existing heavy haul railway line, and the construction is easy with good results

Key words：Existing railway; heavy haul railway; Subgrade strengthening; Reinforced soil-cement mixed pile; Horizontal jet-grouting

中圖分類號：U213.1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.007

文章編號：1004-2954(2015)05-0032-05

作者簡介：宋緒國(1965—)，男，教授級高級工程師，1989年畢業(yè)于石家莊鐵道學院，工學學士，E-mail：songxuguo@tsdig.com。

基金項目：國家科技支撐計劃項目(2013BAG20B00)

收稿日期：2015-02-27