CFG桩在石武客运专线路基工程地基处理中的应用

杨维威

(中铁十九局集团有限公司,辽宁辽阳 111000)

1 工程概况

新建石家庄至武汉铁路客运专线(河南段)SWZQ-2标段DK590+281.78～DK593+259.55、DK597+844.26～DK600+908.4路基工程地基处理采用CFG桩加固。CFG桩共138万m,设计直径为50cm,单桩设计承载力不小于500～650kN。桩顶设置50～80cm厚级配碎石褥垫层。设计桩长12～20m,过渡段,应力扩散角以内正方形布置,间距1.5m,应力扩散角以外长方形布置,纵向间距1.5m,横向间距1.6～1.8m;非桥头过渡段,应力扩散角以内正方形布置,间距1.5(1.6)m,以外长方形布置,纵向间距1.5(1.6)m,横向间距1.8 m;车站站台区纵向桩间距1.5m,横向分为两部分,站台内边缘斜向下按1∶1应力扩散区域,桩间距1.5m布置;两侧与之相邻区域为1.8m。

2 工艺性成桩试验

试验地点选在DK599+400～DK599+425(桩间距1.5m)线路右侧,路基坡脚线外侧,红线征地界内侧,该处下卧地质情况为黏土,软塑～硬塑。通过CFG桩试验完成设备选型、确定施工工艺和施工顺序,确定混合料配合比、坍落度、搅拌时间、钻机拔管速度等各项工艺性参数[1],并形成具有指导性意义的工法,以指导本试验段以后CFG桩的施工。

2.1 试验方案

本次试桩采用长螺旋钻进法施工,试桩数量为3根,试桩桩号:248-1,248-2,248-3。

桩间距按设计要求布置,间距为1.5m(表1)。

表1 CFG桩桩位情况

(1)试桩现场做到“三通一平”

①水:施工用水采取挖机井的方式解决,线路征地界两侧挖排水沟,以满足路基排水需要。

②电:采用地方网电和自发电相结合的方式。

③路:本着节约用地,保护环境的原则合理选择施工便道,跨越沟渠处搭设施工便桥,以满足车辆通行需要。

④场地平整:满足CFG桩机施工和材料运输、机械进出的需要。

(2)材料要求

混合料各种原材料必须满足规范标准和设计要求,通过检测选用的原材料分别为:水泥为新乡平原同力水泥股份有限公司生产的同力牌P.O42.5水泥,砂为辉县满天星生产的机制中砂,碎石为辉县青青采石场5～25mm碎石,粉煤灰为济源沁北五龙环保电厂的Ⅱ级粉煤灰,外加剂为浙江五龙化工公司的ZWLA-IX型高效减水剂。CFG桩桩身混合料28d龄期标准立方体抗压强度不小于20MPa;坍落度要求:泵送混合料控制在160～200mm。泵送混合料配合比为:水泥∶河砂∶碎石∶粉煤灰∶外加剂∶水=1∶4.71∶6.24∶1∶0.014∶1.02,搅拌时间按普通混凝土要求进行控制,且不少于60s。

(3)主要机具

DDJ-32型长螺旋钻机1台(主要参数:钻孔直径500mm、最大成孔深度22m,动力头功率45kW×2)、混合料输送泵1台、250kW发电机1台,混合料振捣棒2台、三级电箱2个、混凝土运输车3台。

(4)施工工艺

成桩施工采用长螺旋成孔芯管内泵压混合料成桩[2]。对于芯管内泵送混合料施工时,单桩混合料控制以记录输送泵的泵送次数来推算单根桩的灌注量。

2.2 试验过程

(1)施工放样

按施工图放出路基横断面,然后根据“CFG桩桩位平面布置图”用经纬仪、钢尺放出每个桩孔位,并撒白灰插钎子标记,误差控制在现行标准要求以内。

(2)钻机就位

施工机具进行试拼、组装。稳定好钻机,立钻架并调整安设好起吊系统。调平钻机,使钻机钻杆垂直,垂直度偏差不大于1%,钻机钻头中心和桩孔中心重合。

(3)钻进成孔

①桩机上每米设有明显的反光标志,以确定进尺深度。标记的刻度要经现场监理认可,夜间施工要有照明设施,保证刻度标志清晰可见。

②钻机调整好后开始旋转挤入钻进,钻进时要注意控制钻进速度,并做好过程记录。施工前,先做地质探测孔以复核地质资料,并记录地质变化时电流的变化,以便施工时作为判断地质情况的参考。施工顺序以沿路基方向成排顺序施工。

③钻进时遇电流有明显变化时记录下钻进电流和钻进深度,继续加大钻进电流,向下钻进达到设计要求深度。

(4)混凝土灌注

①按照试验室确定的配合比进行粉煤灰混凝土拌制,拌和过程中严格控制搅拌时间,拌和时间不小于60s。控制拌和用水量,混合料坍落度应控制在16～20cm,混合料坍落度不宜过大,否则形成桩顶浮浆过多,桩体强度也会降低;混合料坍落度过小,泵送性能较差。总结出粉煤灰混凝土最佳施工用水量,并做2组试块,检验桩身粉煤灰混凝土强度,验证施工配合比。

②成孔至设计高程后,停止钻进,开始泵送混合料,当钻杆芯管内充满混合料后开始拔管,压灌混合料时一次提钻高度小于25cm,采用静止提拔,提拔速度控制在2～3m/min。严禁先提管后泵料。

③灌注结束后,用插入式振捣棒对桩顶混合料加振3～5s,提高桩顶混合料密实度。上部用土封项,保证桩顶不出现干缩裂纹。

2.3 成桩质量检测

(1)桩身完整性检测

CFG桩桩身完整性采用低应变动力试验检测,检测工作由中南大学工程检测研究所基桩检测站承担,经检测3根桩均为I类桩。

(2)CFG桩混合料强度

①现场制作混合料标准立方体试件8组,进行28 d标准养护后,进行试件抗压强度检验。经试块抗压强度检验,平均抗压强度为29.7MPa,全部合格。

②按照《铁路工程结构混凝土强度检测规程》(TB10426—2004)[4]规定,分别对248-1桩和248-3桩进行了钻芯取样,芯样试件每孔取3组,芯样直径为100mm,芯样试件的高度与直径之比为1∶1。经试验室检测248-1桩上部结构混合料强度推定值为23.7、24.4MPa,中部结构混合料强度推定值为28.6、29.2MPa,下部结构混合料强度推定值为29.2、27.4 MPa,全部合格;248-3桩上部结构混合料强度推定值为27.9、23.0MPa,中部结构混合料强度推定值为25.8、26.6MPa,下部结构混合料强度推定值为29.0、29.4MPa,全部合格。

2.4 试桩结论

(1)加强工程地质复核。在施工前先在规划好的断面位置进行地质复核,并进行详细记录绘制成地质纵断面图,作为施工参考;或在一定区域范围内第一个孔进行地质复核,作为本区域CFG桩施工的依据。在钻进时,记录每米电流变化并记录电流突变位置的电流值,作为地质复核情况的参考。

(2)确定了施工设备和施工工艺。使用长螺旋钻机成孔及芯管泵送混合料灌注的施工方法,成桩速度快、质量比较好[3],适合本试验段施工。在试桩期间也曾试用过多种设备,如振动沉管因地层较硬只能打到地表以下2～3m,很难达到设计深度;捶击沉管虽然成孔质量较好、效率高,但对邻桩影响较大,故均未采用。

(3)确定了混合料原材料和配合比。混合料的各种材料技术指标均满足规范要求,采用试验配合比的抗压强度满足设计要求。

(4)确定了相关参数。采用该工装时,泵送混合料配合比的坍落度控制在16～18cm,混合料搅拌时间控制在60～120s,拔管速度控制在2.2m/min,施打顺序按成排顺序施工,成桩后不允许机械扰动。

3 路基CFG桩施工

在DK597+844.26～DK600+908.4段路基施工中采用长螺旋钻进成孔芯管内泵送混合料成桩的施工方法,在施工中加强泵送混合料成桩的施工控制,以提高CFG桩的成桩质量;加强各工序间的施工配合,以提高成桩的速度;在施工中不断积累相关数据,为以后施工提供参考经验。

(1)长螺旋施工工艺流程[4]

原地面处理→测量放线→钻机就位→钻孔至设计高程→停钻→泵送混合料→混合料灌满后按规定速度边泵送边提拔钻杆至地表→移位施打下一根。

①钻机就位:钻机就位后,应使钻杆垂直对准桩位中心,确保CFG桩垂直度容许偏差不大于1%。采用在钻架上挂垂球的方法,在钻架上刻上明显的对照位置线,每根桩施工前都有专门的人员进行桩位对中及垂直度检查,满足要求后,方可开钻。

②混合料搅拌:混合料搅拌按配合比进行配料。每盘料搅拌时间按照普通混凝土的搅拌时间进行控制,控制在60～120s,坍落度控制在16～18cm。具体搅拌时间由搅拌站集中控制室进行控制,并在电脑中有详细记录。

③钻进成孔:钻孔开始时,关闭钻头阀门,向下移动钻杆至钻头触及地面时,启动马达钻进。先慢后快,同时检查钻孔的偏差并及时纠正。在成孔过程中,发现钻杆摇晃或难钻时,放慢进尺,防止桩孔偏斜、位移及钻杆、钻具损坏。根据钻机塔身上的进尺标记,成孔到达设计高程时,停止钻进。

④灌注及拔管:钻孔至设计高程后,停止钻进,开始灌注混合料,每根桩的投料量应不少于设计灌注量。钻杆芯管充满混合料后开始拔管,施工桩顶高程宜高出设计高程50cm,灌注成桩完成后,桩顶盖土封顶予以保护。

在灌注混合料时,对于混合料的控制采用记录泵压次数的办法,对于同一种型号的输送泵每次输送量基本上是一个固定值,根据泵压次数来计量混合料的投料量。

灌注时采用静止提拔钻杆,在特殊情况下采用边转边提进行灌注,如圆砾层等情况下,拔管速度控制在2～3m/min[5]。

⑤移机:上一根桩施工完毕,钻机头进行保护,移位,进行下一根桩的施工。

⑥现场试验:对于每盘混合料,试验人员都要进行坍落度的检测,合格后方可进行混合料的投料,在成桩过程中抽样做混合料试块,每台班做1组试块,测定其28d抗压强度。

(2)施工工效

该段路基CFG桩施工时间为2009年12月1日～2010年5月1日,其中净工作时间为130d。使用该型号长螺旋钻机芯管内泵送混合料的施工方法,单机成桩工效约450m/d(24h),且不受地下水的影响、,安全环保,适合各种软土地层。成型CFG桩见图1。

(3)施工质量控制要点

图1 成型CFG桩

①应选用技术先进、性能稳定的施工设备[6]。针对新乡段的地质条件,长螺旋钻机具有工效高、成孔质量易控制等优点,应优先选用。

②混合料灌注时钻杆提拔速率和输送泵的泵送量要密切配合,钻杆静止提拔,并保证连续提拔,施工中严禁出现超速提拔及先提管后泵料。灌注过程中芯管插入混合料的最小深度宜按25cm控制。

③确保桩长达到设计要求。设计要求CFG桩必须穿透软弱土层至硬底,对于第四系地层一般应嵌入砂类土或硬塑黏性土≮2m,对于下伏基岩段应嵌入全风化层≮1m。

④混合料的各种材料技术指标必须满足规范要求,其抗压强度必须满足设计要求。需要特别注意的是当采用机制砂作为施工配料时需采用以下规范标准:《铁路混凝土与砌体工程施工规范》(TB10210—2001 J118—2001)[7]、《铁路混凝土与砌体工程施工质量验收暂行标准》(TB10424—2003,J283—2004)[8];当采用泵送剂时注意与减水剂的相容性。

⑤做好地质情况的复核工作。对有代表性的地点在施钻过程中适时提钻,以确认地层分布情况是否和地质资料一致,特别是钻进达到设计深度时要确认桩尖土是否已经达到持力层足够深度[9]。必要时,可在相邻两地质横断面中间进行补钻,以进一步复核地质情况。若出现异常情况,则必须及时通知监理和设计单位到现场确认,并提出处理意见。

⑥做好季节性施工的施工预案。

(4)检测内容

按设计及相关规范要求的频率严格进行检测,同时现场配合监理单位的平行检验(试验)及第三方检测单位的检测工作。

①混合料28d龄期标准立方体试件抗压强度≮20MPa。

②成桩28d后采用低应变检测 CFG桩桩身完整性。

③CFG桩按复合地基设计时,处理后的复合地基承载力、变形模量应满足设计要求;按柱桩设计时,处理后的单桩承载力应满足设计要求[10]。

④CFG桩检测试验结果应及时上报相关单位,便于分析。

图2为单桩检测,图3为低应变检测。

图2 单桩检测

图3 低应变检测

(4)施工控制注意事项

①做好施工放样的桩位保护工作,并做好施工前复核,确保施工放样准确。

②严格按照设计深度施工,不允许私自调整桩长。

③严格控制混合料拌和时间和坍落度。大量工程实践表明,混合料坍落度过大,会形成桩顶浮浆过多,桩体强度也会降低。坍落度控制在16～20cm,和易性好,当拔管速率适当时,一般桩顶浮浆可控制在10 cm左右,成桩质量容易控制[11]。

④严格控制拔管速度。拔管速率太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩,而拔管速率过慢又会造成水泥浆分布不匀,桩顶浮浆过多,桩身强度不足和形成混合料离析现象,导致桩身强度不足[12]。故施工时,应严格控制拔管速率。正常的拔管速率应控制在2～3 m/min。

⑤设置保护桩长。试桩在加料时,应比设计桩长多加0.5m的填充料,用插入式振捣棒对桩顶混合料加振3～5s,提高桩顶混合料密实度。

⑥上部用土封项,增大混合料表面的高度即增加了自重压力,可提高混合料抵抗周围土挤压的能力,避免新打桩振动导致已打桩受振动挤压,混合料上涌使桩径缩小。

(5)安全控制

施工现场标准化管理,进入现场必须戴安全帽,不允许穿拖鞋、打赤膀等;用电执行一机、一闸、一漏电保护、接零、接地;实行三相五线制等;特种人员必须持证上岗等严格按照施工现场安全管理规定进行管理[13]。做到安全第一,防患于未然。

(6)环境保护措施

①贯彻执行国家及地区的环境保护的有关政策、法规,对全体施工人员进行环境保护知识,法规宣传教育,做好环境保护工作和文明施工[14～15]。

②控制施工污染,减少污水、空气粉尘及噪声污染,施工废渣、废弃杂物应制定地点堆放,统一处理。

4 结语

石武铁路客运专线通过全面推广与应用CFG桩对松软路基进行加固处理,不但大大降低了施工成本,而且将全线路基工程的工期提前近1个月完成。随着近年我国高速铁路及地产业的迅猛发展,CFG桩这种新型松软路基桩体,将会凭借其高强度的复合地基承载力、经济快速的成桩率、安全环保等施工特点得到更为广泛的应用。

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[2] 秦宝和.长螺旋法 CFG桩在客运专线复合地基中的应用研究[J].铁道工程学报,2007(5).

[3] TB10426—2004,铁路工程结构混凝土强度检测规程[S].

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[5] 闫明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

[6] 黄 勇.浅谈客运专线长螺旋法施工CFG桩质量控制[J].科技资讯,2009(12).

[7] TB10210—2001,J118—2001,铁路混凝土与砌体工程施工规范[S].

[8] TB10424—2003,J283—2004,铁路混凝土与砌体工程施工质量验收暂行标准[S].

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[11] 包 铮,魏玉琴.CFG桩施工技术方法及施工中的问题分析[A].土木建筑学术文库(第 7卷)[C].上海:同济大学出版社,2007.

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[15] 霍凤民,景春义,左守战.郑州某工程CFG桩长螺旋钻孔—泵压混凝土成桩工艺施工队周边环境的影响[J].岩土工程界,2003(7).