旋喷桩联合花管注浆在既有铁路软基处理中的应用

徐彩风

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430002)

旋喷桩联合花管注浆在既有铁路软基处理中的应用

徐彩风

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430002)

在软土地区新建二线铁路以及既有路基工程升级改造引起既有铁路的沉降问题，是影响铁路安全运营的技术难点。针对既有加固方法的局限性，在不影响铁路正常运营的前提下，采用旋喷桩联合花管注浆技术对既有铁路软基加固处理进行研究，详细阐述旋喷桩联合花管注浆技术的原理、整个流程以及施工工艺，通过工程实例，验证该方法应用于既有铁路软基处理是可行有效的。

旋喷桩;花管注浆;既有铁路;软基处理

0 引言

在软土地区修建的铁路，路基的沉降问题是影响既有铁路安全运营的主要因素之一。低标准等级铁路，是通过堆填道碴的方式来满足轨面平顺的要求。随着行车速度的不断大幅提高，既有铁路的升级改造，以及高标准二线铁路的修建，路基的沉降、强度、刚度、稳定性、耐久性等方面的高标准技术要求，使得控制既有路基沉降和变形成为铁路路基设计和施工的最大难点。

目前，针对既有软土路基加固的方法有多种，主要有基床换填法、土工格室垫层法、基床封闭法、挤密桩法、灌浆法、桩基加固法等。为确保交通运输的正常运行，一般采取开通施工便线进行临时过渡，然后对既有路基进行地基加固处理。对于城区、地形狭窄区等无施工便线过渡条件，或施工过程中不能中断正常营运时，常规的地基处理方法难以满足加固要求，要么是因施工设备的作业空间大而影响行车，要么是存在加固盲区而影响加固效果，无法保证加固后工后沉降和安全稳定系数达到预期目的。因此，本文针对既有加固方法的局限性，在不影响铁路正常运营的前提下，采用旋喷桩联合花管注浆技术对既有铁路软基加固处理进行研究。

1 旋喷桩联合花管注浆的加固原理

1.1 旋喷桩加固原理

旋喷桩是以高压喷射流直接冲击破坏土体，浆液与土以半置换或全置换凝固为固结体的加固方法。既可以用于工程建设之前，也可以用于工程修建之中，特别是用于工程落成之后，显示出不损坏建筑物的上部结构和不影响运营使用的长处。旋喷桩设备简单、体积小、占地少，高度仅为2～3 m，能在狭窄和低矮的现场施工。施工中无振动、无噪音，不会对周围建筑物带来振动影响和对周围环境产生噪音公害［1］(见图1)。

图1 旋喷桩施工现场Fig.1 Construction site of jet－grouted pile

1.2 花管注浆加固原理

花管注浆是通过钻机引孔，将花管击入路基内需要加固的地层中，注浆的同时提升花管，以分段注浆的方式使得浆液在地层中均匀扩散［2］(见图2)。

在桩体外围土体颗粒间隙中形成抗剪强度高的树枝状浆液结石体，挤密原土体，并与之结合在一起，大大提高了路基强度。而花管是采用直径Φ50的铁管制成，间隔30 mm开设直径为8 mm的筛网式，贯入端采用锥形焊接，尾部采用螺口与直通连接的注浆管，如图3所示。

图2 花管注浆示意图Fig.2 Schematic diagram of perforated pipe grouting

图3 花管实物图Fig.3 Physical map of perforated pipe

1.3 联合加固设计

为了避免施工过程影响列车的安全运营，同时达到加固的目的，路基边坡及坡脚地段采用旋喷桩加固，路基本体以下软弱地基采用花管注浆加固。两侧旋喷桩对坡脚进行地基加固保证路基的稳定，又可作为帷幕约束花管注浆的加固范围，避免浆液串出路基本体以外。花管注浆的设计以不同角度斜向发散向路基本体注浆，充填土中裂隙和孔隙的同时，在软弱地基土中形成树枝状水泥结石体，均匀改善地基土特性并避免加固盲区，使土体整体性得到加强，以达到地基加固的效果(见图4)。

2 联合加固施工流程

旋喷桩联合花管注浆技术加固既有铁路软基的整个施工流程为:施工准备→测量放孔→工艺试验→旋喷桩施工→花管注浆施工→质量检测。

2.1 施工准备

(1)清除或改移现场地表、地下管线、杂物、建筑物，平整场地。

图4 旋喷桩联合花管注浆加固断面设计图Fig.4 Section design of jet－grouted pile combined with perforated pipe grouting

(2)如周边有建筑物时，应布置监控系统。

(3)既有铁路路肩设置变形观测桩，并在路基两侧坡脚外2 m、10 m处各设置一排观测桩。同时施工人员进行施工培训，设备配备齐全，并建立浆液拌和站。

(4)采购旋喷桩喷射浆液材料及花管注浆材料，选用PO42.5普通硅酸盐水泥浆或矿渣水泥、水，必要时还需采购水玻璃等外加剂。

2.2 测量、放孔

平整施工场地后，根据设计图纸上的孔位，利用施工基线和辅助基线，在边坡和坡脚地段进行孔位精确放样，同时引出护桩以校核桩位。

2.3 工艺试验

在施工前，旋喷桩及花管注浆均应进行工艺性试验，以检验待加固区地质条件下的设备、工艺是否适宜，确保选用的技术参数满足设计要求，并根据工艺试验结果制定水泥浆液的配合比、施工注意事项等标示牌用于指导施工。

2.4 旋喷桩施工

旋喷桩视桩长、桩径可采用单重管法、双重管法或三重管法［3］，桩端进入硬层不少于0.5 m，停浆面位于地表硬壳或褥垫层下。首先用射水、锤击等方法或用钻机垂直成孔，然后将喷射注浆管贯入土中，当喷嘴达到设计标高时，开始喷射注浆。在喷射注浆参数达到规定值后，按工艺要求，一边提升喷射管，一边由下而上喷射注浆。施工完成后，清除上部虚桩、浮土，进行质量检测。喷射浆液材料选用PO42.5普通硅酸盐水泥浆，水灰比0.8∶1，在标准养护条件下28 d龄期(70.7 mm ×70.7 mm ×70.7 mm)水泥土抗压强度不小于 2.0 MPa。

2.5 花管注浆施工

在既有路基两侧边坡或挖成的台阶处采用Φ75 mm的钻机引孔，用于穿透表层的填土层，孔深以进入待加固的软土地层内2 m为准;再将Φ50 mm的花管按设计角度击入设计深度;然后采用分级注浆法进行花管注浆施工。

2.6 质量检测

(1)旋喷桩在成桩后进行质量检测，检测项目和频次如表1。

表1 旋喷桩质量检测表Table 1 Quality inspection of jet－grouted pile

(2)花管注浆的质量检测主要通过过程控制，注入规定的设计浆量或达到规定的注浆压力。

(3)做好路肩观测桩和坡脚边桩的位移变形观测，根据观测结果进行地基加固效果的综合评估，以此判定地基加固效果和质量。

3 施工关键工序

3.1 旋喷桩施工

(1)在边坡和坡脚地段施工旋喷桩时，采用跳桩施工，一般跳3～5根。先施工路基最内侧一排，然后按照内侧第二排、第三排等依次逐排向外侧施工。

(2)旋喷桩施工中，当拆卸钻杆或因故停喷后续喷时，应重复旋喷不小于100 mm。旋喷过程中出现压力骤然下降、上升、孔口冒浆量超过20%或完全不冒浆时，应查明原因及时处理。

(3)停浆面以下5 m范围的压力控制在12～15 MPa，以下段落的压力控制在20～23 MPa。当因压力过大导致路基产生明显抬升时，应降低压力。

3.2 花管注浆

(1)采用跳孔施工，一般沿线路方向隔2孔进行注浆施工，当变形监测数据发生变化时应停止施工，变形稳定后再继续，必要时加大跳孔数量。

(2)注浆一经开始应连续进行，避免中断。水泥浆液配比一般为0.75∶1，要求采用 PO42.5矿渣硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，其各项指标应符合现行的国家标准。

(3)应严格控制注浆速度和注浆量，注入设计的水泥浆液量即可终孔，注浆流量一般10～15 L/min。注浆压力在10 m以上采用0.2～0.4 MPa，10 m 以下采用0.4～0.6 MPa，必要时增加减水剂，加速凝固。

(4)终止注浆应满足下列条件之一:①注浆量达到设计要求;②10 m以下注浆压力达到0.5 MPa，持续注浆10 min;10 m以上注浆压力达到0.2 MPa，持续注浆10 min。满足终孔条件时，应闭浆10～20 min，避免浆液回流。

4 工程实例

东部沿海地区某条既有铁路增建二线，设计时速200 km/h，地基分布厚度达15～30 m的深厚层软土，地质条件差。为了满足规范对时速200 km/h路基工后沉降的要求，即区间工后沉降不大于15 cm［4］，采用旋喷桩联合花管注浆加固方法对二线地基以及既有铁路软基进行加固处理。

地质条件自上而下分别为:

(0)填土;

设计加固方案:既有铁路路基两侧以及增建二线地基采用旋喷桩加固，桩径0.5 m，桩间距2.0 m，按正方形布置，桩底入(3)-1地层不小于1 m;既有铁路中心部分采用花管注浆加固，间距2.0 m，三角形布置，注浆加固到(3)-1地层顶面，见图5。

施工完成后，对路基沉降进行监测，得到工后沉降—时间变化曲线(见图6)。

通过监测得到的数据采用双曲线回归法进行工后沉降的预测(见图7)。

双曲线方程为:

式中:St——时间 t时的沉降量;Sf——最终沉降量(t=∞);S0——初期沉降量(t=0);a、b——将荷载不再变以后的实测数据经过回归求得的系数。

从图6－图7中得知，曲线回归的相关系数R2=0.995 8 ＞0.92，沉降变形趋势是可靠的［5］。通过计算得到回归系数 a=1.309 5，b=0.026 5，总沉降 Sf=38.7，St=37.78，施工期完成沉降比 St/Sf=0.98 ＞75%。通过计算预测工后最大沉降量为6.8 cm，小于路基设计规范要求的工后沉降控制标准15 cm，地基加固效果明显。

图5 增建二线路基设计图Fig.5 Design sketch of new second－line roadbed

图6 沉降—时间变化曲线Fig.6 Change curve of settlement-time

图7 沉降—时间预测图Fig.7 Prediction of settlement-time

5 结语

根据国家铁路发展规划，既有铁路增建二线的拟建项目越来越多，在软土地区新建二线铁路引起既有铁路的沉降问题，以及既有路基工程升级改造和病害问题，是影响既有铁路安全运营的最主要因素和技术难点。

本文通过对旋喷桩联合花管注浆新技术从设计到施工整个环节进行研究分析，并应用于现场软基处理中，通过沉降监测结果得到工后沉降满足规范要求，方法可行有效。整个施工过程不影响既有铁路安全营运，无需修建临时便线工程，不用挖除既有路基本体而进行加固，避免了临时征地和环境污染。同时该技术适用于狭窄空间下的地基加固，解决了常规方法无操作空间而不能解决的问题，为其它相关领域既有土木工程的加固处理提供参考。

［1］ 徐至钧，等.建筑地基处理工程手册［M］.北京:中国建材工业出版社，2005.

［2］ 吴裕铭.花管注浆技术在加固既有铁路软土路基中的应用［J］.路基工程，2012(1):130－134.

［3］ 中铁二院工程局集团有限公司.铁路工程路基处理技术规程［M］.北京:中国铁道出版社，2010.

［4］ 铁道科学研究院.新建时速200千米客货共线铁路设计暂行规定［M］.北京:中国铁道出版社，2005.

［5］ 铁道科学研究院.客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南［M］.北京:中国铁道出版社，2006.

(责任编辑:于继红)

Application of Jet-grouted Pile Combined with Perforated Pipe Grouting in the Soft Foundation Treatment of Existing Railway

XU Caifeng
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.Ltd.，Wuhan，Hubei430002)

In the soft soil area，the problem of settlement caused by the construction of new second － line railway and renovation of existing railway is a technical difficulty that will affect the safe operation of railways.Based on the limitations of the existing reinforcement methods，under the premise of not affecting the normal operation of railway，this paper conducts the research on soft foundation treatment using the technology of jet-grouted pile combined with perforated pipe grouting.It describes in detail the principle，overall process and construction technology of the technology of jet-grouted pile combined with perforated pipe grouting and verifies the effectiveness of this method in the soft foundation treatment of existing railway.

jet-grouted pile;perforated pipe grouting;existing railway;soft foundation treatment

TU472.3+6;U213.1+4

A

1671－1211(2014)02－0164－05

2013－12－04;改回日期:2014－02－13

徐彩风 (1983－)，女，工程师，工程地质专业，从事岩土方面的勘察设计工作。E－mail:81489907@qq.com