真空动力固结法在加固海域吹填土路基中的应用

王俊伟

摘要： 结合东港站改造工程中重车场吹填土路基加固工程施工，介绍了真空动力固结法的特点、工艺流程、操作要点、质量安全控制措施、检测要求、验收评定等内容，并对真空动力固结法在施工中的具体实施技术进行了总结，对此类吹填土路基的加固处理施工提供了参考。

Abstract： According to heavy yard of dredger fill subgrade engineering construction in Donggang station renovation project， this paper introduces the characteristics of vacuum dynamic consolidation process， operation points， quality and safety control measures， detection requirements， acceptance evaluation etc.， summarizes the concrete implementation technology of vacuum dynamic consolidation method in construction， which provides reference for the reinforcement construction of this kind of dredger fill subgrade.

关键词： 真空动力固结；软基处理；降水强夯；质量控制

Key words： vacuum dynamic consolidation；soft foundation treatment；dynamic consolidation；quality control

中图分类号：U213.1+5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）09-0124-04

0 引言

随着我国经济的高速发展和全球化趋势的日益突出，海铁联运的运输方式正在快速扩大和发展，并产生了巨大的经济效益和社会效益。近年来，为提高港口的吞吐能力、疏港运输能力，通往港口区域的货运铁路也在相应进行扩能改造并加快建设。聂庄至东港增二线和东港站改造工程位于河北省唐山市海港开发区境内，唐山市区东南约80km处的渤海岸边，濒临唐山港，是唐山市“四点一带”产业发展战略规划中的重要功能区块中的组成部分。东港站为接发2万吨大列的环线煤炭卸车站，主要担负山西、陕西、内蒙等地煤炭经京唐港口的卸车任务。随着港口设施完善、吞吐能力增大，原有铁路不能满足疏港运输的要求，为增加运输及卸煤能力，实施增二线及车站改造工程施工。

1 工程概况

聂庄至东港增二线和东港站改造工程是唐山港集团在东港站新建第二翻车机房的配套铁路工程。东港站在原有基础上配套建设重、空车场及卸车环线，重车场新设4条到发线，满足2万吨列车分解为万吨列车进行卸车的要求；空车场新设3条到发线，满足万吨空列组合成2万吨空列进行发车的要求；卸车环线新设2条并与翻车机相配套。

东港站新建重车场紧临港口的卸煤堆场，原为海域属于海积地貌，经人工吹填土形成。岩性以黏土、粉土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉细砂为主，经现场原位测试判定，饱和粉、细砂及粉土局部存在地震可液化层。该土层具有高含水量、大孔隙、压缩性高、变形量大、强度低等特性。地下水补给来源主要为海水和大气降水补给，地下水稳定水位埋深在0.5～1.0m之间。本地区地震动峰值加速度为0.15g，地震烈度Ⅶ度，最大冻结深度0.74m。

由于重车场路基范围经吹填土形成，地基承載力低，施工机械无法通行，必须进行软土地基加固处理。本区段地基加固要求为：有效地基加固深度6～8m，复核地基承载力特征值不小于150kPa，地基工后沉降不超过20cm，沉降速率不大于5cm/年，满足地震烈度Ⅶ度地震区（0.15g）抗震液化的要求。经建设单位多次组织设计单位及岩土专家到现场考察，经多方比选最后决定采用工程成本较低、施工周期较短、加固效果较明显的真空动力固结法。

2 真空动力固结法施工工艺原理及技术特点

2.1 施工工艺原理

真空动力固结是将真空降排水技术与强夯技术有机结合起来，通过设置真空排水管抽真空，利用真空负压原理将地下水排出，目的是控制表层地下水，促使超静孔隙水压力快速消散，从而使土体含水量达到最佳含水量，同时对土体进行有效预压并重锤强夯的一种地基加固方法（也叫做“动力固结方式”或“动力挤密法”）。通俗来讲，就是当地下水下降到一定位置（根据要求加固的深度而定）后，将加固区真空管拆除，利用起重机械起吊10～20t的重锤至到达一定高度（>4m，根据需要的能量确定）后脱钩，利用重锤其自由下落产生的强大的冲击能夯实地基浅层土体，反复锤击后使土体孔隙压缩，局部液化，在夯点周围生出裂缝，使孔隙水和气体沿裂隙析出，同时使土粒重新排列，经时效压缩后逐渐固结，最终达到提高地基表层土体强度和增加地基处理深度，扩散应力，减少地基差异沉降的目的，使地表面形成一层较为均匀的硬层。

2.2 施工技术特点

①使用机械设备简单，施工速度快，工效高，施工成本低，经济效益显著。

②操作简便、安全，加固质量可靠，既可以消除地基湿陷性，又能提高地基承载力。

③加固地基固结时间短，承载力大。

④地基加固后工后沉降量小，不均匀沉降小。

⑤施工过程中对环境无污染，有利于环保。

3 施工工艺流程及技术要点

东港站重车场软土地基需进行加固的范围：长度2.8km、宽度50～100m ，面积共计18.9万m2。该路基区段既有为水塘、取土坑，坑塘底部为厚层粉细沙，经过近几年不断采用吹填土填充，坑塘大部已淤平，吹填土大部分为深海细砂，个别地段存在淤泥包，吹填土厚度一般4～6m，个别地段8～10m，露出水面部分表层1m较坚硬，可上人或小型机具，位于其下及水下呈流塑状。

3.1 施工工艺

真空动力固结法的施工工艺流程见图1所示。

3.2 工艺试验

根据工程地质勘探资料、施工图纸及地基加固要求，初步确定工艺参数，制定试验方案，在施工现场选定有代表性的一处100×50m的场地进行试验，通过试验检测数据对比，优化和确定了各项工艺参数。

采用的强夯机械的夯锤直径2.2m、锤重15吨。确定的施工工艺为：“三降三夯”，降水深度为低于施工面以下4m；夯点间距3.5m，正方形布置。三遍夯击能为1000kN·m、1400kN·m、2000kN·m。

3.3 施工场地平整

按长度200～300m划分加固区域，分段进行场地平整。场地平整的标高考虑强夯下沉量的影响，当有低洼地段或地下水位较高的地段时用海砂回填平整，回填厚度0.5～2.0m。在地表形成硬壳，以便施工机械通行及施工。

在地基加固区域外侧开挖纵向排水沟，以便汇集降水管网中抽出的水并及时排出施工区域。

3.4 布置降水管网

采用插管机或者高压水枪成孔插入降水井点管，管网布置见图2、图3。首先在加固区域外围四周設封管，封管距施工区域边线2～4m，管长为3m和6m，点距1.75m，间隔布置。在施工区域内布置真空降水管，如图所示实线表示单排真空降水管，排距7m，真空管长3m，点距1.75m。虚线表示双排真空降水管，排距7m，真空管长3m（短管）及6m（长管），点距1.75m，间隔布置。井点管与集水总管、集水总管与集水箱和真空泵机组采用透明软管连接，各部位均应安装严密、防止漏气。降水系统安装完毕后及时进行运行调试，全面检查管路接头质量，井点管出水状况、真空泵抽水运转情况，发现问题及时调整更换，确保降水系统运转正常。

井点管施工工艺程序是：放线定位→铺设总管→安插水位观测管→成孔（机械引孔或水力冲孔）→安装井点管、填粗砂滤料、上部填粘土密封→用连接管将井点管与总管接通→安装集水箱和排水箱→开动真空泵抽水排气，再开动离心泵排水→测量观测管中地下水位变化。

降水设备及材料要求：

①真空泵：采用带柴油机的真空动力设备（不受电力限制），抽气速率≥100L/s（因为施工场地水位较高）。

②井点管：6m井点管为长6.0m、直径32mm的镀锌钢管，管底有滤网或专用堵头，在管下端2m长区段内按梅花形每隔10cm钻Φ8mm的进水孔。3m井点管为Φ32mm型塑料管，管下端1m长区段内每隔10cm钻Φ8mm的进水孔。

③连接管：按照抗老化的设计要求，建议采用Φ32塑料透明带钢丝软管制作连接管。

④集水总管：用带堵头和接头的Φ63mm的PVC管制成。

⑤滤料：采用80～120目滤布。

3.5 第一次降水和第一遍强夯

选在-0.03MPa～-0.06MPa的真空度之间进行初次真空降水。降水过程中，应保持连续不断抽水，由专人分昼夜两班进行现场巡检，重点看真空管、真空度以及出水的变化（正常情况下出水先浊后清），每天两次定时监测降水水位。一般抽水5～7天后水位降落基本趋于稳定。当水位降至原地面以下3m且稳定48h后，辙掉单排降水管（3m浅层管），准备第一遍强夯。井点管辙掉后所留的孔洞用素土填实。

第一遍强夯时夯击能不宜过大，建议以1000kN·m夯击能进行第一遍点夯，其目的是不破坏表层土体，使后续夯击能量有效传递到下层土体。夯击数不少于10击，可以根据现场地基条件分2～3次进行，最后两击夯沉量之和小于20cm，每次点夯前推平夯坑。点夯采用隔行跳打法施工，点夯间距3.5m。

3.6 第二次降水和第二遍强夯

第一遍强夯结束后，继续进行第二次真空降水，真空度选取在-0.03MPa～-0.06MPa，降水水位低于施工面以下不小于4.0m且稳定48h后，拔掉双排管处的3m管，在第一遍孔隙水压力消散85%～90%后准备第二遍强夯，两遍的间隔时间根据现场量测孔隙水压力确定。

以1400kN·m夯击能在第一遍夯点之间进行第二遍点夯，夯击数不少于10击，可以根据现场地基条件分2～3次进行，每次点夯前推平夯坑，最后两击夯沉量之和小于20cm。

3.7 第三次降水和第三遍强夯

第二遍强夯结束后，在-0.03MPa～-0.06MPa真空度之间继续进行第三次真空降水，降水水位至少在作业面4.0m以下，在孔隙水压力消散85%～90%后，拔掉剩余降水管，可以进行第三遍强夯。

进行第三遍点夯时，点夯位置位于第一、第二遍夯击区域的空缺位置（双排管处），夯击能2000 kN·m，夯点间距3.5m，夯击数不少于10击，可以根据现场地基条件分2～3次进行，每次点夯前推平夯坑，最后两击夯沉量之和小于15cm。

静置7天后，分别采用800 kN·m和600 kN·m满夯两遍，锤印搭接1/4锤底面积，夯击能由大到小，每遍每点夯击2击。最后进行场地平整，采用压路机对表层松散部分进行碾压收平。

4 施工质量控制措施

4.1 降水系统质量控制

①根据场地形状及尺寸利用GPS仪器进行井点管定位。

②井点管要尽量保持垂直，偏斜不大于5°，成孔采用高压水枪冲击成孔，孔径40mm，井深比井点管长度深50cm；从井孔中央插入井点管，在距离地面约20cm处停止插入，露出20cm的管长。

③按作业要求埋好井点管后接通设在井点管外30～50㎝的总管。切记先平整地面并排管后再敷管，且要用专用接头连接集水干管，集水干管与井点管之间用透明胶管接通，再用胶带缠绕接通处密封接头部位。一组井点管部件连接完毕后，与抽水设备连通，开启真空泵，进行试抽水，检查有无漏气、淤塞情况，出水是否正常，如有异常情况，经检修后方可使用，如真空表读数在0.08MPa以上，表明各连接系统无问题，即可投入正常使用。

④每台真空泵控制面积一般不宜超过800～1000m2。

4.2 降水过程质量控制

①降水过程中，始终保持连续不断抽水。由专人分白班、夜班替换着不定时巡检，重点检查真空管、真空度和出水是否符合设计要求，一旦检查出异常情况须第一时间上报并及时处理。一般抽水5～7天后水位降落基本趋于稳定。

②地下水位达到预定要求且稳定48h后方可拆除井点管。所留孔洞用素土填实。

③降水期间，定时对埋设的水位观测管进行观测，每天定时观测水位2次。

④降水过程中可根据现场情况，用压路机碾压以加快降水速度。

4.3 强夯质量控制

①强夯施工现场周围的建筑物或临近设施应该加设保护措施，如挖减振沟等，以规避强夯振动的影响。

②指派专人现场监测强夯施工中夯锤、夯击次数、夯沉量和落距，详尽记录各类参数，以作为工后衡量夯实效果的参考依据。

③施工中按要求对地下水位施测，必须在地下水位达到设计降水水位时才可开始强夯作业。夯实过程中，夯锤应平稳，强夯锤底面中心与方框中心对准，以确保夯点精准，避免出现坑位倾斜、夯点错位等问题。

④点夯停止标准：强夯作业中一旦发现相同能量后一击夯沉量明显大于前一击时，立即停止强夯进行调整。

⑤根据试验段施工总结的标准参数提前在在强夯机起重臂上标记出起锤高度，起锤到所标示的高度时脱钩。

⑥基于测量锤顶面高度计算夯沉量。指派专业技术员采用水准仪逐击测量和记录夯击數据，根据所得数据计算出单击击沉量，当该参数与停击标准参数基本一致时立即转入下一点。

⑦强夯作业中继续保持降水，防止在强夯过程中，外围水流入施工区域。

⑧每遍强夯结束待孔压消散85～90%后，由推土机将场地推平。下一遍夯点布置与前一遍夯点成长方形布置。

⑨在每次更换脱钩绳时，严格按设计要求用钢尺精确控制脱钩高度。根据试验总结的最佳夯击遍数控制各点夯击遍数，最后两击平均贯入量不得大于设计要求。

⑩最后两遍满夯，点夯完毕后，由推土机将场地推平后再低能量满夯，将场地表层松土压实后对强夯后的场地高程施测。

5 检测控制

最后一遍满夯施工完成后间隔14天以上进行效果检测。根据施工要求，本工程通过通过标贯或静置触探、平板载荷试验对处理后的地基进行检测。检测验收标准如下：

①采用标贯试验检验地基，测点密度为每3000～5000m2 一个测点，检测深度为8m，要求静力触探比贯入阻力PS至少应该达到5MPa，如果是标贯夯击，夯击数目至少为10击。

②各加固区按标贯分别检测薄弱区域中的任意三处，每处（载荷板面积最小1.5m2）至少做一组地基荷载试验。在试验中，一是必须确保复合地基承载力特征值至少达到150kPa。比如有软弱夹层的场地，软弱夹层厚度应该在2.5m以内，且其承载力特征值至少应该达到120kPa，达不到上述条件的必须采取措施进行补救。

根据现场施工情况，东港站重车场共分为10个地基加固处理区段。每处地基加固区段都按照以上检测标准进行检测，标贯试验共检测40个测点，检测指标均满足验收标准要求；载荷试验共检测10组，复合地基承载力均大于设计要求150kPa的标准要求。

6 结语

根据检测结果表明，采用真空动力固结法处理吹填土软弱地基，不仅能消除土体液化，而且可以有效提高地基承载力和压缩模量，使其满足设计要求。此类加固方法成本小，环境污染小，施工便捷。通过本次东港站重车场采用真空动力固结法加固由吹填土形成的软土地基的实践，较好的掌握了施工工艺流程，为此类施工提供了丰富的经验和可靠的技术参数。

参考文献：

[1]TB10035-2006，铁路特殊土路基设计规范[S].中国铁道出版社.

[2]张松甫.真空动力固结法在海域软土地基处理中的应用[J].建筑技术，2010（6）.

[3]王学刚，刘莉.高真空强排水联合低能量强夯动力固结法在吹填土地基加固中的应用[J].中国水运（理论版），2007（10）.