铁路路基施工中螺杆桩加固地基机理及施工工艺

马新辉 （中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 064000）

作为一种复合式地基加固桩，螺杆桩可以显著提升地基的承载能力，这种上部圆柱型、下部螺丝型的形式能够有效优化土体与桩之间的关系，对于铁路路基施工而言适用性良好。

1 工程概况

本文以吴忠至中卫城际铁路为例展开探讨，在一期项目中涉及到路基加固施工，对应总长为1.277km，基于螺杆灌注桩的方式对地基进行加固处理，线路的中线填高上限达到了6m。从工程所在的地形环境角度进行分析，其地处于黄河冲击平原区，整体来说地势变化较小，施工区域较为平坦，地面高程普遍介于1125～1228m范围内。经实际勘查可知，区域内粉质黏土以及砂类土的含量较高。

施工区域内存在一些阻碍工程施工的地质因素，具体有：①主要以饱和粉土以及粉细砂为主，从地震液化范围这一角度考虑其达到地下水位-13m；②土质大多表现为软土特性，所具有的承载水平较低[1]。

2 螺杆桩加固地基机理

2.1 工艺原理

之所以使用螺杆桩进行加固，是因为其充分运用了“螺丝钉稳固性优于钉子”的原则。详细来说，经施工后得到的螺杆桩表面会产生一定量的螺纹，而外桩侧土体区域则会形成螺母，二者正好可以达到彼此咬合的状态。受桩顶荷载的影响，桩侧土“螺母”将处于受压状态，此时环状“螺母”的根部区域处于受剪状态，相比之下螺纹段的抗剪力明显加大，这正好与附加应力的分布规律相吻合。对于螺杆桩上部的直杆段而言，其具有荷载传递的功能，加之受压面积较大的特性，明显提升了桩身的刚度，从而发挥出承上启下的作用。

2.2 工艺改进

施工中严格控制好螺杆各个方向的运行速度，即垂直运动与旋转运动所对应的速度应一致，只有具备此特性才满足螺杆上下部的结构特点。基于此同步技术，若钻头沿着竖直方向做出相应动作时，对应的钻杆则会旋转一周，此时可以进入到土体结构中，从而形成螺纹结构。相比之下，非同步技术则意味着竖直方向与旋转速度不处于同一水平，当钻头竖直方向运动一个螺距后，相同的时间内钻杆将会旋转若干圈而后进入土体中，最终形成圆柱状形式。在本工程的钻进过程中，采用的是正向非同步钻进技术，此时通过对土体的挤压作用可得到圆柱段结构，此后改变工艺方法，以正向同步的方式进行钻进施工，经此环节后方可得到螺纹段。在进行提钻作业时，采用反向旋转同步提升的方式进行，待达到螺纹段设计高程后停止，此时随即展开泵压混凝土浇筑施工，由此形成螺杆桩的螺纹段结构[2]。

2.3 螺杆桩构造

螺杆桩是一种典型的变截面异性桩，其上部设置为圆柱形，与工程中常规的灌注桩具有一致性，下部设置为带有螺纹特性的桩体结构。基于实际施工条件的不同，对应的段长分配情况也存在一定的差异。在本工程中，经实际勘查后最终选定1∶2的长度分配方案。

3 螺杆桩施工工艺

在进行螺杆桩的制作过程中，以JZU90型桩架螺杆钻机为宜，经指定工序后得到的结果如下图1所示。

3.1 施工准备

图1 成桩效果

①在施工前需要做好场地清理工作，将残留的树枝等杂质彻底去除，做好水电供应，开辟出相应的施工便道。②做好技术交底工作，确保所有施工人员均能够良好的掌握工程实际状况，同时对进场的原材料进行质量检验。③进行桩位编号并展开施工，遵循由中线逐步延展至两侧的顺序进行，综合参考实际施工环境以及工艺方法，确定是否进行跳桩施工。④展开相应的成桩工艺试验，此时需要考虑到施工区域的地质条件，由此选定合适的施工设备，采取有效的工艺技术方法。

当做好原地面处理工作后，首先应对地面进行一次复测，由此获悉实际地面高程情况，而后再进行线路中线的复核。引入全站仪设备，以施工图为指导做好放桩工作，并在桩位处撒上适量石灰用以标记[3]。

3.2 钻机就位

①桩机就位。当结束螺杆桩放样定位工作后便可将桩机就位于指定施工区域，引入调度人员，确保钻头与桩位处于对中状态。此外，将前腿支起，使得履带能够完全与地面相接触，由此避免后续施工过程中出现主机失稳等现象。②调整钻杆垂直度。借助桩基塔身上的垂直标杆进行校正，以桩长为基准，所得的垂直度应控制在该值的1.0%范围内。

3.3 钻进成孔

在进行钻进施工时首先应将钻头阀门关闭，严格遵循先慢后快的顺序进行施工，在最大程度上避免钻杆摇晃现象。在钻杆下降过程中，应将速度控制在合理范围内，使其与旋转速度相匹配。对钻杆的状态进行密切观察，当出现剧烈摇晃等问题时，则需要暂停施工，寻找到诱发因素并做以针对性处理，由此避免钻速过快而带来的孔倾斜等问题。

3.4 反转提升钻杆及泵压混凝土

完成成孔施工后需要对其质量进行检验，当达到工程标准后便可进行混凝土泵送施工。螺杆桩机以反向的方式进行旋转，此过程提钻速度宜控制在1±0.2m/min范围内，需要注意的是，此时旋转以及提升两大工序的速度应相同。所使用的材料以细石混凝土为宜，利用该材料进行填充处理后便可形成螺纹段桩体。关注钻杆的提升位置，当其达到顶面设计高程时则需要进行正向旋转，同时应兼对圆柱段进行混凝土填充作业，直至施工到桩顶设计高程为止。当结束某一灌注桩施工后，在移动至下一施工区域时应控制好速度，不可对已完成的螺杆桩造成破坏。待成桩时间达到7d后便可对桩头部分进行凿除处理；待成桩28d后便需要对桩的质量做以全面检测，由此得知其承载水平等性能。

3.5 螺杆桩质量控制

①施工过程中严格对桩位偏差进行检测，与设计标准所产生的偏差应控制在5cm范围内。此外，桩身的垂直度偏差不可超过1%。

②施工人员对钻杆进行密切的量测并做好相关数据的记录工作，从源头上避免超钻等问题。

③以试验所得到的配合比为基准，在此基础上进行混凝土的拌制施工，拌制完成的混凝土材料应在2h内使用完毕。

④当出现钻杆跳动或是不进尺的现象时，应立即暂停作业并查明原因。

⑤严格控制好高压泵管的压力，使其必须稳定在工程指定的范围内，以避免泵管破裂现象。

⑥允许出现一定的超灌现象，但对应高度应在0.4m范围内，充盈系数应控制在1.0～1.2范围内。

4 结束语

综上所述，螺杆桩施工可以避免结构遭到地下水的影响，具有优良的承载能力，所带来的沉降现象较小，工程施工效率高，不会对周边环境造成污染，因此对于中密砂层以及砂砾石层而言具有高度的可行性。经实际工程案例表明，其在客运铁路的路基施工中具有良好的应用价值。