银西铁路地基处理中螺杆灌注桩的实践应用

雷保珂 （中铁十六局集团第五工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 项目简介

1.1 工程概况

新建银西铁路吴忠至银川客专铁路第三标，线路起止里程为DK599+587.08～DK639+150，长度39.563km。本标段施工范围线路总长度25.748km，其中黄河东岸线路总长9774.51m，黄河西岸线路总长15973.59m。经分析DK604+206.5～DK604+800、DK606+010～DK 606+180、DK623+174.39-DK626+232.14（涵洞/箱形桥除外）段地基工后沉降不满足无砟轨道的铺设要求，故需采用螺杆灌注桩予以地基处理。

1.2 地质情况

银川至吴忠段发育的不良地质主要有滑坡和错落、泥石流和地震液化等；特殊岩土主要为湿陷性黄土、膨胀土、软土及松软土。不良地质和特殊岩土在段内不均匀分布，主要特征如下：①灵武至机场段冲沟发育，且其冲沟沟谷纵坡较大，沟谷中堆积了较多第四系松散堆积层；②黄河冲积平原区部分路段位于地震基本烈度八度区，地下水位高；据收集的太中银竣工图资料及本次勘察，地下20m范围内的饱和粉细砂及粉土为地震可液化层；③沿线黄土地层广泛分布，主要为黏质黄土、砂质黄土，结构疏松，多孔隙；④软土及松软土主要分布于黄河冲洪积平原及沿线大型冲沟沟谷中，多呈透镜体分布，岩性多为饱和软黄土、流塑-软塑的粉质黏土，以松软土为主。

1.3 技术要求

①本标段螺杆灌注桩加固范围，须大于基底宽度，且路堤应加固至填方坡脚。②采用正三角形布置，桩径0.4m，桩长10～21m。③按各工点设计施工，螺杆桩桩顶设C25混凝土桩帽，垫层采用未风化的干净且级配良好的砂砾石或碎石，其最大粒径不得大于3cm，含泥量不得大于5%。垫层内铺设一层高强度土工格栅（极限抗拉强度不得小于200kN/m，延伸率≤10%）。④桩体原材料采用水泥、碎石、石屑、粉煤灰配合而成，桩身水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，掺加优质粉煤灰，粉煤灰掺量为70～90kg/m3。⑤施工过程中，抽样做混合料试块，并测定28天龄期标准试块抗压强度不小于15MPa。

2 螺杆灌注桩施工技术要点

2.1 工艺流程

螺杆灌注桩施工工艺流程见图1。

图1 螺杆桩灌注示意图

2.2 施工准备

①前期准备。组织相应技术人员召开图纸会审专题会，并根据图纸会审结果向施工班组施工人员进行技术交底，做好桩基工程施工图纸及图纸会审记录，同时，根据岩土工程勘察报告，熟悉施工区域及邻近范围内的地下障碍物情况。

②场地平整。做好施工场地区域内的“三通一平”工作，对施工场地做好排水疏干、硬化整平，将影响施工的地表植物及根系挖除干净并整平，同时，将施工场地内影响施工的障碍物予以彻底清理，以便于后期设备能够顺利进场施工。

③测量放样。螺杆钻机就位施钻前，相应人员应进行螺杆灌注桩施工桩位布设图的绘制，详细标注桩位编号。然后，依照桩位布设图、施组设计，并借助经纬仪等设备进行测量放样，将各个桩位测放到施工现场，并布设控制点，以便后期施工时对所放桩位点进行复测校核。施工中，为防止桩基施工而导致的桩位点移动，务须做好实时监测，以确保桩位点精准有效。

④材料准备。施工前，应根据设计要求并结合施工现场实际，由试验室进行混凝土配比试验，选择合理的配比，并在后期施工中严格依照确定的配比进行混凝土混合料的拌制。

⑤机械准备。结合施工现场实际明确施工用机械设备与配套设备，合理选择混凝土搅拌机、运输罐车等设备型号与数量，该项目施工中主要用到的机械设备包括螺杆桩钻机、混凝土输送泵、吊车、振动锤等。

⑥试桩工艺。螺杆灌注桩大面积正式施工前，应选择代表性较强的地段进行试桩，以确定混凝土配比、坍落度、混凝土泵送量、拔管速度等参数。试桩试验满足相关工艺要求后，即可开展正式的桩基施工。

2.3 钻机就位

将螺杆桩钻机就位，就位时应确保钻机机身平稳，无倾斜、无位移等不良情况，并确保施工区域内地基承载力满足桩机的承载力要求，如若地基承载性能较差，可于钻机下垫设钢板以提升地基承载力，确保桩机的平稳性[1]。钻机稳定后，调整钻头中心对准桩心点，并借助水平尺与垂球双向把控对钻机中心与钻杆垂直度，确保钻机严格对正，垂直度偏差＜0.5%，钻杆下端与地面距离10～20cm，对准桩位压入土中，确保桩中心偏差不得超过规范及设计的允许偏差。钻头对准标志桩后，用经纬仪或垂球法在相互垂直的两个方向，将钻杆或挺杆调至设计角度，并控制垂直度为1%桩长。

2.4 钻进成孔

①正式钻孔前，应将钻头阀门关闭，移动钻杆至钻头与地面接触后时启动马达实施钻进，钻进时应按照“先慢后快”的原则，不仅能够减少快速钻进而导致的钻杆摇晃减少钻进偏差，而且便于对钻进时出现的偏差进行检查[2]。钻进过程中，如若钻杆摇晃幅度较大或钻进较为困难时，应及时放慢钻进速度。②钻进过程中，应控制桩机自控系统使钻杆旋转速度与下降速度保持匹配，即钻杆旋转一周，下降或提升一个螺距，直至钻至螺杆桩设计的设计深度后停钻。

2.5 泵送混凝土

钻机钻进至设计的深度后，即螺杆桩成孔深度满足桩基设计的要求后，停钻并采用混凝土输送泵通过钻机钻头中心的混凝土输送孔将混凝土泵送至孔桩内，此时应准确掌握提拔钻杆时间，待泵送混凝土充满钻杆的芯管后，反向旋转螺杆桩机提升钻杆，边提升、边泵送混凝土，钻杆提升的过程中须严格控制确保钻杆旋转速度与提升速度保持匹配，并确保混凝土混合料泵送量应与拔管速度相配合，并控制桩孔内混凝土灌注高度与钻头距离应＜20cm，以确保泵送混凝土能够快速将螺纹段桩孔空间填充密实[3]。此时，在螺杆桩机钻杆提升至螺纹段顶与直杆段底的设计标高时，钻杆再次正向旋转或直接向上提升以形成圆柱的直杆段空间，同时高压泵送混凝土将圆柱直杆段空间填充密实，提升至距桩顶设计标高一定高度时停止泵送，用钻杆芯管内剩余的混凝土灌注至设计标高，然后将钻机提出孔口并移机至下一桩位。

2.6 桩间土清理

采用小型机具配合人工将桩间土清理干净，并采用专用切割机械将桩头截除，严禁人工进行凿除，桩顶偏差应控制0～±2cm。清土和截桩的过程中，须小心谨慎，以免造成设计桩顶标高以下桩身断裂和桩间土发生扰动。

2.7 桩基检测

图2 螺杆桩灌注示意图

①桩身完整性：采用低应变动力试验对桩身完整性进行检测。②桩基承载力：采用单桩静载试验对桩基竖向承载力进行检测，复合地基检测应采用单桩承载力与复合地基载荷试验。③桩身情况检测：对于软土地基或桩长＞15m时，还应进行钻孔取芯试验对桩基长度、混凝土强度、持力层情况等进行检测。成桩过程中，每台机械一个台班做一组共3块混凝土混合料试块，标准养护并测定28d抗压强度。④桩间土检测：施工后取桩间土做室内土工试验，检查土的物理力学指标变化，并在现场进行静力触探与标准贯入试验，然后与地基处理前进行比较。

3 高速铁路螺杆灌注桩施工质量控制

3.1 成孔质量控制

①螺杆桩钻进需穿越老粘土、较厚砂土、碎石土以及塑眭＞25的粘土时，应先试钻[4]。②桩机就位后钻进前，应先检查确保钻头与桩位偏差应＜2cm，与地面接触时应缓慢钻进。③钻进过程中，发生卡钻、晃动严重、钻杆倾斜或异响严重，应立即停钻查看，并在确保无误后继续施钻。

3.2 混凝土工程质量控制

3.2.1 混凝土配比质量控制

①根据桩身混凝土设计强度要求，应先试验确定混凝土配比，泵送混凝土坍落度约16～20cm；初凝时间＞6h；②水泥宜选用强度较好的P·O42.5水泥，用量应＞300kg/m3；③适量掺加粉煤灰与外加剂，确保混凝土良好的泵送性、流动性；④对于桩径为40～60cm时，粗骨料宜选用粒径＜16mm的卵石或碎石。

3.2.2 混凝土灌注质量控制

①泵送混凝土设备应根据桩径予以合理选择，混凝土输送泵位置应根据钻机位置合理布置，两者相差应＜60m以尽量减少弯道；②首盘混凝土泵送前，应先用清水对管理进行冲洗，再泵送适量水泥砂浆进行润滑，以便于后期混凝土能够顺利泵送；③混凝土泵送应确保连续性不得间断，钻机移位时应连续搅拌料斗内混凝土料，以避免出现离析；④混凝土输送泵须尽量保持水平，泵送距离较远时，应将泵管下方腾空部位垫实；⑤外界气温＞30℃时，须采用隔热材料覆盖输送泵，并予以洒水湿润，以免管内混凝土失水发生离析而堵管；⑥钻至设计标高泵送混凝土时，首次灌注应暂停加压10～20s，以确保桩底灌注的密实性；⑦通过螺杆桩机的自控系统，控制钻杆匀速提升，提杆速度应与混凝土混合料泵送速度相配合，遇到饱和砂土或饱和粉土层，不得停泵待料；⑧螺杆桩混凝土的充盈系数应控制为1.02～1.20，桩顶混凝土超灌高度应＜30～50cm；⑨桩孔灌注完成后，应及时清理钻杆及软管内残余混凝土，并用清水对钻杆、泵送管以及输送泵予以彻底清洗；⑩泵送过程中，应对泵送管道的密封性进行随时检查，防止漏水而导致局部坍落度损失。

3.3 桩基检测质量控制

①桩身完整性抽检率为桩数的10%，且不小于3根；②单桩静载承载力检测及复合地基承载力检测数量为总数的2‰，且每工点不少于3根；③钻孔取芯试验抽检率为桩数的0.2%，且每工点不少于3根，钻芯取样应确保均匀性，即在转身上、中、下取不同深度的不小于3个试样做抗压强度试验。

4 结语

较以往单纯的沉管灌注桩、螺纹灌注桩等施作工艺而言，螺杆灌注桩的力学性能更优、经济效益更好、更加绿色环保，因而于地基加固处治项目中极具实践推广运用价值。但因其研发应用时日尚短、成桩工艺较为特殊、结构受力较为复杂等原因，其施作工艺与设计理论等仍具有一定的优化与完善空间。