斜向水泥土樁法加固既有鐵路路基施工技術研究

王 鑄，宋緒國

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

既有鐵路路基加固的方法有多種，主要有斜向水泥土樁法、灌漿法、基床封閉法、擠密樁法、基床換填法、土工格室墊層法等，但適合在列車運行條件下路基加固，且加固效果可靠的只有斜向水泥土樁法。斜向水泥土樁法是用單管旋噴高壓注漿技術在鐵路路基中形成了一系列一定直徑、一定間距的斜向柱狀水泥土固結體，提高了路基承載力，減少了路基下沉引起的病害，從而達到加固既有路基效果的方法。這種加固方法從施工方法、加固質(zhì)量到適用范圍，與其他整治方法有所不同，有其獨到之處，具有適用范圍廣、施工簡便安全、可不中斷行車施工、在0～90°范圍可隨意調(diào)整加固角度、固結體強度高、設備簡單、管理方便等優(yōu)點。

2 斜向水泥土樁加固機理

斜向水泥土樁法加固通常分成2個階段，第一階段為成孔階段，即采用普通的(或?qū)Ｓ玫?鉆機預成孔或者直接采用旋噴鉆機驅(qū)動帶有密封良好的噴射管及一個或兩個橫向噴嘴的特制噴射頭進行成孔。采用普通鉆機預成孔時，鉆至預定深度后，再把旋噴機噴射頭下至孔底，采用旋噴鉆機直接成孔時，使噴射頭達到預定的深度。

第二階段為噴射加固階段，即用高壓水泥漿(或其他固化劑)，以15 MPa以上的壓力，通過噴射管由噴射頭上的直徑約為2 mm的橫向噴嘴向土中噴射。與此同時，鉆桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向上提升。由于高壓噴射流有強大切削能力，因此噴射的水泥漿一邊切削四周土體，一邊與之攪拌混合，形成圓柱狀的水泥與土混合的加固體，即所說的“斜向水泥土樁”。如圖1所示。

圖1 斜向水泥土樁加固示意

3 施工機具及監(jiān)測儀表

3.1 施工機具

斜向水泥土樁法施工的主要機具有旋噴鉆機、噴射注漿管、高壓注漿泵、泥漿攪拌機(含攪拌筒)、高壓膠管、發(fā)電機、排漿泵等。

(1)旋噴鉆機

旋噴鉆機是斜向水泥土樁法的必要設備。旋噴鉆進對鉆機的基本要求是:鉆進提升速度為10～30 cm/min;旋轉(zhuǎn)速度15～30 r/min;提升力為10～30 kN。主要常用旋噴鉆機有MGJ-50型錨固旋噴工程鉆機、XP-50A型旋噴鉆機、GD-2型旋噴鉆機、MG50-AX旋噴鉆機、GX-1型旋噴鉆機、MGJ50A型鉆機等。

(2)噴射注漿管

噴射注漿管是進行斜向水泥土樁法施工的專用設備。它由單管導流器、鉆桿和噴射頭三部分組成。

(3)高壓注漿泵

高壓注漿泵是液態(tài)單管旋噴的專用設備，高壓注漿泵的壓力通常要求能在15 MPa以上。適合高壓噴射注漿用的高壓注漿泵一般采用SNC-H300型黃河牌壓漿車、XPB-90D型高壓注漿泵、GZB-40C型高壓注漿泵、GPB-90型高壓旋噴注漿泵等。

(4)泥漿攪拌機

泥漿攪拌機是攪拌水泥漿的專用設備，可根據(jù)噴射量自行設計、加工制造。根據(jù)經(jīng)驗，單機高壓噴射注漿時，泥漿攪拌機的容積宜在1.2 m3左右，攪拌翼的旋轉(zhuǎn)速度可為30～40 r/min。

(5)高壓膠管

高壓膠管是鉆機與高壓注漿泵之間的軟性的連接管路。一般采用高壓鋼絲纏繞膠管，其工作壓力不低于噴射泵壓，常用內(nèi)徑φ19～25 mm。

(6)發(fā)電機

在施工現(xiàn)場外部電源接入困難時，需在施工現(xiàn)場自行發(fā)電，為旋噴鉆機、高壓注漿泵、泥漿攪拌機等施工機械設備提供充足的電源。因此，需根據(jù)施工現(xiàn)場的用電總量配備相應的發(fā)電機。

(7)排漿泵

在進行斜向水泥土樁施工時，施工現(xiàn)場會產(chǎn)生大量廢漿，為了保證施工場地清潔干凈，防止污染環(huán)境，應盡快將廢液排走。但是，有些工地由于施工場地限制，無法將廢液通過排污溝自行排走，需提供排漿泵將廢液及時抽走。排漿泵一般采用低壓泥漿泵，例如BW-120型泥漿泵。

3.2 監(jiān)測儀表

為了控制斜向水泥土樁的質(zhì)量達到設計要求，必須對各種噴射介質(zhì)的壓力和流量及噴頭的旋轉(zhuǎn)速度和提升速度等參數(shù)用儀器記錄下來，一則可以當各種參數(shù)超過或低于設計值時，及時閃光鳴笛報警，施工人員及時檢查排除故障，二則可作為原始記錄存檔。

監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩大部分，即一次儀表和二次儀表。一次儀表由各種傳感器(各種變換器、轉(zhuǎn)換器)組成，二次儀表由記錄儀、毫安表、積算儀等組成，另外還有越限警報及啟動停止控制等。

監(jiān)測儀表選用見表1。

表1 監(jiān)測儀表選用

4 斜向水泥土樁法的施工

4.1 組織與準備工作

施工前要做好現(xiàn)場復查和編制施工組織設計等多項組織與準備工作。首先要按照設計圖樣核實設計孔位處，有無妨礙施工和影響安全的障礙物。如遇到電線、鄰近建筑物、地下電纜線和其他地下埋設物等障礙物，影響施工者，則應與有關單位協(xié)商搬移或更改設計孔位，其次是核對地質(zhì)資料，第三是編制施工組織設計。

4.2 施工順序與操作

(1)施工工藝流程

斜向水泥土樁法的全過程為鉆機就位、鉆孔、置入注漿管、高壓噴射注漿和拔出注漿管等基本工序。施工結束后應立即對機具和孔口進行清洗。其工序如圖2所示。

圖2 斜向水泥土樁法工序

斜向水泥土樁施工工藝流程:施工準備→樁位放樣→鉆機就位、對中→漿液拌制、鉆孔至設計高程→插管→注漿、旋噴→拔管→沖洗機具→移動機具。

(2)施工技術參數(shù)

斜向水泥土樁的施工參數(shù)應根據(jù)土質(zhì)條件、加固要求通過試驗或根據(jù)工程經(jīng)驗確定，并在施工中嚴格加以控制。常用的斜向水泥土樁技術參數(shù)見表2。

(3)斜向水泥土樁施工工藝

影響水泥土樁固結體的質(zhì)量和加固效果因素較多，但施工工藝是影響固結體質(zhì)量和加固效果的主要因素之一。

表2 常用的斜向水泥土樁技術參數(shù)

①噴射程序

高壓噴射注漿均自下而上(水平噴射由里向外)連續(xù)進行。當注漿管不能一次提升完成，需分成數(shù)次卸管時，卸管后再噴射注漿的搭接長度不應小于100 mm，以保證固結體的整體性。

②復噴工藝

在不改變噴射技術參數(shù)的條件，對同一土層進行重復噴射(噴到頂再放下重噴該部位)，能增加土體破壞有效長度，從而加大固結體的直徑或長度并提高固化強度。復噴的次數(shù)愈多固結體增徑加長的效果愈好。

③冒漿處理工藝

在旋噴過程中，往往有一定數(shù)量的土顆粒，隨著一部分漿液沿著注漿管管壁冒出地面。通過對冒漿的觀察，可以及時了解地層狀況、判斷旋噴的大致效果和核定旋噴參數(shù)的合理性等。旋噴過程中，冒漿量宜控制在10%～20%。根據(jù)經(jīng)驗，冒漿(內(nèi)有土粒、水及漿液)量小于注漿量20%者為正常現(xiàn)象，超過20%或完全不冒漿時，應查明原因及時采取相應措施。

a.出現(xiàn)不冒漿或斷續(xù)冒漿時，若系土質(zhì)松軟則視為正?，F(xiàn)象，可適當進行復噴;若系附近有空洞、通道，則應不提升注漿管繼續(xù)注漿直至冒漿為止，或拔出注漿管待漿液凝固后重新注漿直至冒漿為止，或采用速凝漿液，使?jié){液在注漿管附近凝固。

b.減少冒漿的措施。冒漿量過大的主要原因一般是有效噴射范圍與注漿量不相適應，注漿量大大超過旋噴固結所需的漿量所致。減少冒漿量的措施有3種:提高噴射的壓力(噴漿量不變);適當縮小噴嘴孔徑(噴射壓力不變);加快提升和旋轉(zhuǎn)速度。

④防縮工藝

當采用純水泥漿液進行噴射時，在漿液與土粒攪拌混合后的凝固過程中，由于漿液析水作用，一般均有不同程度的收縮，造成在固結體頂部出現(xiàn)一個凹穴，凹穴的深度隨地層性質(zhì)、漿液的析出性、固結體的直徑和全長等因素不同而不同。為防止因漿液凝固收縮產(chǎn)生凹穴，可采取回灌冒漿搗實在漿液凝固前進行或第二次注漿等措施。

4.3 施工安全與行車安全

斜向水泥土樁法應用在既有線鐵路路基病害整治工程，對既有線運營行車安全會產(chǎn)生一定的影響，需要采取一系列安全保障措施和應急預案，確保施工安全和運營行車安全。

(1)限速慢行施工

斜向水泥土樁施工期間，在施工地段須對列車進行限速慢行，根據(jù)斜向水泥土樁施工對既有線軌面的不同影響程度，可采用不同的限速標準。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般行車限速80 km/h時，斜向水泥土樁施工不會對運營行車安全產(chǎn)生較大的影響。

(2)利用天窗時間施工

對行車安全影響較大的斜向水泥土樁，例如靠近路肩的第一排斜向水泥土樁和靠近接觸網(wǎng)支柱基礎的斜向水泥土樁，應利用天窗時間進行施工，并適當降低旋噴樁噴射壓力。斜向水泥土樁與接觸網(wǎng)基礎的凈距離不應小于1.0 m。

(3)斜向水泥土樁施工要嚴格按施工順序施工

斜向水泥土樁施工順序為先施工靠近路基路肩的第一排樁，待完成后方可施工其余樁。同排樁應隔樁施工，必要時應隔2根樁及以上施工。兩側同時施工時，兩側樁應沿線路方向隔樁施工，必要時應隔2根樁及以上施工。

(4)加強沉降變形觀測

①線路變形觀測

施工單位在斜向水泥土樁施工地段應進行線路變形觀測，每個觀測斷面在路肩、軌面、兩線間均應設置觀測樁，觀測斷面間距5 m。在斜向水泥土樁施工期間實行過車趟趟觀測或間隔30 min觀測制度，詳細如實地記錄觀測數(shù)據(jù)。旋噴注漿時對軌面進行不間斷觀測，觀測人員每30 min向工務監(jiān)護人員報告一次觀測情況。若觀測發(fā)現(xiàn)觀測點變化超過2 mm時，必須立即通知工務監(jiān)護人員并及時停止斜向水泥土樁施工，及時采取整修、限速或封閉等措施。

②接觸網(wǎng)支柱變形觀測

施工單位應對施工地段范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)支柱進行變形觀測。在接觸網(wǎng)支柱基礎上設置觀測點進行不間斷觀測，詳細如實地記錄觀測數(shù)據(jù)。若發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)支柱變形，必須立即通知供電監(jiān)護人員并及時停止斜向水泥土樁施工，及時采取整修、限速或封閉等措施。

(5)工務嚴密監(jiān)護

①旋噴樁施工期間，工務部門必須在施工地點搭設看守棚，24 h派監(jiān)護人員看守。在每處看守點配備兩臺小蜜蜂搗固機和兩臺起拔道器。

②每處旋噴樁施工地點備砟不少于50 m3，裝袋不少于30 m3。

③施工期間除天窗時間外，嚴禁施工人員跨越線路，嚴禁跨線搬運機具和材料。

④工務監(jiān)護人員負責施工期間線路檢查整修。除天窗時間外實行過車趟趟檢查制度，天窗時間內(nèi)每隔30 min檢查一遍，做好記錄。軌道尺寸超過經(jīng)常保養(yǎng)標準時應及時整修。

(6)設置安全防護欄桿

施工單位嚴格按照工務部門要求設置安全防護欄桿。每個施工地點的安全防護欄桿必須與兩側線路護網(wǎng)連接，確?，F(xiàn)場人員、機具及材料與線路有效隔離。

(7)加強施工安全防護措施

按鐵路營業(yè)線施工安全防護要求執(zhí)行。

(8)制定應急預案

旋噴樁施工對既有線運營行車安全會產(chǎn)生一定的影響，一般有可能造成既有線軌面拱起和既有線軌面下沉現(xiàn)象，為確保行車安全，制定相應的應急預案，并根據(jù)事故情況啟動應急預案。圖3為應急預案啟動流程。

圖3 應急預案啟動流程

4.4 施工注意事項

(1)施工前，做好施工場地的地面排水，按照場地情況規(guī)劃泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)、規(guī)劃施工道路，施工機械、工具、施工平臺的進場與停放安置，并注意施工不要污染環(huán)境。

(2)操縱鉆機人員要有熟練的操作技能，了解注漿全過程及鉆機旋噴注漿性能，嚴禁違章操作。

(3)噴射孔與高壓注漿泵的距離不宜大于50 m。

(4)炎熱季節(jié)施工應采取防熱和防曬措施，漿液溫度嚴格控制在40℃以下。寒冷季節(jié)施工應做好機具和高壓噴射注漿管路的防寒保暖工作，高壓不得在負溫下工作，施工完了應及時將泵和管路內(nèi)的積水排出以防結冰造成爆管。

(5)施工期間應注意施工機械在施工范圍內(nèi)和空中電線、電纜等障礙物的干擾問題，并注意施工對運營線路及列車的干擾問題，做好施工組織，控制運營速度，保證列車正常運行。制定嚴密的安全施工措施。注意人員、機具、行車安全。

(6)施工過程應加強路基、軌道、接觸網(wǎng)立柱變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)變形過大應立即停止施工，啟動應急預案。并通知有關各方研究確定處理方案后方可恢復施工。同時施工過程應加強線路養(yǎng)護維修工作。

(7)施工中應做好泥漿處理，及時將泥漿運出或在現(xiàn)場短期堆放后作土方運出。

5 結語

通過對斜向水泥土樁法加固既有路基施工技術研究，表明斜向水泥土樁法是一種適合在列車運行條件下路基快速加固的方法，在施工過程中需按照斜向水泥土樁施工工藝施工才能保證施工質(zhì)量，需要采取一系列安全保障措施和應急預案才能確保施工安全和行車安全。斜向水泥土樁加固運行條件下鐵路路基于2005年開始應用于朔黃鐵路DK269+200～DK273+000段路基病害整治中，滿足了列車不停車運行條件下路基的加固，而且施工容易、快速，加固效果顯著，并在朔黃鐵路以及黃萬鐵路既有路基加固中逐漸得到了推廣應用。斜向水泥土樁法具有諸多優(yōu)點，在既有線路基加固工程中具有廣闊的應用前景，值得推廣應用。

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