淺談偏心潛孔錘跟管注漿在路基加固中的應(yīng)用

田家+++郭少華

摘要：既有線頂橋路基穩(wěn)定性是決定頂橋能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵，也是決定既有線營(yíng)運(yùn)安全的關(guān)鍵。對(duì)既有線頂橋范圍及橋體兩側(cè)對(duì)路基進(jìn)行注漿加固已成必然趨勢(shì)，本論文針對(duì)復(fù)雜地層路基加固采用偏心潛孔錘跟管鉆孔注漿進(jìn)行闡述。

一、工程概況

本工程在鐵路石太下行線K19+483m（石太下行線k19+483，石太Ⅲ線k28+434，石太Ⅳ線k28+462）處下穿鐵路。該里程處線鐵路東西走向，四線電氣化，主軌為P60軌，鋼筋混凝土枕；本橋就位位置位于鐵路緩和曲線段，鐵路縱坡13‰。采用7-14-7m頂進(jìn)框架橋結(jié)構(gòu)形式，框架橋中心線與鐵路中心線交角86°。本橋高度12m，結(jié)構(gòu)凈空高度10.1m，頂進(jìn)最大頂力為7968.75T，頂程34.23m，本橋是石太客專線最大跨度、凈空最高的頂橋。

本橋頂進(jìn)范圍內(nèi)路基地質(zhì)情況分為三層。第一層土體為A類料（圓礫土及碎石土），土層厚度為3～6m，土體承載力為150Kpa。第二層土體為山皮土，土層厚度為1.2-1.5m，土體承載力為150KPa。第三層土體為新黃土，土體承載力為160Kpa，土層厚度為17.6m，框構(gòu)橋預(yù)制位于此地基上。第一層土體穩(wěn)定性較差，另外頂進(jìn)前雪災(zāi)增大了此段路基含水率，在列車動(dòng)荷載影響下，極易造成路基塌方。為防止頂橋橋體范圍內(nèi)及橋體兩側(cè)路基塌方，北京鐵路局要求此段路基進(jìn)行注漿加固。

二、注漿范圍

為保證頂進(jìn)過程中線路及列車運(yùn)行安全，防止路基前方塌方及側(cè)塌，擬對(duì)框構(gòu)橋就位位置及東西兩側(cè)各10m范圍路基進(jìn)行注漿加固。

三、鉆孔注漿方案選擇

1、高壓旋噴注漿加固法施工

采用MGJ-50鉆機(jī)成孔高壓旋噴法進(jìn)行注漿加固。旋噴法施工是利用鉆機(jī)把帶有特殊噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至地層的預(yù)定位置后，用高壓脈沖泵，將水泥漿液通過鉆桿下端的噴射裝置，向四周以高速水平噴入土體，借助流體的沖擊力切削土層，使噴流射程內(nèi)土體遭受破壞，與此同時(shí)鉆桿一面以一定的速度旋轉(zhuǎn)，一面低速徐徐提升，使土體與水泥漿充分?jǐn)嚢杌旌?，膠結(jié)硬化后即在地基中形成直徑比較均勻，具有一定強(qiáng)度的樁體，從而使地層得到加固。

施工效果評(píng)定：高壓旋噴鉆機(jī)穿A類料困難，鉆頭遇小卵石容易改變鉆進(jìn)方向，遇大卵石無法鉆進(jìn)，采用此種方式鉆進(jìn)深度及鉆進(jìn)方向無法保證。再者鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，注漿壓力達(dá)到25-28MPa，易導(dǎo)致鐵路線路隆起。鉆孔過程中用水量較大，增大了既有路基的含水量，在頂進(jìn)過程中易形成塌方。此種施工方法不適合本工程。

2、潛孔錘鉆孔PVC管注漿施工

風(fēng)動(dòng)潛孔錘也稱風(fēng)動(dòng)沖擊器，潛孔錘在空壓機(jī)的作用下，以壓縮空氣為動(dòng)力介質(zhì)驅(qū)動(dòng)其工作的，對(duì)硬巖進(jìn)行高頻率破碎沖擊；在氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)過程中，高壓空氣驅(qū)動(dòng)沖擊器內(nèi)的活塞作高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并將該運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能源源不斷的傳遞到鉆頭上，使鉆頭獲得一定的沖擊功。鉆頭在該沖擊功的作用下，連續(xù)的對(duì)孔底巖石施行沖擊。巖石在該沖擊功的作用下，形成碎屑。同時(shí)，空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣也兼作洗井介質(zhì)，將潛孔錘破碎的碎屑攜出孔內(nèi)。潛孔錘在卵石層、塊石、孤石、中風(fēng)化和微風(fēng)化硬巖地層的鉆探中，取得了良好的效果，能夠較快成孔。風(fēng)動(dòng)潛孔錘鉆孔工藝是將潛孔錘施工技術(shù)與注漿技術(shù)結(jié)合起來，以解決復(fù)雜地層的注漿難題。潛孔錘成孔后抽出鉆頭，穿入PVC管后封口進(jìn)行注漿，注漿壓力可控制在0.3-0.5MPa之間，大大降低了鐵路線路隆起風(fēng)險(xiǎn)。

施工效果評(píng)定：潛孔錘在卵石層鉆進(jìn)過程中土質(zhì)松散，漏風(fēng)嚴(yán)重，周圍有竄風(fēng)現(xiàn)象，孔口基本不排碴，只偶爾有少量細(xì)顆粒碴子排出，底部大顆粒巖屑不能經(jīng)過孔口排出，只能落到孔底經(jīng)反復(fù)上下鉆進(jìn)時(shí)重復(fù)破碎成細(xì)顆粒，整個(gè)造孔過程時(shí)間長(zhǎng)，且容易造成埋鉆事故。潛孔錘在卵石層成孔過程中易對(duì)路基卵石層擾動(dòng)造成塌孔，另外列車對(duì)路基的擾動(dòng)也是塌孔的主要原因。潛孔錘抽出后無法穿入PVC管導(dǎo)致無法注漿。故此種施工方法不適合本工程。

3、偏心潛孔錘跟管鉆孔PVC管注漿施工

鉆具組成：套管（長(zhǎng)度為2米標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和1米的調(diào)整節(jié)，接長(zhǎng)采用絲扣聯(lián)結(jié)）、管靴、偏心潛孔錘鉆頭、空心鉆桿、拔管器。

鉆進(jìn)采用偏心潛孔鉆，其鉆孔原理與潛孔鉆工作原理基本相同，鉆頭位置設(shè)置偏心裝置。套管的跟進(jìn)是通過潛孔錘連接在套管上的管靴帶動(dòng)套管同步跟進(jìn)。套管的主要作用是護(hù)壁，防止在成孔過程中對(duì)巖體擾動(dòng)掉塊，另一個(gè)作用是套管直徑較鉆桿大，剛度較好，防止鉆桿彎曲，提高成孔質(zhì)量。鉆孔長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)后，抽出偏心潛孔錘穿入PVC花管后，抽出套管進(jìn)行注漿。

偏心潛孔錘跟管鉆孔施工原理圖

施工效果評(píng)定：

套管加工為定型產(chǎn)品，可多次重復(fù)使用，以減少成本費(fèi)用。鉆孔過程中無塌孔現(xiàn)象，跟管抽出前穿入PVC花管能夠保證注漿質(zhì)量及注漿壓力，大大降低了鐵路線路隆起風(fēng)險(xiǎn)。跟管鉆進(jìn)能夠較好的維持風(fēng)壓、風(fēng)速，能夠?qū)@孔產(chǎn)生的碎屑及時(shí)帶出。

經(jīng)三種施工方案對(duì)比采用偏心潛孔錘跟管鉆孔PVC管注漿施工，能夠提高工作效率，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，能夠保證既有線運(yùn)營(yíng)安全。

四、橋體范圍內(nèi)注漿實(shí)施

1、注漿加固原理

注漿法原理通過注漿管把漿液均勻的注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式，將土顆粒或卵石縫隙中的水分和空氣排除后占據(jù)其位置，經(jīng)一定時(shí)間后，漿液將原來松散的土?；蛏呈z結(jié)成一個(gè)整體，形成一個(gè)結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大的“凝結(jié)體”，以達(dá)到提高路基土體承載力，降低頂橋過程中路基塌方風(fēng)險(xiǎn)。

2、孔位布置

頂進(jìn)范圍內(nèi)對(duì)路基砂夾卵石層全面注漿，砂夾卵石范圍東側(cè)6m，西側(cè)3m范圍。排距、孔距為1m，1.5m，孔位采用梅花狀布置。鉆孔時(shí)角度為水平角度，鉆深為17m-25m。此注漿面共布設(shè)注漿孔89個(gè)。

3、成孔

施工前先將作業(yè)面清理干凈，將MD-50錨桿機(jī)就位。采用偏心跟管潛孔錘鉆具進(jìn)行鉆孔，鉆頭直徑為100mm，鉆桿直徑60mm，跟管直徑為98mm，鉆孔直徑為100-120mm。用偏心跟管潛孔錘將上層砂夾卵石鉆孔待進(jìn)入土層后，更換鉆具用螺旋鉆具，鉆到位后進(jìn)行注漿。待成孔后將跟管置換成32mmPVC管，跟管逐段拔出。PVC管每隔20cm鉆10mm孔四個(gè)并用膠帶封閉，防止進(jìn)入雜物堵塞注漿孔。鉆孔首先鉆角度小的，后鉆角度大的，待一批成孔后注漿。

4、注漿

注漿管就位后，將注漿孔封閉并預(yù)留排氣孔。待漿液從排氣孔內(nèi)流出時(shí)，說明孔內(nèi)空氣已排凈，封閉排氣孔進(jìn)行壓力注漿。注漿材料采用水泥粉煤灰漿，水灰比為0.3～0.5。注漿采用ACF50～150注漿泵整孔靜壓注漿，壓力控制在0.3～0.5MPa范圍內(nèi)。

在設(shè)計(jì)壓力下穩(wěn)定5-10min即可終止該孔注漿，封堵孔口。若出現(xiàn)串漿（隔孔串漿、地面冒漿）或注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)要求但壓力無法穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)采取間歇注漿。

水泥漿在送漿前要不停攪拌，防止水泥漿液離析。輸漿管道不能發(fā)生堵塞，注漿開始或中途停止超過30min時(shí)，應(yīng)用水或稀水泥漿潤(rùn)滑注漿泵及其管路。

5、注漿量監(jiān)測(cè)。

注漿工程技術(shù)要求采用雙控法鑒定注漿效果，即壓力控制與返漿控制。或者能保證試驗(yàn)得出的壓力值，或者見到漿液返出可認(rèn)為該孔注漿完成。注漿過程中，設(shè)專人盯控注漿機(jī)壓力表，發(fā)生壓力超限時(shí)，立即停機(jī)。

成孔后孔內(nèi)有PVC管有效的防止孔內(nèi)塌方，故可成一批孔后集中注漿，注漿時(shí)間安排在白天以便觀察線路變化。注漿時(shí)先注路基上層孔位，使其形成整體，可減小線路隆起危險(xiǎn)。

五、橋體兩側(cè)注漿實(shí)施

在頂進(jìn)過程中為防止橋體兩側(cè)土體側(cè)塌，須對(duì)橋體兩側(cè)進(jìn)行注漿加固。鉆孔方式與橋體范圍內(nèi)方式相同，注漿管變?yōu)橹睆?8mm鋼花管，孔位間距為1m，角度為10-75度，注漿后鋼化管不再抽出，相當(dāng)于在橋體兩側(cè)形成鋼管水泥帷幕，提高橋體兩側(cè)土體承載力，降低側(cè)塌風(fēng)險(xiǎn)。

六、偏心潛孔錘鉆孔技術(shù)參數(shù)分析

偏心潛孔錘鉆進(jìn)工藝的主要參數(shù)有兩個(gè)：風(fēng)壓和風(fēng)量。該項(xiàng)目所選沖擊器的額定風(fēng)量為10m?/min，隨著孔深的增加和孔徑的增大，保證孔底巖屑的排出，減少巖粉的重復(fù)破碎達(dá)到理想的鉆進(jìn)效率，通常要求孔內(nèi)風(fēng)量上返速度≥15m/s，此時(shí)氣流速度大于巖屑懸浮速度。根據(jù)跟管直徑、鉆桿外徑、排渣通道上的上返風(fēng)速等條件，其風(fēng)量可按下式計(jì)算： Q=47.1K1K2（D2 -d2 ）V

式中：Q———送風(fēng)量m?/min；

K1———孔深修正系數(shù)K1=1～1.1；

K2——— 孔內(nèi)涌水系K2=1～1.5；

D———跟管直徑； 98mm

d———鉆桿外徑； 60mm

V———上返風(fēng)速（15～ 25m/s）

根據(jù)公式，孔口上返風(fēng)速為24.7m/s，鉆孔深度鉆孔修正系數(shù)取K1=1.1，孔內(nèi)涌水系數(shù)取K2=1.3；

風(fēng)壓。

偏心潛孔錘屬低壓潛孔錘，所需風(fēng)壓是0.5～0.7MPa，然而鉆進(jìn)效率的高低是受風(fēng)壓直接影響的，風(fēng)壓越大，其沖擊功越大，碎巖效率越高。

經(jīng)以上計(jì)算設(shè)備選型滿足施工要求。

七、鉆孔注漿施工中的主要技術(shù)問題處理

1、鉆孔風(fēng)量不足

應(yīng)對(duì)措施：根據(jù)鉆孔孔徑要求及已選空壓機(jī)風(fēng)量，采用潛孔錘跟套管鉆進(jìn)工藝鉆孔。跟管鉆進(jìn)能夠較好的維持風(fēng)壓、風(fēng)速，能夠?qū)@孔產(chǎn)生的碎屑及時(shí)帶出 。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，潛孔錘跟套管鉆進(jìn)工藝解決了風(fēng)量不足的問題，鉆孔施工過程中獲得較理想的效果。

2、巖屑串孔

應(yīng)對(duì)措施：巖屑串孔是由于兩樁鉆孔間距較小，在高壓空氣作用下，高壓空氣通過地層中的孔隙，鉆孔與鉆孔之間連通，導(dǎo)致高壓空氣壓力降低。在鉆孔施工過程中，由于巖屑串孔問題的產(chǎn)生，導(dǎo)致鉆孔出口風(fēng)量小于15m/s，無法達(dá)到排屑的目的，而使巖屑通過孔隙進(jìn)入另一孔內(nèi)，相鄰孔內(nèi)形成一定厚度的沉渣。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，孔內(nèi)沉渣對(duì)路基注漿影響較小，其原因主要有兩方面：

一方面是由于孔內(nèi)沉渣顆粒較小，結(jié)構(gòu)松散，注漿后對(duì)土體承載力影響較小。另一方面注漿后對(duì)凝固土體強(qiáng)度要求不高，能夠滿足列車擾動(dòng)不塌方即可，凝固體強(qiáng)度過大，造成頂進(jìn)時(shí)土體開挖困難，降低開挖效率，影響要點(diǎn)施工工期。

3、注漿安全保證措施

注漿施工中，設(shè)駐站員一名，施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)防護(hù)員兩名，監(jiān)護(hù)人員到場(chǎng)，駐站人員，防護(hù)人員到位的情況下方可施工。安全監(jiān)測(cè)工作由有經(jīng)驗(yàn)的線路工實(shí)施。注漿過程中，線路工執(zhí)行趟檢制度并隨時(shí)觀測(cè)線路變化。施工中防護(hù)人員隨時(shí)保持聯(lián)系，報(bào)話機(jī)出現(xiàn)問題，用手機(jī)及時(shí)通報(bào)，調(diào)換報(bào)話機(jī)，調(diào)換報(bào)話機(jī)由候補(bǔ)人員執(zhí)行，防護(hù)人員堅(jiān)守崗位，隨時(shí)用手機(jī)溝通。施工員必須及時(shí)下達(dá)每項(xiàng)工序的施工安全交底單；并向施工人員將安全施工交底內(nèi)容交待清楚，不斷加強(qiáng)各級(jí)施工人員的安全業(yè)務(wù)責(zé)任心和提高自我安全防范意識(shí)。

八、結(jié)語

在既有線頂橋施工中，針對(duì)本工程復(fù)雜地質(zhì)情況，創(chuàng)造性的采用偏心潛孔錘跟管鉆孔方式解決了在卵石層路基鉆孔注漿的難題，并取得了較好效果，縮短了注漿加固要點(diǎn)工期，保證了既有線列車行車安全，保障了列車正常運(yùn)營(yíng)，為以后類似工程積累了施工經(jīng)驗(yàn)。

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