馬春紅

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司,山東泰安 271000)

武廣鐵路客運(yùn)專線全線采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),要求工后沉降不大于 15 mm,過(guò)渡段差異沉降不大于 5 mm。路基上鋪設(shè)無(wú)砟軌道成敗的關(guān)鍵在于沉降的控制,其主要風(fēng)險(xiǎn)源于地基的不確定性和所選填料性質(zhì)的好壞和變異性。為確保沉降有效控制,利用 CFG樁復(fù)合地基處理軟基并采用堆載預(yù)壓進(jìn)行加固處理就是一典型實(shí)例。

1 工程概況

武廣鐵路客運(yùn)專線衡陽(yáng)湘江特大橋 0號(hào)臺(tái)橋頭軟基段采用 CFG樁帶樁帽加褥墊層的處理方法,設(shè)計(jì)填土高 4m,堆載預(yù)壓填土高 3m。此段位于丘坡,丘坡較平緩,下為水塘。主要土層分布:0～5m為 Q2黏土、粉質(zhì)黏土,軟塑,σ0=80～140 kPa;1～4.0m黏土、粉質(zhì)黏土,褐黃、褐紅色,硬塑,σ0=180 kPa;0～ 2.0m粉土,黃色、褐黃色,稍濕、稍密,σ0=100 kPa;0～4.0m中粗砂,褐黃色,少量為雜色或灰黃色,潮濕,密實(shí),σ0=150kPa;下伏泥質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖,紫紅色,全強(qiáng)風(fēng)化。

2 工程設(shè)計(jì)

基底設(shè)計(jì)采用 CFG樁復(fù)合地基加固,樁徑 0.5m,樁長(zhǎng) 6～9m,采用長(zhǎng)螺旋成孔管內(nèi)泵壓混合料成樁法施工,混凝土強(qiáng)度等級(jí) C15,配合比為:水泥 175 kg,中粗砂 831 kg,碎石(粒徑 5～16mm)318 kg,碎石(粒徑16～31.5mm)741 kg,粉煤灰 175 kg,外加劑 1.75 kg,水 160 kg,坍落度 160～200mm。

樁位采用三角形布置,處理范圍至坡腳外側(cè)至少1根。樁體施工完成后現(xiàn)澆 C15混凝土擴(kuò)大樁頭,擴(kuò)大頭頂寬 1.0m,高 0.6m。樁頂鋪 0.6m厚碎石墊層,層內(nèi)鋪設(shè) 1層抗拉強(qiáng)度不小于 80 kN/m的雙向土工格柵,基床底層填筑完成后采用堆載預(yù)壓,預(yù)壓高度3m。見(jiàn)圖1。

圖1 橋頭路基結(jié)構(gòu)(單位:m)

3 CFG樁復(fù)合地基施工

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡(jiǎn)稱,它是由水泥、粉煤灰、碎石(或石屑、砂)加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁,成樁后與樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。通過(guò)改變樁長(zhǎng)、樁距、褥墊層厚度和樁體配比,能使復(fù)合地基承載力大幅度提高。

CFG樁最常用的成樁施工方法有振動(dòng)沉管灌注成樁和長(zhǎng)螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓混合料灌注成樁兩種方法。根據(jù)武廣鐵路客運(yùn)專線所處工點(diǎn)的具體地質(zhì)情況,按要求采用了長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)成孔泵送混合料進(jìn)行施工。

3.1 施工工藝

3.1.1 作業(yè)流程(圖2)

3.1.2 成樁施工

(1)鉆機(jī)就位:利用全站儀測(cè)放出線路的中、邊線,在坡腳線外側(cè),根據(jù) CFG樁平面布置放出每根樁樁位,用竹簽標(biāo)示。根據(jù)標(biāo)示做好鉆機(jī)定位,要求鉆機(jī)安放保持水平,鉆桿保持垂直,其垂直度偏差不得大于1.0%,鉆頭對(duì)準(zhǔn)孔位中心,控制樁位偏差在 50mm以內(nèi),鉆桿與鉆孔方向一致。

圖2 CFG樁復(fù)合地基施工作業(yè)流程

(2)鉆進(jìn)成孔:鉆孔開(kāi)始時(shí),關(guān)閉鉆頭閥門(mén),向下移動(dòng)鉆桿至鉆頭觸及地面時(shí),啟動(dòng)電機(jī),將鉆桿旋轉(zhuǎn)下沉至設(shè)計(jì)高程,關(guān)閉電機(jī),清理鉆孔周?chē)?。判斷鉆頭是否到了持力層一般有兩種方法:一是在樁機(jī)駕駛室觀測(cè)電流的變化。鉆機(jī)開(kāi)始鉆孔及軟弱地層鉆孔時(shí),電流表指針在 120～130 A,當(dāng)鉆頭遇到持力層時(shí),瞬間的電流將增大到 160 A以上,同時(shí)電壓下降。此時(shí),應(yīng)判定鉆頭已達(dá)到持力層。二是在鉆機(jī)導(dǎo)向架上按0.2m間隔做顯著標(biāo)記,能夠直觀觀察,當(dāng)鉆頭到達(dá)持力層時(shí),鉆桿上部的動(dòng)力頭發(fā)生顫動(dòng)和輕微的擺動(dòng),鉆機(jī)的動(dòng)力明顯減弱,此時(shí),應(yīng)判定鉆頭已達(dá)到持力層。成孔時(shí)應(yīng)先慢后快,以避免鉆桿搖晃,及時(shí)檢查并糾正鉆桿偏位的差值。

(3)灌注及拔管:CFG樁成孔到設(shè)計(jì)高程后,停止鉆進(jìn),開(kāi)始泵送混合料(泵送混合料前檢查其坍落度),當(dāng)鉆桿芯管充滿混合料后開(kāi)始拔管,嚴(yán)禁先拔管后泵料。成樁過(guò)程連續(xù)進(jìn)行,避免供料出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致停機(jī)待料。樁頂超灌 50～70 cm。

(4)移機(jī):移機(jī)前對(duì)下一根樁的樁位進(jìn)行清理辨識(shí),確保樁位的準(zhǔn)確性。

(5)封樁:灌注完成后,鉆桿拔出地面,確認(rèn)成樁樁頂高程符合設(shè)計(jì)要求后,采用濕黏性土封頂。

(6)樁頭處理:CFG樁成樁 7 d后,用鋼釬等工具清除樁頭浮渣和多余部分,鑿除后樁頭表面平整,樁長(zhǎng)符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 樁帽施工

CFG樁樁帽為擴(kuò)大樁頭,擴(kuò)大頭頂直徑 1.0m,高0.6m。施工前先進(jìn)行樁間土的回填,并分層用小型夯機(jī)夯實(shí),壓實(shí)度確保達(dá)到 90%以上?；靥钪猎O(shè)計(jì)樁頭位置進(jìn)行復(fù)合地基承載力及樁身完整性檢測(cè),合格后根據(jù)具體尺寸挖除 0.6m范圍內(nèi)的樁頭及周?chē)馏w,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)澆筑 C15混凝土。

3.1.4 褥墊層施工

為確保褥墊層施工時(shí)不破壞土工格柵,具體設(shè)置形式由下而上為 25 cm(碎石)+5 cm(砂)+土工格柵+5 cm(砂)+25 cm(碎石)。碎石墊層采用碎礫石類填料,且最大粒徑不宜大于 25mm,在碎礫石中應(yīng)摻10%～12%的石粉或細(xì)顆粒,在拌和站集中拌和均勻后進(jìn)行填筑。碎石墊層采用 25 t壓路機(jī)靜壓 2遍 +弱振 2遍 +靜壓 1遍。第 1層砂墊層鋪設(shè)厚度為 5 cm,鋪設(shè)完后采用壓路機(jī)靜壓 2遍。在第 1層砂墊層上鋪設(shè)土工格柵,采用極限抗拉強(qiáng)度不小于 80 kN/m的雙向土工格柵。鋪設(shè)時(shí)沿路基橫向鋪設(shè),搭接寬度不小于 50 cm,鋪設(shè)時(shí)路基坡腳兩側(cè)預(yù)留 2m回折長(zhǎng)度。同理進(jìn)行第 2層砂墊層和碎石墊層的施工。

3.2 質(zhì)量控制措施

(1)做好地質(zhì)情況的復(fù)核工作。對(duì)有代表性的地點(diǎn)在施鉆過(guò)程中適時(shí)提鉆,確認(rèn)地層分布情況是否和地質(zhì)資料一致,特別是鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)要確認(rèn)樁尖土是否已經(jīng)達(dá)到持力層足夠深度。若出現(xiàn)異常情況,則必須及時(shí)通知監(jiān)理和設(shè)計(jì)單位到現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn),并提出處理意見(jiàn)。

(2)布樁時(shí),CFG樁的數(shù)量、布置形式及間距必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求。并遵循從中心向外推進(jìn)施工,或從一邊向另一邊推進(jìn)施工的原則。不宜從四周轉(zhuǎn)向內(nèi)推進(jìn)施工。

(3)對(duì)進(jìn)場(chǎng)施工的所有長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)在開(kāi)鉆前應(yīng)由施工技術(shù)人員對(duì)標(biāo)尺、刻畫(huà)進(jìn)行復(fù)核,消除標(biāo)識(shí)誤差。尤其是鉆機(jī)初始標(biāo)識(shí)要指定專人進(jìn)行復(fù)查,防止操作人員弄虛作假。使用反差大的反光貼條每 0.5m進(jìn)行標(biāo)識(shí),粘貼在鉆機(jī)導(dǎo)向架上,利于夜間記錄人員識(shí)別讀數(shù)。

(4)混合料灌注時(shí)鉆桿提拔速度和輸送泵的泵送量要密切配合,保證連續(xù)提拔,施工中嚴(yán)禁出現(xiàn)超速提拔及先提管后泵料。拔管速度太快可能導(dǎo)致樁徑偏小或縮頸斷樁,而拔管速度過(guò)慢又會(huì)造成水泥漿分布不勻,樁頂浮漿過(guò)多,樁身強(qiáng)度不足和形成混和料離析現(xiàn)象,導(dǎo)致樁身強(qiáng)度不足。故施工時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制拔管速度。正常的拔管速度應(yīng)控制在 2～3m/m in。灌注過(guò)程中芯管插入混合料的最小深度宜按 30 cm控制。

(5)控制好混合料的坍落度。大量工程實(shí)踐表明,混合料坍落度過(guò)大,會(huì)形成樁項(xiàng)浮漿過(guò)多,樁體強(qiáng)度也會(huì)降低。坍落度控制在 18～20 cm時(shí)和易性好。當(dāng)拔管速度為 2～3m/min時(shí),一般樁頂浮漿可控制在30～50 cm,成樁質(zhì)量容易控制。樁身每 m3混合料摻加粉煤灰量控制在 140～180 kg。

(6)確保樁長(zhǎng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)要求 CFG樁必須穿透軟弱土層至硬底,對(duì)于下伏基巖段應(yīng)嵌入全風(fēng)化層≮1m。

(7)土方開(kāi)挖時(shí)不可對(duì)設(shè)計(jì)樁頂高程以下的樁體產(chǎn)主損害,盡量避免擾動(dòng)樁間土。

(8)剔除樁頭時(shí)先找出樁頂高程位置,用鋼釬等工具沿樁周向樁心逐次剔除多余的樁頭,直到設(shè)計(jì)樁頂高程,并把樁頂找平,不可用重錘或重物橫向擊打樁體,樁頭剔至設(shè)計(jì)高程處,樁頂表面不可出現(xiàn)斜平面。

(9)樁間土回填至樁頭平齊并采用小型夯機(jī)分層夯實(shí),確保壓實(shí)度達(dá)到 90%以上。進(jìn)行褥墊層施工時(shí),禁止大型機(jī)械車(chē)輛直接行走在 CFG樁工作區(qū)。

(10)土工格柵應(yīng)在平整好的砂墊層上按路基底寬全斷面鋪設(shè),攤鋪時(shí)拉直順平,緊貼下承層,確保無(wú)扭曲、褶皺、重疊現(xiàn)象。在斜坡上攤鋪時(shí)保持一定松緊度。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)在路基邊各留 2 m的錨固長(zhǎng)度,回折覆裹在壓實(shí)的填料面上,外側(cè)用土覆蓋,以免人為破壞。

4 路堤填筑技術(shù)措施

在路基填筑過(guò)程中,隨著附加荷載的作用,軟土地基中超靜水壓力逐漸消散,為了能夠使路基填筑所產(chǎn)生的增加量與路堤底強(qiáng)度的增加量相適應(yīng),必須進(jìn)行路堤沉降和位移觀測(cè),控制路堤的填土速率,確保路基施工安全穩(wěn)定。

4.1 路堤的施工觀測(cè)與控制

4.1.1 沉降觀測(cè)元器件的設(shè)置原則

沉降觀測(cè)的元器件主要觀測(cè)兩個(gè)方面的內(nèi)容,一是基底沉降,路基基底沉降觀測(cè)元器件采用沉降板、剖面沉降管和單點(diǎn)沉降計(jì),剖面沉降管主要是校核沉降板;二是路基自身的沉降,采用的元件是路面沉降監(jiān)測(cè)樁。觀測(cè)斷面的設(shè)置及觀測(cè)內(nèi)容、元件的布設(shè)應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件、地基壓縮層厚度、路堤高度、地基處理方法、堆載預(yù)壓等具體情況,結(jié)合沉降預(yù)測(cè)方法和工期要求具體確定。代表性觀測(cè)斷面見(jiàn)圖3。

圖3 堆載預(yù)壓地段沉降監(jiān)測(cè)元件布置示意(單位:m)

4.1.2 沉降變形觀測(cè)元器件埋設(shè)

(1)安裝沉降板

沉降板應(yīng)埋設(shè)在褥墊層頂部(或換填層底部),在褥墊層施工完成后進(jìn)行掏槽使其嵌入褥墊層 10 cm,采用中粗砂回填密實(shí),再套上保護(hù)套管。上口加蓋封住管口。沉降板安放應(yīng)與地面垂直。

隨著路基填筑施工應(yīng)逐漸接高沉降板測(cè)桿和保護(hù)套管。每次接長(zhǎng)高度以 1m為宜,接長(zhǎng)前后測(cè)量桿頂高程變化量確定接高量。

(2)安裝剖面沉降儀

當(dāng)路基基底碎石墊層施工完成后或基床底層施工完成,在垂直線路方向開(kāi)挖出寬 20 cm、深 20 cm左右的溝槽,整平槽底并在溝底鋪設(shè) 1層 5 cm厚的中粗砂并找平,后安放剖面沉降管,然后再在剖面沉降管頂面回填 5 cm中粗砂并與碎石墊層頂部平。每側(cè)要伸出路基坡腳 2m,為防止沉降斜管被損壞,管頭兩端用C20混凝土澆筑保護(hù)井。

(3)單點(diǎn)沉降計(jì)

單點(diǎn)沉降計(jì)均為觀測(cè)路堤本體變形部分,在路基本體施工完成后進(jìn)行,按設(shè)計(jì)斷面埋設(shè)。元件埋入之前應(yīng)采取措施保證孔徑滿足安裝要求。

安裝工藝流程:鉆孔→探孔→安裝沉降計(jì)→注漿→安裝法蘭沉降盤(pán)→孔內(nèi)灌砂回填→傳輸電纜埋設(shè)。

4.1.3 沉降觀測(cè)的主要項(xiàng)目

(1)地表變化。巡回觀察路基、坡腳外地面的變形、裂縫、出水現(xiàn)象及其發(fā)展情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)以上現(xiàn)象時(shí),應(yīng)考慮緩填或暫停施工。

(2)基底沉降觀測(cè)。在填土過(guò)程中,隨著填土高度的增加,通過(guò)觀測(cè)沉降板的沉降量和沉降與時(shí)間的變化情況,掌握和分析判斷地基在填筑過(guò)程中的穩(wěn)定性,進(jìn)而根據(jù)沉降量的大小控制填土速率。

(3)路面監(jiān)測(cè)樁觀測(cè)。路基填筑完成后,在表面布置沉降監(jiān)測(cè)樁,通過(guò)觀測(cè)沉降量和沉降與時(shí)間的變化情況,分析判斷并預(yù)測(cè)路基是否沉降穩(wěn)定,能否進(jìn)行無(wú)砟軌道的施工。

4.2 土方填筑及填土預(yù)壓

4.2.1 土方填筑

為保證路基沉降均勻,客運(yùn)專線對(duì)路基的填筑提出嚴(yán)格的要求。第一必須在基床底層采用粒徑不大于60mm且級(jí)配良好的 A、B填料進(jìn)行路基填筑;第二填筑過(guò)程通過(guò)埋設(shè)的沉降板嚴(yán)格控制填筑速率,確保工后沉降過(guò)渡段的差異沉降量不大于 5mm,路基沉降量不大于 15mm;第三對(duì)路基的壓實(shí)采取四控,即孔隙率n、地基系數(shù) K30、動(dòng)態(tài)變形模量 Evd及地基系數(shù) EV2進(jìn)行檢測(cè)指標(biāo)控制。

為滿足要求,選擇 DK1 703+350～DK1 703+500作為試驗(yàn)段,初步掌握位移與沉降情況,確定填土速率、填料最佳含水量、松鋪系數(shù)和碾壓遍數(shù)。根據(jù)管段內(nèi)的具體情況,選用了天然砂礫石土填料,由于南方雨水偏大,填料含水量較大,每層松鋪厚度 30～35 cm。推土機(jī)初平后晾曬,待接近最佳含水量時(shí)再進(jìn)行平整碾壓。各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)合格后填筑上一層土方。根據(jù)試驗(yàn)段取得的參數(shù),開(kāi)始路基的填筑,按照“三階段、四區(qū)段、八流程”組織施工。

4.2.2 填土預(yù)壓

路基填筑至基床底層頂面,進(jìn)行表層級(jí)配碎石填筑(先完成一層),檢測(cè)合格后,表面鋪設(shè)土工布而后進(jìn)行堆載預(yù)壓土方的填筑。填筑時(shí)分層進(jìn)行壓實(shí)。擺放期至少滿足 6個(gè)月且沉降板和觀測(cè)樁的沉降與時(shí)間的關(guān)系曲線趨勢(shì)穩(wěn)定后才能夠進(jìn)行卸載,繼續(xù)第二層級(jí)配碎石的施工。

5 效果檢測(cè)及觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

5.1 CFG樁基樁低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試

隨機(jī)抽檢了總樁數(shù)的 10%,共 30根進(jìn)行了低應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試。結(jié)果為Ⅰ類樁 28根,占抽檢樁數(shù)的93.3%,Ⅱ類樁 2根,占抽檢樁數(shù)的 6.67%,未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷樁和斷樁,樁身質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 CFG樁復(fù)合地基靜載試驗(yàn)

此段 CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)承載力為 300 kPa,根據(jù)規(guī)范要求,加載量取設(shè)計(jì)值的 2倍,為 600 kPa,每級(jí)載荷為加載量的 1/10。地基荷載試驗(yàn)承壓板采用φ1.8m圓板,板底鋪設(shè) 5～15 cm厚中粗砂找平。采用液壓油泵千斤頂人工加載,工字鋼設(shè)堆載平臺(tái),預(yù)制塊堆積提供反力,最大壓重 1 828.8 kN。通過(guò)加載系統(tǒng)的液壓表測(cè)量,用千斤頂?shù)臉?biāo)定曲線換算給出每級(jí)壓力表讀數(shù),試點(diǎn)沉降則通過(guò)承壓板兩邊對(duì)稱架設(shè)的4個(gè)機(jī)械式百分表測(cè)量。荷載試驗(yàn)示意如圖4所示,DK1 707+400樁號(hào) 50-1復(fù)合地基荷載試驗(yàn) P-S曲線見(jiàn)圖5。

圖4 荷載試驗(yàn)示意

5.3 沉降及位移觀測(cè)

路基填筑完成或施加預(yù)壓荷載后應(yīng)有不少于 6個(gè)月的觀測(cè)和調(diào)整期,觀測(cè)數(shù)據(jù)不足以評(píng)估時(shí),應(yīng)繼續(xù)觀測(cè)。對(duì)每個(gè)路基工點(diǎn)應(yīng)以 3個(gè)月為周期根據(jù)最新推導(dǎo)的沉降擬合曲線進(jìn)行工后沉降預(yù)測(cè)至少 2次以上,并檢查所有觀測(cè)斷面的預(yù)測(cè)工后沉降是否滿足要求。

圖5 復(fù)合地基荷載試驗(yàn)P S曲線

對(duì)路基和剛性結(jié)構(gòu)過(guò)渡段還應(yīng)同時(shí)審核其預(yù)測(cè)工后差異沉降是否≤5mm,折角≤1/1 000。

此外,還應(yīng)檢查同一個(gè)觀測(cè)斷面前后兩次工后沉降預(yù)測(cè)值的差異,如果其差值≤8 mm,可認(rèn)為預(yù)測(cè)的工后沉降具有足夠的可信度。

設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)總沉降量與通過(guò)實(shí)測(cè)資料預(yù)測(cè)的總沉降量的差值不宜大于 10mm。

如果一個(gè)路基工點(diǎn)所有的觀測(cè)斷面滿足以上要求,該路基工點(diǎn)可以鋪設(shè)無(wú)砟軌道施工。沉降分析結(jié)果見(jiàn)表1,荷載-沉降過(guò)程曲線見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 DK1 707+400沉降點(diǎn)(沉降板)荷載 -沉降過(guò)程曲線

圖7 DK 1 707+400沉降點(diǎn)(路面觀測(cè)樁)荷載 沉降過(guò)程曲線

表1 DK1 707+350～DK 1 707+420段沉降分析結(jié)果匯總

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)武廣公司施工組織安排,本段路基通行運(yùn)梁車(chē)時(shí)間為 2008年 5月,雙塊式無(wú)砟軌道施工時(shí)間是2008年 10月。橋頭路基加固處理過(guò)程中,通過(guò)合理的施工組織和施工技術(shù)、質(zhì)量措施的控制和沉降觀測(cè)點(diǎn)的布置、觀測(cè),該段路基在 2008年 5月順利通過(guò)了專家評(píng)估,達(dá)到了預(yù)期的效果,為架梁通道和后續(xù)的無(wú)砟軌道施工奠定了基礎(chǔ)。

[1] 鐵建設(shè)[2006]158號(hào),客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南.

[2] 鐵建設(shè)[2005]160號(hào),客運(yùn)專線鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn).

[3] 孟綏寶.CFG樁復(fù)合地基的原理與施工技術(shù)要點(diǎn)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(S1).