王 鑄，宋緒國(guó)

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(yùn)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(shù)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(jié)體，提高了路基承載力，減少了路基下沉引起的病害，從而達(dá)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(dú)到之處，具有適用范圍廣、施工簡(jiǎn)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(jié)體強(qiáng)度高、設(shè)備簡(jiǎn)單、管理方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 斜向水泥土樁加固機(jī)理

斜向水泥土樁法加固通常分成2個(gè)階段，第一階段為成孔階段，即采用普通的(或?qū)Ｓ玫?鉆機(jī)預(yù)成孔或者直接采用旋噴鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)帶有密封良好的噴射管及一個(gè)或兩個(gè)橫向噴嘴的特制噴射頭進(jìn)行成孔。采用普通鉆機(jī)預(yù)成孔時(shí)，鉆至預(yù)定深度后，再把旋噴機(jī)噴射頭下至孔底，采用旋噴鉆機(jī)直接成孔時(shí)，使噴射頭達(dá)到預(yù)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(guò)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(shí)，鉆桿一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向上提升。由于高壓噴射流有強(qiáng)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?dāng)嚢杌旌?，形成圓柱狀的水泥與土混合的加固體，即所說(shuō)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(jī)具及監(jiān)測(cè)儀表

3.1 施工機(jī)具

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

(1)旋噴鉆機(jī)

旋噴鉆機(jī)是斜向水泥土樁法的必要設(shè)備。旋噴鉆進(jìn)對(duì)鉆機(jī)的基本要求是:鉆進(jìn)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(jī)有MGJ-50型錨固旋噴工程鉆機(jī)、XP-50A型旋噴鉆機(jī)、GD-2型旋噴鉆機(jī)、MG50-AX旋噴鉆機(jī)、GX-1型旋噴鉆機(jī)、MGJ50A型鉆機(jī)等。

(2)噴射注漿管

噴射注漿管是進(jìn)行斜向水泥土樁法施工的專用設(shè)備。它由單管導(dǎo)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(shè)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(jī)

泥漿攪拌機(jī)是攪拌水泥漿的專用設(shè)備，可根據(jù)噴射量自行設(shè)計(jì)、加工制造。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，單機(jī)高壓噴射注漿時(shí)，泥漿攪拌機(jī)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(jī)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(jī)

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

(7)排漿泵

在進(jìn)行斜向水泥土樁施工時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生大量廢漿，為了保證施工場(chǎng)地清潔干凈，防止污染環(huán)境，應(yīng)盡快將廢液排走。但是，有些工地由于施工場(chǎng)地限制，無(wú)法將廢液通過(guò)排污溝自行排走，需提供排漿泵將廢液及時(shí)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(cè)儀表

為了控制斜向水泥土樁的質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)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(lái)，一則可以當(dāng)各種參數(shù)超過(guò)或低于設(shè)計(jì)值時(shí)，及時(shí)閃光鳴笛報(bào)警，施工人員及時(shí)檢查排除故障，二則可作為原始記錄存檔。

監(jiān)測(cè)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(bào)及啟動(dòng)停止控制等。

監(jiān)測(cè)儀表選用見(jiàn)表1。

表1 監(jiān)測(cè)儀表選用

4 斜向水泥土樁法的施工

4.1 組織與準(zhǔn)備工作

施工前要做好現(xiàn)場(chǎng)復(fù)查和編制施工組織設(shè)計(jì)等多項(xiàng)組織與準(zhǔn)備工作。首先要按照設(shè)計(jì)圖樣核實(shí)設(shè)計(jì)孔位處，有無(wú)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(shè)物等障礙物，影響施工者，則應(yīng)與有關(guān)單位協(xié)商搬移或更改設(shè)計(jì)孔位，其次是核對(duì)地質(zhì)資料，第三是編制施工組織設(shè)計(jì)。

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(guò)程為鉆機(jī)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(jié)束后應(yīng)立即對(duì)機(jī)具和孔口進(jìn)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(zhǔn)備→樁位放樣→鉆機(jī)就位、對(duì)中→漿液拌制、鉆孔至設(shè)計(jì)高程→插管→注漿、旋噴→拔管→沖洗機(jī)具→移動(dòng)機(jī)具。

(2)施工技術(shù)參數(shù)

斜向水泥土樁的施工參數(shù)應(yīng)根據(jù)土質(zhì)條件、加固要求通過(guò)試驗(yàn)或根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，并在施工中嚴(yán)格加以控制。常用的斜向水泥土樁技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

(3)斜向水泥土樁施工工藝

影響水泥土樁固結(jié)體的質(zhì)量和加固效果因素較多，但施工工藝是影響固結(jié)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(shù)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(jìn)行。當(dāng)注漿管不能一次提升完成，需分成數(shù)次卸管時(shí)，卸管后再噴射注漿的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100 mm，以保證固結(jié)體的整體性。

②復(fù)噴工藝

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

③冒漿處理工藝

在旋噴過(guò)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(guò)對(duì)冒漿的觀察，可以及時(shí)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(guò)程中，冒漿量宜控制在10%～20%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(guò)20%或完全不冒漿時(shí)，應(yīng)查明原因及時(shí)采取相應(yīng)措施。

a.出現(xiàn)不冒漿或斷續(xù)冒漿時(shí)，若系土質(zhì)松軟則視為正?，F(xiàn)象，可適當(dāng)進(jìn)行復(fù)噴;若系附近有空洞、通道，則應(yīng)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(guò)大的主要原因一般是有效噴射范圍與注漿量不相適應(yīng)，注漿量大大超過(guò)旋噴固結(jié)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(dāng)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(dāng)采用純水泥漿液進(jìn)行噴射時(shí)，在漿液與土粒攪拌混合后的凝固過(guò)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(jié)體頂部出現(xiàn)一個(gè)凹穴，凹穴的深度隨地層性質(zhì)、漿液的析出性、固結(jié)體的直徑和全長(zhǎng)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(shí)在漿液凝固前進(jìn)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(yīng)用在既有線鐵路路基病害整治工程，對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)行車安全會(huì)產(chǎn)生一定的影響，需要采取一系列安全保障措施和應(yīng)急預(yù)案，確保施工安全和運(yùn)營(yíng)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(duì)列車進(jìn)行限速慢行，根據(jù)斜向水泥土樁施工對(duì)既有線軌面的不同影響程度，可采用不同的限速標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，一般行車限速80 km/h時(shí)，斜向水泥土樁施工不會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)行車安全產(chǎn)生較大的影響。

(2)利用天窗時(shí)間施工

對(duì)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(chǔ)的斜向水泥土樁，應(yīng)利用天窗時(shí)間進(jìn)行施工，并適當(dāng)降低旋噴樁噴射壓力。斜向水泥土樁與接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的凈距離不應(yīng)小于1.0 m。

(3)斜向水泥土樁施工要嚴(yán)格按施工順序施工

斜向水泥土樁施工順序?yàn)橄仁┕た拷坊芳绲牡谝慌艠叮瓿珊蠓娇墒┕て溆鄻?。同排樁?yīng)隔樁施工，必要時(shí)應(yīng)隔2根樁及以上施工。兩側(cè)同時(shí)施工時(shí)，兩側(cè)樁應(yīng)沿線路方向隔樁施工，必要時(shí)應(yīng)隔2根樁及以上施工。

(4)加強(qiáng)沉降變形觀測(cè)

①線路變形觀測(cè)

施工單位在斜向水泥土樁施工地段應(yīng)進(jìn)行線路變形觀測(cè)，每個(gè)觀測(cè)斷面在路肩、軌面、兩線間均應(yīng)設(shè)置觀測(cè)樁，觀測(cè)斷面間距5 m。在斜向水泥土樁施工期間實(shí)行過(guò)車趟趟觀測(cè)或間隔30 min觀測(cè)制度，詳細(xì)如實(shí)地記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)。旋噴注漿時(shí)對(duì)軌面進(jìn)行不間斷觀測(cè)，觀測(cè)人員每30 min向工務(wù)監(jiān)護(hù)人員報(bào)告一次觀測(cè)情況。若觀測(cè)發(fā)現(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)變化超過(guò)2 mm時(shí)，必須立即通知工務(wù)監(jiān)護(hù)人員并及時(shí)停止斜向水泥土樁施工，及時(shí)采取整修、限速或封閉等措施。

②接觸網(wǎng)支柱變形觀測(cè)

施工單位應(yīng)對(duì)施工地段范圍內(nèi)的接觸網(wǎng)支柱進(jìn)行變形觀測(cè)。在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行不間斷觀測(cè)，詳細(xì)如實(shí)地記錄觀測(cè)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(hù)人員并及時(shí)停止斜向水泥土樁施工，及時(shí)采取整修、限速或封閉等措施。

(5)工務(wù)嚴(yán)密監(jiān)護(hù)

①旋噴樁施工期間，工務(wù)部門必須在施工地點(diǎn)搭設(shè)看守棚，24 h派監(jiān)護(hù)人員看守。在每處看守點(diǎn)配備兩臺(tái)小蜜蜂搗固機(jī)和兩臺(tái)起拔道器。

②每處旋噴樁施工地點(diǎn)備砟不少于50 m3，裝袋不少于30 m3。

③施工期間除天窗時(shí)間外，嚴(yán)禁施工人員跨越線路，嚴(yán)禁跨線搬運(yùn)機(jī)具和材料。

④工務(wù)監(jiān)護(hù)人員負(fù)責(zé)施工期間線路檢查整修。除天窗時(shí)間外實(shí)行過(guò)車趟趟檢查制度，天窗時(shí)間內(nèi)每隔30 min檢查一遍，做好記錄。軌道尺寸超過(guò)經(jīng)常保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)及時(shí)整修。

(6)設(shè)置安全防護(hù)欄桿

施工單位嚴(yán)格按照工務(wù)部門要求設(shè)置安全防護(hù)欄桿。每個(gè)施工地點(diǎn)的安全防護(hù)欄桿必須與兩側(cè)線路護(hù)網(wǎng)連接，確保現(xiàn)場(chǎng)人員、機(jī)具及材料與線路有效隔離。

(7)加強(qiáng)施工安全防護(hù)措施

按鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全防護(hù)要求執(zhí)行。

(8)制定應(yīng)急預(yù)案

旋噴樁施工對(duì)既有線運(yùn)營(yíng)行車安全會(huì)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(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，并根據(jù)事故情況啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。圖3為應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)流程。

圖3 應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)流程

4.4 施工注意事項(xiàng)

(1)施工前，做好施工場(chǎng)地的地面排水，按照?qǐng)龅厍闆r規(guī)劃泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)、規(guī)劃施工道路，施工機(jī)械、工具、施工平臺(tái)的進(jìn)場(chǎng)與停放安置，并注意施工不要污染環(huán)境。

(2)操縱鉆機(jī)人員要有熟練的操作技能，了解注漿全過(guò)程及鉆機(jī)旋噴注漿性能，嚴(yán)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(yīng)采取防熱和防曬措施，漿液溫度嚴(yán)格控制在40℃以下。寒冷季節(jié)施工應(yīng)做好機(jī)具和高壓噴射注漿管路的防寒保暖工作，高壓不得在負(fù)溫下工作，施工完了應(yīng)及時(shí)將泵和管路內(nèi)的積水排出以防結(jié)冰造成爆管。

(5)施工期間應(yīng)注意施工機(jī)械在施工范圍內(nèi)和空中電線、電纜等障礙物的干擾問(wèn)題，并注意施工對(duì)運(yùn)營(yíng)線路及列車的干擾問(wèn)題，做好施工組織，控制運(yùn)營(yíng)速度，保證列車正常運(yùn)行。制定嚴(yán)密的安全施工措施。注意人員、機(jī)具、行車安全。

(6)施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)路基、軌道、接觸網(wǎng)立柱變形監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)變形過(guò)大應(yīng)立即停止施工，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。并通知有關(guān)各方研究確定處理方案后方可恢復(fù)施工。同時(shí)施工過(guò)程應(yīng)加強(qiáng)線路養(yǎng)護(hù)維修工作。

(7)施工中應(yīng)做好泥漿處理，及時(shí)將泥漿運(yùn)出或在現(xiàn)場(chǎng)短期堆放后作土方運(yùn)出。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)斜向水泥土樁法加固既有路基施工技術(shù)研究，表明斜向水泥土樁法是一種適合在列車運(yùn)行條件下路基快速加固的方法，在施工過(guò)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(yīng)急預(yù)案才能確保施工安全和行車安全。斜向水泥土樁加固運(yùn)行條件下鐵路路基于2005年開始應(yīng)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(yùn)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(wàn)鐵路既有路基加固中逐漸得到了推廣應(yīng)用。斜向水泥土樁法具有諸多優(yōu)點(diǎn)，在既有線路基加固工程中具有廣闊的應(yīng)用前景，值得推廣應(yīng)用。

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