張 駿，徐前衛(wèi)

(1. 上海鐵路局 建設(shè)處，上海 200071；2. 同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

隨著我國高速鐵路建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā)展，越來越多的鐵路路基需要建設(shè)在軟土地基上。軟土地區(qū)的高速鐵路多采用預(yù)應(yīng)力管樁-筏板或樁網(wǎng)復(fù)合地基形式，對控制高鐵路基的沉降變形很有作用，但由于軟土具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、透水性差、流變性顯著且承載力低等特點(diǎn)，工程完工后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)地基沉降繼續(xù)發(fā)展。軟土路基的沉降及其發(fā)展嚴(yán)重影響道路的正常運(yùn)行，特別是對一些已建成并投入運(yùn)營的線路，每年投入高昂的加固治理費(fèi)用。尋找經(jīng)濟(jì)實(shí)用的地基處理方法對道路工程十分重要。

軟土路基工后長期沉降是世界性難題，目前國內(nèi)外尚未有很好的解決辦法，比較直接有效的方法就是注漿。注漿技術(shù)是巖土工程中隨著防滲與地基土加固等工程需要而產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種巖土加固技術(shù)，近十多年來在公路和鐵路路基工程的加固和病害治理中得到了積極的推廣和應(yīng)用[1-4]。注漿技術(shù)在軟土處理方面發(fā)揮了積極的作用，但相關(guān)注漿理論還不成熟，注漿可靠性有待提高，在運(yùn)營高速鐵路路基加固中的應(yīng)用不多見。本文結(jié)合某運(yùn)營高速鐵路的路基沉降治理工程實(shí)踐，開展線路下全地層注漿和部分地層分層注漿的現(xiàn)場試驗(yàn)，深入分析注漿施工對地層擾動變形規(guī)律及其影響范圍，在此基礎(chǔ)上開展減少地層擾動變形的注漿施工控制技術(shù)研究，所得成果可有效指導(dǎo)本工程的設(shè)計(jì)與施工，為今后類似工程提供借鑒和參考作用。

1 工程概況

某高鐵線路位于我國東南沿海平原地帶，路基采用無砟軌道預(yù)應(yīng)力管樁-筏板復(fù)合地基結(jié)構(gòu)形式，管樁直徑50 mm，間距2.4 m×2.4 m，筏板厚50 mm，路基斷面見圖1。該鐵路沿線第四系堆積層廣泛發(fā)育，沉積厚度35～240 m不等，自西向東逐漸增加，且成因類型復(fù)雜。依據(jù)成因時代、巖土力學(xué)性質(zhì)，地基各土層特性自上而下依次為：①1人工填土，雜色，松散，層厚1.5～3.2 m；②1黏土，褐黃色，硬(可)塑，層厚0.8～2.2 m；②2黏土，灰黃色，軟塑，層厚0.7～1.1 m；②3粉土，灰色，松散～稍密，飽和，層厚3.9～4.9 m；③1淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，層厚3.8～5.9 m；③2粉土夾粉質(zhì)黏土，灰色，稍密，飽和，層厚6.1～6.2 m；④淤泥質(zhì)黏土，灰色，流塑，層厚8.1～16.4 m；⑤2粉土，灰色，稍密～中密，飽和，層厚1.8～2.3 m；⑤3粉質(zhì)黏土，灰色，軟塑，層厚2.8～17.25 m；⑥1粉質(zhì)黏土，暗綠～草黃色，硬(可)塑，層厚0.8～3.3 m；⑥2粉細(xì)砂，灰色，密實(shí)，飽和，層厚0.9～1.4 m；⑦1粉土，草黃色～灰色，中密～密實(shí)，飽和，層厚2.6～8.8 m；⑦2粉細(xì)砂，灰色，密實(shí)，飽和，層厚5.0～10.5 m；⑧1粉土，灰色，中密，飽和，層厚1.0～4.1 m；⑧2粉質(zhì)黏土夾粉砂，灰色，軟(可)塑或中密，層厚13.0～30.6 m。

該線路在投入運(yùn)營半年后，局部地段有沉降發(fā)生，累計(jì)最大沉降達(dá)50 mm，遠(yuǎn)超出高速鐵路工后15 mm的允許沉降量[5]。位于兩條下穿鐵路線的公路橋涵附近位置沉降尤其嚴(yán)重，見圖2。為確保列車運(yùn)行安全和線路正常維護(hù)，需要對沉降地段采取加固處理措施。

2 軟土路基運(yùn)營沉降及加固機(jī)理分析

自投入運(yùn)行至2012年1月31日，K0+810斷面沉降發(fā)展歷時曲線見圖3。從圖3可以看出，沉降雖逐漸趨緩，但并未收斂穩(wěn)定。

分析設(shè)計(jì)圖紙和施工資料可知，該段路基下方的預(yù)應(yīng)力管樁以摩擦型為主，已進(jìn)入承載力較強(qiáng)的⑦1粉土層，從樁基的承載力和路基的最終沉降量驗(yàn)算角度，均滿足文獻(xiàn)[5-6]要求。通過對施工記錄的進(jìn)一步分析可知，該段路基在施工時先壓入預(yù)制管樁，后進(jìn)行公路橋涵基坑的開挖及降水，對路基投入運(yùn)營后的沉降有一定影響。根據(jù)對上述沉降觀測數(shù)據(jù)的分析可知，在高速列車長期運(yùn)行條件下該段路基結(jié)構(gòu)的沉降遠(yuǎn)未穩(wěn)定。為確保路基的結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，需對其進(jìn)行必要的加固。

對已經(jīng)投入運(yùn)營的軟土路基沉降病害的加固，目前以注漿加固為主。軟土注漿加固作用的機(jī)理是漿液以充填、滲透、壓密和劈裂等方式擠出土粒間或巖石裂隙中的水分和空氣，使?jié){液與原來松散的土料或裂隙膠結(jié)成整體，形成一個結(jié)構(gòu)新、強(qiáng)度大、防水性能高和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的“結(jié)石體”，提高土體承載力和抗變形能力，達(dá)到加固路基、充填空洞、治理病害的目的[7]。該段路基土層主要以黏土、粉土及粉細(xì)砂為主，適宜的注漿方式是在砂土、粉土中以滲透注漿為主，在黏土中以壓密注漿為主。事實(shí)上，很難真正區(qū)分在軟土中究竟采用的是哪種形式的注漿，一般情況下都需采用2種或2種以上的注漿方法，通過分段分層治理，形成滲透-充填-置換-擠密-復(fù)合防滲補(bǔ)強(qiáng)的地基。鑒于高速列車運(yùn)行期間對線路平順性有極高的要求，很有必要開展現(xiàn)場注漿試驗(yàn)，并在注漿過程中隨時進(jìn)行地表變形監(jiān)測，選擇適宜的注漿工藝和參數(shù)，以防止地表發(fā)生有害變形。

3 現(xiàn)場注漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 注漿方案設(shè)計(jì)

本工程發(fā)生沉降地段的路基采用的是樁承式筏板結(jié)構(gòu)，管樁樁端已進(jìn)入承載力較好的⑦1粉土層，注漿加固的目的是提高樁側(cè)摩阻力。選取花管注漿對樁側(cè)土體進(jìn)行加固的方案，包括全地層加固和部分地層分層加固。路基橫斷面注漿見圖4。位于內(nèi)側(cè)的L1、R1采取樁側(cè)全地層注漿，注漿范圍自樁底的⑤3粉質(zhì)黏土層至接近地表的②3粉土層；位于外側(cè)的L2、R2采取樁側(cè)部分地層分層注漿，注漿范圍自樁底的⑤3粉質(zhì)黏土層至靠近地表的④淤泥質(zhì)黏土層。

圖5為路基注漿試驗(yàn)段K1+130～K1+180斷面花管注漿的平面布置圖。注漿管布置在兩排樁的中間，沿線路方向間距2.4 m。為減小鉆孔對地層的擾動，要求鉆孔位置誤差不超過5 cm，鉆孔垂直度小于0.01。選用專用的60型地質(zhì)鉆機(jī)，鉆機(jī)必須牢固地固定在地面，使得鉆孔不會出現(xiàn)偏移而影響精度。

3.2 漿體材料選擇

對于軟土地區(qū)路基下沉病害的處理施工，選擇漿液類型時以無毒、無污染、施工簡便、取材方便、價格低廉為原則。根據(jù)軟土地區(qū)鐵路路基的填筑情況，選擇以水泥為主體的無機(jī)類漿體材料。在本工程的現(xiàn)場試驗(yàn)中，采用水泥漿液作為注漿材料，單孔單液注漿。水泥漿液水灰比0.75∶1，采用P.042.5普通硅酸鹽水泥，摻入1%的KDSP-1羧酸鹽高性能減水劑、1%的水玻璃速凝劑。

3.3 注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

采用注漿技術(shù)對路基下沉病害進(jìn)行整治時，首先對病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行具體分析，根據(jù)病害的實(shí)際情況確定注漿類型、漿體材料，確定單孔擴(kuò)散半徑、孔間距、漿液用量、注漿壓力等技術(shù)參數(shù)[8]。

(1) 擴(kuò)散半徑

漿液擴(kuò)散半徑R受地層土質(zhì)、滲透系數(shù)、地層不均勻性等因素影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對路基的注漿加固半徑一般在1.0～2.0 m。

(2) 孔間距

孔間距一般為0.8R，在砂性土層滲透注漿孔距取0.8～1.2 m，在黏性土層劈裂注漿孔間距取1.0～2.0 m?；ü茏{的加固半徑為1.0～2.0 m。本工程中筏板下預(yù)應(yīng)力管樁間距為2.4 m×2.4 m，在每兩排管樁之間布置一根注漿管，管間距2.4 m。

(3) 注漿量

對全地層注漿，采用注漿量為：第②3、③2層粉土每米0.6～0.8 m3；第④層每米1.0～1.2 m3；第⑤2層、⑤3層每米1.0 m3。對分層注漿，采取的注漿量為：第④層每米1.0 m3；第⑤3層每米1.1～1.3 m3。

(4) 注漿壓力

較高的注漿壓力有利于漿液擴(kuò)散，但壓力超過邊界條件允許的范圍會引起地面和結(jié)構(gòu)物的變形和破壞。注漿壓力應(yīng)控制在邊界條件允許的最大注漿壓力范圍內(nèi)。

對全地層注漿，地面10 m以下和以上的地層注漿容許壓力分別為0.5、0.2 MPa。對分層注漿，第⑤3、④層土中的注漿壓力分別設(shè)定為0.2～0.3、0.1～0.2 MPa。

3.4 注漿監(jiān)測方案

注漿期間對路基表層支撐板的豎向變形進(jìn)行監(jiān)測；在路基左右兩側(cè)布置測斜管，管長30 m，用來測量注漿過程中土層沿線路橫斷面方向以及沿線路縱向的水平位移情況；在路基左右兩側(cè)的測斜管附近埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，檢測注漿過程中孔隙水壓力變化情況，以便調(diào)整注漿壓力。檢測布置見圖4。

3.5 注漿管控措施

對采用樁-筏結(jié)構(gòu)處理的無砟軌道高速鐵路軟土路堤加固補(bǔ)強(qiáng)，目前缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范指導(dǎo)，本線已開通運(yùn)營，對地基補(bǔ)強(qiáng)施工要求很高。

(1) 為確保注漿質(zhì)量，采取跳注的方式進(jìn)行注漿，防止注漿過程中漿液從作業(yè)孔內(nèi)冒漿。

(2) 注漿施工時加強(qiáng)路基軌道變形和附近構(gòu)筑物監(jiān)測，注漿壓力和注漿量出現(xiàn)異常時要查明原因，出現(xiàn)漏漿、跑漿或注漿管堵塞應(yīng)妥善處理。

(3) 路基支承層晝夜抬高超過3 mm時，暫停注漿，及時調(diào)整注漿工藝和參數(shù)。

(4) 注漿施工期間，路基可能出現(xiàn)拱起或下沉，變形嚴(yán)重時需研究是否對列車運(yùn)營速度進(jìn)行限制。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

以K1+130～K1+180段為例，對相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。本次注漿試驗(yàn)分2個階段，第一階段自2011-05-28～2011-06-14，開展樁側(cè)全地層注漿；第二階段自2011-07-12～2011-09-05，開展部分地層分層注漿，先注⑤3層，再向上進(jìn)入第④層注漿。

4.1 地表變形

全地層注漿和分層注漿期間地表不同位置的位移變化曲線見圖6。從圖6可以看出，注漿持續(xù)期間地表隨之隆起，注漿停止后地表隨即開始下降；全地層注漿引起的地表隆起的變化幅度明顯高于分層注漿引起的值，說明全地層注漿引起的地層擾動比較大；由第⑤3層進(jìn)入第④層注漿時，地表迅速劇烈隆起，說明注漿對第④層的擾動比較大。停止注漿后不同注漿方式下K1+140斷面沉降歷時曲線見圖7。由圖7可知，停止注漿后，全地層注漿引起的地表下沉比較劇烈，說明在進(jìn)行路基沉降治理時，全地層注漿并非最為適宜，要有選擇地進(jìn)行部分地層注漿，盡量減少對地層的擾動。

4.2 地表差異變形

全地層注漿和分層注漿時路基支撐板左右兩側(cè)的差異變形曲線見圖8。從圖8可以看出，注漿時地面差異變形增大，注漿結(jié)束后差異變形減小或較為穩(wěn)定，主要取決于路基兩側(cè)注漿管的實(shí)際注漿；全地層注漿引起的差異變形相對幅值高于分層注漿引起的變化幅值，說明分層注漿效果好于全地層注漿；分層注漿停止后，K1+170、K1+180斷面處的差異變形增大較為明顯，是因?yàn)槁坊髠?cè)的注漿管分布較多，路基右側(cè)有意識地少布置注漿管，導(dǎo)致注漿結(jié)束后路基兩側(cè)的不均勻沉降，說明在注漿時宜在路基兩側(cè)對稱布置注漿管。

4.3 地表變形速率

地表變形變化最劇烈的K1+160處的日均變形速率變化見圖9，其中正值表示隆起，負(fù)值表示下沉。由圖9可以看出，注漿時地表日均變形速率跳躍較大，主要與注漿點(diǎn)布置及注漿壓力影響有關(guān)；注漿結(jié)束后日均變形值逐漸趨??；注漿期間全地層注漿引起的日均變化值高于分層注漿引起的對應(yīng)值，注漿結(jié)束后亦然；從第⑤3層進(jìn)入第④層注漿時，地表變化速率迅速增大，表明第④層對擾動敏感。對路基進(jìn)行注漿加固時，宜避開對擾動比較敏感的地層。由于注漿期間局部斷面處的日均變形速率超過3 mm，為確保線路運(yùn)行安全，高速列車運(yùn)行至此處時減速至80 km/h行駛。

4.4 孔隙水壓力

K1+180斷面在注漿試驗(yàn)過程中的孔隙水壓力變化曲線及-18 m處不同注漿模式下停止注漿后孔隙水壓力的變化歷時曲線見圖10。從圖10可以看出，注漿期間孔隙水壓力上升，停止注漿后孔隙水壓力開始下降；越是深層處的孔隙水壓力受注漿影響越劇烈，消散得也越慢，需要更長時間才能穩(wěn)定，說明深層處的土體擾動需要更長時間才能穩(wěn)定；全地層注漿結(jié)束后孔隙水壓力變化高于分層注漿，說明全地層注漿對地層的擾動大。

K1+180斷面地表變形與-28 m深度處的孔隙水壓力的對應(yīng)關(guān)系見圖11。從圖11可以看出，漿液的注入導(dǎo)致孔隙水壓力上升，對應(yīng)地表隆起；孔隙水壓力下降時地表隨之下沉。說明高速鐵路路基的沉降與路基下方地層內(nèi)部的孔隙水壓力變化有直接關(guān)系，這個過程需要很長的時間才能穩(wěn)定。因此，進(jìn)行路基加固設(shè)計(jì)時，應(yīng)避開在對孔隙水壓力變化比較敏感的地層中注漿。

4.5 土體側(cè)向變形

K1+160斷面處路基兩側(cè)不同深度處的土體側(cè)向變形隨時間變化曲線見圖12，隨深度變化見圖13，其中位移正、負(fù)值分別表示變形向外、向內(nèi)。從圖12可以看出，注漿期間地層土體向外擠出變形，注漿結(jié)束時地層土體有向內(nèi)收縮變形的趨勢；注漿進(jìn)入第④層時，土體側(cè)向變形反映比較劇烈，說明第④層是關(guān)鍵層，施工中不宜擾動。從圖13可以看出，漿液注入后土體側(cè)向變形主要集中在地下-10～-25 m深度處。

4.6 注漿效果

分層注漿結(jié)束后，漿液凝固，同時土中的孔隙水壓力消散，地表呈下沉趨勢。圖14為該段路基不同斷面在注漿結(jié)束后的變形歷時曲線。經(jīng)歷了注漿初期的劇烈隆起變形后，變形最終趨于穩(wěn)定，說明注漿具有明顯的加固減沉效果。

5 地層注漿擾動及其控制分析

5.1 地層擾動變形機(jī)理

在軟土中注漿時，漿液在注漿壓力的作用下通過注漿管壓入到地層中。若地層的滲透系數(shù)較大，漿液向土體內(nèi)部滲透，土體內(nèi)部的水被擠壓排出，即滲透注漿，排出水的體積等于滲入的漿液量。若土層的滲透系數(shù)較小，漿液很難通過滲透進(jìn)入土體內(nèi)部，隨著注漿壓力和注漿量的增大，漿液在注漿孔口形成球形漿泡，擠壓周圍土體，注漿壓力足夠大時，土體劈裂，漿液擴(kuò)散形成加固體?？蓪⒆{過程視為無限土體中受內(nèi)壓p的球孔擴(kuò)張問題來分析[9]，見圖15，其中球孔半徑為a。

對于受內(nèi)壓的球孔，孔邊緣的徑向應(yīng)力σr最大，向外迅速減小。由于受到球腔內(nèi)壓力p的擠壓作用，球孔外土體出現(xiàn)拉應(yīng)力σθ，該拉應(yīng)力超出土體抗拉強(qiáng)度時，發(fā)生劈裂現(xiàn)象。在排水條件下，作用在孔壁上的σr有所減小。在不排水條件下更容易發(fā)生劈裂，其基本條件是土體受到擠壓產(chǎn)生位移并有向外擴(kuò)占其他空間的可能。研究不排水情況下的注漿，有助于進(jìn)一步理解軟土注漿加固的機(jī)理。

在不排水條件下，半徑為a的注漿球孔內(nèi)的漿液將全部擠壓進(jìn)入周圍土體，任一半徑為rr處的擴(kuò)張尺寸Δr為

( 1 )

若已知注漿速度，結(jié)合式( 1 )，注漿影響范圍內(nèi)的地表任一點(diǎn)的隆起變形為

( 2 )

式中：δz為地表豎向變形值；q為單位時間注漿量；t為注漿時間；β為地表任一點(diǎn)與注漿球孔中心的連線與豎直面的夾角；h為注漿球孔的深度。

以K1+150斷面為例，針對全地層注漿，花管注漿的漿泡半徑按0.5 m計(jì)算，現(xiàn)場實(shí)際每米注漿量為1.083 m3，由式( 2 )可得注漿影響范圍內(nèi)的地表隆起變形分布曲線，見圖16。路基中心點(diǎn)處隆起量最大，為38.5 mm，略低于實(shí)測結(jié)果，因?yàn)槠渌麛嗝嫣幍淖{對該斷面的附加變形影響未被計(jì)入。

對K1+000斷面-38～-4 m深度范圍內(nèi)全地層注漿引起的土體側(cè)向變形進(jìn)行計(jì)算，由式( 1 )可得距路基中心不同距離的土體沿深度方向的側(cè)向變形分布曲線，見圖17。其中距路基中心12 m處(對應(yīng)現(xiàn)場測斜管位置)的曲線所反映的特征與實(shí)測結(jié)果較為接近。

5.2 地層擾動變形控制分析

注漿對地層的擾動主要體現(xiàn)在土體的變形和孔隙水壓力的升高，以地表變形最為直觀，實(shí)踐中以地表變形作為控制注漿的依據(jù)。對注漿施工的控制，主要通過注漿速度和注漿壓力來體現(xiàn)。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，列車運(yùn)行速度大于160 km/h時，線路允許高低差3 mm。根據(jù)式(2)，在與現(xiàn)場注漿同樣的時間內(nèi)，合理的全地層注漿速度q1應(yīng)為7.98 L/min，相應(yīng)的在分層注漿期間的注漿速度q2應(yīng)為16.55 L/min?，F(xiàn)場實(shí)測全地層注漿速度為q1為50～70 L/min，對應(yīng)的分層注漿速度q2為20～26 L/min。實(shí)際注漿速度均高于容許值，導(dǎo)致地表產(chǎn)生明顯變形。

漿泡在注漿壓力作用下的擴(kuò)張作用可看做空間球?qū)ΨQ受壓問題，因此認(rèn)為漿泡周圍土體受到內(nèi)部漿液壓力p1和外部地壓p2共同作用而變形。以地表最大隆起3 mm為控制指標(biāo)，根據(jù)式( 1 )及彈性力學(xué)球?qū)ΨQ問題的位移分量計(jì)算表達(dá)式，求得不同深度處的注漿控制壓力值，見圖18。從圖18可知，本工程中選擇在地面10 m以下和以上的地層注漿容許壓力分別為0.5、0.2 MPa是合適的。

6 結(jié)論

本文針對高速鐵路軟土路基在運(yùn)營過程中的沉降問題，分析了注漿法在軟土路基加固工程中的應(yīng)用形式及其作用機(jī)理。結(jié)合具體的工程實(shí)例，開展了全地層注漿和部分地層分層注漿的現(xiàn)場試驗(yàn)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，得出了如下的主要結(jié)論：

(1) 從注漿引起的地表變形量和地表的變形速率的數(shù)值大小看，對軟土路基下方有選擇地進(jìn)行分層注漿的加固效果優(yōu)于全地層注漿效果。

(2) 在注漿加固時，宜合理布置注漿管位置，盡量在路基兩側(cè)對稱布置注漿管，減小路基兩側(cè)的差異沉降。

(3) 地表沉降與路基下方地層中孔隙水壓力的變化直接相關(guān)。注漿引起地層內(nèi)部孔隙水壓力變化，進(jìn)而引起地表隆起和沉降變形，故在正式的注漿加固期間，應(yīng)避開對孔隙水壓力變化較敏感的地層注漿。

(4) 漿液注入后引起土體向外的側(cè)向變形，在本試驗(yàn)段中，在比較軟弱的淤泥質(zhì)軟土層中更為明顯。因此，施工中不宜擾動該層。

(5) 針對運(yùn)營高速鐵路路基的注漿加固，應(yīng)在注漿加固期間做好對地表變形、地層內(nèi)部變形、孔隙水壓力的監(jiān)測，從而有助于指導(dǎo)對線路運(yùn)行安全的控制。

(6) 通過地層注漿擾動機(jī)理的分析，給出了控制地層擾動變形的合理注漿速度和注漿壓力等參數(shù)。

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