劉景宇，張千里，陳 鋒，李泰灃，劉振宇

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

重載鐵路已被國(guó)際公認(rèn)為鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向，更是我國(guó)加速提高鐵路運(yùn)輸能力的主要途徑，隨著軸重的不斷提高，運(yùn)營(yíng)成本雖然降低，但是對(duì)路基結(jié)構(gòu)卻提出了巨大的挑戰(zhàn)[1-4]。傳統(tǒng)的路基加固技術(shù)主要有基床換填、封閉、注漿、斜向旋噴樁、擠密樁等?；矒Q填和封閉的優(yōu)點(diǎn)是整治效果比較徹底，缺點(diǎn)是需要揭蓋施工或扣軌作業(yè)，工程量大，干擾行車。注漿的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)行車干擾小，但其加固的土質(zhì)適應(yīng)性差，加固不均勻，效果不理想。斜向和水平旋噴樁多為橫向加固，加固的總延米數(shù)長(zhǎng)，工程量大，成本高，且漿液壓力大不適用淺部加固。擠密樁對(duì)道床擾動(dòng)顯著，作業(yè)難度大，效率低，受各種施工因素的制約，質(zhì)量不易控制[5-6]。因此，亟需不揭蓋的基床中上部(基床表層或者基床底層中上部)加固技術(shù)。重載條件下，路基病害主要發(fā)生在基床部位，尤其是基床的中上部。對(duì)基床中上部進(jìn)行加固，可有效改善路基基床部位填料性質(zhì)或者結(jié)構(gòu)的性能，消除路基基床道砟囊、翻漿等常見的病害，降低病害發(fā)生的幾率，減小養(yǎng)護(hù)維修的工作量，從整體上提升線路的運(yùn)營(yíng)效率。

本文提出了一種不干擾行車，可以進(jìn)行路基淺部加固且每延米加固成本低的非開挖導(dǎo)向成孔及孔內(nèi)護(hù)筒支撐旋噴加固技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 技術(shù)方案

文獻(xiàn)[7]利用水平定向鉆進(jìn)技術(shù)成孔，采用袖閥管注漿對(duì)福岡國(guó)際機(jī)場(chǎng)沙化問(wèn)題進(jìn)行了加固，效果理想，且不干擾機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)是以相對(duì)于地面較小的入射角鉆入地層，通過(guò)造斜鉆頭和隨鉆測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)成孔。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是可以彎曲鉆進(jìn)，按照設(shè)計(jì)軌跡完成鉆孔。引進(jìn)該技術(shù)在路基邊坡開孔，沿著線路縱向鉆進(jìn)，在基床中上部形成連續(xù)梁或者墊層，從而對(duì)路基起到整體加固的作用。

1.1 導(dǎo)向孔軌跡設(shè)計(jì)

路基設(shè)計(jì)參數(shù)如圖1所示，圖中hd為道床厚度;bd為道床面寬度;hb為基床表層厚度;h1為加固體中心到基床表層距離(當(dāng)加固位置在基床表層時(shí)取負(fù)值);b為路肩寬度;m1，m2分別為路基邊坡以及道砟邊坡的坡高比;A點(diǎn)為鉆孔的開孔點(diǎn)。因此加固體中心到路基邊坡的水平距離h為

(1)

圖1 路基成孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 鉆孔軌跡

整個(gè)鉆孔軌跡分為第一造斜段、直線段和第二造斜段(如圖2所示)。造斜段是鉆桿進(jìn)入的加固區(qū)與露出邊坡的過(guò)渡段，該區(qū)域在加固作用中不存在功能性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少該區(qū)域的長(zhǎng)度。路基內(nèi)導(dǎo)向孔的位置形態(tài)主要由4項(xiàng)基本參數(shù)決定：①加固的起止點(diǎn)(B,C)；②加固體中心到路基邊坡的水平距離h；③第一造斜段曲率半徑R1，由鉆桿最小曲率半徑Rd和h決定，一般取R1≥Rd，Rd=1 200d(其中d為鉆桿直徑)，根據(jù)各制造商不同、型號(hào)不同Rd大約25～250 m；④第二造斜段曲率半徑R2≥R1[8]。

造斜段主要需要確定R1和R2，在滿足鉆桿變形極限條件下，減少鉆桿損傷和造斜難度。在路基基床內(nèi)，造斜段曲率半徑由鉆桿彎曲特性決定，并隨鉆桿直徑增大而增大。實(shí)際工程應(yīng)用中R1和R2應(yīng)盡可能取Rd。相應(yīng)的計(jì)算公式為

式中:L1,L2分別為第一、第二造斜段長(zhǎng)度；α,β分別為鉆桿的入土、出土傾角，應(yīng)在6°～20°(取決于鉆桿直徑等)。

設(shè)計(jì)導(dǎo)向孔軌跡時(shí)，要綜合工程要求、地層情況、鉆桿允許曲率、施工場(chǎng)地條件、導(dǎo)向孔距離路基邊坡的水平距離等多方面因素，最后優(yōu)化設(shè)計(jì)出最佳軌跡曲線。

1.2 旋噴防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了避免旋噴壓力對(duì)基床淺部乃至道床的影響，在旋噴加固的同時(shí)采用護(hù)筒同步跟進(jìn)，對(duì)加固區(qū)上部土體進(jìn)行防護(hù)。旋噴防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-鉆桿接頭；2-切削具；3-護(hù)筒壁；4-護(hù)筒支撐結(jié)構(gòu)；5-分動(dòng)器；6-噴嘴，7-加厚位置圖3 旋噴防護(hù)結(jié)構(gòu)示意

切削具焊接在護(hù)筒支撐結(jié)構(gòu)上，起到切削土體的作用；護(hù)筒支撐結(jié)構(gòu)兩端分別焊接在鉆桿和護(hù)筒壁上，鉆桿上設(shè)置一個(gè)噴嘴用于噴射高壓泥漿，護(hù)筒壁內(nèi)側(cè)正對(duì)噴嘴處焊接加厚鋼塊，目的是防止高壓漿液沖破護(hù)筒壁使護(hù)筒失去防護(hù)作用；分動(dòng)器的作用是可以對(duì)加固體進(jìn)行加筋。

在設(shè)計(jì)護(hù)筒時(shí)，將護(hù)筒結(jié)構(gòu)分為3個(gè)功能區(qū)，參見圖3中的Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ，分別為切削具切削攪拌區(qū)、水力切削攪拌區(qū)、固結(jié)硬化區(qū)。切削具切削攪拌區(qū)主要完成切削具破壞護(hù)筒前方土體形成土塊、水泥漿軟化土塊、護(hù)筒支撐結(jié)構(gòu)攪拌土塊與水泥漿3項(xiàng)工作。在水力削攪拌區(qū)旋轉(zhuǎn)的高壓噴射流破碎軟化后土塊形成土顆粒，并與水泥漿充分?jǐn)嚢?。攪拌均勻后的泥漿在固結(jié)硬化區(qū)迅速凝固硬化達(dá)到低塑性狀態(tài)。

高壓噴射流最遠(yuǎn)只能作用在護(hù)筒壁上，護(hù)筒前方土體對(duì)泥漿有封堵作用，Ⅲ區(qū)內(nèi)的泥漿固結(jié)硬化成低塑性狀態(tài)，對(duì)Ⅱ區(qū)泥漿也有封堵作用，整個(gè)過(guò)程中大流動(dòng)性泥漿只能作用在Ⅰ，Ⅱ區(qū)內(nèi)，不會(huì)流到護(hù)筒外而污染道床。低塑性狀態(tài)泥漿存在一定強(qiáng)度，流出Ⅲ區(qū)后在速凝劑的作用下能夠快速達(dá)到初凝狀態(tài)，強(qiáng)度快速提升，形成加固體，如圖4所示。

圖4 加固示意

1.3 加固工藝

加固之前，首先應(yīng)確定加固技術(shù)參數(shù)，除了軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)(見表1)外，還有旋噴技術(shù)參數(shù)(見表2)的選取。

表1 軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 旋噴技術(shù)參數(shù)

表1中所示軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)中h和L固定，在滿足鉆進(jìn)要求的前提下，盡可能選取小直徑鉆桿，第一造斜段曲率半徑盡可能取鉆桿最小曲率半徑，即R1=Rd。此時(shí)根據(jù)式(1)、式(2)、式(4)計(jì)算得到L1,L2最短。表2中注漿量Q通過(guò)式(6)確定[9-10]。其他設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)工程需要結(jié)合TB 10106—2010《鐵路工程地基處理技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于旋噴樁的要求進(jìn)行選取，旋噴壓力不宜過(guò)大，最大不超過(guò)10 MPa。該加固技術(shù)中高壓噴射流的作用是破碎護(hù)筒內(nèi)土顆粒并攪拌土體與水泥漿，加固體直徑由護(hù)筒直徑確定。

(6)

2 加固驗(yàn)證

文獻(xiàn)[5，11]對(duì)既有鐵路基床非開挖旋噴加固的作用效果進(jìn)行了數(shù)值模擬，從準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)力學(xué)的角度計(jì)算得到加固效果。采用該技術(shù)不僅增加了路基的整體性，且能減少路基面54%的動(dòng)位移。

2.1 加固技術(shù)裝備

該技術(shù)的難點(diǎn)在于將高壓泥漿泵系統(tǒng)與水平定向鉆機(jī)系統(tǒng)結(jié)合為一體。水平定向鉆機(jī)原有泥漿系統(tǒng)最大泥漿壓力僅為1 MPa，遠(yuǎn)不能滿足旋噴破碎土體的要求，因此拆除原有的泥漿系統(tǒng)，重新設(shè)計(jì)加工泥漿系統(tǒng)與鉆機(jī)接頭，將高壓泥漿系統(tǒng)與鉆機(jī)系統(tǒng)合并成一個(gè)完整的縱向水平加固技術(shù)裝備，如圖5所示。

圖5 縱向水平加固技術(shù)裝備

加固技術(shù)裝備主要分為成孔旋噴設(shè)備和泥漿輸送設(shè)備。成孔旋噴依靠水平定向鉆機(jī)完成，與鉆機(jī)配套的鉆頭裝有傳感器，能夠精確地測(cè)量鉆頭的深度以及位置并實(shí)時(shí)反饋給鉆機(jī)操作人員，操作人員根據(jù)反饋信息調(diào)整鉆頭，保證鉆進(jìn)按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行。鉆孔完成之后，鉆頭鉆出地面，卸掉鉆頭更換護(hù)筒。

以已完成的孔眼為導(dǎo)向孔，回拖鉆桿并旋噴，完成孔內(nèi)跟管旋噴。鉆桿與鉆桿以及鉆桿與護(hù)筒之間的連接均為錐形絲扣連接，在旋噴過(guò)程中鉆桿始終按照絲扣擰緊的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，因此不會(huì)發(fā)生搓桿和漏漿。該加固技術(shù)難點(diǎn)在于2個(gè)不同系統(tǒng)的連接，故設(shè)計(jì)改造鉆機(jī)原有泥漿系統(tǒng)接頭作為過(guò)渡轉(zhuǎn)換接頭，與加工后的重探水龍頭連接，通過(guò)轉(zhuǎn)換頭與重探水龍頭將2個(gè)系統(tǒng)連接為一個(gè)整體，如圖6，圖7所示。圖7中泥漿管另一端與高壓泥漿泵連在一起，組成一體化的非開挖導(dǎo)向成孔以及孔內(nèi)護(hù)筒支撐旋噴設(shè)備。

圖6 過(guò)渡轉(zhuǎn)換接頭

圖7 加工后的重探水龍頭

2.2 加固過(guò)程對(duì)地表的影響及加固體質(zhì)量檢測(cè)

該加固技術(shù)沒(méi)有成熟的工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，還不能夠準(zhǔn)確估計(jì)實(shí)施過(guò)程中對(duì)上部軌道結(jié)構(gòu)的影響，所以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在平整場(chǎng)地上進(jìn)行，整個(gè)加固區(qū)域長(zhǎng)度為70 m，在中間位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)成孔以及回拖過(guò)程地表位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖8。采用單管法10 MPa旋噴壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)向孔成孔結(jié)束后，開孔點(diǎn)與鉆出點(diǎn)水平誤差僅為10 cm。

圖8 加固過(guò)程地表位移變化曲線

由圖8可見，整個(gè)過(guò)程可分為4個(gè)階段，地表位移先增大后減小，變形影響最大的是回拖旋噴階段，最大地表位移達(dá)到了5.6 mm；成孔階段對(duì)地面的影響很小，最大地表位移僅為0.3 mm。旋噴結(jié)束后，變形開始慢慢恢復(fù)，一方面是因?yàn)槟酀{中的水分軟化了周圍的土體，被軟化的土體重新固結(jié)產(chǎn)生沉降，抵消了一部分上拱變形；另一方面是最初形成的加固體處在塑性狀態(tài)，并沒(méi)有完全硬化，失去了護(hù)筒的保護(hù)之后，上部土體對(duì)加固體存在一定的擠壓作用產(chǎn)生沉降，抵消了部分上拱變形。旋噴結(jié)束后24 h，加固體完全硬化，周圍土體固結(jié)完成，因此變形趨于穩(wěn)定，此時(shí)的上拱變形可近似認(rèn)為是該護(hù)筒支撐旋噴加固所能引起的最終變形，在該土質(zhì)條件下的變形僅為1.8 mm。

圖9 加固體狀態(tài)及其與周圍土體咬合情況

旋噴結(jié)束后3 d，開挖軌跡下方土體檢驗(yàn)加固體的質(zhì)量，如圖9所示?？芍?，加固體直徑為43 cm，大于護(hù)筒外徑(32 cm)，主要是因?yàn)榛赝线^(guò)程中護(hù)筒周圍一定范圍內(nèi)的土體被軟化，強(qiáng)度降低從而發(fā)生擾動(dòng)，并與水泥漿攪拌在一起；加固體與周圍土體咬合情況良好。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析以往路基加固技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)既有路基加固需求，結(jié)合高壓旋噴以及水平定向鉆進(jìn)技術(shù)，提出長(zhǎng)距離的適用于既有鐵路路基淺層的孔內(nèi)護(hù)筒支撐旋噴加固技術(shù)，組成了一體化的非開挖導(dǎo)向成孔以及孔內(nèi)護(hù)筒支撐旋噴設(shè)備，給出了加固設(shè)計(jì)方法，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證了該加固技術(shù)效果良好，可供今后類似工程借鑒。