京沪高速铁路CFG桩地基加固施工技术

张书河 孟祥民

1 工程概况

京沪高速铁路正线长度1 318 km。正线路基长度241.3 km,占线路长度的18.3%。路基预压6个月～15个月;设计时速350 km/h,对路基工后沉降要求高。该线CFG桩是控制路基工后沉降、保证满足无碴轨道技术和质量要求所采取最主要的基底加固处理工程措施之一,我项目部施工的南京江宁段,地质情况为素填土、灰黑色淤泥质黏土 σ0=60 kPa、褐黄色粉质黏土 σ0=180 kPa及灰黄色全风化砂岩σ0=250 kPa等。CFG桩设计按正方形布置,桩长6 m～12 m,桩间距有1.6 m,1.7 m,1.8 m三种,桩径0.5 m。土工格栅采用聚丙烯双向土工格栅,极限抗拉强度不小于100 kN/m,延伸率小于 10%。

2 施工技术

2.1 工艺原理

CFG桩复合地基是通过桩体、桩周地基土与其上的褥垫层形成的复合结构。CFG桩又称水泥粉煤灰碎石桩,在碎石桩中加入水泥改善了碎石桩作为纯粹散体材料的特性,使其既能发挥全桩的侧阻作用,又能发挥端阻作用。桩间土应夯实参与承载;由粒状材料组成的散体垫层作用是：1)保证桩土共同承担荷载;2)调整桩土垂直和水平荷载分量;3)减小基础地面的应力集中;垫层中设置土工格栅提高受力的均匀性,减小不均匀沉降。由于设置了柔性垫层,从而使地基的强度和变形模量较为均匀,对承受上荷载和结构抗震非常有利[4]。

2.2 CFG桩施工

2.2.1 材料准备及混合料配合比试验

CFG桩所需原材料包括水泥、粉煤灰、石屑(砂)、碎石(或卵石)和外加剂。水泥可采用P.O32.5级以上的普通硅酸盐水泥,碎石(或卵石)粒径宜为5 mm～25 mm,砂可采用粗砂(石屑),粉煤灰可采用Ⅱ级或Ⅲ级粉煤灰。混合料配合比试验时,材料按C15混凝土配比,28 d龄期标准试块抗压强度标准值不小于10 MPa。除强度需满足设计要求外,坍落度在长螺旋钻管内泵压时宜控制在16 cm～20 cm。我部现场选用水泥、砂子、碎石、粉煤灰、水、外加剂的理论配合比为 1∶4.59∶6.08∶0.67∶0.007 5∶0.98。该配合比7 d强度达11 MPa,满足施工需要。

2.2.2 工艺试验

在CFG桩正式施工前,应选择不同的地质条件、不同钻机类型等进行CFG桩施工工艺性试验,试验项目主要有：1)长螺旋钻机的终孔电流及振动沉管桩机的配重。2)地层合适的拔管速度。3)混合料的坍落度。4)桩位施工顺序。5)不同钻机(桩机)工艺。6)长螺旋组钻机的有效钻杆长度以及振动沉管桩机的机架高度与沉管有效长度。

2.2.3 机具准备

根据地质条件和工艺试验结果等情况,选定合适的机械设备。松软地质条件宜优先用长螺旋钻机。我施工路段设计要求采用长螺旋钻机施工,施工对地基干扰小、噪声小、成桩率高,故作为介绍重点。

2.2.4 施工工艺

1)施工流程见图1。

2)操作要点。a.钻孔。开始时先慢后快,同时检查钻孔的偏差。成孔过程中,发现钻杆摇晃或钻进困难时,放慢进尺,防止桩孔偏斜、位移。在软硬突变地层中钻孔,当主机电流达到一定值、钻头进入持力层一定深度后,方可终孔;在软硬平缓地层中,钻孔到设计标高之后,即可停钻。b.灌注混凝土。钻至设计标高复核地质情况后,开始混合料灌注,钻杆芯管充满混合料后开始拔管,施工桩顶高程宜高出设计高程50 cm,灌注成桩完成后,桩顶盖土封顶予以保护。在灌注混合料时,每根桩的投料量应不少于设计灌注量。灌注时采用静止提拔钻杆,在特殊情况下采用边转边提后静止进行灌注,圆砾层等情况下,拔管速度控制在2 m/min～3 m/min。c.桩头处理、场地余土清理。CFG桩扩大桩头为直径1.0 m,高0.6 m的圆台形,施工时桩头0.6 m高度范围的土挖除,破桩后现场浇筑C15混凝土。现浇桩帽工作流程：成桩→清理灰浆和渣土→一定强度后挖出预制桩帽形状→锯桩头→现浇混凝土→养护。

2.3 褥垫层施工

CFG桩检验合格后,进行褥垫层施工。桩顶面铺设碎石垫层,碎石粒径宜为 8 mm～20 mm,最大粒径不宜大于 30 mm,垫层中铺设1(或2)层强度不小于100 kN/m双向土工格栅,土工格栅上下各铺设5 cm厚中粗砂保护层。垫层材料虚铺后用静力压实。京沪铁路褥垫层根据路堤填筑高度分为两种：填高小于6 m时,采用1层土工格栅+0.6 m厚垫层(碎石+中粗砂);超过6 m时采用2层土工格栅。首层碎石采用石碾压实,中层碎石采用12 t压路机静压,垫层表面采用18 t压路机静压压实。土工格栅铺设方向应与线路横断面方向一致,幅与幅间沿线路密贴排放[3]。

2.4 路基填筑

基床以下路堤及基床底层采用A,B组填料;层厚控制在30 cm,碾压遍数由试验确定,一般6遍左右。基床表层填筑采用级配碎石,分层的最大压实厚度不应大于35 cm。已填筑好的表层应控制车辆通行。压实质量采用地基系数K30,动态变形模量Evd,压实系数 K(或空隙率 n)与变形模量 Ev2等项指标。

2.5 填土预压

当路堤填筑至基床底层完成后,在填筑面上铺一层土工织物,进行预压荷载填筑。每层土填筑厚度不大于0.4 m,首层采用轻型机具摊铺后压实;以后采用中型碾压机具。土柱高度一般不大于2 m,过渡段3 m～4 m。对个别不能满足工期要求的地段,可通过采取调整预压高度等措施满足施工需要[3]。

3 沉降观测

1)基底沉降监测：每监测断面预埋1～3沉降板。沉降板由底座、测杆及保护测杆的塑料管组成。随着土的增高,测杆与套管亦相应加高。每天的观测数据都要及时整理,并绘制“填土高—时间—沉降量”关系曲线图。2)路基面沉降监测：每断面3个监测点。分别于路基中心、两侧路肩各设一个监测桩,路基成型后设置[3]。

4 经验和教训

通过CFG桩的施工,我们总结出桩体质量的控制不仅体现在施工工艺控制上,更体现在前期地质复核、场地平整情况、成品保护措施及施工管理细节上。针对存在的质量问题,为了保证下一步CFG桩施工质量,特增加如下要求：1)做好地质情况复查,确保桩长达到设计要求。设计要求CFG桩必须穿透软弱土层至硬底。2)在钻进过程中加强地质的复核工作,在混凝土灌注过程中必须减缓提钻速度,以保证成桩质量。3)对需进行清基换填的CFG桩施工地段应先进行换填施工且碾压满足要求后再施工CFG桩,避免桩间土开挖对CFG桩产生损坏。4)CFG桩桩帽施工完后,严禁各种运输车辆、大型土方施工机械设备直接在上行走。若要在其上开放施工交通便道,必须填筑厚度不小于0.6 m的覆土。

5 结语

CFG桩与桩间土以及与基础地面间的褥垫层共同组成复合地基,具有承载力高、沉降小、变形稳定快、施工方便、易于控制施工质量、工程造价低的特点。我项目部根据上述施工技术指导施工的CFG桩通过了相关的质量检测,沉降量满足要求,地基加固效果优良。

[1] 京沪铁路股份有限公司.京沪铁路路基CFG桩施工实施细则[Z].2008.

[2] 中华人民共和国铁道部.客运专线路基工程施工质量验收暂行标准[Z].2005.

[3] 中铁第四勘测设计院.京沪铁路路基工程设计与施工参考图集[Z].2007.

[4] 中铁十九局集团公司.铁路客运专线施工与组织[Z].2006.