武广铁路客运专线采用长螺旋钻机施工 CFG桩技术

朱国松,郎建平

(中铁十六局集团路桥工程有限公司,北京 100000)

1 工程概况及设计要求

武广客运专线 X X T JⅢ标 D K 1 607+619.68～D K 1 619+165.3段地处湖南省株洲境内红色盆地,加固区工程地质主要为上层粉质黏夹淤泥质黏土,下伏层含砾泥质粉砂岩、砂质泥岩,全风化至强风化,风化不均。

设计采用 0.5 m桩径 CFG桩加固,桩长4～19 m,桩间距 1.5～2.0 m不等,正三角形布置。松软地段桩顶采用圆锥形扩大桩头,褥垫层设计厚度为 60 cm。

2 施工工艺

2.1 工艺流程(见图1)

2.2 主要机械设备的选择

根据设计桩径和桩长,选择 CFG-26型长螺旋钻机,HBT 60型混凝土输送泵,8～9 m3混凝土运输车以及 150 k W发电机组。

2.3 混合料配比选定

武广客运专线设计 CFG桩为 C 15混凝土,采用材料如下:

1)水泥:P.O 32.5普通硅酸盐水泥。

2)细骨料:湘江河砂(细度模量 2.5～2.8)。

3)粗骨料:由 5～10 mm、10～20 mm碎石、按 3∶7比例混合而成的连续级配。

4)粉煤灰:株洲电厂Ⅱ级粉煤灰。

5)外加剂:江苏博特 J M-P C AⅠ缓凝剂。

混凝土配合比及性能指标见表1～表3。

图1 施工工艺流程图

表1 设计配合比 kg/m3

表2 用水量及坍落度 mm

表3 CFG桩平均抗压强度 MP a

2.4 施工准备

2.4.1 地质复核

施工前进行地质复合,验证设计,确定加固深度范围。地质核查采用静力触探试验、先导坑法。静力触探试验,每 100 m测 3处,核实基底的 P s值是否与设计相同;先导坑法沿线路方向每 25 m核对一个断面,选取左、中、右三个点,利用长螺旋钻取出的芯样核对。

2.4.2 清理换填

清理原地表,进行换填施工。换填材料采用 A级、B组料,施工要求如下:

1)当底部起伏较大,设置缓坡或台阶。台阶宽度不应小于 8 m,坡度 ＜6%。换填按先深后浅顺序进行,底部的开挖宽度不得小于路堤宽度加放坡宽度。

2)一般换填厚度为 30～50 cm,特殊地段换填厚度较大时分层填筑、碾压,最终形成的工作垫层压实度＞90%。

3)换填后的基底做好排水,快速施工,避免雨水聚积对基底造成破坏。

2.4.3 施工前进行试桩

验证配合比、机械组合,获取参数。

2.5 测量布桩

1)CFG桩采用三角形或正方形两种布桩方式。横断面方向从线路中心往两侧坡脚布置,均匀沉降地段一般按等间距布置。

2)纵向不同桩间距之间的布桩,应从桩间距小的一侧往桩间距大的一侧逐步递增,幅度不宜大于0.1 m。

3)布桩前,绘制布置图,标出桩位并编号。

4)在换填后的工作面上恢复出中桩,打出加固区边桩。

5)用长钢尺量出每个桩的具体位置,插上小钢纤并洒上白灰。

2.6 钻机就位

钻机就位,采用悬挂锤球法或等距法对支撑杆进行垂调,确保钻杆垂直并对准桩位中心。

2.7 钻机施工

钻头泵送阀关闭后,放下钻杆,在钻头接触至桩位后,开始钻进。钻进的速度需遵循先慢后快再慢最后静止的原则,在最初的 1～2 m选择慢速钻进;钻头进入土层一段距离后,可加快钻杆钻速;进入持力层后,适当降低钻进速度,避免马达负荷过大,钻机大幅晃动,以减弱对土层的扰动。

2.8 灌注成桩

钻至设计高程后,静止拔管法将钻杆缓慢提升 30～40 cm,开始泵料。待混凝土面高于钻头约 1 m后,提升钻杆,提升与泵料同步进行,速率相互匹配,保证灌注的连续性。灌注至设计顶面时,预留 50 cm桩头,利用钻渣封闭养护。

2.9 移机就位

灌注完毕后,移机就位,进行下一根桩施工。

2.10 桩头处理

常规的桩头处理方法是在 CFG桩灌注 7 d后,人工清除桩间土,采用风镐破除桩头。此法施工,成品不易受损,但施工速度较慢。

另一种方法就是采用小型机械,在混凝土初凝前将钻渣及多余桩头直接清理出工作面。其施工速度快,适合紧跟 CFG桩机作业,但容易对 CFG桩桩身产生扰动,对桩身质量控制不利。

2.11 桩基检测

桩头清理完,及时进行桩身检测。自检频率为10%,仪器为桩基动测仪。桩身质量检测合格后,桩身龄期达到 28 d后进行单桩竖向抗压静载试验和复核地基检测。

2.12 扩大桩头

管段内设计为圆锥形扩大桩头,利用土模,泵车输送混凝土。

2.13 褥垫层

褥垫层由25 cm碎石 +5 cm砂 +土工格栅 +5 cm砂 +25 cm碎石构成。碾压施工时,采用重型压路机静压,不可振压,以免破坏桩头。

3 施工控制要点

CFG桩复合地基施工控制要点主要是:桩身完整性、桩身强度、桩尖进入持力层判断、桩间土的压实等。其控制的环节基本覆盖了整个施工过程,因此,掌握控制要点并在现场做好监控显得尤为重要:

1)长螺旋钻机进场后,在主支撑杆上用油漆进行长度标识,夜间施工需张贴反光模。

2)在钻孔的深度上,要根据地质复核的资料,结合现场实际进行判断。主要有钻进深度法、电流值变化法以及钻进速度法。

①如同种地质结构层呈水平构造,此时可利用钻进深度法,成孔到达设计高程时,停止钻进。②钻机在不同地层上钻进时,其负荷不一样从而导致电流变化。电流值变化法利用多次试桩,确定某一机型达到设计要求地层电流变化值范围,供大面积施工时参照判断。③钻进速度法与电流值法的原理相似,只不过将负荷下变化的分析对象改为钻进速度。钻机进入持力层后,钻进速度大幅减缓,此时选用钻进速度法较为实用。

这三种方法都有各自的局限性,因此在地质条件复杂的情况下需根据不同的地质条件和施工设备,组合使用。

3)CFG桩灌注过程中,拔管速率的控制极为重要。经过大面积的施工试验,总结出输送泵型号与拔管速度匹配关系如表4。

表4 输送泵型号与拔管速度关系

4)泵送过程中,旁站人员要经常敲打输送管,确保混合料充实桩体密实,同时避免反插。

5)现场配备试验员,对每车混凝土料性能进行检测,合格后方可用于施工,坍落度宜控制在 180～200 mm。

6)CFG桩成桩后,严禁大型机械驶入。确实要通过的,需在 CFG桩达到一定强度后,并在其上覆盖不小于厚 1 m的土层。

7)在截取桩头前应准确测量桩顶高程,并在纵横向挂线标示桩头水平位置。凿除桩头时严禁单边打眼凿桩头或用大锤捶击桩身。

8)扩大桩头施工时,要注意高程控制,相邻扩大桩头间的高程差不可过大,否则褥垫层碾压施工将很难进行。扩大桩头施工后,用湿麻袋覆盖养护。

9)桩间土作为复合地基的重要组成部分,其压实度需满足≥90%的要求。如不满足要求可用小型冲击夯夯实,但要注意不能破坏扩大桩头的边缘。

4 常见问题和预防措施

4.1 堵管、爆管

堵管是长螺旋钻孔、管内泵压混合料灌注成桩工艺常遇到的主要问题之一。其原因及解决办法如下:

4.1.1 配合比设计不合理

混合料配比确定时,要考虑适合泵送。混合料中的细骨料和粉煤灰用量偏少,混合料和易性差,是导致堵管、爆管的一个重要原因。因此,配比中有利于增加混凝土和易性的粉煤灰及砂可适当加大用量。

4.1.2 混合料搅拌质量缺陷

混合料搅拌要保证质量,需在带电脑自动计量的拌合站集中拌合,搅拌时间不能低于 90 s,同时对生产配合比要根据骨料的含水量进行调整。

4.1.3 设备问题

弯头过多或软管太长均容易导致堵管。软管的摩阻系数较大,应减短使用长度。输送管使用后及时冲洗,避免混合料凝结堵塞。

4.1.4 气温原因

夏季施工中,混凝土和易性维持时间短,坍损大,凝结快。除加强现场组织,加快施工,应采取湿麻袋覆盖泵管,输送泵接料斗遮阳,以及添加外加剂改善混凝土高温气候下的性能等措施。

冬期施工中,混合料输送管及弯头均需做防冻保护。一般可采取热水拌合混合料,提高出料温度,对混凝土运送车及泵管进行保温包裹等措施。

4.2 断桩

断桩可分为浅部断桩和深处断桩。浅部断桩一般位于桩顶下 0.8～1.5 m处。主要是在清理桩间土及破除桩头时未注意对桩身的保护,可通过禁止大型机械作业,采用人工破除桩头等方式避免。深处断桩为钻杆提升过快,坑壁发生坍塌,加上泵料不及时便形成夹层所致。因此在桩身较长,地下水发育或地下土存在高应力的情况下,要放慢拔管速度。

4.3 桩头空芯

主要是施工过程中,排气阀不能正常工作所致。为避免桩头空芯,施工中应经常检查排气阀的工作状态,发现堵塞及时清理。

4.4 桩尖软弱

多发生在桩底水压较大,坑壁不稳定的情况。为方便阀门的打开,要先提钻后泵料,由于桩尖坑壁土坍塌掉入桩底,影响了 CFG桩的桩端承载力,表现为单桩承载不合格。为杜绝这种情况,在钻头钻至设计孔深后宜多钻几圈扫孔,形成临时护壁,并减小初始提升高度。

4.5 窜孔

在饱和粉土、细砂层中成桩经常会遇到窜孔现象,一般可采取隔桩、隔排跳打的方法,等打完的桩固结后再补打。

4.6 桩身缩径

由于钻头磨损过大,未及时更换引起桩身缩径,钻头直径不应小于设计桩径 2 cm;另外拔管过快,混凝土受坑壁挤压引起缩径。通过比较泵送量与设计量,容易发现桩径是否满足要求,以便及时解决。

5 结语

通过对管段内五段施工完成的 CFG检测数据统计来看,Ⅰ类桩比例为 92.7%,Ⅱ桩比例为 3.9%,Ⅲ类桩比例为 3.4%,满足设计及规范要求,说明此工艺是科学合理的。承载力检测中,按照设计加载,单桩累计下沉量最大 6.38 mm,最小 1.73 mm;复合地基累计下沉量最大 10.51 mm,最小 5.80 mm,起到了良好的基底加固效果。

[1]中华人民共和国铁道部.T Z 212—2005 客运专线铁路路基工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2]中华人民共和国铁道部.铁建设(2005)160号 客运专线铁路路基工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[3]孙红林,李丹.京沪高速铁路路基工程主要技术标准研究[J].铁道建筑:2009(7):5-11.