武广铁路客运专线桥头段路基加固施工技术

马春红

(中铁十四局集团第二工程有限公司,山东泰安 271000)

武广铁路客运专线全线采用无砟轨道结构,要求工后沉降不大于 15 mm,过渡段差异沉降不大于 5 mm。路基上铺设无砟轨道成败的关键在于沉降的控制,其主要风险源于地基的不确定性和所选填料性质的好坏和变异性。为确保沉降有效控制,利用 CFG桩复合地基处理软基并采用堆载预压进行加固处理就是一典型实例。

1 工程概况

武广铁路客运专线衡阳湘江特大桥 0号台桥头软基段采用 CFG桩带桩帽加褥垫层的处理方法,设计填土高 4m,堆载预压填土高 3m。此段位于丘坡,丘坡较平缓,下为水塘。主要土层分布:0～5m为 Q2黏土、粉质黏土,软塑,σ0=80～140 kPa;1～4.0m黏土、粉质黏土,褐黄、褐红色,硬塑,σ0=180 kPa;0～ 2.0m粉土,黄色、褐黄色,稍湿、稍密,σ0=100 kPa;0～4.0m中粗砂,褐黄色,少量为杂色或灰黄色,潮湿,密实,σ0=150kPa;下伏泥质粉砂质泥岩,紫红色,全强风化。

2 工程设计

基底设计采用 CFG桩复合地基加固,桩径 0.5m,桩长 6～9m,采用长螺旋成孔管内泵压混合料成桩法施工,混凝土强度等级 C15,配合比为:水泥 175 kg,中粗砂 831 kg,碎石(粒径 5～16mm)318 kg,碎石(粒径16～31.5mm)741 kg,粉煤灰 175 kg,外加剂 1.75 kg,水 160 kg,坍落度 160～200mm。

桩位采用三角形布置,处理范围至坡脚外侧至少1根。桩体施工完成后现浇 C15混凝土扩大桩头,扩大头顶宽 1.0m,高 0.6m。桩顶铺 0.6m厚碎石垫层,层内铺设 1层抗拉强度不小于 80 kN/m的双向土工格栅,基床底层填筑完成后采用堆载预压,预压高度3m。见图1。

图1 桥头路基结构(单位:m)

3 CFG桩复合地基施工

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称,它是由水泥、粉煤灰、碎石(或石屑、砂)加水拌和形成的高粘结强度桩,成桩后与桩间土、褥垫层一起形成复合地基。通过改变桩长、桩距、褥垫层厚度和桩体配比,能使复合地基承载力大幅度提高。

CFG桩最常用的成桩施工方法有振动沉管灌注成桩和长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩两种方法。根据武广铁路客运专线所处工点的具体地质情况,按要求采用了长螺旋钻机成孔泵送混合料进行施工。

3.1 施工工艺

3.1.1 作业流程(图2)

3.1.2 成桩施工

(1)钻机就位:利用全站仪测放出线路的中、边线,在坡脚线外侧,根据 CFG桩平面布置放出每根桩桩位,用竹签标示。根据标示做好钻机定位,要求钻机安放保持水平,钻杆保持垂直,其垂直度偏差不得大于1.0%,钻头对准孔位中心,控制桩位偏差在 50mm以内,钻杆与钻孔方向一致。

图2 CFG桩复合地基施工作业流程

(2)钻进成孔:钻孔开始时,关闭钻头阀门,向下移动钻杆至钻头触及地面时,启动电机,将钻杆旋转下沉至设计高程,关闭电机,清理钻孔周围土。判断钻头是否到了持力层一般有两种方法:一是在桩机驾驶室观测电流的变化。钻机开始钻孔及软弱地层钻孔时,电流表指针在 120～130 A,当钻头遇到持力层时,瞬间的电流将增大到 160 A以上,同时电压下降。此时,应判定钻头已达到持力层。二是在钻机导向架上按0.2m间隔做显著标记,能够直观观察,当钻头到达持力层时,钻杆上部的动力头发生颤动和轻微的摆动,钻机的动力明显减弱,此时,应判定钻头已达到持力层。成孔时应先慢后快,以避免钻杆摇晃,及时检查并纠正钻杆偏位的差值。

(3)灌注及拔管:CFG桩成孔到设计高程后,停止钻进,开始泵送混合料(泵送混合料前检查其坍落度),当钻杆芯管充满混合料后开始拔管,严禁先拔管后泵料。成桩过程连续进行,避免供料出现问题导致停机待料。桩顶超灌 50～70 cm。

(4)移机:移机前对下一根桩的桩位进行清理辨识,确保桩位的准确性。

(5)封桩:灌注完成后,钻杆拔出地面,确认成桩桩顶高程符合设计要求后,采用湿黏性土封顶。

(6)桩头处理:CFG桩成桩 7 d后,用钢钎等工具清除桩头浮渣和多余部分,凿除后桩头表面平整,桩长符合设计要求。

3.1.3 桩帽施工

CFG桩桩帽为扩大桩头,扩大头顶直径 1.0m,高0.6m。施工前先进行桩间土的回填,并分层用小型夯机夯实,压实度确保达到 90%以上。回填至设计桩头位置进行复合地基承载力及桩身完整性检测,合格后根据具体尺寸挖除 0.6m范围内的桩头及周围土体,进行现场浇筑 C15混凝土。

3.1.4 褥垫层施工

为确保褥垫层施工时不破坏土工格栅,具体设置形式由下而上为 25 cm(碎石)+5 cm(砂)+土工格栅+5 cm(砂)+25 cm(碎石)。碎石垫层采用碎砾石类填料,且最大粒径不宜大于 25mm,在碎砾石中应掺10%～12%的石粉或细颗粒,在拌和站集中拌和均匀后进行填筑。碎石垫层采用 25 t压路机静压 2遍 +弱振 2遍 +静压 1遍。第 1层砂垫层铺设厚度为 5 cm,铺设完后采用压路机静压 2遍。在第 1层砂垫层上铺设土工格栅,采用极限抗拉强度不小于 80 kN/m的双向土工格栅。铺设时沿路基横向铺设,搭接宽度不小于 50 cm,铺设时路基坡脚两侧预留 2m回折长度。同理进行第 2层砂垫层和碎石垫层的施工。

3.2 质量控制措施

(1)做好地质情况的复核工作。对有代表性的地点在施钻过程中适时提钻,确认地层分布情况是否和地质资料一致,特别是钻进达到设计深度时要确认桩尖土是否已经达到持力层足够深度。若出现异常情况,则必须及时通知监理和设计单位到现场确认,并提出处理意见。

(2)布桩时,CFG桩的数量、布置形式及间距必须严格按设计要求。并遵循从中心向外推进施工,或从一边向另一边推进施工的原则。不宜从四周转向内推进施工。

(3)对进场施工的所有长螺旋钻机在开钻前应由施工技术人员对标尺、刻画进行复核,消除标识误差。尤其是钻机初始标识要指定专人进行复查,防止操作人员弄虚作假。使用反差大的反光贴条每 0.5m进行标识,粘贴在钻机导向架上,利于夜间记录人员识别读数。

(4)混合料灌注时钻杆提拔速度和输送泵的泵送量要密切配合,保证连续提拔,施工中严禁出现超速提拔及先提管后泵料。拔管速度太快可能导致桩径偏小或缩颈断桩,而拔管速度过慢又会造成水泥浆分布不匀,桩顶浮浆过多,桩身强度不足和形成混和料离析现象,导致桩身强度不足。故施工时,应严格控制拔管速度。正常的拔管速度应控制在 2～3m/m in。灌注过程中芯管插入混合料的最小深度宜按 30 cm控制。

(5)控制好混合料的坍落度。大量工程实践表明,混合料坍落度过大,会形成桩项浮浆过多,桩体强度也会降低。坍落度控制在 18～20 cm时和易性好。当拔管速度为 2～3m/min时,一般桩顶浮浆可控制在30～50 cm,成桩质量容易控制。桩身每 m3混合料掺加粉煤灰量控制在 140～180 kg。

(6)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,对于下伏基岩段应嵌入全风化层≮1m。

(7)土方开挖时不可对设计桩顶高程以下的桩体产主损害,尽量避免扰动桩间土。

(8)剔除桩头时先找出桩顶高程位置,用钢钎等工具沿桩周向桩心逐次剔除多余的桩头,直到设计桩顶高程,并把桩顶找平,不可用重锤或重物横向击打桩体,桩头剔至设计高程处,桩顶表面不可出现斜平面。

(9)桩间土回填至桩头平齐并采用小型夯机分层夯实,确保压实度达到 90%以上。进行褥垫层施工时,禁止大型机械车辆直接行走在 CFG桩工作区。

(10)土工格栅应在平整好的砂垫层上按路基底宽全断面铺设,摊铺时拉直顺平,紧贴下承层,确保无扭曲、褶皱、重叠现象。在斜坡上摊铺时保持一定松紧度。铺设时应在路基边各留 2 m的锚固长度,回折覆裹在压实的填料面上,外侧用土覆盖,以免人为破坏。

4 路堤填筑技术措施

在路基填筑过程中,随着附加荷载的作用,软土地基中超静水压力逐渐消散,为了能够使路基填筑所产生的增加量与路堤底强度的增加量相适应,必须进行路堤沉降和位移观测,控制路堤的填土速率,确保路基施工安全稳定。

4.1 路堤的施工观测与控制

4.1.1 沉降观测元器件的设置原则

沉降观测的元器件主要观测两个方面的内容,一是基底沉降,路基基底沉降观测元器件采用沉降板、剖面沉降管和单点沉降计,剖面沉降管主要是校核沉降板;二是路基自身的沉降,采用的元件是路面沉降监测桩。观测断面的设置及观测内容、元件的布设应根据地形、地质条件、地基压缩层厚度、路堤高度、地基处理方法、堆载预压等具体情况,结合沉降预测方法和工期要求具体确定。代表性观测断面见图3。

图3 堆载预压地段沉降监测元件布置示意(单位:m)

4.1.2 沉降变形观测元器件埋设

(1)安装沉降板

沉降板应埋设在褥垫层顶部(或换填层底部),在褥垫层施工完成后进行掏槽使其嵌入褥垫层 10 cm,采用中粗砂回填密实,再套上保护套管。上口加盖封住管口。沉降板安放应与地面垂直。

随着路基填筑施工应逐渐接高沉降板测杆和保护套管。每次接长高度以 1m为宜,接长前后测量杆顶高程变化量确定接高量。

(2)安装剖面沉降仪

当路基基底碎石垫层施工完成后或基床底层施工完成,在垂直线路方向开挖出宽 20 cm、深 20 cm左右的沟槽,整平槽底并在沟底铺设 1层 5 cm厚的中粗砂并找平,后安放剖面沉降管,然后再在剖面沉降管顶面回填 5 cm中粗砂并与碎石垫层顶部平。每侧要伸出路基坡脚 2m,为防止沉降斜管被损坏,管头两端用C20混凝土浇筑保护井。

(3)单点沉降计

单点沉降计均为观测路堤本体变形部分,在路基本体施工完成后进行,按设计断面埋设。元件埋入之前应采取措施保证孔径满足安装要求。

安装工艺流程:钻孔→探孔→安装沉降计→注浆→安装法兰沉降盘→孔内灌砂回填→传输电缆埋设。

4.1.3 沉降观测的主要项目

(1)地表变化。巡回观察路基、坡脚外地面的变形、裂缝、出水现象及其发展情况。当发现以上现象时,应考虑缓填或暂停施工。

(2)基底沉降观测。在填土过程中,随着填土高度的增加,通过观测沉降板的沉降量和沉降与时间的变化情况,掌握和分析判断地基在填筑过程中的稳定性,进而根据沉降量的大小控制填土速率。

(3)路面监测桩观测。路基填筑完成后,在表面布置沉降监测桩,通过观测沉降量和沉降与时间的变化情况,分析判断并预测路基是否沉降稳定,能否进行无砟轨道的施工。

4.2 土方填筑及填土预压

4.2.1 土方填筑

为保证路基沉降均匀,客运专线对路基的填筑提出严格的要求。第一必须在基床底层采用粒径不大于60mm且级配良好的 A、B填料进行路基填筑;第二填筑过程通过埋设的沉降板严格控制填筑速率,确保工后沉降过渡段的差异沉降量不大于 5mm,路基沉降量不大于 15mm;第三对路基的压实采取四控,即孔隙率n、地基系数 K30、动态变形模量 Evd及地基系数 EV2进行检测指标控制。

为满足要求,选择 DK1 703+350～DK1 703+500作为试验段,初步掌握位移与沉降情况,确定填土速率、填料最佳含水量、松铺系数和碾压遍数。根据管段内的具体情况,选用了天然砂砾石土填料,由于南方雨水偏大,填料含水量较大,每层松铺厚度 30～35 cm。推土机初平后晾晒,待接近最佳含水量时再进行平整碾压。各项检测指标合格后填筑上一层土方。根据试验段取得的参数,开始路基的填筑,按照“三阶段、四区段、八流程”组织施工。

4.2.2 填土预压

路基填筑至基床底层顶面,进行表层级配碎石填筑(先完成一层),检测合格后,表面铺设土工布而后进行堆载预压土方的填筑。填筑时分层进行压实。摆放期至少满足 6个月且沉降板和观测桩的沉降与时间的关系曲线趋势稳定后才能够进行卸载,继续第二层级配碎石的施工。

5 效果检测及观测数据分析

5.1 CFG桩基桩低应变动力测试

随机抽检了总桩数的 10%,共 30根进行了低应变动力测试。结果为Ⅰ类桩 28根,占抽检桩数的93.3%,Ⅱ类桩 2根,占抽检桩数的 6.67%,未发现严重缺陷桩和断桩,桩身质量满足设计要求。

5.2 CFG桩复合地基静载试验

此段 CFG桩复合地基设计承载力为 300 kPa,根据规范要求,加载量取设计值的 2倍,为 600 kPa,每级载荷为加载量的 1/10。地基荷载试验承压板采用φ1.8m圆板,板底铺设 5～15 cm厚中粗砂找平。采用液压油泵千斤顶人工加载,工字钢设堆载平台,预制块堆积提供反力,最大压重 1 828.8 kN。通过加载系统的液压表测量,用千斤顶的标定曲线换算给出每级压力表读数,试点沉降则通过承压板两边对称架设的4个机械式百分表测量。荷载试验示意如图4所示,DK1 707+400桩号 50-1复合地基荷载试验 P-S曲线见图5。

图4 荷载试验示意

5.3 沉降及位移观测

路基填筑完成或施加预压荷载后应有不少于 6个月的观测和调整期,观测数据不足以评估时,应继续观测。对每个路基工点应以 3个月为周期根据最新推导的沉降拟合曲线进行工后沉降预测至少 2次以上,并检查所有观测断面的预测工后沉降是否满足要求。

图5 复合地基荷载试验P S曲线

对路基和刚性结构过渡段还应同时审核其预测工后差异沉降是否≤5mm,折角≤1/1 000。

此外,还应检查同一个观测断面前后两次工后沉降预测值的差异,如果其差值≤8 mm,可认为预测的工后沉降具有足够的可信度。

设计预计总沉降量与通过实测资料预测的总沉降量的差值不宜大于 10mm。

如果一个路基工点所有的观测断面满足以上要求,该路基工点可以铺设无砟轨道施工。沉降分析结果见表1,荷载-沉降过程曲线见图6、图7。

图6 DK1 707+400沉降点(沉降板)荷载 -沉降过程曲线

图7 DK 1 707+400沉降点(路面观测桩)荷载 沉降过程曲线

表1 DK1 707+350～DK 1 707+420段沉降分析结果汇总

6 结语

根据武广公司施工组织安排,本段路基通行运梁车时间为 2008年 5月,双块式无砟轨道施工时间是2008年 10月。桥头路基加固处理过程中,通过合理的施工组织和施工技术、质量措施的控制和沉降观测点的布置、观测,该段路基在 2008年 5月顺利通过了专家评估,达到了预期的效果,为架梁通道和后续的无砟轨道施工奠定了基础。

[1] 铁建设[2006]158号,客运专线铁路无砟轨道铺设条件评估技术指南.

[2] 铁建设[2005]160号,客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准.

[3] 孟绥宝.CFG桩复合地基的原理与施工技术要点[J].铁道标准设计,2009(S1).