岩溶地区 CFG桩施工技术及质量通病的防治

宋晓东,李冬立,聂志红

(1.中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006;2.中铁一局集团有限公司,西安 710054;3.中南大学,长沙 410083)

岩溶地区 CFG桩施工技术及质量通病的防治

宋晓东1,李冬立2,聂志红3

(1.中铁一局集团第五工程有限公司,陕西宝鸡 721006;2.中铁一局集团有限公司,西安 710054;3.中南大学,长沙 410083)

结合武广铁路客运专线施工,为确保岩溶地区地基加固,在施工实例结论基础上,总结岩溶地区采用岩溶注浆与CFG桩复合加固地基时施工顺序。介绍岩溶地区 CFG桩施工工艺,同时针对CFG桩施工过程中出现的堵管、窜孔、断桩、吊脚桩等质量通病分析了原因,总结了相应的防治措施,以其为同类地质情况地基加固提供借鉴。

武广铁路客运专线;注浆;CFG桩;施工

为确保高速列车运行的稳定性和平顺性,武广铁路客运专线在覆盖型岩溶地区采用岩溶注浆与 CFG桩综合加固地基技术,通过对岩面下灰岩的注浆,充填灰岩的溶洞及溶洞充填物间隙,防止填筑路堤增加荷载而使溶洞顶板产生坍塌,提高灰岩地基承载力;通过对岩面上土层的充填注浆,形成土层帷幕,降低土层渗透性,减少地下水波动对土层的潜蚀、真空抽吸作用;土层采用 CFG桩进行加固,提高地层的地基承载力,控制路基的工后沉降。通过武广铁路客运专线DK1 372+550～DK1372+886.36段岩溶注浆地区CFG桩施工实例,阐述岩溶注浆地区按照先注浆后CFG桩顺序施工 CFG桩的工艺和常见质量通病及防治措施。

1 工程概况

武广铁路客运专线DK1 372+550～DK1 372+886.36段覆盖层：洪积坡积层粉质黏土,厚度 4～8m,其中上部 2～3m为红色硬塑粉质黏土,σ=150 kPa,其次为厚 1～3m硬 ～软塑状、部分夹有软塑状的粉质黏土,σ=120 kPa,灰岩岩面上 0～0.9m厚为软塑状粉质黏土,σ=40 kPa;可溶岩层：灰岩岩溶发育,部分地区发育石芽溶沟和溶槽。全段采用岩溶注浆与CFG桩地基加固,岩溶注浆岩面上土层帷幕 3m,基岩加固深度 5m;CFG桩桩长至硬底,桩径 φ50 cm,桩间距 1.7～2m,正三角形布置。CFG桩复合地基承载力220～270 kPa。

2 注浆与 CFG桩施工顺序

通过DK1 372+550～DK 1372+886段岩溶路基的岩溶注浆和 CFG桩施工,有以下几点结论。

(1)试验段 16个注浆先导勘探孔钻孔土层厚度与钻孔周围 22根桩小应变检测桩长比较相差基本在20 cm以内,比较吻合。

(2)岩面上土层仅为充填注浆,注浆后土层强度没有多大提高,根据现场挖桩显示长螺旋钻可以钻透帷幕层到达岩面。

(3)试验段 3根 CFG桩复合地基承载力大于 365 kPa,满足设计复合地基承载力要求。

(4)先施工 CFG桩再进行岩溶注浆,CFG桩将会对面波法物探检验注浆效果产生很大的干扰,注浆效果很难进行评判。

(5)CFG桩施工后再进行注浆,由于注浆机械、循环水将会对桩间土产生较大的扰动,破坏桩间土原状结构,无法确保桩间土承载力的发挥。

基于以上结论,岩溶地段地基加固确定按照先注浆后 CFG桩的顺序进行施工。

3 CFG桩施工工艺

施工采用长螺旋钻成孔,泵送混凝土成桩工艺。

3.1 CFG桩施工流程(图1)

图1 CFG桩施工流程

3.2 主要施工参数

混凝土配合比：水泥∶中砂∶碎石∶水∶粉煤灰∶外加剂 =1∶4.28∶5.45∶0.97∶0.71∶0.012。混凝土强度等级 C15,混凝土初凝时间 6 h,终凝时间 9 h,拔管速度 2.5m/min,混凝土搅拌时间 60～120 s,水胶比 0.58,坍落度 20 cm。

3.3 主要施工工艺

(1)施工准备：现场清表,按照水沟底高程同时结合纵、横坡推算确定桩顶高程,做好临时排水沟及排水横坡。开工前采用静力触探每 50 m一个断面 3个点进行地质核查,施工中每 25m一个断面 3个点使用CFG桩机钻先导孔核查地质,复核设计。

按照设计测量放线点位,现场点位采用铁丝绑红布条标识,在边线位置每 10排桩使用小竹板标识里程及桩行号。

确定施工顺序：分区沿线路分幅顺序施工,如图2所示。

图2 CFG桩施工顺序

(2)桩机就位：桩机性能全面检查后,钻机就位,在导向架上使用反光漆每米做满周标识、并标注尺寸,每半米做半周标识;用钻机塔身前后和左右的垂球调整导向杆垂直度,垂直度小于 1%后,记录初始导向架初始刻度,下钻。

(3)CFG桩成孔：钻孔开始时,关闭钻头阀门,向下移动钻头至地面后,启动马达钻进。成孔过程中,发现钻杆摇晃或钢丝绳松弛时,放慢进尺,防止桩孔偏斜,移位及钻杆、钻具损坏。参考岩面深度根据电流变化(桩底时电流会由 100 A左右变小至 70 A左右)及钢丝绳松弛情况判断钻头是否到达持力层。钻进时,记录电流突变位置的电流值与深度,作为地质复核情况的参考。

(4)混合料搅拌：混合料在搅拌站按配合比集中拌制,每盘料搅拌时间按照普通混凝土的搅拌时间进行控制,搅拌时间为 60～120s。每一台班做 1组试件进行标准养护,控制出站混凝土坍落度在 18～20 cm。

(5)灌注及拔管：第一次灌注混凝土或混凝土灌注中间间歇 5 h以上时,按以下 2个步骤润滑管道,第一步泵送清水将管内存留的渣质冲洗干净,使管内保持湿润;第二步泵送与混合料相同强度等级的砂浆润管。

混凝土灌注按照“先泵料后拔管”的原则进行施工。成孔至持力层后,开始泵送混合料,钻杆芯管充满混合料后开始拔管。成桩的提拔速度控制在 2～2.5 m/min,成桩过程连续进行,避免供料出现问题导致停机待料。停灰面高出设计桩顶约 50 cm(高出桩顶太高材料浪费、太少桩头混凝土质量不容易保证,最好不少于 40 cm),灌注混合料时,混合料的灌入量采用总量分摊的办法,每根桩的投料量不小于设计灌注量。记录停灰面高程,移机至下一根桩进行施工。

(6)弃土清运：弃土分 2次清理,第一次在混合料初凝后人工或小型机械清除钻孔弃土,预留 30 cm保护桩长,小型机械配合倒运,严禁运输车辆进入施工区;第二次人工清除保护土层和桩头,桩顶高程允许偏差为 0～+20mm,并不得扰动基底原状土。

(7)桩头凿除：尽量采用截桩机凿除桩头,当采用人工方法时,在同一水平面按同一角度对称放置 2个或 4个钢钎,用大锤同时击打,将桩头截断。严禁单向或借助机械外力截桩,以防止桩身断裂。同时记录截桩的长度。

(8)成品保护：CFG桩成桩后,禁止任何大型车辆在没有 0.5m厚垫层情况下进入加固区,防止造成断桩,造成成品破坏。

4 岩溶注浆地区 CFG桩施工中常见质量通病及防治措施

DK1 372+550～DK1 372+886.36段 CFG桩施工结束后,对该段 22根桩进行小应变抽检,5根桩挖桩(桩底均位于岩面)检查,结果 19根桩长与小应变结果吻合,3根有偏差。偏差 3根桩中 1根桩有缺陷(施工中窜孔),2根施工记录不准确。同时通过其他地区抽检及施工,归纳在岩溶注浆地区施工 CFG桩容易出现堵管、窜孔等质量通病,施工不当容易出现断桩和吊脚桩质量问题。

4.1 堵管

(1)配合比不合理,混合料工作性能差

产生原因：低强度混凝土混合料中细骨料和粉煤灰用量较少时,混合料的流动性差。外加剂与水泥相容性差,混合料的黏聚性、保水性差,容易离析。混合料坍落度太大,易产生泌水和离析,管内浆液在泵压作用下,先流动,骨料和砂浆分离,摩擦力增大容易堵管。坍落度太小,混合料在输送管内流动性差,容易堵管。

防治措施：在试用配合比前室内试验必须保证混凝土的和易性,控制混凝土施工坍落度在 16～18 cm,保证混凝土的泵送工作性能,防止堵管。

(2)施工气温高,管壁浆液容易凝固

产生原因：夏季施工管内温度高,管壁砂浆易凝固,增大管壁阻力,容易堵管。

防治措施：施工时在管壁覆盖草袋并经常洒水保持草袋湿润,降低管道温度。

(3)施工操作不当,堵塞管路

产生原因：钻头至桩底开始泵料后,在钻杆充满混凝土后没有及时提钻,浆液在泵压作用下从钻头挤走,管内剩下少浆混合料塞体,造成堵管。

防治措施：施工时应在管内填充混凝土后及时提钻,避免造成堵管。

4.2 窜孔

(1)土体发生液化,桩内混凝土突然下落

产生原因：土体由于受剪切扰动能量的积累,发生液化,使已施工未凝固桩体相邻桩内混凝土突然下落。

防治措施：桩机向后退打时,减少一次打桩的排数,同时隔桩跳打施工,减少对已打桩扰动能量的积累,有效防止相邻桩内混凝土下落,同时对未施工桩做好标记,混凝土终凝后补打桩。

(2)桩底流塑状土连通,导致相邻桩在泵送压力作用下冒浆

产生原因：岩面上流塑状土注浆效果差,注浆后流塑状土在桩底连同,桩内灌混凝土时在泵送压力下相邻桩内浆液从桩内冒出,导致相邻桩部分失去浆液而存在质量缺陷。

防治措施：对岩面上流塑状土层补充注浆,加固岩面上土层。采用跳桩施工方案,同时对未施工桩做好标记以后补打。

4.3 断桩

虽然目前检测在该区段未出现断桩,但结合其他区段施工,断桩按以下措施防治及处理。

(1)拔管太快,桩体存在缺陷

产生原因：成桩过程中拔管速度太快,在桩内容易形成空洞或桩内掉泥,使桩身存在缺陷或桩身夹泥,造成断桩或缺陷。

防治措施：控制拔管速度在 2～2.5m/min,使泵送混凝土速度与拔管速度相匹配,确保桩身混凝土质量。

⑵成品未进行保护,成桩后外力破坏

产生原因：CFG桩为素混凝土桩,抗弯、抗剪能力较差,在未施工褥垫层前大型机械进入 CFG桩加固区,造成断桩;另外,使用大型挖机在混凝土终凝后清理桩间土触碰混凝土桩体,造成断桩。

防治措施：混凝土终凝后,禁止使用大型机械在没有任何垫层情况下清理桩间土,采用小型机械清理桩间土时,必须有专人指挥,防止机械触碰桩体;成桩后,在没有垫层情况下禁止任何机械进入加固区。

⑶断桩拟采取处理措施

浅部 3m以内断桩时,在桩上距边缘 10 cm采用手风钻对称凿 3个 φ42mm孔至断桩位置下 0.5m,注M30水泥浆后插入φ18mm螺纹钢补强处理;3m以下断桩时,在桩侧重新补桩处理。

4.4 吊脚桩

产生原因：螺旋钻未钻至岩面停钻,导致桩尖悬空,成吊脚桩,无法满足承载力要求。

防治措施：由有经验的操作手操作钻机,根据钻机钻至岩面后,钻机摇摆情况及钻杆钢丝绳的松驰情况判断钻头是否到达岩面。

处理措施：全部重新施工,以确保工后沉降。

4.5 施工记录不准确,对小应变检测桩长产生困难

产生原因：主要为责任不清、施工责任心不强,导向架标识不清楚,对 CFG桩的施工桩长及桩头截除长度记录不准确造成。

防治措施：清晰标识导向架标识,在每次桩机组装后复核标识,明确责任,提高施工的责任心,采用双人记录复核签认制,准确记录桩长。

5 结语

类似本段地质情况的岩溶路基地段采用岩溶注浆和 CFG桩综合加固地基时,为确保每个环节的施工质量,需按照先注浆、后施工 CFG桩的顺序组织施工。

泵送混凝土,为避免堵管发生,室内试验需首先保证泵送混凝土的和易性,同时现场控制混凝土的坍落度,保证混凝土的泵送性能;在气温大于 30℃时,对输送管道需采取洒水覆盖等降温措施。

跳桩、加大 CFG桩一次施工间距是防止流塑土层CFG桩施工窜孔的有效措施。

为避免断桩,一是控制施工过程,按照试验确定的拔管速度拔管,保证混凝土泵送能力与拔管速度匹配;二是对施工结束的成品要加强保护,减少人为破坏、禁止机械直接与桩体接触。

钻头抵达持力层,在混凝土泵开始送混凝土后,才能开始拔管,否则桩底容易不密实或空洞,造成吊脚桩。

明确分工,清晰桩机的标识,施工过程进行记录,对地基加固过程异常情况分析十分重要。

[1]阎明礼,张东刚.CFG桩复合地基技术及工程实践[M].北京：中国水利水电出版社,2001.

[2]苏湘祁.CFG桩在无砟轨道软基处理中的应用[J].企业技术开发,2006,26(8)：21 23.

[3]孙劲松.CFG桩在时速 200 km客货共线铁路上的应用[J].铁道标准设计,2006(8)：9-11.

[4]拓守盛,王军琪.CFG桩加固铁路软土地基技术[J].路基工程,2006(5)：122-124.

[5]杨广庆,刘延吉,杨生伟.铁路客运专线路基施工技术[M].北京：中国铁道出版社,2006.

U238;U 213.1+4

B

1004-2954(2010)01-0049-03

2009-12-10

宋晓东(1977—),男,工程师,2000年毕业于西南交通大学,工学学士。