旋喷桩侧面防护在粉土地层桥涵顶进施工中的应用

2011-05-04何金阳

铁道建筑 2011年9期

何金阳

(郑州铁路局工务检测所，郑州 450052)

新建城市道路、管线与既有铁路交叉时，为了减小对铁路运营的影响，常采用桥涵预制，顶进下穿铁路的施工方法。桥涵的顶进作业顶进前需要按照桥涵外围尺寸把桥涵前方一定进深的土体挖去，这就使桥涵两侧边墙及刃脚前方出现较大范围无支护的临空面。顶进施工中临空面出现土体松动、坍塌会在铁路路基、地基中形成软弱区域，导致道砟下陷、轨枕悬空;在雨水的作用下这种扰动土极易吸水，雨水的浸入又加快了土体的软化并形成裂隙，使土体强度大大降低，导致道床道砟呈漏斗下陷，形成轨枕空吊，损害列车运行的平顺性，甚至影响行车安全［1］。

1 工程概况

郑州市中牟县建设大道延长段工程在K534+106处为框构桥下穿陇海铁路，中牟县建设大道延长段工程下穿陇海铁路框构桥为三孔结构，中孔净宽17 m，净高7 m，两边孔净宽8 m，净高为3.5 m。陇海铁路为双线电气化繁忙干线，列车最高时速200 km/h。框构桥下穿陇海线K534+106处线路状态为直线平坡。此处路堤填土高度1.0～1.5 m，路基顶面宽度约16 m。框构桥中心线与陇海铁路的夹角为65°，桥顶面距钢轨底面约1 m。

该区域地貌单元属黄河冲积泛滥平原，地貌形态单一，地形平坦开阔。地下水位距地面4.0 m，主要受大气降水补给。

该处地层自上向下依次为:①层，粉土夹粉砂，粉土稍湿，稍密，夹植物根系;粉砂，黄褐色，稍湿，松散，砂质不纯，主要矿物成分以石英、长石为主。该层平均厚度为4.0 m，承载力特征值 fak=120 kPa。②层，粉质黏土，浅灰色，软塑～可塑，平均厚度2.6 m，承载力特征值fak=110 kPa。③层，粉土，浅灰色，湿，稍密～中密，砂质含量高，局部近粉砂，平均厚度10.5 m，承载力特征值fak=150 kPa。

框构桥高度范围内土体以粉土地层为主。土的直立性差，且易受扰动，扰动后强度损失严重。拟建框构边墙直立，高度9.3 m，尺寸较大，若不采取侧面防护将发生大范围坍塌。同时，框架桥与陇海铁路为65°斜交，若施工后框构桥两侧土体不密实，不仅将导致线路的高低不平顺，而且容易出现三角坑，对行车平顺性和安全性更为不利。

2 旋喷桩侧面防护方案的确定

2.1 侧面防护措施

目前，我国桥涵顶施工中的侧面防护主要采用注浆加固土体［2-3］。旋喷桩是水泥浆从喷嘴中高速喷射出来形成能量高度集中的液流，直接破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体［4］。与注浆相比，具有造价低、施工效率高、质量可控等优点。在土中垂直线路方向施工具有一定强度的斜旋喷桩，两侧桩体交叉咬合，从而改善和提高路基的力学特性，成为能够支撑外力和自重的结构体。经过实践，框构桥顶进前在桥两侧施工斜旋喷桩可以有效稳定路基和保证施工安全。

由于在施工过程中不允许中断行车，限界内采用斜旋喷桩加固路基，限界外采用竖向桩。

2.2 旋喷桩侧面防护的设计

旋喷桩施工的工艺参数可参照《铁路工程地基处理规程》(TB10106)［5］进行选择。首先，根据旋喷桩施工工艺和机具类型大致确定桩径和桩身强度。然后，利用滑动面内滑动土体重量G、滑动体范围内轨道及行车荷载Q、滑动面上土体间的摩擦力R，以及旋喷桩提供的抗剪力T组成平衡力系［6］，即可以求得所需的旋喷桩抗剪力，进而进行布桩和桩身工艺参数设计。φ为土体的内摩擦角;α为粉土中开挖临空面侧面土体的滑动面与水平面夹角，按下式计算

经计算，建设大道延长段工程下穿陇海铁路框构桥顶进施工中的侧面防护旋喷桩设计桩径为60 cm。单侧采用32根旋喷桩进行防护，见图1和图2，框构桥两侧各平行布置四排旋喷桩，排间距1.5 m，行间距为1.0 m。其中竖向桩两排(5#～8#)，用于加固路基两侧地基土体;斜桩两排(1#～4#)，用于加固路基中部轨道下地基土体。竖向桩和斜桩交叉布置。

图1 旋喷桩侧面防护断面(单位:cm)

图2 旋喷桩侧面防护平面(单位:cm)

旋喷桩桩端深入框构桥底板平面以下1.7 m。为了防止旋喷桩施工中，喷浆压力造成孔口附近路基土体扰动，孔口1.5 m不旋喷，仅以流出的浆液填充。

在水泥浆中加入1%的膨胀剂，可以增加桩体对周围土体的支持力，保证路基不变形。

2.3 旋喷桩在既有线施工要点

在既有线施工旋喷桩与新建工程有较大不同，旋喷产生的高压水泥浆容易造成上部路基变形，轨道几何尺寸不良。需要采取一些措施和特殊的工艺来保证铁路运营的安全。

1)旋喷桩有单管、双重管、三重管三种施工工艺，单管工艺靠高压水泥浆均匀冲切土形成桩体，常规的双重管和三重管都需要高压空气来增强水泥浆对土体的切割，工艺相对复杂，对周围土体影响大，在既有运营铁路上不宜使用。但对普通双重管工艺进行改进，将喷射高压空气改为喷射水玻璃或三乙醇胺，可以在30～120 s时间内将桩体强度提高到不低于土体强度。采用改进的双重管可以在施工路基下斜旋喷桩时最大限度地降低对路基的影响。

采用改进的新双重管工艺，并将常规的清水下钻变为水泥浆下钻，减少对路基的影响。旋喷施工时及时清理孔口流出的废浆，保证孔内与外界的联通，避免压力在孔内的积聚，影响路基的稳定。

2)在施工顺序上跳跃隔桩施工，要隔2个施工1个，严禁连续施工，这样可以保证在施工一根桩时附近桩体已经达到或超过土体强度。

3)施工路基下斜旋喷桩时要求行车条件为限速60 km/h，并加强对线路几何尺寸的观测，如有变化应立即中止施工或调整工艺参数，并与铁路工务部门及时沟通，确保铁路运营的安全。