高速铁路地基处理施工工艺及方法探讨

2012-08-15何奎元谭春腾匡华云

科技视界 2012年30期

何奎元谭春腾匡华云

(湖南高速铁路职业技术学院湖南衡阳 421001)

1 高速铁路地基处理原则

客运专线地基处理的方法与客运专线的类型、行车速度及工后沉降标准有关。根据有关客运专线的设计暂行规定，现在客运专线分有砟轨道和无砟轨道结构，行车速度为200～250km/h和300～350km/h及以上，工后沉降标准有15cm、10cm、5cm及15mm等。客运专线地基处理的原则是：

（1）按照客运专线的轨道类型、设计速度及工后沉降标准进行设计选择。针对有砟轨道、速度为200～250km/h的客运专线，地基处理可采用排水固结、挤密桩、搅拌桩等复合地基的方法；针对无砟轨道、速度为300～350km/h及以上的客运专线，地基处理一般不采用排水固结的方法，而采用CFG桩和预制混凝土打入桩的方法。

（2）对于湿陷性黄土地段，采用消除地基湿陷性的方法，6m以内可采用强夯、6～20m可采用水泥土挤密桩，大于20m可采用CFG桩或钻孔桩桩板结构等措施。

（3）对于膨胀土地段，采用消除地基遇水膨胀的封闭或加压的方法，对于路堑段采取换填1.5～2.5m改良土封闭处理的措施，对于路堤段采取地基换填深度加改良土填筑高度大于2.5m加压处理的措施。

（4）对于浅层松软土采用挖除换填、强夯及冲击压实的方法，对于深厚软土采用CFG桩和预制混凝土打入桩的方法。

（5）对于岩溶地段采用注浆、灌砂、回填片石等方法。

（6）对于砂土液化地段，采用消除地基液化的挤密砂桩或挤密碎石桩的方法。

2 高速铁路地基处理方法

2.1 原地面处理

（1）做好排水工作和清表后的晾晒工作；（2）换填材料是否符合设计要求(每5000m3做一组土工试验，包括液塑限、击实等)；（3）压实度能否满足设计要求；（4）路基宽度是否符合设计要求。

2.2 排水固结法

排水固结法适用于饱和软粘土层的加固处理。排水固结的方法和原理是：首先在饱和软粘土层表面填筑路拱、铺设排水砂垫层、再在饱和软粘土层中插设竖向排水通道，然后通过路堤填土和预压荷载对饱和软粘土层施加压力，使软粘土孔隙中的水挤排出来，软土地基产生固结变形。随着排水固结变形的发展，软土中有效应力逐渐提高，地基土的强度逐渐增长，地基承载力得到提高。排水固结法，通过施工期间使饱和软粘土层产生快速固结沉降，可控制路堤的工后沉降和路堤的整体稳定性。排水固结法的砂垫层应采用透水性好的中粗砂，含泥量不大于3%，其渗透系数一般不低于10-3cm/s。排水砂垫层应具有一定的厚度和坡度，为使其在地基沉降变形后不产生反坡，按设计要求填筑路拱。排水砂垫层当起持力层作用时，可在砂垫层中加设土工合成材料。排水固结法的竖向排水通道一般采用塑料排水板或袋装砂井。塑料排水板是厂家专门生产的厚度4.5～6.0mm，宽度100mm的高压聚乙烯芯板外包无纺布滤膜的成卷板材。袋装砂井是用具有一定抗拉强度的直径7～12cm聚丙烯或聚乙烯编织长袋，装满含泥量不大于3%的中粗砂，形成袋装砂井。塑料排水板或袋装砂井采用专用的打设机械，按设计深度插入软土，为保证排水通道畅通塑料排水板或袋装砂井的出露部分或埋入砂垫层长度不少于30cm。

2.3 挤密砂（碎石）桩复合地基

挤密砂（碎石）桩适用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土及杂填土地基加固，主要靠桩的挤密和施工中的振动作用使桩周围土的密度增大，从而使地基的承载能力提高，压缩性降低。在松散砂土和粉土地基中起挤密、振密和抗液化作用。在粘性土地基中起置换和排水作用。挤密砂（碎石）桩的用料，最好用级配较好的中、粗砂，当然也可用砂砾及碎石。对饱和粘性土因为要构成复合地基，特别是当原地基土较软弱、侧限不大时，为了有利于成桩，宜选用级配好、强度高的砂砾混合料或碎石。填料中最大颗粒尺寸的限制取决于桩管直径和桩尖的构造，以能顺利出料为宜，规定最大不应超过50mm。考虑有利于排水，同时保证具有较高的强度，规定砂石桩用料中小于0.005mm的颗粒含量（即含泥量）不能超过5%。挤密砂（碎石）桩施工采用振动沉管的方法将桩管打入设计深度，桩管内填砂或碎石，振动提拔桩管，砂或碎石振出，向下挤压桩管，再提拔桩管再向下挤压，反复作用形成挤密砂（碎石）桩，挤密砂（碎石）桩根据施工设备和地基土条件，其桩管直径一般为300～800mm，桩间距一般可控制在3～5倍桩径之内较合理。

2.4 半刚性桩复合地基

半刚性桩复合地基这里特指粉体喷射搅拌桩、浆体喷射搅拌桩、高压旋喷桩。这三种地基处理方法是通过机械对加固土体喷射粉体或浆体加固材料（水泥或石灰），并强制搅拌，使土体与加固材料发生化学反应形成加固桩体，提高土体的强度。采用粉体喷射搅拌桩、浆体喷射搅拌桩、高压旋喷桩进行地基处理时，主要考虑在对地基沉降、承载力和稳定性有较高要求的结构部位，如公路、铁路的路桥过渡段、涵洞基础、房建结构基础等的地基处理，以半刚性桩复合地基的形式承受荷载作用。半刚性桩复合地基的沉降计算应考虑复合地基桩体的压缩变形s1和桩底以下未加固土体的压缩变形s2。s1的计算一般可采用复合模量法、应力修正法、桩身压缩量法等。S2的计算一般可采用应力扩散法、等效实体法、当层法等。

2.5 土工格栅碎石垫层施工质量控制要点

（1）材料控制(碎石、土工格栅等)；（2）土工合成材料和碎石之间设置5cm的中粗砂保护层；（3）对出库的每卷土工格栅都由施工单位进行质量检验并填写出库检验单，随材料一同进场，（按《验标》要求检查）；（4）施工中需要经常检查的项目。

2.6 灰土挤密桩

灰土挤密桩施工方法和加固原理:灰土挤密桩包括石灰土挤密桩、水泥土挤密桩和柱锤冲扩桩等，适合对松软非饱和土的加固处理，如湿陷性黄土消除其湿陷性的加固处理。郑西客运专线对地基处理深度为22米以内的湿陷性黄土采用了水泥土挤密桩或柱锤冲扩桩的方法进行消除其湿陷性的加固处理。施工前应进行成桩试验，确定成孔设备、灰土拌和设备、施工工艺参数。灰土挤密桩施工，首先①成孔，成孔方法可采用振动挤密、长螺旋或机械洛阳铲掏土成孔，然后②人工向孔内充填机械拌合好的水泥土料，③重锤分层夯实，重复②③工序直到挤密成桩。

2.7 CFG桩

CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即Cement FIying-ash Gravel Pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，和桩间土、褥垫层一起形成复合地基。

CFG桩适用于粘性土、粉土、砂土和已自重固结的素填土等地基加固处理。对于淤泥质土及流塑状软土应慎用。CFG桩可用振动沉管机施工，也可用长螺旋钻机。而选用哪一类成桩机和什么型号，要视工程的具体情况而定。振动沉管成孔对周围原状土有挤密作用，长螺旋钻机成孔对周围原状土没有挤密作用。对于成孔要求质量高的地区，使用长螺旋钻孔管内泵压成桩工艺。长螺旋钻机施工，首先①定位，②钻孔到设计标高，③提钻并泵送CFG料，④到地面成桩性的承载板直接与桩土接触，实际测到的是单桩承载力。

2.8 混凝土打入桩

高速铁路在通过深厚软弱土层，当地基处理大于30m，采用CFG桩不经济时，一般采用混凝土打入桩进行地基处理。对于津京城际、沪宁城际、京沪高速铁路，采用了大量的混凝土打入桩进行地基处理。打入桩地基处理地段一般采用桩板或桩筏的承力结构。打入桩一般采用预制钢筋混凝土管桩或方桩，根据地质条件、桩型和桩体承载力可采用锤击法、振动法或静压法打入。

2.9 桩板、桩筏、桩网结构

高速铁路由于采用了无砟轨道结构，速度达到350km/h及以上，对路基平顺性和工后沉降有较高的要求，所以对通过的软弱土地段大量采用了CFG桩、混凝土打入桩或钻孔桩进行地基处理，并采用桩板、桩筏或桩网的承力结构，以保证高速铁路路基的安全可靠。

2.10 混凝土薄壁筒桩

混凝土薄壁筒桩是在软基加固现场直接浇灌制成的混凝土桩。其桩外径为0.8～2.0m，壁厚120～250mm，中心充满地基土。其具有桩帽，与桩间土、垫层一起形成复合地基。

薄壁筒桩多用振动沉管机施工，其工艺为——双层钢护筒沉入地下——向夹层中灌入混凝土——启动振动锤拔出双层钢护筒——形成一根薄壁筒桩。适应于深厚淤泥质粘性土加固。

成桩质量检测同混凝土桩。

3 高速铁路地基处理存在的技术问题

我国幅员辽阔，地质条件复杂，各客运专线遇到的地基处理问题各不相同。但由于工期紧任务重，对于设计、施工和建设单位来说，没有时间和精力进行前期的试验研究工作，地基处理的设计一般是简单化、保守化、经验化。有些地区可能是地基处理过强，存在保守浪费现象；有些地区由于对复杂地质的认识有限，看似地基处理较强，但还出现了失稳破坏的现象。从大规模的客运专线建设过程中出现的技术问题有：

（1）地基处理大量采用CFG桩，存在简单化、经验化、万能化的现象，对其适用条件没有进行深入研究。现场出现掉桩头、断桩、串桩、充盈系数偏大、局部断桩等情况，这与流塑状软土的不排水抗剪低、触变灵敏度高有关。

（2）对深厚及流塑状软土的地基处理简单化、经验化，一般采用CFG桩和预制混凝土打入桩。现场除出现上面的现象外，还出现使加固区以外建筑物外挤、隆起的现象，影响建筑物的使用安全。

（3）对个别客运专线，设计采用了合理的地基处理方法，施工质量经检验合格，路基填筑后出现失稳破坏的情况，应从技术及认识角度认真分析原因、总结经验，这样才对今后有借鉴作用，不要只说是施工单位质量问题或推脱为自然灾害等。

（4）地基处理只考虑了路基荷载的影响，还应考虑运营过程中，路基附近一定影响距离内水塘、基坑等开挖（偏载）对路基安稳定的影响。

（5）路桥分界处的桥头锥体部位地基处理有局部漏的，使锥体部位出现下沉开裂。

（6）地基处理深层检测技术有局限性，实际施工质量的过程控制尤为关键。但施工队伍的技术水平是有差别的，所以设计上可能会加大安全系数，对于间距减小、桩径和桩长的加大，势必又会给施工增加技术难度。

（7）各客运专线出现的地基处理问题有重复性，设计、施工和建设单位应及时交流并引起足够的重视。

（8）各客运专线进行的地基处理科研试验段，个别存在简单化、重复性、全线指导性滞后等问题。