不破板条件下无砟轨道路基加固施工技术研究

2014-09-26王立

铁道标准设计 2014年9期

关键词：斜孔袖阀封孔

王立

(中铁七局集团有限公司，郑州 450016)

不破板条件下无砟轨道路基加固施工技术研究

王立

(中铁七局集团有限公司，郑州 450016)

以在建的某高速铁路客运专线铺轨后开通前路基沉降异常后，加固整治处理为载体，通过反复试验，取得加固注浆参数，在不破板条件下，因路基类型不同而采用不同的加固参数进行病害整治，通过机车压道结合沉降观测检验，整治后沉降稳定，满足客运专线路基的要求,从加固效果说明注浆是解决客运专线病害整治的有效办法，为客运专线路基加固工程积累经验。

高速铁路；无砟轨道；路基加固；试验；施工

1 背景

某客运专线设计为350 km/h无砟轨道，在完成铺轨施工3个月后，局部路段沉降观测发现沉降异常。为查明原因，业主、设计、施工、监理相关单位到现场查看，并组织对全线路基进行了详细核查，采用动探结合挖探、钻探等手段，对全段路基的填料性质、填料质量、路基压实、基底换填及基底地质状况等进行了核查，并根据核查结果将路基的现状总结发现，高路堤(填高≥3 m的路基)、低路堤(填高<3 m的路基)、路堑(挖方换填路基)分别呈现出不同的变化。为了满足客运专线运营的高标准要求，对该段路基进行整治试验，取得参数后进行了一系列的试验研究，效果较好。

2 路基加固施工工艺试验

按照设计方案，工艺性试验分两阶段进行，分别为确定施工方法和道岔区施工方案。

2.1 第一阶段试验

2.1.1 试验目的

(1)通过现场试验，验证不同压力状态下旋喷桩、小导管注浆和袖阀管注浆加固路基本体填料、低路堤基床的加固效果及对轨道板的影响，确定用于无砟轨道轨道板已铺设条件下加固路基基床的最适宜的加固方案。

(2)通过现场试验，验证设计建议的水灰比、压力、进浆量等施工工艺参数，获取旋喷桩、注浆施工对轨道板的影响程度相关参数。

2.1.2 旋喷桩加固试验及结果

旋喷桩直径为0.6 m，加固顶面为路肩以下1 m，加固深度为进入硬底0.5 m；纵向桩间距1.95 m(轨道板上3.9 m)，横向每排5根。

通过不同压力组合和施工工艺的试验，结合各方面的数据分析，使用旋喷桩加固本段路基成桩效果较差，且会造成轨道变形[1]，不适用于客运专线路基整治。

2.1.3 注浆试验及结果

(1)施工工艺[2-4]

注浆采用小导管注浆，施工工艺如下。

①定孔位。根据设计要求标出注浆孔位置，并进行复测。

②钻机和注浆设备就位。注浆孔位标定后，移动钻机至钻孔位置，完成钻机就位。各类设备就近安装，注浆管线固定，长度为30～50 m，以防压力损失。

③钻孔。钻孔用φ110 mm钻头人工开孔钻进，深斜孔采用地质钻机干钻，浅斜孔采用潜孔钻，钻孔完毕，现场管理人员测量成孔深度。

④终孔。钻孔应以实际钻探深度为准，加固深度满足设计要求，经专业工程师自检，报请现场监理工程师检查合格后终孔。

⑤清孔。在钻孔结束后，要及时进行清孔，将孔中碎石等破碎岩芯取出，确保注浆时水泥浆能顺利充填破碎岩层和裂隙。

⑥封孔。当天引孔当天封孔，素混凝土封孔，保证封闭密实。

⑦注浆。注浆前先进行试泵和注浆管路的试运转。水灰比、注浆压力、注浆量、终止注浆条件等注浆参数暂以试验段设计参数控制。

(2)注浆试验质量控制措施

①压力控制。每台注浆设备分别监控后台压力表、孔口压力表、百分表，注浆压力以孔口压力表控制。

②进浆量控制。通过安装在后台的流量计控制进浆量，在轨道变形允许的情况下，当出现注浆压力小于设计注浆压力、漏浆、窜孔时，或者浆液外泄严重时，先停止注浆，待浆液在初凝后，进行二次注浆，同时通过间歇式注浆来保证加固质量。

③施工流程：施工准备→引垂直孔→封孔→垂直孔注浆→深斜孔(引孔、注浆)→浅斜孔(引孔、注浆)→清理现场。

2.1.4 第一阶段试验结果评估

经过第一阶段的试验，综合各方面情况分析，旋喷桩不适合用在本工程的路基加固施工中；同时通过注浆试验，并经过大量现场有效数据的统计分析，获得了注浆时间、注浆压力、进浆量以及桩间距之间的关系。从挖探的效果分析，在目前的注浆压力、布置间距下，浆体的扩散作用明显，相邻孔之间的浆体已相互重合，路基土体与浆体形成了明显的胶结效果，路基密实度、承载力有一定提高，从而验证了注浆方案可以作为后续设计与施工的初步依据。但还需对道岔区注浆加强变形监测与控制注浆压力进行第二阶段试验，继续获取试验参数。

2.2 第二阶段试验

2.2.1 试验目的

在非岔区选择与岔区路基结构相近的地段通过现场试验，验证设计建议的水灰比、压力、进浆量等道岔区注浆的施工工艺参数，在确保路基加固效果的前提下，获取注浆施工对轨道板影响可控的施工参数及合理的限位措施。

2.2.2 试验方案

(1)高路堤注浆加固试验方案

采用袖阀管注浆结合小导管注浆进行加固处理，袖阀管注浆分为斜孔与直孔，小导管注浆分为浅斜孔和深斜孔，采用间隔布置，同类型孔的纵向间距1.0 m，分别布设于路肩与线路中心。

(2)低路堤加固试验方案

采用小导管注浆进行加固处理，小导管注浆分为浅斜孔、深斜孔和直孔，采用间隔布置，同类型孔的纵向间距1.0 m，分别布设于路肩与线路中心。

(3)路堑加固试验方案

采用小导管注浆进行加固处理，小导管注浆分为浅斜孔、深斜孔和直孔，采用间隔布置，同类型孔的纵向间距1.5 m，分别布设于路肩与线路中心。

2.2.3 试验变形控制

在咨询道岔及轨道方面的专家，同时经过参与各方反复论证后，按照轨道板隆起量不超过1 mm，不均匀沉降变形量不大于0.5 mm，两股道外轨的水平高差不大于1 mm进行控制。必须注意施工过程中对每个关键工序的严格控制，特别是水灰比、压力、进浆量。

2.2.4 试验结果

(1)高路堤注浆试验结果(表1)

表1 高路堤袖阀管注浆统计

注：表中位移正值表示隆起，负值表示沉降。

高路堤注浆结论：袖阀管成区段引孔完成后会造成0～0.8 mm的沉降，注浆会使轨道板隆起，单次最大隆起值为1.9 mm，袖阀直孔施工完成后袖阀斜孔的进浆量很小。而高路堤小导管注浆因袖阀管注浆后的影响，注浆会使轨道板隆起，单次最大隆起值为1.3 mm，袖阀管注浆完成后，小导管注浆时进浆量少而进浆压力大，容易造成轨道板隆起。

(2)低路堤小导管注浆试验结果(表2)

表2 低路堤小导管注浆统计

注：①表中位移正值表示隆起，负值表示沉降

低路堤小导管注浆结论：成区段引孔完成后会造成0～0.79 mm的沉降，注浆会使轨道板隆起，单次最大隆起值为0.9 mm，直孔进浆量比斜孔进浆量大。注浆后结束后第3 d轨道变形趋于稳定，稳定后轨道板平均隆起0.25 mm。

(3)路堑小导管注浆试验结果(表3)

路堑小导管注浆结论：成段引孔完成后会造成0～0.39 mm的沉降，注浆会使轨道板隆起，单次最大隆起值为1.51 mm，直孔进浆量比斜孔进浆量大。注浆结束后第2 d轨道变形趋于稳定，稳定后轨道最终平均隆起量为0.2 mm。

2.2.5 第二阶段试验结果评估

通过在非道岔区路基区段模拟道岔区注浆加固试验，并严格按照初步制定的设计参数施工，进行严密的工序卡控，辅以比较直观的监测手段(控制限位措施)，通过对试验数据的统计和分析，轨道的最终位移量是可控的(控制在轨道可调整范围以内)，同时路基加固补强效果明显，试验结果通过了专家评审会评审，试验取得的道岔区注浆工艺参数及轨道变形等数据，可以作为后续施工的依据。

表3 路堑小导管注浆统计

注：表中位移正值表示隆起，负值表示沉降。

3 路基加固设计

3.1 高路堤袖阀管结合小导管注浆加固设计(图1)

袖阀管注浆分别为深斜孔与直孔；小导管注浆分别为浅斜孔和深斜孔，深斜孔孔深4.6 m，浅斜孔孔深2.15 m。

3.2 低路堤小导管注浆加固设计(图2)

横断面上每排注浆孔由2排纵向间距0.75 m的注浆孔组成，分为垂直注浆孔、浅部斜孔(孔深2.15 m，钻孔俯角为25°)、深部斜孔(孔深2.86 m，钻孔俯角54°)。

图1 高路堤加固横断面示意(单位：m)

图2 低路堤小导管注浆加固横断面示意(单位：m)

3.3 路堑小导管注浆加固设计(图3)

横断面上每排注浆孔由2排纵向间距0.75 m的注浆孔组成，分为垂直注浆孔、浅部斜孔(钻孔俯角为25°)、深部斜孔(钻孔俯角54°)。

图3 路堑小导管注浆加固横断面示意(单位：m)

4 加固处理施工

4.1 加固总体情况

高路堤加固采用袖阀管注浆结合小导管注浆处理，低路堤及路堑加固采用小导管注浆处理，按照二阶段试验参数进行施工。

4.2 施工工艺

4.2.1 工艺流程

(1)施工顺序：先两侧后中间，先深孔后浅孔，分段进行。

(2)引孔：袖阀管和小导管深斜孔采用地质钻机进行引孔；浅斜孔先用手钻破除封闭层混凝土，然后用潜孔钻进行引孔。

(3)填充：孔内安装进浆管与出浆管，随后在孔内充填直径5～10 mm碎石。

(4)封孔：引孔完成后及时进行封孔，采用C15素混凝土，封孔厚度不小于50 cm，保证封闭密实。

(5)压浆：采用旋流式搅拌机进行浆体搅拌，注浆前先进行试泵和注浆管路的试运转，试泵合格，注浆管路运转正常方可进行压浆作业施工。

4.2.2停浆条件：[5-7]

(1)注浆压力达到设计给定的最大值，且稳压时间大于10 min。

(2)当注浆压力小于设计值，发生浆液严重外泄时，应停止注浆，待浆液初凝后进行二次注浆。

4.2.3 控制措施

总体原则：严格按设计要求控制压力和进浆量，在满足这一前提条件下采取必要的技术手段和监控手段，按渗透注浆的原则，确保不破坏轨道板，从而达到对路基本体加固补强的作用。质量卡控措施[8]如下。

①引孔质量控制：钻机就位后由专门的技术人员对钻机钻杆的倾斜角度进行测量，施工过程中记录各孔位的施工时间，并对钻孔的芯样进行描述。钻进过程中应注意观察地层变化及其他异常情况，如孔内有水或者其他不明物体，及时向该管段作业班长、技术负责人汇报。同时，通过钻杆刻度进行孔深控制。钻孔至设计深度后请监理检查，检查合格再进行下个孔位的引孔施工。

②封孔质量控制：主要控制封孔混凝土本身的密实性和与周边孔位的紧密结合。首先对封孔混凝土的配比进行优化，先后进行了掺加减水早强剂、速凝剂、水玻璃等措施确保封孔的时效和质量，通过比选最终确定使用减水早强剂，主要考虑其密实性有保证、混凝土质量稳定，但在早强方面相对较欠缺。设置专班进行封孔混凝土的施工，严格按交底的配合比进行，技术和现场人员进行卡控。对封孔厚度进行了在最大压力下的理论计算，主要考虑了混凝土与孔壁的粘接力，并通过了各种条件下的实际检验，最终确定为50 cm封孔厚度。考虑冬季施工条件，对封孔混凝土进行及时合理的养护和覆盖，避免冻伤。

③浆体质量控制：对浆体原材料水泥按规范要求进行及时送检，合格后方可使用。设置专门的保管场所，确保水泥在干燥状态下不结块。使用比重计对浆体的容重进行现场卡控，主要利用了水灰比与浆体容重一一对应的关系进行间接控制。因注浆施工跨越冬季，须严格控制搅拌时间、及时掌握现场温度，使浆体在冬季条件下不发生沉淀、不受冻。同时，在浆体外溢严重时、压力很难达到的前提下进行二次注浆，确保注浆孔的扩散半径，也可将使孔口沉淀的浆体重新恢复均匀。

④压力控制：在压浆泵的出浆口和进浆管的管口处设置防振压力表，设专人进行记录，严格按设计要求进行注浆。在注浆过程中，通过对讲、复述进行前后的协调，确保压浆的质量和效率。

⑤进浆量控制:主要通过电磁流量计进行现场卡控，设专人进行记录。

⑥排水系统的优化：对注浆过程中可能受影响的盲沟进行全过程冲水，防止堵塞。对发现堵塞的或者排水不畅的排水沟，进行及时疏理。特别重视在钻进过程中水的疏导，必要时在孔位处插打排水管。

⑦轨道板的合理控制：主要通过对称注浆、间歇式注浆、分区段跳槽注浆实现。同时通过必要的技术辅助措施，对轨道板进行监控。

⑧内业资料控制：对每天的原始记录进行逐级通报，并整理成电子文档台账，及时分析当天注浆过程中出现的问题，以利后续改进。

通过现场挖探和重型动探，可以发现注浆后，浆液与路基填料的胶结效果明显，也不难判断其强度和密实性已大于其加固前的路基本体，从而实现了对原有路基加固补强的目的。

5 路基加固效果验证

为检验路基加固效果，对路基沉降观测的对比来检测路基注浆加固效果。同时对机车压道期间加固段沉降进行平行监测。

5.1 验证分析方法的确定

机车压道，时间40 d。

机车压道采用2台DF4B型机车，相关参数满足我国高铁客运专线设计动车轴重要求。

5.2 机车压道期间加固段沉降观测

(1)观测目的：为检测加固效果，采用机车进行压道，通过观测布设于轨道板支撑层上的沉降观测桩绝对高程值变化，来判定路基沉降情况[9]。

(2)观测断面及观测桩布置：所有观测桩均埋设于轨道板支撑层上，观测断面间距为30 m，在涵洞过渡段、道岔地段均进行了加密[10]。

(3)观测方法及频次：采用闭合二等水准测量，共进行了6次测量，其中压道前1次，压道期间4次，压道完成后1次。

(4)压道数据分析：分析了104个断面，208个沉降观测点，加固最大沉降1.77 mm，最大隆起1.39 mm，其中累计沉降值大于1 mm的点有9个，占观测点总数4.32%，累计隆起值大于1 mm的点有9个，占观测点总数的4.32%。道岔各项参数满足验标的要求[11]。典型时程曲线如图4所示。

图4 典型时程曲线示意

由图4可见，路基沉降已经趋于稳定，沉降速率和沉降量满足客运专线路基的沉降要求[12]。

6 加固效果总体分析

根据设计院提供的试验参考数据，进行了大量、深入、细致的路基加固试验性工作，取得了大量的一手资料，剔除了一些效果不佳的施工方法，同时也验证了一些行之有效的路基加固方法。通过各方对试验数据的统计分析，以及多次详细的专家会评审，得到了指导加固实施的工艺参数和相关质量控制措施，采用小导管和袖阀管等注浆方法进行路基加固施工，对注浆压力、进浆量、轨道变形等指标严格控制，通过挖探、机车压道、物探、沉降观测等各种验证手段，比较直观地看到了加固效果，特别是通过加固前后沉降、地震面波检测等大量的数据对比分析，证明达到了设计路基加固的预期目的。该段整治后，高速铁路运行已经2年，未出现异常情况。