旋喷桩在重载铁路路基下沉病害整治中的应用

张万涛,邓建义,杨德喜

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津　300251)



旋喷桩在重载铁路路基下沉病害整治中的应用

张万涛,邓建义,杨德喜

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津300251)

摘要：结合某重载铁路路基下沉病害整治工程,介绍斜打旋喷桩技术在既有路基下沉病害整治中的设计方案及施工质量控制措施,阐述旋喷桩加固机理,并采用瞬态瑞雷波法检测整治效果。从整治效果来看,斜打旋喷桩技术用于既有线路基下沉病害整治是可行的、有效的,采用瞬态瑞雷波法进行整治效果的快速检测与评价,其检测结果是合理可信的。

关键词：重载铁路；路基沉降；旋喷桩；效果评价；既有线；瞬态瑞雷波法

1概述

随着我国经济持续快速发展及铁路建设技术水平逐步提高，实现铁路客货分离且客运专线高速化、货运铁路重载化已经成为铁路建设的主要发展方向。重载铁路运输能力大，经济效益显著。但是由于其路基受动荷载强度大、频率高，经过多年运营后铁路路基出现了不同程度的路基下沉、路肩宽度不足及道砟囊等病害，严重威胁着行车安全。目前，既有线路基下沉病害整治技术方面在不封锁线路且不需断道施工的前提下对路基病害进行整治，工程实践中一般采用注浆和打设旋喷桩进行加固[1-4]。实践证明，两种方案技术可行，后者施工质量更容易控制，且通过轻型动力触探N10试验、平板载荷试验等原位试验检测其加固效果是显著的[5]，但采用瑞雷波法对旋喷桩加固效果进行快速检测和评价研究鲜有报道。瞬态瑞雷波法利用瑞雷波的频散特性和传播速度与岩土物理力学性质的相关性，应用于既有路基基床评价及下沉病害注浆加固效果评价、强夯及灰土挤密桩地基处理效果检测等工程领域具有高效、快捷、无损的优势[6-10]。

针对某重载铁路路堤下沉病害情况，采用斜打旋喷桩方案进行整治，并对整治前后的路堤采用瞬态瑞雷波法进行检测。在对比分析检测数据的基础上评价了路基下沉病害整治效果。探讨了斜打旋喷桩技术在既有路基下沉病害整治以及瞬态瑞雷波法检测技术在快速评价整治效果中应用的可行性及适用性。

2工点病害情况

3病害整治加固方案设计

3.1旋喷桩加固方案

根据现场情况，K332+460～K332+490段路堤下沉病害设计采用斜打旋喷桩方案进行整治，具体设计方案如下。

拆除存在病害的拱形骨架及护肩，在路基两侧自路肩以下1.5 m沿边坡方向及线路方向设高压旋喷桩，旋喷桩沿边坡方向间距2.0 m，沿线路方向间距4.0 m。旋喷桩桩径0.5 m，倾角15°向下，每延米水泥用量不小于210 kg。此外，为加强基床范围强度，于第一排桩加密倾角为5°旋喷桩，沿线路方向桩间距2.0 m；沿边坡方向上下2排及路基两侧旋喷桩交错设置以形成网格状水泥土体，旋喷桩与对侧旋喷桩交于路堤中心。旋喷桩桩长由Ⅰ、Ⅱ线外侧应力扩散线控制，应力扩散线之外旋喷桩空钻。于两侧路堤坡脚外1.0 m挖梯形截污沟，沟底宽0.2 m，深0.2 m。坡脚设向外4%的横坡，旋喷桩布置见图1。旋喷桩施工应从台背向路基方向自上而下进行，同排旋喷桩应隔桩施工，施工完成后及时恢复浆砌片石拱形骨架护坡。

图1　旋喷桩布置(单位：m)

3.2旋喷桩加固机理分析

以一定角度倾斜于路堤的旋喷桩是以高压泵为动力源，通过钻杆把配置好的水泥浆液在路堤内以大于15 MPa的压力由喷嘴喷出，高压喷射流穿透周围土体，并在喷嘴缓慢旋转和进退的过程中切削周围土体，强制土颗粒与水泥浆液搅拌混合，使土体与浆液充分搅拌混合后凝固，形成具有一定强度的圆柱固结体，即旋喷桩。旋喷桩以倾斜交叉形式在路基应力扩散线范围内形成网状结构，网络桩旋喷桩在路基内起到加筋作用，从而强化路基本体与基底的刚度和强度，提高基底承载力。同时，高压喷射出的水泥浆液进入土粒之间的空隙和土颗粒流失区域，形成脉状、板状或块状水泥结石体后具有充填改良作用。当水泥土混合浆液尚未凝结时，浆液将产生挤压力，对桩周土产生一定的压密作用，从而提高路基及基底的密实程度。

3.3施工质量控制

3.3.1水泥浆液配置

水泥采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥，施工用水按照国家现行《混凝土拌和用水标准》之规定执行。

根据财政部与德国复兴银行签署的中德财政合作“京北风沙危害区植被恢复和水源保护林可持续经营（Watershed Managementon Forest Land Beijing）”项目贷款和财政协议要求，2009年北京市水务局与北京市园林绿化局合作开展了中德财政合作“小型水体生态修复示范工程”。

3.3.2施工技术设计参数

设计采用喷射压力15～20 MPa；喷嘴孔径2.5 mm；喷浆流量80～90 L/min；提升速度16～20 cm/min；旋转速度20～22 r/min。旋喷桩施工前必须在相邻沉降稳定地段路堤进行试桩，试桩数不少于2根，以查明旋喷固结体的强度和直径，验证设计的可靠性和安全度，确定各项施工参数。

3.3.3成桩质量检测

旋喷桩主要根据《铁路路基工程施工质量验收标准》(J285—2004)、《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)进行质量检测，检查内容包括水泥品种、规格、质量及单延米水泥用量；旋喷桩直径、桩长、桩间距、钻孔位置及桩体倾斜角度；桩体强度在施工结束28 d后应进行，抽取总桩数2%的旋喷桩进行钻孔取芯后进行室内强度试验，要求28 d无侧限抗压强度不小于2.0 MPa。

4病害整治效果的检测与评价

4.1瞬态瑞雷波法检测结果

图2　K332+440～K332+490左侧路肩瞬态瑞雷波法检测成果

本次瞬态瑞雷波检测使用NA-72型地震仪及4 Hz检波器开展数据采集工作，设计点距5 m，采用12道检波器排列，道间距1 m，经过测试偏移距选为2 m。仪器参数设置采样长度256 ms，采样间隔0.25 ms，在路基两侧路肩上各布置1条测线，在整治前后分别检测1次，检测成果如图2、图3所示。

图3　K332+440～K332+490右侧路肩瞬态瑞雷波法检测成果

4.2整治效果评价

根据图2、图3分析看出，在路基整治前，瑞雷波波速值范围为110～250 m/s，且在3～6 m深度范围紧贴台背存在低速闭合圈。检测结果表明桥头路基密实度较差，且在3～6 m深度范围内靠近桥台细小土颗粒流失严重，存在更加严重的不密实区域。

路基经旋喷桩加固后，瑞雷波波速明显提升至150～350 m/s，0～6 m范围波速提升10%～60%，6～12 m范围波速提升30%～90%，路基及基底地层密实度由上至下分层逐步提高，且紧贴台背土颗粒流失严重区域充填密实。这表明路基经旋喷桩加固后路堤本体密实程度在整体上明显提高，基底处理范围内土体密实度亦明显提高，且有效消除了台背局部不密实区。从而提高了路堤本体刚度、强度及基底承载力，控制了路基下沉病害的进一步发展。

5结论

结合斜打旋喷桩用于某重载铁路路基下沉病害整治工程实例，并采用瞬态瑞雷波法对整治效果进行检测和评价，得出如下结论。

(1)本工点病害采用斜打旋喷桩整治后，路基0～6 m范围瑞雷波速提升10%～60%，6～12 m范围波速提升30%～90%，其加固效果是有效的。

(2)斜打旋喷桩用于既有线路基下沉病害整治，可有效提高路堤本体及基底的密实程度，从而加强路堤本体的刚度和强度，提高基底承载力，控制路基下沉病害的进一步发展。

(3)斜打旋喷桩技术作为一种快速有效、施工质量容易控制且不影响铁路运营的路基下沉病害整治手段，可以在类似工程中推广应用。

参考文献：

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[3]王沛.注浆技术在既有干线路堤下沉病害整治中的应用[J].路基工程，2010(5)：201-203．

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[9]谢星，等.多道瞬态瑞雷波法在灰土挤密桩检测中的应用[J].工程地质学报，2004(12)：482-486．

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Application of Churning Jet Pile to Treatment of Subgrade Settlement of Heavy Haul Railway ZHANG Wan-tao, DENG Jian-yi, YANG De-xi

(The Third Railway Survey and Design Institute of Group Corporation, Tianjin 300251, China)

Abstract：With reference to subgrade settlement treatment of heavy haul railway, this paper introduces design scheme, construction quality control with inclined churning jet pile technology used in subgrade settlement treatment of existing lines, states reinforcement mechanism of churning jet pile and the effect of settlement treatment detected by transient Rayleigh wave. With a view to the treatment effect, churning jet pile technology used in subgrade settlement treatment of existing line is feasible and effective, and the treatment results detected and evaluated rapidly with transient Rayleigh wave are reasonable and reliable.

Key words：Heavy haul railway; Subgrade settlement; Churning jet pile; Effect evaluation; Existing line; Transient Rayleigh wave

中图分类号：U213.1+57

文献标识码：B

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.015

文章编号：1004-2954(2015)01-0064-03

作者简介：张万涛(1983—)，男，工程师，2010年毕业于中国地质大学(武汉)岩土工程专业，工学硕士，E-mail：410667117@qq.com。

收稿日期：2014-10-30