浅谈螺杆桩在高速铁路粉砂层地基处理中的应用

钱胜

摘要： 本文以张呼客专铁路某标某某段路基施工为背景，在高速铁路松软土粉砂层地基处理施工中，采用螺杆桩施工技术，并取得了显著效果，为铁路路基工程螺杆桩施工控制提供有益经验。

Abstract： In this paper， taking a section subgrade contruction of Zhangjiakou-Huhhot passenger dedicated railway as the background， in the foundation treatment of silt layer of the high-speed railway， the screw pile technology is used and has achieved remarkable results， providing useful experience for screw pile construction control the railway subgrade engineering.

关键词： 螺杆桩；高速铁路施工；粉砂层地基

Key words： screw pile；high-speed railway construction；silty sand foundation

中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）15-0071-04

0 引言

螺杆桩是在长螺旋钻孔灌注桩与日本钢钎维全螺纹预制桩的基础上研发的新桩型，已被广泛应用于高层建筑施工中。随着我国铁路施工技术的迅速发展，近年来这项桩基施工技术也逐渐在铁路施工中得到更多更广泛的应用，螺杆桩承载力高、造价低、施工快速环保的优点更为突显。新建张家口至呼和浩特铁路是设计时速250公里的客运专线，某标段路基段全部为松软土路基，地下水埋深浅，存在液化现象，为满足路基工后沉降的设计要求，地基加固处理采用了螺杆桩技术。

1 工程概况

1.1 地质情况

新建张家口至呼和浩特客运专线位于华北北部，地形地貌为冲洪积平原，地势起伏不大，多为旱地及草地，植被较为发育，地面相对高差相对较小，地下水主要补给为大气降雨渗入，地下水对混凝土无侵蚀性。整条线路呈东西走向，全长286.773km。某标段施工范围内路基类型属松软土路基，地层结构依次为粉土、粉砂、细砂、中砂和细圆砾土等。

松软土：松软土分布较为广泛，沿线地表分布的第四系的黏性土、粉土、砂质黄土等地层的表层，承载能力较低，沉降变形较大。

黄土：厚度不等，一般为3～15m，局部可达40m。一般具有I级非自重-II级自重湿陷性，部分地段具有Ⅲ级自重湿陷性，湿陷土层厚度3～20m。

1.2 地震动参数区划

工程所在位置土壤最大冻结深度1.31m。根据国家质量技术监督局1：400万《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），结合本线工程地质条件，沿线地震动峰值为0.10g（地震基本烈度7度），地震动反应谱特征值0.40s。

1.3 水文及气象条件

该地区属中温带干旱气候区，大陆性气候明显，季风影响显著。冬季长而寒冷，夏季短而温凉，春秋季气候多变，温差大，日照充足。年降雨量小，多集中在7～9月份，年平均降水量394.7mm。

该地区地表水系不发育，无常年地表径流，地表水主要为大气降水形成的地表水流，水量受季节性影响较大，其自然排泄顺畅，需注意暴雨期间对施工的影响；地下水主要是第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，地下水较发育。

第四系松散岩类孔隙潜水：孔隙潜水主要赋存于河谷阶地、山间盆地及冲沟中，局部地段孔隙水具承压性，沖洪积的砂类土及碎石类土为其主要的含水层；基岩裂隙水：基岩裂隙水，又分基岩裂隙潜水和承压水两类。基岩裂隙潜水主要赋存于各类基岩的风化带及构造裂隙中，一般埋深大于20m，多数水量不大，部分地段埋藏较浅，地表径流较弱，大气降水多沿裂隙下渗，为地下水的主要补给源，地下水位随季节变化显著。局部地段具承压性，主要赋存于构造裂隙中，水量较大，承压水多存在于太古界变质岩中，因原岩成分的差异及遭受多期构造运动的影响，致使构造节理裂隙发育程度不同，加之多期岩脉的侵入和断裂的切割阻隔作用，形成了部分地段和层位无含水、部分地段和层位无隔水的构造，形成了承压含水层。

2 施工技术参数

本标段螺杆桩设计桩径0.4m，呈正方形布置，间距2m，桩长设计12.28～24.43m，桩身上部圆柱段为总桩长的1/3，余下2/3为螺纹段，桩身混凝土强度为C20，其上设置直径1.0m、高0.4mC25混凝土桩帽。螺杆桩具体设计如图1。

3 钻机选型及主要设备表（表1）

根据临近工程施工地质情况调查，施钻过程中有可能出现卵石层，设备选型过程中应充分考虑设备扭矩和钻杆刚度问题，就此选用JUS180履带式螺杆桩机其参数如下：塔高41（m）；钻孔深度35（m）；最大钻孔直径？准1500（mm）；动力头输出扭矩450（kN·m）；履带最大工作宽度7100（mm）；最大提拔力800（kN）；整机质量110（t）；配重质量22（t）。

此种机型在类似工程使用过程中性能稳定，成桩质量好，效率较高，与其他螺杆桩机相比，动力输出扭矩大，同步操作性强，输出转速调节范围广，底盘稳定操作简单故障率低，施工效率明显提高。特别是复杂地层的施工更体现它的优越性，具有在卵石层、漂石层及坚硬岩层高效钻孔能力。

4.施工人员及组织情况（表2）

5 施工工艺要点

施工工艺流程详见图2、图3。

5.1 施工准备

①螺杆桩施工前应具备以下文件资料：

1）路基施工图，地质柱状图及补勘资料；

2）施工区域内的地下管线、地下构筑物等的调查资料；

3）螺杆桩桩位平面布置图及技术要求；

4）试桩资料或工艺实验资料；

5）施工技术交底、安全技术交底、作业指导书、施工方案等。

②施工前，清除地表土、腐殖土，回填平整场地，对现场标高进行调整至设计标高，并做好地表排水系统，保证现场不积水以满足现场施工要求，最后压路机碾压密实。

③施工前应做好原材料质量检验工作。

④测量人员对设计控制桩进行复测定位，利用全站仪放出试桩桩位。

⑤施工前应做试桩，其目的是核对检验所选设备、机具、施工工艺及技术要求是否合适。同时，检测相邻桩孔之间的影响，确定影响程度，相邻桩孔之间影响较大时需要考虑跳打施工。如试桩满足设计要求，则根据试桩试验的数据确定施工时工艺参数，编制试桩工艺性总结，指导螺杆桩大面积施工。

5.2 施工方法

①确定螺杆桩的施工顺序。螺杆桩的施工顺序应从路基一侧向另一侧施工，按编号顺序进行，防止桩位漏打，同时根据桩间距和地层的渗透情况以及成桩试验结果，确定是否采用跳桩施工方法，以免因挤压造成相邻桩孔缩径，甚至影响桩体完整性。

②测量定位放线。测量定位放线要严格按照设计施工图纸进行，采用全站仪和钢尺测量，逐个施放在现场，桩位中心点用钎子插入地下，并用白灰明示。

③樁机就位、对中。采用主要施工机械设备为JZU180型螺杆桩机，80型泵送混凝土机。螺杆桩机到达指定桩位进行对中。首先使桩机钻杆的钻头垂直对准施工的桩位，螺杆桩机就位后必须调直、调平并稳固，确保成孔垂直度，容许偏差不大于1%。桩位容许偏差不大于10cm。

④调整钻杆垂直度。桩机就位后，应用桩机塔身的前后和左右的垂直标杆检查钻杆，校正位置，使钻杆垂直对准桩位中心，确保垂直度小于1%桩长。

⑤钻进成孔。钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时，启动马达钻进。一般应先慢后快，这样既减少钻杆摇晃，又容易检查钻孔的偏差，以便及时纠正。在粉砂层地层中，钻进速度宜控制在1.5m/min左右，钻进电流控制在50～110A，在钻进过程中，如发现钻杆剧烈摇晃或震颤时，应降低钻进速度，否则将导致导致钻孔偏斜位移和螺纹结构破坏，甚至使钻杆、钻具损坏。在钻孔的过程中操纵桩机自控系统联动同步装置严格控制钻杆进给速度和旋转速度，使二者匹配。形成圆柱段时，要求钻杆每下降一个螺距，钻杆旋转二周以上，钻至螺杆桩直线段设计深度。形成螺纹段时，要求螺杆桩钻杆每下降一个螺距，钻杆旋转一周，钻至螺杆桩螺纹段设计深度。当遇有障碍物时应立即停钻，判明原因后处理重新钻进。

⑥反向旋转提升钻杆及泵送混凝土。螺杆桩成孔到达设计标高后，停止钻进，开始泵送混凝土，泵送前检查泵管密闭性减少泵管弯曲保持平顺，灌注前应先泵送配合比砂浆润管，泵送混合料的坍落度宜控制在18～22cm，混合料搅拌时间不小于60s，当钻杆芯管充满混凝土后，螺杆桩机反向旋转提升钻杆，与钻进参数相同达到螺纹成形目的，钻杆其旋转的转数和提升速度应保持联动同步，匀速控制提管速度，要求钻杆旋转一圈，钻杆上升一个螺距。与此同时泵送高压的细石混凝土迅速填充由于钻杆同步旋转提升所产生的螺纹段空间。当钻杆提升至螺纹段顶面的设计高度时，钻杆再次正向旋转不同步联动提升产生圆柱桩体，同时钻头泵出高压混凝土大于6MPa浇筑，距桩顶2.5m时管内混凝土在自重状态即可完成剩余部分混凝土浇筑，最后混凝土超灌至桩顶标高以上50cm。成桩过程灌注提升连续进行，应避免因后台供料慢而导致停机待料。

⑦钢筋笼制作。钢筋笼制作过程中应严格按照设计尺寸加工，钢筋连接全部采用焊接，为保证桩体钢筋保护层厚度每隔2m进行焊耳焊接，严格检查钢筋笼变径位置，螺纹段钢筋保护层应按内径进行控制。每隔3m加工中心杆定位筋保证钢筋笼下沉的准确性，钢筋笼底部加工尖头焊接减少下放阻力提高导向性能。

⑧钢筋笼下放。混凝土灌注至桩顶标高以上50cm，清除桩口泥土，采用桩基自带吊装设备吊起钢筋笼对准桩位在自重作用和人工配合下缓慢下放，然后吊起震动装置震动下放到控制标高。

⑨桩机移位进行下一根施工。对施工完成的桩体进行自然养护，必要时桩头浇水并加盖草帘，做好现场成品保护。重复以上步骤进行下一根桩的施工。

⑩桩头凿除及桩帽浇筑。所有螺杆桩达到一定强度后，先用风镐凿除桩头至设计标高，清理桩顶检查桩位，调整钢筋位置后立模浇筑桩帽混凝土，强度达到设计强度10%拆除桩帽模板，达到设计强度后采用小型夯实机具夯实回填。

6 施工功效分析

根据螺杆桩施工全过程按24.43m桩50根取样平均进行分析，桩机移动就位调整所需时间5min；正向钻进至桩底标高所需时间为7 min；混凝土灌注反转提升至地面9 min；钢筋笼提升下放到位所需时间为4 min，总计成桩时间为25 min。混凝土平均充盈系数为1.08，对桩体强度、直径、长度及完整性检查，桩检合格率100%。

7 施工质量保证

①螺杆桩桩身水泥可采用普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥，所选用的水泥应有出厂合格证。

②混凝土用砂应选用粗砂或中砂，砂应质地坚硬、干净，含泥量小于5%。

③粗骨料可选用卵石或碎石，石子应质地坚硬、耐久、干净，混凝土石子粒径宜采用8～25mm，压碎值指标满足要求。混凝土强度等级为C20，施工过程中严格按照配合比下料，严格控制粉煤灰的惨入量，塌落度控制在18～22cm。

④混凝土应符合泵送混凝土的要求，粉煤灰等级要求Ⅲ级及以上。减水剂、泵送剂等外加剂可根据不同的使用要求适量参入。外加剂的用量根据施工需要通过实验确定。

⑤泵料时，严禁先提钻后泵料，确保成桩质量。

⑥若施工中因其它原因不能连续灌注，须避开饱和砂性土、粉土层，不得在这些土层内停机。

8 安全管理重点

①大风天气禁止操作，钻杆回收停放。

②钻机必须支撑稳定地基上，对于软土地带应初步换填垫设钢板，防止钻机失稳倾覆。

③钻机操作人员必须培训并持证上岗，不得酒后作业。

④必须按照钻机说明书定期进行保养维护。

⑤钻机上方与既有电线路保持安全距离，防止触电事故发生。

⑥钻机施工作业前必须进行探槽探知地下管线埋设情况。

⑦钻机工作前应试运转，确保设备各项参数处于正常状态，而后才能正常施钻。

⑧施工过程中如突然停电，设备各项开关应归于零位，现场布置备用电源启动。

⑨雨后应及时清除积水，防止地基浸泡造成地基承载力下降影响桩机稳定。

⑩吊具应定期进行检查排除安全隐患。

9 结论

①螺杆桩与传统的混凝土灌注桩、长螺旋灌注桩相比在施工过程中不取土，对桩间土有明显的挤密效果。通过对天然地基的挤密，降低了地基土的压缩性，从而提高了天然地基的承载力，减小了地基的沉降。对沉降变形要求很高的构筑物，螺杆桩有很高的应用价值。

②由于螺杆桩的下部形成了螺纹段，使桩的受力性能发生了变化，螺纹段不但提高了与周围土体的接触面积而且土体的提供的剪切反力也远大于摩阻力，从而提高了桩的整体承载能力。在相同条件下，螺杆桩与普通直杆灌注桩相比单桩的极限承载力有显著提高。

③螺杆桩单桩承载力较高，在达到同等设计效果下与直桩相比可缩短桩长，减少桩径和减少桩数，从而降低工程造价，便于施工。

④目前随着螺杆桩应用的普及，专业设备制造有了长足发展，现有螺杆桩钻机成套设备具有机械扭矩潜能大，穿透力强的特点，因此螺杆桩对于不同土质有很强的适应性，并且不受地下水位的影响。

⑤螺杆桩施工工艺简单便于操作，具有无振动、低噪音、无环境污染等绿色桩型特色。

⑥通过螺杆桩处理的复合地基可以有效降低地震力对结构的影响，由于加固后消除了可液化土层，从而可以广泛地应用于地震区工程施工。

⑦螺杆桩机设备性能先进，自动化程度高，劳动强度低，可靠性强，施工进度快，可以连续泵送混凝土成桩。

参考文献：

[1]TB10751-2010，高速铁路路基工程施工質量验收标准[S].

[2]TB10424-2010，铁路混凝土工程施工质量验收标准[S].

[3]TB10106-2010，铁路工程地基处理技术规程[S].