高压旋喷桩处理路基病害成桩控制技术现场评价试验研究

宋新龙，周 波，魏鲡鋆

(中铁西北科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730000)

随着西部大开发、“一带一路”倡议的不断深入，我国西部地区基础设施建设规模日益扩大，与此同时一大批服役设施，如兰新铁路等面临着线路优化和基础加固，经优化改造，已达到继续使用的性能要求。受当时建设水平和经济条件的制约，以及长期服役下路基基础灾变的综合影响，大量路基病害现象不断暴露，因而针对铁路、公路等地基基础的病害处理技术和理论研究层出不穷。其中，学者们[1-7]基于旋喷桩技术开展了广泛研究，如张万涛等[1]结合某铁路路基病害整治工程，介绍了旋喷桩技术在既有路基下沉病害整治中的相关问题，并阐述了旋喷桩加固机理。陈学喜等[2]以宝中铁路路基下沉病害治理工程为背景， 对斜向高压旋喷桩治理既有铁路路基下沉病害的设计方法进行了探索，研究了桩体的布设形式、间距、加固深度等参数的取值。吕若冰[3]结合沿海高速公路盐连段软基工程实例，介绍了高压旋喷桩法处治既有高速公路软基的加固机理等，并基于PLAXIS有限元软件建立数值模型与现场试验结果进行了对比分析。赵朝阳[4]结合石太客专段洪水浸泡运营路基，采用在边坡上斜向利用高压旋喷桩加固路基技术，介绍了高压旋喷桩倾向有效加固路堤本体和基床湿陷性黄土的工艺和要求，为同类工程提供了借鉴。顾红伟等[6]在考虑不破坏既有公路路面和路基结构层的条件下，对已通车高速公路的软基进行了加固处理，并对逐年加铺沥青和高压旋喷桩处治软基两种不同处治思路的处治效果和处治费用进行了对比分析和综合评价。与此同时，李晓鄂等[8]根据南水北调穿黄工程地质条件进行的高压喷射注浆材料及固结体性能研究为在实际施工中设计施工参数提供了一定依据。同期，何润芝等[9]基于外掺剂开展的水泥土固化机理的研究成果(与单纯水泥土固结体相比，外加剂等量取代水泥质量分数的20%可提高水泥土抗压强度40%以上，并能提高水泥土抗渗性能)和胡建林等[10]开展的水泥土入掺玄武岩纤维研究结果(玄武岩纤维对水泥土抗压抗拉强度均有所提升)有助于提高路基病害处理效果。关于路基处理的相关研究其他方法及情况[11-15]不再赘述。综上所述，目前针对竖向或大角度倾向的旋喷桩处理路基病害研究较多，而实际情况下往往受狭窄环境及不影响路面上方交通正常运行的条件下，需进行水平或小倾角注浆加固，而目前针对这方面的研究鲜少。本文结合精伊霍铁路病害路基的加固处理工况，开展现场注浆试验研究，根据成桩形态质量综合指标确定合理的水平或小倾角注浆关键技术参数，以期为既有服役线路路基病害的治理加固技术及理论研究提供参考和借鉴。

1 路基病害工况及治理方法

精伊霍线从兰新铁路西段的精河站引出，沿天山北麓西行，跨尼勒克河，穿越北天山进入伊犁河谷，经过尼勒克县、伊宁县、伊宁市等县市，最终到达边境口岸霍尔果斯市，沿线共设21个车站，于2009年12月竣工并运行。精伊霍铁路是新疆第一条电气化铁路[16]，是连接中亚地区又一条交通大动脉，对新疆经济发展、能源运输、国防建设都有着十分重要的作用。除了对新疆伊犁经济具有巨大推动作用外，同时开辟了新疆铁路向西开放的国际运输通道，让新疆成为唯一拥有双口岸优势的地区。然而在后期运行中因地质、水文[17]、列车振动荷载等影响精伊霍线路基沉降变形严重，严重影响着铁路的安全运行。

根据病害发生的部位可将路基沉降变形病害分为路基本体沉降和路基基底沉降两部分。其中，路基本体沉降主要由于路基填料不符合要求，压实度不满足规范要求，在提速条件下，动载增加后造成路基本体沉降；路基基底沉降主要由于既有铁路在施工时未对原有软弱基底进行加固处理，在外来水作用及列车动载耦合作用下，路基基底发生沉降变形。根据调研及分析判断，课题组与相关技术团队形成了病害治理的基本思路：运用高压旋喷技术强化路基内软弱或松散土体，并尽量防止雨水进入路基土体，以解决因雨水的不断渗入软化路基土体而造成沉降变形等问题。

由于高压旋喷技术是利用高能量的转动浆液切割土体，在一定范围搅拌土体，使水泥浆与软弱或松散土体拌合，从而改变原较软弱或较松散的土体为较高强度的混合强化水泥土土体，因而对于精伊霍铁路路基的沉降变形，设想采用高压旋喷技术进行治理。其中设想的治理方法与地基处理[18]或基坑护壁的旋喷桩原理、方法基本相同，只是在工艺上进行改进，使能进行水平、甚至小角度仰斜成孔。它可以在要求强化的部位进行旋喷，即有目的的强化某些软弱部位或某些松散岩土体层位。经强化的土体强度可望达到2 MPa～3 MPa，且具有较高的抗变形能力(较高的变形模量)和防渗能力。具体而言就是在路堤基面以下一定部位形成连续(旋喷体可以部分重叠)的强化土体，具体厚度根据需要确定。以此在路基上部形成具有排水效能的类似于目前客运专线或高速铁路基床的强化层。

2 现场试验方法

2.1 试验目的

介于上述设想未有可直接借鉴参考的工程经验和研究成果，在方法、工艺及相应设备方面需要通过进一步研究予以解决。本文依据规范[19]调查，结合兰新线及精伊霍铁路路基沉降变形病害的情况和特点，进行先行的现场试验，形成一套治理该类路基病害的技术措施，并应用于该线的路基病害治理。其中现场试验主要目的是确定成桩俯角、注浆压力、水灰比、提升速度等成桩技术参数对成桩体的各项评价指标(注浆量、桩长、水平桩径、垂直桩径、空腔及空腔正矢、裂纹条数及最大张开度、圆柱状成桩质量)影响特征，以此确定更合理的施工控制指标，指导大面积路基病害治理施工。

2.2 试验设备

本次试验钻机采用无锡某厂的高压旋喷钻机XP-20，高压注浆泵采用天津某公司XPB-90D，以及20 kW发电机、水泥浆制浆桶和空气压力机各一台。

2.3 试验场地

为了使试验达到验证设计、指导施工的目的，试验段位置的选取以地基强度较低、路基填土较高、淤泥较深、施工比较便利的地段为原则。最终本次试验选取兰新线K1918—K1919段废弃黄土路基作为试验段。

2.4 试验方案

本次试验为达到上述目的，重点研究水平或者小角度仰斜孔的成桩工艺及效果。在保证钻孔深250 cm以及送风压力0.7 MPa的条件下(其中送风压力在试验前进行了技术确定)，分别控制注浆压力、钻孔俯角(三个俯角：0°、5°、10°)以及注浆提升速度(15 cm/min、20 cm/min、25 cm/min、30 cm/min)进而设计了12根高压旋喷桩作对比，其具体成桩技术参数如表1所示，其中5#—8#高压旋喷桩主要探究注浆压力对成桩质量的影响，而9#—12#高压旋喷桩主要确定注浆管提升速度对成桩质量的影响。各试验桩在现场通过二重管法施工成型，并在成桩过程中对各试验桩注浆量(根据公式(1))进行了跟踪统计。各旋喷桩养护完成后对其形态参数(桩长、水平桩径、垂直桩径、空腔及空腔正矢、裂纹条数及最大张开度)进行统计。本次试验注浆水泥水灰比为1∶0.7。

(1)

式中：Q为注浆量，m3；h为喷射长度，即孔深，m；q为单位时间喷浆量，m3/min；β为损失系数，取0.1～0.2；v为提升速度，cm/min。

3 试验结果及分析

表2为本次试验结果，本文将分别从注浆压力、俯角、提升速度三个关键技术控制指标方面对高压旋喷桩成桩效果进行评价说明。

表1 1#—12#高压旋喷桩成桩技术参数

表2 1#—12#高压旋喷桩成桩各项质量评价指标结果

3.1 注浆压力影响结果及分析

从表2可以看出，注浆压力对成桩效果的影响比较突出：

(1) 对于注浆量而言，注浆压力增大，其余控制参数与不变情况下(对比组：1#和2#；3#和4#；5#—8#)注浆量同步增多，特别是当提升速度较低时，注浆量增加量更大，表明注浆压力增大注浆体的喷射流体在有限时间内可压缩增加。

(2) 注浆压力对旋喷桩的桩长影响特征较为复杂，如图1(a)所示首先在注浆压力较低时(例如5#桩注浆压力15 MPa)，旋喷桩桩长随着注浆压力的提高而增大，而当注浆压力一旦到达20 MPa左右时，桩长出现下降，且增加或下降的大小基本与注浆压力增加幅值保持着比例关系，说明注浆压力是影响桩长的一项重要技术参数。

图1旋喷桩桩长、桩径随注浆压力变化关系曲线

(3) 注浆压力对桩径(包括水平桩径和垂直桩径)的影响不是很明显，但是值得注意的是，注浆压力的提升整体上有助于桩截面尺寸的增大，不妨以水平桩径、垂直直径以及二者之和的平均值观察来看，5#—8#桩的桩径如图1(b)所示，可以看出垂直桩径随注浆压力增大而减小，而水平桩径与注浆压力为正相关，且二者之和平均桩径基本在40 cm左右，相较1#—4#桩桩径的离散化而言成桩效果更加可靠，当然1#—4#桩变化的提升速度对其耦合影响不可忽视，但与此同时恰恰说明综合性旋喷作业控制指标参数对成桩质量保证的重要意义。

(4) 受成桩施工各类因素影响，如图2所示，本次试验旋喷桩均存在一定的空腔，作者对空腔的正矢进行了统计，可以看出注浆压力对其影响特征因注浆压力的大小而异，在注浆压力较小时，注浆压力增加正矢量增加(如：1#和2#；5#—7#)，但当注浆压力增加到24 MPa以后，空腔正矢量出现下降。裂纹条数及其最大张开度基本同空腔正矢变化规律，不再赘述。

图2旋喷桩成桩后空腔情况

3.2 俯角影响结果及分析

由2#、7#及10#旋喷桩各项成桩结果可以看出：

(1) 随着所钻桩孔的俯角增大，注浆量减少，说明在水平向的注浆情况下，因注浆体自重作用在横向及竖向同步发生渗流的程度较俯斜注浆量大，因而在水平向高压旋喷桩的应用中建议提高注浆设计量，防止注浆液在钻孔周围土体的自重性渗流损失。

(2) 关于俯角对成桩截面及桩长形态影响应该综合分析，从表2可以看出俯角由7#桩的0°(水平注浆)增加到2#桩的5°时，其桩长由220 cm缩减至165 cm，即桩长减少，但是水平桩径和垂直桩径却同步增大。结合10#桩来看，其桩长增加，但水平桩径和垂直桩径均减小，说明在水平注浆时虽然注浆量增多，但是桩体的长度和截面大小得以保证，而当俯角增大，受渗流情况的差异化影响，成桩效果(桩长及桩径质量保证)可靠度降低，建议增加二次补浆作业。

(3) 俯角增大成桩后桩体裂纹条数由0°对应的6条、5°对应的4条降低到10°对应的2条，与此同时裂纹的最大张开度也经历了20 mm、20 mm和15 mm的减小过程，表明俯角增大有利于桩体的完整性，减少和抑制裂纹的生成与发展。

3.3 提升速度影响结果及分析

从表2中的2#和4#、9#—12#对比的变化情况可以看出，注浆时提升速度对成桩效果的影响比较突出：

(1) 如图3(a)所示，9#—12#桩随着注浆(管)提升速度的增加，注浆量连续减少，特别是对比9#桩和12#桩可以可以看出，在12#桩注浆速度提升1倍条件下，其注浆量相比9#桩降低一倍，所以在其他施工控制参数不变情况下，基本可以认为注浆量与提升速度保持线性变化关系如式(2)，其中R2=0.902。

V=-0.0172v+0.797 (2)

图3旋喷桩注浆量、桩径随提升速度变化关系曲线

(2) 从1#和3#、9#—12#各桩的桩长对比来看，注浆提升速度对桩长影响不大，各桩长基本保持稳定。

(3) 从图3(b)可以看出，注浆的提升速度对旋喷桩桩径影响比较明显，无论从水平桩径、垂直桩径或者平均直径而言，桩径均随提升速度的提高而减小，其中平均桩径随提升速度的变化关系可由式(3)表达，R2=0.8151，表明提升速度提高以后，在其余注浆条件不变情况下，孔周土体被旋喷切削的范围减少，经注浆液凝固固化的复合土体同等较少，进而旋喷处理的加固范围缩小，处理路基病害的效果将会下降，因而保证合适的注浆提升速度对于路基病害处理而言具有重要意义。

R=-0.72v+54.2

(3)

(4) 受注浆提升速度的影响，(对于9#—12#桩而言)所成桩基空腔正矢以及裂纹条数均随提升速度的提升而降低，同时为了探讨各成桩参数间的相互影响，如图4所示为9#—12#桩空腔正矢和裂纹条数随各桩平均桩径的变化曲线，可以看出，旋喷桩横截面尺寸的增大必然引起空腔正矢的增大及裂纹条数的增多，其中空腔正矢和平均桩径的关系如式(4)，R2=0.9916，二者为严格意义的正相关(即平均桩径越大，空腔正矢越大)。因而在旋喷桩施工中除应满足基本截面成桩参数之外，应该考虑桩体内部的空腔及裂纹生成发展情况，进而确定更加合适的施工技术参数。值得注意的是1#和3#桩在提升速度增加以后，空腔正矢及裂纹条数出现增加，对于此现象的解释应该侧重综合成桩参数的分析，因为由二者的成桩桩长基本等同情况下而3#桩的桩基出现增大，说明3#桩空腔正矢和裂纹条数的增加主要因为桩径增大后注浆量在桩周土体填充不足从而形成较大空腔。但是与此同时引起笔者注意的是，9#—12#桩的空腔正矢及裂纹条数相较1#—4#旋喷桩而言明显大幅度降低或减少，作者认为注浆的俯角应该是造成这一现象的主要原因，因而水平或者小俯角注浆技术应该合理设计和注意施工控制技术参数，保证成桩质量。

D=0.4009R-8.6994 (4)

图4旋喷桩空腔正矢、裂纹条数随平均桩径变化关系曲线

4 结 论

(1) 注浆压力对旋喷桩的桩长影响特征较为复杂，在注浆压力较低时桩长随着注浆压力的提高而增大，而当注浆压力超过20 MPa，桩长呈现下降，桩长增加或下降的大小基本与注浆压力增加幅值保持着比例关系；注浆压力的提升整体上有助于桩截面尺寸的增大。注浆压力对空腔正矢的影响特征因注浆压力的大小而异。

(2) 随着所钻桩孔的俯角增大，注浆量减少，认为在水平向注浆情况下注浆体因自重作用发生横向及竖向同步渗流；桩长随俯角的增加而减少，但是水平桩径和垂直桩径却同步增大，因此建议设计和施工时尽量形成5°～10°的小俯角注浆，并在俯角作业时通过二次补浆作业方法保证桩长及桩径质量，在水平向注浆时应提高注浆设计量或浆液浓度。

(3) 注浆量与提升速度基本保持线性变化关系，注浆量随着注浆提升速度的增加连续减少；旋喷桩平均桩径随注浆提升速度的增加而减小，表明提升速度提高，处理路基病害的效果将会下降；桩基空腔正矢以及裂纹条数均随提升速度的提升而降低；旋喷桩横截面尺寸的增大必然引起空腔正矢的增大及裂纹条数的增多。在旋喷桩施工中除应满足基本截面成桩参数之外，应该考虑桩体内部的空腔及裂纹生成发展情况确定合适的施工技术参数，建议在旋喷桩处理路基病害过程中提升速度取20 cm/min较为合适。