真空动力固结法在铁路软基处理中的应用

2021-01-29黄祥岭

科技与创新 2021年2期

黄祥岭

（中铁十四局集团第二工程有限公司，山东泰安 271000）

1 前言

近年来随着中国沿海地区经济建设步伐加快，吹填土已被广泛应用于沿海区域拓展，如何针对吹填土的地质特性合理运用真空动力固结处理技术进行地基加固已成为该领域的重要课题。与其他施工工艺相比，真空动力固结具有施工成本低、工艺简练、便于监控、安全环保的优点。

本文结合在曹妃甸西站真空动力固结施工现场的实践经验，着重探讨该工法在吹填土地基处理中的应用，对其进行分析总结，以期达到真空动力固结的合理化运用及吹填土加固的质量要求。

2 加固原理

真空动力固结法是将高真空强降水固结与动力固结（强夯结合碾压）有机结合，由真空排水系统和动力加压系统的耦合作用实现快速消散孔隙水压力和增加土颗粒间的有效应力，从而达到快速固结土体的目的。

在真空降水前，需在预处理区域范围内安装真空排水系统，该系统由真空降水泵机组及真空降水管组成，依靠真空泵的抽气运作使系统内始终保持真空负压状态，土体内的水在表面压力差及土体自重的作用下由高压向低压流动，通过降水管表面的滤网及细孔进入排水系统而强制排除。该过程的持续进行可以使地下水位降低至设计降水面标高，使土体含水量接近最优状态，同时具备一定的预压作用。

在动力固结过程中，在已降水区域由打夯机吊起夯锤对土体施以冲击击密，该过程中夯锤的重力势能转化为夯击能（动能），使地基土在含水量处于最优状态的前提下增加孔隙水压力，土体的密实度和承载力得到提高，强夯过程中形成的超静孔隙水压力会在下一轮降水过程中顺利消除，并伴随着土体体积的压缩以及土颗粒间有效应力的增加，两种系统交替进行，形成“三降三夯”的施工工法，顺利完成后可以提高地基表层土体强度，防止砂土液化，减少地基差异沉降，并使地表形成一层较为均匀的硬壳。

3 工程概况

曹妃甸铁路扩能改造工程CKNS-2 标段西站区域位于新近吹填土地区，吹填土大部分为深海粉细砂，个别地段存在淤泥包，吹填土厚度一般为4～6 m，个别地段为8～10 m，其中露出水面部分的表层2 m 较坚硬，其下及水下呈流塑状。该地区部分地段的饱和松散粉砂、细砂及粉土为地震液化层，液化厚度不大，多呈透镜体状分布。

曹妃甸西站根据软基处理形式的不同划分为多个区域，其中折返段区域24、环线区域14～区域17 均采用真空动力固结进行地基加固处理，处理面积总计43.43 万m2。加固完成后要求有效地基加固深度达到6～8 m，复合地基承载力特征值不小于150 kPa，地基工后沉降不超过20 cm，沉降速率不大于5 cm/年，并满足7 度地震区（0.15 g）的抗震液化要求。

4 施工工艺流程

处理地基之前沿线路方向按200～300 m 的间距划分加固区，结合地质资料对加固区吹填土厚度进行深度验证以确定加固深度范围，然后根据设计预估沉落量对加固区地基进行土方整平，每块区域设置8 处水位观测孔，真空动力固结采用由真空降水（如图1 所示）和点夯（如图2 所示）结合而成的“三降三夯”的施工工艺，主要工艺流程如下。

图1 真空降水布置示意图

图2 点夯布置示意图

4.1 布置封管

在加固区域外围设置封管，封管离施工区域边线2～4 m，管长均为6 m，点距1.75 m。

4.2 安装降水系统

在吹填土中将插管机插入降水管，单排真空降水管排距3.5 m，真空管长3 m，点距1.75 m；双排真空降水管排距3.5 m，真空管为3 m 短管和6 m 长管，点距1.75 m。单、双排降水管交错布置，所有3 m 管连接为一个降水系统，所有6 m 管连接为一个降水系统，两个真空系统间无连接。井点孔口用黏土或淤泥质土封塞，以保证满足真空度要求，降水系统安装完成后进行抽水抽气试验并全面检查管路接头质量、抽水机械运转情况和井点出水情况。

4.3 第一次真空降水

真空度为-0.03～-0.06 MPa，降水水位低于施工面以下不小于3 m 后，撤掉所有3 m 的降水管进行第一遍点夯。

4.4 第一遍点夯

击数合计不小于10 击，夯击能量为3 000 kN·m，点夯采用隔行跳打施工，最后两击夯沉量之和小于20 cm。

4.5 第二次真空降水

真空度为-0.03～-0.06 MPa，降水水位低于施工面以下不小于4 m 后，撤掉双排管中剩余的6 m 管进行第二遍点夯。

4.6 第二遍点夯

击数合计不小于10 击，夯击能量为3 000 kN·m，点夯采用隔行跳打施工，最后两击夯沉量之和小于15 cm。

4.7 第三次真空降水

在原有的点位上复插6 m 长管形成降水系统，进行第三次真空降水，真空度为-0.03～-0.06 MPa，降水水位低于施工面以下不小于4 m 后，再次撤掉复插的6 m 管进行第三遍点夯。

4.8 第三遍点夯

击数合计不小于10 击，夯击能量为3 000 kN·m，点夯采用隔行跳打施工，最后两击夯沉量之和小于10 m。

4.9 满夯

间隔一周以上，分别用800 kN·m和600 kN·m满夯两遍，锤印搭接1/4 锤底面积，夯击能由大到小，每遍每点夯击2 击。

5 质量监控要点

5.1 降水系统真空度的保证

真空降水作业的持续运行严格依赖于管路的真空负压状态，在降水过程中需制定各项措施确保系统真空度始终满足设计要求，以保证“三降三夯”工序的正常衔接。

选择硬PVC 管作为降水系统的管路材料，因其强度可承受点夯过程中土的侧压力不致破损，且其同时具备耐腐蚀、水密性好、流体阻力小的优点。PVC 管表面均匀钻制直径2 mm 的细孔，土下部分的管体表面包裹一层透水纱布以防止管内混入稀泥引起堵塞，既能满足系统真空度的要求，又可保证所有降水管持久运作和可循环利用。

在插管工作完成之后需采用黏土封堵孔口，确保地下降水系统不与外界大气相连，始终保持真空负压状态，地面降水系统各部件均需安装严密，防止跑气。

真空泵机组的功率配备需满足系统真空度的要求，其调节范围需超出设计要求的-0.03～-0.06 MPa，降水过程中需通过各观测孔量测水位标高，并根据降水效果的对比分析及时调节局部管路真空度使整个降水区域的水位处于同步状态。

如降水过程中发现真空表显示真空度超出允许范围或趋近于0，需通过排除法逐一排查各管路降水管密闭质量，及时替换破损管材，防止因局部管路受损影响整个系统的真空度。

5.2 点夯过程的技术控制

点夯过程中由于降水区域需进行夯击的部位已拔除降水管，设计深度范围以下的地下水及周边的环绕水会因加固部位压力分布减小而向此处汇集，且夯击过程中形成的超静孔隙水压力如不尽快消除的话会影响土骨架的变形，导致土体结构恢复原状，因此提高强夯效率，缩短夯击周期是确保真空动力固结加固质量的重要前提。

合理安排施工计划，避免雨天夯击。曹妃甸地处海域边界，夏天雨量多，每逢雨天地下渗流加剧，土体含水量回升，孔隙比增大，影响强夯质量，同时地表土受潮松软导致夯沉量增大，间接引起最后两击沉落量之和达标的总击数增多，整体施工周期延长且加固效果差，可根据实际情况适当延长真空降水作业时长，保证点夯作业在无雨水天气情况下施工。

强夯施工之前应检查夯锤吊点是否居中，若有偏心现象应加焊钢板调平，以避免夯坑倾斜造成土体加固不密实。夯击作业要求锤重10～20 t，夯锤直径2～2.3 m，在同夯击能量的前提之下，尽量使用大重力、大直径的夯锤，因夯锤重力越大，需求提升高度越小，安全系数更高。锤径大的夯锤，点夯时锤印搭接面积大，有利于扩大点夯覆盖面。

为保证点夯期间土体加固全面均匀，在夯击施工之前人工拉线排点，根据设计夯点间距布设洒灰线或插入竹签以便操作手根据点位推进作业，点夯采用隔行跳打施工，夯击过程中需测量每击夯沉量及每遍地面平均夯沉量并做好记录，夯击次数及夯沉量符合要求后及时移动夯机连续打夯，保持规范连贯作业。

相邻两遍夯击之间的间隔应不少于4 d，要求超孔隙水压力消散85%～90%，水位满足要求。

5.3 推平碾压的利用

实践情况表明，完成每遍强夯施工后地表均会出现明显的夯坑及坑间松土，由于完成夯击作业后地表1 m 内的土无良好的上覆压力及侧向约束力，导致该部分土层密实度相对较差，需先用推土机将土方整平，由压路机稳压一两遍之后，再振动碾压两三遍以增强表层加固效果。

6 常见问题的处理

6.1 降水缓慢

测量各水位观测孔的水位标高是否已达到设计降水位置，如已达到，迅速停泵并拔管夯击；如未达到，在确保真空度显示合格的前提下，肉眼观察各井点孔口竖管与卧管间的半透明波纹管内水流速率，及时查看水流缓慢的竖管是否有破裂或堵塞现象；如真空度已低于标准，则需调节泵前三通接口及各竖管的接口位置，通过排除法确定跑气位置；降水期间也可视场地情况碾压表层，以提高降水速率。