小俯角旋喷桩处理加固既有路基技术研究★

2021-04-10宋新龙魏鲡鋆

山西建筑 2021年8期

杨松宋新龙魏鲡鋆周波孙星

(1.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司奎屯工务段，新疆奎屯 833200； 2.中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000)

近年来，在我国高速铁路建设热潮的推动下，一大批既有线路也经历着换挡提速，然而在此过程中出现了大量工程问题，尤以既有线路的沉降变形等路基病害问题为主。如何合理有效的对既有路基(病害)进行加固处理成为影响其继续正常服役的关键性技术难题。不同学者[1-5]对既有路基的加固处理技术进行了研究，例如陈骁文[2]介绍了武广客运专线中采用高压旋喷注浆进行地基加固的情况,确定了双重管法施工技术参数和工艺等。吴红刚等[5]依据宝中段地基补强项目，开展了不同角度的斜向旋喷桩复合地基模型试验，建议当旋喷桩角度较小时，应以抗拉强度来控制桩体的强度。现有加固处理技术主要以竖向或大俯角为主，难以满足不断出现的新的工程问题处理需要，以小俯角进行既有路基加固处理应该成为亟需掌握的一项关键技术。

在对兰新铁路等既有路基病害的调查、诊断及加固处理技术创新方面，本文通过开展小俯角旋喷桩处理加固既有路基病害现场试验研究，寻求掌握小俯角旋喷施工的关键技术参数，以期为既有路基病害的加固处理技术研究和工程应用提供参考。

1 既有路基病害及处理加固方法

1.1 乌奎城际铁路

2009年乌奎城际铁路增建二线工程竣工并投入运营，铁路修建后破坏了原有兰新铁路西站单线排水系统。同时，沿线水文地质条件及生态环境发生了变化，加之路基填料多为细粒土，导致该段线路局部路堤路段、涵洞顶及桥涵过渡段等出现较为严重的病害，严重影响线路达标提速及行车安全。根据规范[6]对典型冻害路段各类土体进行天然含水率测试，结果表明，粉质黏土含水率为6.9%～31.42%，大部分高于塑限，部分地段含水量达到液限含水率。对病害地段采用了现场挖探坑、高密度电法等手段，结合2016年埋设的监控设备采集的资料，对病害状况及原因进行分析研究：

1)路基冻害。

呼图壁—乐土驿区段的冻害共有35段、13 271延米、最大冻害峰值20 mm，其中呼图壁—大丰区段17段、4 601延米、最大冻害峰值15 mm；大丰—乐土驿区段18段、8 670延米、最大冻害峰值20 mm。

2)软弱路基下沉。

一是路基填料不良引起路基下沉。以兰新线乌奎段下行线K2026+900～K2028+500为主，共计1 600 m。原下行线路基填料采用就地取土填筑而成，其填料以黏砂土为主，级配不良，易形成饱和水，在列车动载作用下发生下沉、变形，特别是雨季后路基发生下沉和变形，导致线路几何尺寸超限。

二是桥涵结合部施工不当引起路基下沉。施工建设期间，部分桥路结合部、涵路结合部未按照阶梯式填筑，而是直接填筑成型，造成路基与建筑物间未形成搭茬、咬合。受列车动载作用的影响，在结合部易形成软硬不均下沉。调查区段内共有42座桥涵结合部有这种病害。

1.2 精伊霍线铁路

精伊霍线于2009年12月竣工并运行，是新疆第一条电气化铁路。然而，精伊霍线在后期运行中因地质、水文、列车振动荷载等影响路基沉降变形问题突出，严重影响着铁路的正常运行[7]。

从以上两条线路铁路路基病害调查分析可以看出，路基病害变形问题的主要原因在于既有线路路基设计及施工不合格、后期水文变化以及列车动荷载作用，特别是在原有设计时速由120 km/h提至140 km/h，160 km/h的情况下，列车动荷载急剧增加，对路基的承载性能提出了更高要求。然而，既有线路在施工时未进行有效的加固处理，使其难以承受复杂的工作要求，出现病害。

1.3 既有路基病害处理加固方法

高压旋喷技术已在地基处理方面得到了充分的发展和应用，但是其基本限定在竖向施工作业，针对于小俯角或近水平施工技术而言目前还不够成熟可靠。对于既有铁路路基的沉降变形，本文拟计划采用高压旋喷技术进行治理，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以及因动荷载增加而造成沉降变形等问题。因而，亟需通过试验研究掌握小俯角旋喷桩施工技术要点，从而更好的推广应用。

2 现场试验方法

本次试验为达到研究和掌握小俯角旋喷桩处理路基病害关键技术，设计控制注浆压力、钻孔俯角及注浆提升速度三个关键技术指标，开展了12根小俯角高压旋喷桩作以对比研究，其具体成桩技术参数如表1所示。试验桩通过二重管法施工成型，钻孔深250 cm，送风压力为0.7 MPa，试验注浆水泥水灰比为1∶0.7[7]。

表1 2号～24号小俯角高压旋喷桩成桩控制技术参数

3 试验结果及分析

3.1 不同注浆压力下试验结果及分析

小俯角旋喷桩评价指标随注浆压力变化关系曲线如图1所示。

从图1可以看出：

1)从成桩形态而言，随着小俯角旋喷桩注浆压力的增大，桩径不断增大，且水平桩径和垂直桩径基本同步增大，说明注浆压力对小俯角旋喷桩的成桩桩径具有影响，应在实际既有路线路基加固处理中予以重视；

2)随着注浆压力的增大，各试验桩的缺陷指标(空腔正矢和裂纹条数)降低和减少，特别是以注浆压力18 MPa为界，降低和减少的幅度较大；

3)从注浆量变化可以看出，在注浆压力从15 MPa提升至18 MPa，注浆量增加了0.17 m3，而当注浆压力继续以3 MPa增幅提高，注浆量增加量很少，最大增幅0.03 m3。

3.2 不同俯角下试验结果及分析

小俯角旋喷桩评价指标随注浆俯角变化关系曲线如图2所示。

从图2可以看出：1)受6号旋喷桩结果的影响，各项成桩结果变化规律不是很明显。其注浆量相较其他两个桩有所大幅增加，由表2所定义的比值来看，6号旋喷桩的注浆量分别为14号及20号旋喷桩的1.48倍和1.51倍，因而在6号桩桩长减小的情况下，其桩径比其余两个桩有所增加，如若考虑注浆量造成的这种影响，则可以明确俯角对旋喷桩成桩参数的影响甚微；2)从俯角0°和10°旋喷桩桩长和桩径来看，其结果极为接近，表明在本次试验所控制的俯角范围内旋喷桩成桩形态相对较为稳定，说明采用小俯角成桩在技术上合理可行，具备推广应用条件。

表2 不同俯角旋喷桩成桩参数指标对比量化表

3.3 不同提升速度下试验结果及分析

小俯角旋喷桩评价指标随注浆提升速度变化关系曲线见图3。

从图3可以看出，小俯角旋喷桩注浆时提升速度对成桩结果的影响比较明显。首先注浆量随提升速度的不断提高而减少，与此同时，成桩尺寸也将发生同步变化。其中，水平桩径的减小步幅同注浆量随提升速度的变化节奏，表明提升速度的加快造成小俯角喷浆量的不足，从而导致旋喷扩散半径缩小，造成成桩尺寸的减小，且对水平桩径的影响远大于垂直桩径。