高速鐵路地基處理施工工藝及方法探討

何奎元 譚春騰 匡華云

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 衡陽 421001)

1 高速鐵路地基處理原則

客運(yùn)專線地基處理的方法與客運(yùn)專線的類型、行車速度及工后沉降標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。根據(jù)有關(guān)客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)暫行規(guī)定，現(xiàn)在客運(yùn)專線分有砟軌道和無砟軌道結(jié)構(gòu)，行車速度為200～250km/h和300～350km/h及以上，工后沉降標(biāo)準(zhǔn)有15cm、10cm、5cm及15mm等?？瓦\(yùn)專線地基處理的原則是：

（1）按照客運(yùn)專線的軌道類型、設(shè)計(jì)速度及工后沉降標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇。針對有砟軌道、速度為200～250km/h的客運(yùn)專線，地基處理可采用排水固結(jié)、擠密樁、攪拌樁等復(fù)合地基的方法；針對無砟軌道、速度為300～350km/h及以上的客運(yùn)專線，地基處理一般不采用排水固結(jié)的方法，而采用CFG樁和預(yù)制混凝土打入樁的方法。

（2）對于濕陷性黃土地段，采用消除地基濕陷性的方法，6m以內(nèi)可采用強(qiáng)夯、6～20m可采用水泥土擠密樁，大于20m可采用CFG樁或鉆孔樁樁板結(jié)構(gòu)等措施。

（3）對于膨脹土地段，采用消除地基遇水膨脹的封閉或加壓的方法，對于路塹段采取換填1.5～2.5m改良土封閉處理的措施，對于路堤段采取地基換填深度加改良土填筑高度大于2.5m加壓處理的措施。

（4）對于淺層松軟土采用挖除換填、強(qiáng)夯及沖擊壓實(shí)的方法，對于深厚軟土采用CFG樁和預(yù)制混凝土打入樁的方法。

（5）對于巖溶地段采用注漿、灌砂、回填片石等方法。

（6）對于砂土液化地段，采用消除地基液化的擠密砂樁或擠密碎石樁的方法。

2 高速鐵路地基處理方法

2.1 原地面處理

（1）做好排水工作和清表后的晾曬工作；（2）換填材料是否符合設(shè)計(jì)要求(每5000m3做一組土工試驗(yàn)，包括液塑限、擊實(shí)等)；（3）壓實(shí)度能否滿足設(shè)計(jì)要求；（4）路基寬度是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法適用于飽和軟粘土層的加固處理。排水固結(jié)的方法和原理是：首先在飽和軟粘土層表面填筑路拱、鋪設(shè)排水砂墊層、再在飽和軟粘土層中插設(shè)豎向排水通道，然后通過路堤填土和預(yù)壓荷載對飽和軟粘土層施加壓力，使軟粘土孔隙中的水?dāng)D排出來，軟土地基產(chǎn)生固結(jié)變形。隨著排水固結(jié)變形的發(fā)展，軟土中有效應(yīng)力逐漸提高，地基土的強(qiáng)度逐漸增長，地基承載力得到提高。排水固結(jié)法，通過施工期間使飽和軟粘土層產(chǎn)生快速固結(jié)沉降，可控制路堤的工后沉降和路堤的整體穩(wěn)定性。排水固結(jié)法的砂墊層應(yīng)采用透水性好的中粗砂，含泥量不大于3%，其滲透系數(shù)一般不低于10-3cm/s。排水砂墊層應(yīng)具有一定的厚度和坡度，為使其在地基沉降變形后不產(chǎn)生反坡，按設(shè)計(jì)要求填筑路拱。排水砂墊層當(dāng)起持力層作用時，可在砂墊層中加設(shè)土工合成材料。排水固結(jié)法的豎向排水通道一般采用塑料排水板或袋裝砂井。塑料排水板是廠家專門生產(chǎn)的厚度4.5～6.0mm，寬度100mm的高壓聚乙烯芯板外包無紡布濾膜的成卷板材。袋裝砂井是用具有一定抗拉強(qiáng)度的直徑7～12cm聚丙烯或聚乙烯編織長袋，裝滿含泥量不大于3%的中粗砂，形成袋裝砂井。塑料排水板或袋裝砂井采用專用的打設(shè)機(jī)械，按設(shè)計(jì)深度插入軟土，為保證排水通道暢通塑料排水板或袋裝砂井的出露部分或埋入砂墊層長度不少于30cm。

2.3 擠密砂（碎石）樁復(fù)合地基

擠密砂（碎石）樁適用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土及雜填土地基加固，主要靠樁的擠密和施工中的振動作用使樁周圍土的密度增大，從而使地基的承載能力提高，壓縮性降低。在松散砂土和粉土地基中起擠密、振密和抗液化作用。在粘性土地基中起置換和排水作用。擠密砂（碎石）樁的用料，最好用級配較好的中、粗砂，當(dāng)然也可用砂礫及碎石。對飽和粘性土因?yàn)橐獦?gòu)成復(fù)合地基，特別是當(dāng)原地基土較軟弱、側(cè)限不大時，為了有利于成樁，宜選用級配好、強(qiáng)度高的砂礫混合料或碎石。填料中最大顆粒尺寸的限制取決于樁管直徑和樁尖的構(gòu)造，以能順利出料為宜，規(guī)定最大不應(yīng)超過50mm。考慮有利于排水，同時保證具有較高的強(qiáng)度，規(guī)定砂石樁用料中小于0.005mm的顆粒含量（即含泥量）不能超過5%。擠密砂（碎石）樁施工采用振動沉管的方法將樁管打入設(shè)計(jì)深度，樁管內(nèi)填砂或碎石，振動提拔樁管，砂或碎石振出，向下擠壓樁管，再提拔樁管再向下擠壓，反復(fù)作用形成擠密砂（碎石）樁，擠密砂（碎石）樁根據(jù)施工設(shè)備和地基土條件，其樁管直徑一般為300～800mm，樁間距一般可控制在3～5倍樁徑之內(nèi)較合理。

2.4 半剛性樁復(fù)合地基

半剛性樁復(fù)合地基這里特指粉體噴射攪拌樁、漿體噴射攪拌樁、高壓旋噴樁。這三種地基處理方法是通過機(jī)械對加固土體噴射粉體或漿體加固材料（水泥或石灰），并強(qiáng)制攪拌，使土體與加固材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成加固樁體，提高土體的強(qiáng)度。采用粉體噴射攪拌樁、漿體噴射攪拌樁、高壓旋噴樁進(jìn)行地基處理時，主要考慮在對地基沉降、承載力和穩(wěn)定性有較高要求的結(jié)構(gòu)部位，如公路、鐵路的路橋過渡段、涵洞基礎(chǔ)、房建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)等的地基處理，以半剛性樁復(fù)合地基的形式承受荷載作用。半剛性樁復(fù)合地基的沉降計(jì)算應(yīng)考慮復(fù)合地基樁體的壓縮變形s1和樁底以下未加固土體的壓縮變形s2。s1的計(jì)算一般可采用復(fù)合模量法、應(yīng)力修正法、樁身壓縮量法等。S2的計(jì)算一般可采用應(yīng)力擴(kuò)散法、等效實(shí)體法、當(dāng)層法等。

2.5 土工格柵碎石墊層施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）材料控制(碎石、土工格柵等)；（2）土工合成材料和碎石之間設(shè)置5cm的中粗砂保護(hù)層；（3）對出庫的每卷土工格柵都由施工單位進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)并填寫出庫檢驗(yàn)單，隨材料一同進(jìn)場，（按《驗(yàn)標(biāo)》要求檢查）；（4）施工中需要經(jīng)常檢查的項(xiàng)目。

2.6 灰土擠密樁

灰土擠密樁施工方法和加固原理:灰土擠密樁包括石灰土擠密樁、水泥土擠密樁和柱錘沖擴(kuò)樁等，適合對松軟非飽和土的加固處理，如濕陷性黃土消除其濕陷性的加固處理。鄭西客運(yùn)專線對地基處理深度為22米以內(nèi)的濕陷性黃土采用了水泥土擠密樁或柱錘沖擴(kuò)樁的方法進(jìn)行消除其濕陷性的加固處理。施工前應(yīng)進(jìn)行成樁試驗(yàn)，確定成孔設(shè)備、灰土拌和設(shè)備、施工工藝參數(shù)。灰土擠密樁施工，首先①成孔，成孔方法可采用振動擠密、長螺旋或機(jī)械洛陽鏟掏土成孔，然后②人工向孔內(nèi)充填機(jī)械拌合好的水泥土料，③重錘分層夯實(shí)，重復(fù)②③工序直到擠密成樁。

2.7 CFG樁

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱(即Cement FIying-ash Gravel Pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結(jié)強(qiáng)度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復(fù)合地基。

CFG樁適用于粘性土、粉土、砂土和已自重固結(jié)的素填土等地基加固處理。對于淤泥質(zhì)土及流塑狀軟土應(yīng)慎用。CFG樁可用振動沉管機(jī)施工，也可用長螺旋鉆機(jī)。而選用哪一類成樁機(jī)和什么型號，要視工程的具體情況而定。振動沉管成孔對周圍原狀土有擠密作用，長螺旋鉆機(jī)成孔對周圍原狀土沒有擠密作用。對于成孔要求質(zhì)量高的地區(qū)，使用長螺旋鉆孔管內(nèi)泵壓成樁工藝。長螺旋鉆機(jī)施工，首先①定位，②鉆孔到設(shè)計(jì)標(biāo)高，③提鉆并泵送CFG料，④到地面成樁性的承載板直接與樁土接觸，實(shí)際測到的是單樁承載力。

2.8 混凝土打入樁

高速鐵路在通過深厚軟弱土層，當(dāng)?shù)鼗幚泶笥?0m，采用CFG樁不經(jīng)濟(jì)時，一般采用混凝土打入樁進(jìn)行地基處理。對于津京城際、滬寧城際、京滬高速鐵路，采用了大量的混凝土打入樁進(jìn)行地基處理。打入樁地基處理地段一般采用樁板或樁筏的承力結(jié)構(gòu)。打入樁一般采用預(yù)制鋼筋混凝土管樁或方樁，根據(jù)地質(zhì)條件、樁型和樁體承載力可采用錘擊法、振動法或靜壓法打入。

2.9 樁板、樁筏、樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)

高速鐵路由于采用了無砟軌道結(jié)構(gòu)，速度達(dá)到350km/h及以上，對路基平順性和工后沉降有較高的要求，所以對通過的軟弱土地段大量采用了CFG樁、混凝土打入樁或鉆孔樁進(jìn)行地基處理，并采用樁板、樁筏或樁網(wǎng)的承力結(jié)構(gòu)，以保證高速鐵路路基的安全可靠。

2.10 混凝土薄壁筒樁

混凝土薄壁筒樁是在軟基加固現(xiàn)場直接澆灌制成的混凝土樁。其樁外徑為0.8～2.0m，壁厚120～250mm，中心充滿地基土。其具有樁帽，與樁間土、墊層一起形成復(fù)合地基。

薄壁筒樁多用振動沉管機(jī)施工，其工藝為——雙層鋼護(hù)筒沉入地下——向夾層中灌入混凝土——啟動振動錘拔出雙層鋼護(hù)筒——形成一根薄壁筒樁。適應(yīng)于深厚淤泥質(zhì)粘性土加固。

成樁質(zhì)量檢測同混凝土樁。

3 高速鐵路地基處理存在的技術(shù)問題

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，各客運(yùn)專線遇到的地基處理問題各不相同。但由于工期緊任務(wù)重，對于設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)單位來說，沒有時間和精力進(jìn)行前期的試驗(yàn)研究工作，地基處理的設(shè)計(jì)一般是簡單化、保守化、經(jīng)驗(yàn)化。有些地區(qū)可能是地基處理過強(qiáng)，存在保守浪費(fèi)現(xiàn)象；有些地區(qū)由于對復(fù)雜地質(zhì)的認(rèn)識有限，看似地基處理較強(qiáng)，但還出現(xiàn)了失穩(wěn)破壞的現(xiàn)象。從大規(guī)模的客運(yùn)專線建設(shè)過程中出現(xiàn)的技術(shù)問題有：

（1）地基處理大量采用CFG樁，存在簡單化、經(jīng)驗(yàn)化、萬能化的現(xiàn)象，對其適用條件沒有進(jìn)行深入研究。現(xiàn)場出現(xiàn)掉樁頭、斷樁、串樁、充盈系數(shù)偏大、局部斷樁等情況，這與流塑狀軟土的不排水抗剪低、觸變靈敏度高有關(guān)。

（2）對深厚及流塑狀軟土的地基處理簡單化、經(jīng)驗(yàn)化，一般采用CFG樁和預(yù)制混凝土打入樁?，F(xiàn)場除出現(xiàn)上面的現(xiàn)象外，還出現(xiàn)使加固區(qū)以外建筑物外擠、隆起的現(xiàn)象，影響建筑物的使用安全。

（3）對個別客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)采用了合理的地基處理方法，施工質(zhì)量經(jīng)檢驗(yàn)合格，路基填筑后出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的情況，應(yīng)從技術(shù)及認(rèn)識角度認(rèn)真分析原因、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，這樣才對今后有借鑒作用，不要只說是施工單位質(zhì)量問題或推脫為自然災(zāi)害等。

（4）地基處理只考慮了路基荷載的影響，還應(yīng)考慮運(yùn)營過程中，路基附近一定影響距離內(nèi)水塘、基坑等開挖（偏載）對路基安穩(wěn)定的影響。

（5）路橋分界處的橋頭錐體部位地基處理有局部漏的，使錐體部位出現(xiàn)下沉開裂。

（6）地基處理深層檢測技術(shù)有局限性，實(shí)際施工質(zhì)量的過程控制尤為關(guān)鍵。但施工隊(duì)伍的技術(shù)水平是有差別的，所以設(shè)計(jì)上可能會加大安全系數(shù)，對于間距減小、樁徑和樁長的加大，勢必又會給施工增加技術(shù)難度。

（7）各客運(yùn)專線出現(xiàn)的地基處理問題有重復(fù)性，設(shè)計(jì)、施工和建設(shè)單位應(yīng)及時交流并引起足夠的重視。

（8）各客運(yùn)專線進(jìn)行的地基處理科研試驗(yàn)段，個別存在簡單化、重復(fù)性、全線指導(dǎo)性滯后等問題。

4 高速鐵路地基處理的建議

針對客運(yùn)專線地基處理存在的技術(shù)問題應(yīng)加大前期研究工作，建議對流塑狀軟土抗剪強(qiáng)度及觸變特性、地基處理不同形式的組合、工藝及模式進(jìn)行研究。

（1）研究流塑狀軟土的抗剪強(qiáng)度及觸變特性對CFG樁、混凝土打入樁的影響機(jī)理。

（2）研究排水固結(jié)+CFG樁的地基處理組合形式，用排水固結(jié)預(yù)加固流塑狀軟土，以解決CFG樁掉樁頭、斷樁、串樁、充盈系數(shù)偏大、局部斷樁等技術(shù)問題。

（3）研究強(qiáng)夯+CFG樁的地基處理組合形式，用強(qiáng)夯解決表層濕陷性黃土的濕陷性和變形，用CFG樁解決路基的持力和變形問題。

（4）研究擠密土短樁+CFG長樁的地基處理組合形式，用擠密土短樁解決表層濕陷性黃土的濕陷性和變形，用CFG長樁解決路基的持力和變形問題。

（5）研究CFG樁加鋼筋的工藝形式，提高CFG樁的強(qiáng)度，可加大樁間距，減小地基處理工作量。

［1］王進(jìn).鐵路工程施工[M].北京:中國鐵道出版社，2002.

［2］盧祖文.鐵路軌道結(jié)構(gòu)及修理[M].北京:中國鐵道出版社，2002.

［3］王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都:西南交大出版社，2000.

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