新型螺桿樁在深厚松軟土地區(qū)高速鐵路施工中的應(yīng)用

于慶福

摘 要：螺桿樁作為一種新型地基加固形式已被廣泛應(yīng)用于高層建筑施工中，但在鐵路建設(shè)中的應(yīng)用較少。以鄭徐客專永城北站路基施工為工程背景，在高鐵建設(shè)中首次采用螺桿灌注樁施工技術(shù)，取得了顯著的效果，這一成功案例可為同類施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：螺桿灌注樁；高速鐵路；地基加固；深厚松軟土地區(qū)

中圖分類號(hào)：U213.1+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）05-0083-02

螺桿樁是一種“上部為圓柱型，下部為螺絲型”的新型組合式地基加固樁，它是在日本的高強(qiáng)度鋼纖維混凝土預(yù)制螺紋樁的基礎(chǔ)上創(chuàng)新而成的，適用于淤泥質(zhì)黏土、粉土、黏土、粉質(zhì)黏土、中細(xì)砂和料徑小于20 mm的砂礫石層等地質(zhì)條件，且不受地下水位的限制，是一種使用廣泛、安全、經(jīng)濟(jì)的樁基施工新技術(shù)。由于其具有技術(shù)先進(jìn)、集成化生產(chǎn)程度高、質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)境污染小、施工周期短和資源消耗少等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為了基礎(chǔ)工程的重要樁基材料。鄭徐客專永城北站地處深厚松軟土地區(qū)，在高速鐵路建設(shè)中，首次應(yīng)用了新型螺桿灌注樁技術(shù)。

1 工程概況

鄭州至徐州客運(yùn)專線位于河南省東部和安徽、江蘇省西北部地區(qū)，線路全長361.937 km。線路中永城北站路基施工為鐵道部批復(fù)的鄭徐高鐵路基試驗(yàn)段，段內(nèi)表層為Q4eol粉土，褐黃色，局部飽和，稍密，層厚1.5～5.5 m，局部為淤泥質(zhì)黏土，流塑，厚0～2.7 m；粉質(zhì)黏土，軟塑，厚0～5.3 m；其下為Q4al粉質(zhì)黏土，軟—硬塑；粉砂，稍密—中實(shí)；中、細(xì)砂，稍實(shí)；再下為Q3al粉質(zhì)黏土層，可塑—硬塑；下伏奧陶系泥質(zhì)灰?guī)r，深灰色，弱風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育。這些土層具有結(jié)構(gòu)松軟、壓縮性高、強(qiáng)度低、工程特性差、易產(chǎn)生過大和不均勻沉降等不良地質(zhì)特性。在DK281+059.99～757.51范圍內(nèi)采用螺桿樁技術(shù)進(jìn)行地基加固處理。

2 施工參數(shù)

該標(biāo)段螺桿樁設(shè)計(jì)樁徑為0.5 m，樁長10.5～26 m（上部圓柱形樁長為總樁長的1/3，余下2/3為螺桿狀），樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，樁頂設(shè)C45混凝土擴(kuò)大樁帽。

3 技術(shù)特點(diǎn)

螺桿樁采用變截面的構(gòu)造形狀，在成樁過程中，鉆具對(duì)樁土體有擠壓、加密作用，成樁后樁側(cè)土體呈螺母狀，與螺桿狀的樁體緊密咬合，對(duì)樁間土有明顯的擠密效果，降低了地基土的壓縮性，提高了樁基的側(cè)摩擦阻力。同時(shí)，由于螺桿灌注樁的下部形成了螺紋段，使樁的受力性能發(fā)生變化，提高了樁的側(cè)摩阻力，減小了地基的沉降。螺桿樁與普通直桿灌注樁相比，單樁的極限承載力明顯提高。高鐵施工對(duì)沉降變形有很高的要求，從這一角度而言，螺紋樁恰有很高的應(yīng)用價(jià)值。

與普通灌注樁相比，螺桿樁機(jī)自動(dòng)化程度高，實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)成孔和提鉆同時(shí)連續(xù)泵送混凝土一次性成樁，勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工進(jìn)度快，且與傳統(tǒng)的直桿混凝土灌注樁相比，螺紋段樁型的混凝土用量小，節(jié)約工期和成本，不存在塌孔、縮徑和樁端虛土等問題，取土量小、無泥漿，減少了大量的泥漿處理和運(yùn)輸工作，具有無振動(dòng)、低噪聲、無環(huán)境污染等綠色樁型特點(diǎn)，尤其在周邊臨近建筑物施工時(shí)，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。

螺桿樁對(duì)土體的適應(yīng)性強(qiáng)，可在砂卵石、卵石和承載力為600 kPa的強(qiáng)風(fēng)化巖層中施工，而且成孔、成樁不受地下水的限制。它不僅可以作為樁基礎(chǔ)的基樁，也可以進(jìn)行端承樁施工，通過最后成樁時(shí)的磨壓土體，獲得樁體較高的單樁承載力，達(dá)到很好的成樁效果，解決了預(yù)應(yīng)力管樁、長螺旋灌注樁在同等地層無法鉆進(jìn)的難題。與該類型樁搭配使用，可有效降低工程成本。

4 施工工藝要點(diǎn)

工藝流程詳見圖1.

圖1 螺桿樁施工工藝流程圖

4.1 施工準(zhǔn)備

4.1.1 清表、平整場(chǎng)地

在施工前，先用推土機(jī)清除地表的種植土、腐質(zhì)土，然后平整場(chǎng)地，并用壓路機(jī)碾壓密實(shí)。對(duì)局部平整后低于場(chǎng)地標(biāo)高的地段，要換填素土至場(chǎng)地標(biāo)高并用壓路機(jī)分層碾壓密實(shí)。作業(yè)場(chǎng)地要做好排水工作，確保施工場(chǎng)地不積水。

4.1.2 測(cè)量放樣

利用全站儀測(cè)放出螺桿樁施工的中、邊線，根據(jù)螺桿樁平面布置圖確定每根樁的施工樁位，插入竹簽并撒白灰標(biāo)識(shí)。

4.1.3 工藝性試驗(yàn)

在施工前，要先進(jìn)行螺桿樁的工藝性試驗(yàn)，每個(gè)工點(diǎn)試樁不少于3根。試驗(yàn)主要是要確定成樁的工藝參數(shù)，人員、機(jī)械配置。試樁完成后，開始編制試樁工藝性總結(jié)報(bào)告，用于指導(dǎo)大面積施工。

4.2 鉆機(jī)就位調(diào)平

螺桿樁鉆機(jī)就位后，應(yīng)用鉆機(jī)塔身兩個(gè)方向的垂直標(biāo)桿檢查塔身導(dǎo)桿，確保螺桿樁垂直度容許偏差不大于1%. 校正位置，使鉆桿垂直對(duì)準(zhǔn)樁位中心，樁位偏差不大于5 cm。

4.3 鉆進(jìn)成孔

通過自控系統(tǒng)對(duì)鉆孔速度指標(biāo)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，下鉆電流控制在80～110 A，下鉆速度控制在1.5～2 m/min。當(dāng)電流值大于控制范圍時(shí)，減慢下鉆速度；當(dāng)電流值小于控制范圍時(shí)，加快下鉆速度。

在下鉆過程中，樁機(jī)自控系統(tǒng)嚴(yán)格控制鉆桿下降速度和旋轉(zhuǎn)速度，使二者匹配，要求鉆桿旋轉(zhuǎn)2周以上，下降1個(gè)螺距，鉆至螺桿樁直線段設(shè)計(jì)深度，在土體中形成圓柱狀段。此后，鉆桿旋轉(zhuǎn)1周，下降1個(gè)螺距，鉆至螺桿樁螺紋段設(shè)計(jì)深度，在土體中形成螺紋樁段。施工時(shí)，還需考慮施工工作面的標(biāo)高差異，并作相應(yīng)的增減。

4.4 鉆至設(shè)計(jì)標(biāo)高后停鉆

通過自控系統(tǒng)對(duì)提升鉆桿速度指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制，樁徑500 mm的樁鉆桿提升速度控制在1.6～2 m/min。當(dāng)鉆頭到達(dá)設(shè)計(jì)樁長預(yù)定標(biāo)高時(shí)，在動(dòng)力頭底面停留位置相應(yīng)的鉆機(jī)塔身處做醒目標(biāo)記，以其作為施工時(shí)控制孔深的依據(jù)。當(dāng)動(dòng)力頭底面達(dá)到標(biāo)記處樁長，即滿足設(shè)計(jì)的要求。在施工時(shí)，還需考慮施工工作面的標(biāo)高差異，并作相應(yīng)的增減。

4.5 提鉆同時(shí)泵送混凝土endprint

鉆頭鉆至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高后，第一次灌注混凝土?xí)r，應(yīng)先停頓10～20 s加壓，然后再緩慢反向旋轉(zhuǎn)提升鉆桿，在提升過程中，自控系統(tǒng)要嚴(yán)格控制鉆桿提升速度和旋轉(zhuǎn)速度，保持兩速度同步和匹配。與此同時(shí)，將制備好的混凝土采用泵送方式迅速填滿由鉆桿旋轉(zhuǎn)提升所產(chǎn)生的螺紋狀空間，提到螺紋部分的頂端設(shè)計(jì)深度時(shí)，鉆桿直接提升產(chǎn)生柱狀的空間，并同時(shí)向鉆桿內(nèi)繼續(xù)泵壓灌注混凝土至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高，且保護(hù)層厚度為50 cm。

在泵送混凝土的過程中，根據(jù)鉆機(jī)的生產(chǎn)能力和混凝土運(yùn)輸距離配備相應(yīng)數(shù)量的混凝土罐車，盡量減少鉆機(jī)停機(jī)待料的次數(shù)，嚴(yán)禁出現(xiàn)鉆機(jī)在灌樁過程中斷料的情況，避免不必要的斷樁產(chǎn)生。

在鉆機(jī)提鉆至樁頂標(biāo)高1 m左右時(shí)，采用小型挖掘機(jī)將樁口的鉆渣挖除，再繼續(xù)進(jìn)行灌注，以便查看混凝土是否達(dá)到施工樁頂標(biāo)高。

4.6 移位施工下一根

當(dāng)上一根樁施工完畢后，鉆機(jī)移位，進(jìn)行下一根樁的施工。當(dāng)鉆機(jī)移位時(shí)，混凝土泵料斗內(nèi)的混凝土應(yīng)連續(xù)進(jìn)行攪拌，泵送混凝土?xí)r，料斗內(nèi)混凝土的高度不得低于400 mm，防止吸進(jìn)空氣造成堵管。施工時(shí)，由于螺桿樁的土較多，經(jīng)常將臨近的樁位覆蓋，有時(shí)還會(huì)因鉆機(jī)支撐時(shí)支撐腳壓在樁位旁使原標(biāo)定的樁位發(fā)生移動(dòng)。因此，在下一根樁施工時(shí)，還應(yīng)根據(jù)軸線或周圍樁的位置對(duì)需要施工的樁位進(jìn)行復(fù)核，以保證樁位的準(zhǔn)確。

4.7 成樁驗(yàn)收

螺桿樁達(dá)到一定強(qiáng)度后，用切割機(jī)切除多余的虛樁。對(duì)螺桿樁進(jìn)行低應(yīng)變檢驗(yàn)和單樁靜載實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)后方可驗(yàn)收。

4.8 樁帽施工

螺桿樁樁帽采用C45混凝土澆筑，形狀為圓臺(tái)狀，圓臺(tái)下斷面的直徑與樁直徑相同，都為0.5 m，上斷面的直徑為1.0 m，樁帽厚度為0.6 m。

螺桿樁樁基檢測(cè)合格后，開始回填土并壓實(shí)，在原樁身位置處找到樁的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)為圓心，1.0 m為半徑畫圓，并用白灰做好標(biāo)記，按照標(biāo)記的樁帽尺寸進(jìn)行人工開挖螺桿樁樁帽，開挖時(shí)要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行，混凝土澆筑采用土模?；炷恋綀?chǎng)后，要先對(duì)混凝土的坍落度和入模溫度進(jìn)行測(cè)量，符合要求后開始澆筑混凝土。在澆筑過程中，需采用混凝土振搗棒振搗。施工完畢后，將樁帽表面進(jìn)行抹面，抹面次數(shù)不少于3次，采用塑料薄膜將樁帽覆蓋、養(yǎng)生。

5 施工注意事項(xiàng)

樁的施工順序應(yīng)從中間向四周進(jìn)行。同時(shí)，根據(jù)樁的規(guī)格，宜先長后短進(jìn)行施工，采取跳躍式的施工，或采用控制凝固時(shí)間間隔施工，防止樁孔間竄漿或因擠壓造成斷樁。

螺桿鉆具的旋轉(zhuǎn)速度與給進(jìn)速度必須要有穩(wěn)定、一定比例的傳動(dòng)關(guān)系，才能形成等螺距的螺紋孔，并能在不破壞螺紋孔的條件下將鉆具旋出。不同直徑的螺桿樁其螺距也不同，因此，鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度和給進(jìn)速度應(yīng)該可以無級(jí)調(diào)速，才能實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速和不同螺距的任意匹配。同時(shí)，鉆機(jī)也必須具有足夠大的輸出扭矩和加、減壓能力，才能將鉆具旋轉(zhuǎn)擠壓進(jìn)土層，在不排土的情況下形成螺紋孔。在下鉆和提鉆的過程中，要嚴(yán)格控制鉆桿下降、提升和旋轉(zhuǎn)的速度，使二者保持同步，以確保在土體中形成較好的螺紋段。

在泵送混凝土前，要先用清水潤管，再灌注砂漿確保泵管的氣密性，然后灌注部分混凝土進(jìn)行試通。要盡量保證成樁的連續(xù)性，當(dāng)間隔時(shí)間過長時(shí)，要及時(shí)洗管。

清土和截樁時(shí)，不得造成樁頂標(biāo)高以下的樁身斷裂，擾動(dòng)樁間土。

在施工過程中，要及時(shí)清除成樁時(shí)排出的棄土，否則會(huì)影響施工進(jìn)度。

在螺桿樁施工中，每臺(tái)班都需制作1組試件，進(jìn)行28 d強(qiáng)度檢驗(yàn)。成樁28 d后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行單樁承載力或復(fù)合地基承載力試驗(yàn)，其承載力和變形模量應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

采用經(jīng)緯儀測(cè)量鉆桿，確保樁體傾斜偏差不超過1%.

當(dāng)土層中有砂層夾層時(shí)，施工采用下開門鉆頭。下開門鉆頭的灌注閥門是由下而上打開的，下鉆時(shí)，閥門被土體擋住，提鉆時(shí)，閥門便可自動(dòng)打開，可以阻止砂層土對(duì)提鉆空間的填充。

6 結(jié)束語

在鄭徐客專用城北站路基施工中，采用了新型的螺桿灌注樁施工工藝，機(jī)械扭矩潛能大、穿透力強(qiáng)且不受地下水位影響，對(duì)不同土質(zhì)都具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，在施工過程中不存在樁端虛土、取土量小、無泥漿的現(xiàn)象，排除了大量的泥漿處理和運(yùn)輸工作，不存在清底、泥漿護(hù)壁、塌孔、縮徑和棄土等問題，且樁身質(zhì)量可靠。新型螺桿樁的應(yīng)用具有很高的應(yīng)用價(jià)值，有很好的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕

Application of New High-speed Railway Construction Screw Piles Deep in the Soft Land Area

Yu Qingfu

Abstract： As a new type of screw pile foundation reinforcement in the form of high-rise buildings have been widely used in construction， but it is seldom used in railway construction. Xu Yong Zheng passenger dedicated to North Station roadbed construction engineering background， in the first high-speed railway construction using screw pile construction technology， has achieved remarkable result， the success stories can provide reference for similar construction.

Key words： screw pile； high-speed rail； foundation reinforcement； deep soft soil areaendprint