小俯角旋噴樁處理加固既有路基技術(shù)研究★

楊 松 宋新龍 魏鱺鋆 周 波 孫 星

(1.中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司奎屯工務(wù)段，新疆 奎屯 833200； 2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

近年來，在我國高速鐵路建設(shè)熱潮的推動(dòng)下，一大批既有線路也經(jīng)歷著換擋提速，然而在此過程中出現(xiàn)了大量工程問題，尤以既有線路的沉降變形等路基病害問題為主。如何合理有效的對既有路基(病害)進(jìn)行加固處理成為影響其繼續(xù)正常服役的關(guān)鍵性技術(shù)難題。不同學(xué)者[1-5]對既有路基的加固處理技術(shù)進(jìn)行了研究，例如陳驍文[2]介紹了武廣客運(yùn)專線中采用高壓旋噴注漿進(jìn)行地基加固的情況,確定了雙重管法施工技術(shù)參數(shù)和工藝等。吳紅剛等[5]依據(jù)寶中段地基補(bǔ)強(qiáng)項(xiàng)目，開展了不同角度的斜向旋噴樁復(fù)合地基模型試驗(yàn)，建議當(dāng)旋噴樁角度較小時(shí)，應(yīng)以抗拉強(qiáng)度來控制樁體的強(qiáng)度?，F(xiàn)有加固處理技術(shù)主要以豎向或大俯角為主，難以滿足不斷出現(xiàn)的新的工程問題處理需要，以小俯角進(jìn)行既有路基加固處理應(yīng)該成為亟需掌握的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

在對蘭新鐵路等既有路基病害的調(diào)查、診斷及加固處理技術(shù)創(chuàng)新方面，本文通過開展小俯角旋噴樁處理加固既有路基病害現(xiàn)場試驗(yàn)研究，尋求掌握小俯角旋噴施工的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以期為既有路基病害的加固處理技術(shù)研究和工程應(yīng)用提供參考。

1 既有路基病害及處理加固方法

1.1 烏奎城際鐵路

2009年烏奎城際鐵路增建二線工程竣工并投入運(yùn)營，鐵路修建后破壞了原有蘭新鐵路西站單線排水系統(tǒng)。同時(shí)，沿線水文地質(zhì)條件及生態(tài)環(huán)境發(fā)生了變化，加之路基填料多為細(xì)粒土，導(dǎo)致該段線路局部路堤路段、涵洞頂及橋涵過渡段等出現(xiàn)較為嚴(yán)重的病害，嚴(yán)重影響線路達(dá)標(biāo)提速及行車安全。根據(jù)規(guī)范[6]對典型凍害路段各類土體進(jìn)行天然含水率測試，結(jié)果表明，粉質(zhì)黏土含水率為6.9%～31.42%，大部分高于塑限，部分地段含水量達(dá)到液限含水率。對病害地段采用了現(xiàn)場挖探坑、高密度電法等手段，結(jié)合2016年埋設(shè)的監(jiān)控設(shè)備采集的資料，對病害狀況及原因進(jìn)行分析研究：

1)路基凍害。

呼圖壁—樂土驛區(qū)段的凍害共有35段、13 271延米、最大凍害峰值20 mm，其中呼圖壁—大豐區(qū)段17段、4 601延米、最大凍害峰值15 mm；大豐—樂土驛區(qū)段18段、8 670延米、最大凍害峰值20 mm。

2)軟弱路基下沉。

一是路基填料不良引起路基下沉。以蘭新線烏奎段下行線K2026+900～K2028+500為主，共計(jì)1 600 m。原下行線路基填料采用就地取土填筑而成，其填料以黏砂土為主，級配不良，易形成飽和水，在列車動(dòng)載作用下發(fā)生下沉、變形，特別是雨季后路基發(fā)生下沉和變形，導(dǎo)致線路幾何尺寸超限。

二是橋涵結(jié)合部施工不當(dāng)引起路基下沉。施工建設(shè)期間，部分橋路結(jié)合部、涵路結(jié)合部未按照階梯式填筑，而是直接填筑成型，造成路基與建筑物間未形成搭茬、咬合。受列車動(dòng)載作用的影響，在結(jié)合部易形成軟硬不均下沉。調(diào)查區(qū)段內(nèi)共有42座橋涵結(jié)合部有這種病害。

1.2 精伊霍線鐵路

精伊霍線于2009年12月竣工并運(yùn)行，是新疆第一條電氣化鐵路。然而，精伊霍線在后期運(yùn)行中因地質(zhì)、水文、列車振動(dòng)荷載等影響路基沉降變形問題突出，嚴(yán)重影響著鐵路的正常運(yùn)行[7]。

從以上兩條線路鐵路路基病害調(diào)查分析可以看出，路基病害變形問題的主要原因在于既有線路路基設(shè)計(jì)及施工不合格、后期水文變化以及列車動(dòng)荷載作用，特別是在原有設(shè)計(jì)時(shí)速由120 km/h提至140 km/h，160 km/h的情況下，列車動(dòng)荷載急劇增加，對路基的承載性能提出了更高要求。然而，既有線路在施工時(shí)未進(jìn)行有效的加固處理，使其難以承受復(fù)雜的工作要求，出現(xiàn)病害。

1.3 既有路基病害處理加固方法

高壓旋噴技術(shù)已在地基處理方面得到了充分的發(fā)展和應(yīng)用，但是其基本限定在豎向施工作業(yè)，針對于小俯角或近水平施工技術(shù)而言目前還不夠成熟可靠。對于既有鐵路路基的沉降變形，本文擬計(jì)劃采用高壓旋噴技術(shù)進(jìn)行治理，運(yùn)用高壓旋噴技術(shù)強(qiáng)化路基內(nèi)軟弱或松散土體，并盡量防止雨水進(jìn)入路基土體，以解決因雨水的不斷滲入軟化路基土體以及因動(dòng)荷載增加而造成沉降變形等問題。因而，亟需通過試驗(yàn)研究掌握小俯角旋噴樁施工技術(shù)要點(diǎn)，從而更好的推廣應(yīng)用。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)為達(dá)到研究和掌握小俯角旋噴樁處理路基病害關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)控制注漿壓力、鉆孔俯角及注漿提升速度三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，開展了12根小俯角高壓旋噴樁作以對比研究，其具體成樁技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)樁通過二重管法施工成型，鉆孔深250 cm，送風(fēng)壓力為0.7 MPa，試驗(yàn)注漿水泥水灰比為1∶0.7[7]。

表1 2號～24號小俯角高壓旋噴樁成樁控制技術(shù)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同注漿壓力下試驗(yàn)結(jié)果及分析

小俯角旋噴樁評價(jià)指標(biāo)隨注漿壓力變化關(guān)系曲線如圖1所示。

從圖1可以看出：

1)從成樁形態(tài)而言，隨著小俯角旋噴樁注漿壓力的增大，樁徑不斷增大，且水平樁徑和垂直樁徑基本同步增大，說明注漿壓力對小俯角旋噴樁的成樁樁徑具有影響，應(yīng)在實(shí)際既有路線路基加固處理中予以重視；

2)隨著注漿壓力的增大，各試驗(yàn)樁的缺陷指標(biāo)(空腔正矢和裂紋條數(shù))降低和減少，特別是以注漿壓力18 MPa為界，降低和減少的幅度較大；

3)從注漿量變化可以看出，在注漿壓力從15 MPa提升至18 MPa，注漿量增加了0.17 m3，而當(dāng)注漿壓力繼續(xù)以3 MPa增幅提高，注漿量增加量很少，最大增幅0.03 m3。

3.2 不同俯角下試驗(yàn)結(jié)果及分析

小俯角旋噴樁評價(jià)指標(biāo)隨注漿俯角變化關(guān)系曲線如圖2所示。

從圖2可以看出：1)受6號旋噴樁結(jié)果的影響，各項(xiàng)成樁結(jié)果變化規(guī)律不是很明顯。其注漿量相較其他兩個(gè)樁有所大幅增加，由表2所定義的比值來看，6號旋噴樁的注漿量分別為14號及20號旋噴樁的1.48倍和1.51倍，因而在6號樁樁長減小的情況下，其樁徑比其余兩個(gè)樁有所增加，如若考慮注漿量造成的這種影響，則可以明確俯角對旋噴樁成樁參數(shù)的影響甚微；2)從俯角0°和10°旋噴樁樁長和樁徑來看，其結(jié)果極為接近，表明在本次試驗(yàn)所控制的俯角范圍內(nèi)旋噴樁成樁形態(tài)相對較為穩(wěn)定，說明采用小俯角成樁在技術(shù)上合理可行，具備推廣應(yīng)用條件。

表2 不同俯角旋噴樁成樁參數(shù)指標(biāo)對比量化表

3.3 不同提升速度下試驗(yàn)結(jié)果及分析

小俯角旋噴樁評價(jià)指標(biāo)隨注漿提升速度變化關(guān)系曲線見圖3。

從圖3可以看出，小俯角旋噴樁注漿時(shí)提升速度對成樁結(jié)果的影響比較明顯。首先注漿量隨提升速度的不斷提高而減少，與此同時(shí)，成樁尺寸也將發(fā)生同步變化。其中，水平樁徑的減小步幅同注漿量隨提升速度的變化節(jié)奏，表明提升速度的加快造成小俯角噴漿量的不足，從而導(dǎo)致旋噴擴(kuò)散半徑縮小，造成成樁尺寸的減小，且對水平樁徑的影響遠(yuǎn)大于垂直樁徑。

4 結(jié)論和建議

1)注漿壓力對小俯角旋噴樁的成樁樁徑及缺陷指標(biāo)具有重要影響，應(yīng)予以重視，建議小俯角旋噴樁注漿壓力控制在20 MPa左右；

2)本次試驗(yàn)所控制的俯角下旋噴樁成樁形態(tài)相對較為穩(wěn)定，說明采用小俯角成樁在技術(shù)上合理可行，具備推廣應(yīng)用條件；

3)小俯角旋噴樁注漿時(shí)，成樁尺寸同注漿量隨提升速度的變化而同步變化，小俯角噴漿量的不足導(dǎo)致旋噴擴(kuò)散半徑的縮小。從小俯角旋噴樁成樁質(zhì)量控制方面而言，建議注漿提升速度應(yīng)控制在25 cm/min以下。