真空動力固結法在鐵路軟基處理中的應用

黃祥嶺

（中鐵十四局集團第二工程有限公司，山東 泰安 271000）

1 前言

近年來隨著中國沿海地區(qū)經濟建設步伐加快，吹填土已被廣泛應用于沿海區(qū)域拓展，如何針對吹填土的地質特性合理運用真空動力固結處理技術進行地基加固已成為該領域的重要課題。與其他施工工藝相比，真空動力固結具有施工成本低、工藝簡練、便于監(jiān)控、安全環(huán)保的優(yōu)點。

本文結合在曹妃甸西站真空動力固結施工現(xiàn)場的實踐經驗，著重探討該工法在吹填土地基處理中的應用，對其進行分析總結，以期達到真空動力固結的合理化運用及吹填土加固的質量要求。

2 加固原理

真空動力固結法是將高真空強降水固結與動力固結（強夯結合碾壓）有機結合，由真空排水系統(tǒng)和動力加壓系統(tǒng)的耦合作用實現(xiàn)快速消散孔隙水壓力和增加土顆粒間的有效應力，從而達到快速固結土體的目的。

在真空降水前，需在預處理區(qū)域范圍內安裝真空排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由真空降水泵機組及真空降水管組成，依靠真空泵的抽氣運作使系統(tǒng)內始終保持真空負壓狀態(tài)，土體內的水在表面壓力差及土體自重的作用下由高壓向低壓流動，通過降水管表面的濾網及細孔進入排水系統(tǒng)而強制排除。該過程的持續(xù)進行可以使地下水位降低至設計降水面標高，使土體含水量接近最優(yōu)狀態(tài)，同時具備一定的預壓作用。

在動力固結過程中，在已降水區(qū)域由打夯機吊起夯錘對土體施以沖擊擊密，該過程中夯錘的重力勢能轉化為夯擊能（動能），使地基土在含水量處于最優(yōu)狀態(tài)的前提下增加孔隙水壓力，土體的密實度和承載力得到提高，強夯過程中形成的超靜孔隙水壓力會在下一輪降水過程中順利消除，并伴隨著土體體積的壓縮以及土顆粒間有效應力的增加，兩種系統(tǒng)交替進行，形成“三降三夯”的施工工法，順利完成后可以提高地基表層土體強度，防止砂土液化，減少地基差異沉降，并使地表形成一層較為均勻的硬殼。

3 工程概況

曹妃甸鐵路擴能改造工程CKNS-2 標段西站區(qū)域位于新近吹填土地區(qū)，吹填土大部分為深海粉細砂，個別地段存在淤泥包，吹填土厚度一般為4～6 m，個別地段為8～10 m，其中露出水面部分的表層2 m 較堅硬，其下及水下呈流塑狀。該地區(qū)部分地段的飽和松散粉砂、細砂及粉土為地震液化層，液化厚度不大，多呈透鏡體狀分布。

曹妃甸西站根據軟基處理形式的不同劃分為多個區(qū)域，其中折返段區(qū)域24、環(huán)線區(qū)域14～區(qū)域17 均采用真空動力固結進行地基加固處理，處理面積總計43.43 萬m2。加固完成后要求有效地基加固深度達到6～8 m，復合地基承載力特征值不小于150 kPa，地基工后沉降不超過20 cm，沉降速率不大于5 cm/年，并滿足7 度地震區(qū)（0.15 g）的抗震液化要求。

4 施工工藝流程

處理地基之前沿線路方向按200～300 m 的間距劃分加固區(qū)，結合地質資料對加固區(qū)吹填土厚度進行深度驗證以確定加固深度范圍，然后根據設計預估沉落量對加固區(qū)地基進行土方整平，每塊區(qū)域設置8 處水位觀測孔，真空動力固結采用由真空降水（如圖1 所示）和點夯（如圖2 所示）結合而成的“三降三夯”的施工工藝，主要工藝流程如下。

圖1 真空降水布置示意圖

圖2 點夯布置示意圖

4.1 布置封管

在加固區(qū)域外圍設置封管，封管離施工區(qū)域邊線2～4 m，管長均為6 m，點距1.75 m。

4.2 安裝降水系統(tǒng)

在吹填土中將插管機插入降水管，單排真空降水管排距3.5 m，真空管長3 m，點距1.75 m；雙排真空降水管排距3.5 m，真空管為3 m 短管和6 m 長管，點距1.75 m。單、雙排降水管交錯布置，所有3 m 管連接為一個降水系統(tǒng)，所有6 m 管連接為一個降水系統(tǒng)，兩個真空系統(tǒng)間無連接。井點孔口用黏土或淤泥質土封塞，以保證滿足真空度要求，降水系統(tǒng)安裝完成后進行抽水抽氣試驗并全面檢查管路接頭質量、抽水機械運轉情況和井點出水情況。

4.3 第一次真空降水

真空度為-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 的降水管進行第一遍點夯。

4.4 第一遍點夯

擊數(shù)合計不小于10 擊，夯擊能量為3 000 kN·m，點夯采用隔行跳打施工，最后兩擊夯沉量之和小于20 cm。

4.5 第二次真空降水

真空度為-0.03～-0.06 MPa，降水水位低于施工面以下不小于4 m 后，撤掉雙排管中剩余的6 m 管進行第二遍點夯。

4.6 第二遍點夯

擊數(shù)合計不小于10 擊，夯擊能量為3 000 kN·m，點夯采用隔行跳打施工，最后兩擊夯沉量之和小于15 cm。

4.7 第三次真空降水

在原有的點位上復插6 m 長管形成降水系統(tǒng)，進行第三次真空降水，真空度為-0.03～-0.06 MPa，降水水位低于施工面以下不小于4 m 后，再次撤掉復插的6 m 管進行第三遍點夯。

4.8 第三遍點夯

擊數(shù)合計不小于10 擊，夯擊能量為3 000 kN·m，點夯采用隔行跳打施工，最后兩擊夯沉量之和小于10 m。

4.9 滿夯

間隔一周以上，分別用800 kN·m和600 kN·m滿夯兩遍，錘印搭接1/4 錘底面積，夯擊能由大到小，每遍每點夯擊2 擊。

5 質量監(jiān)控要點

5.1 降水系統(tǒng)真空度的保證

真空降水作業(yè)的持續(xù)運行嚴格依賴于管路的真空負壓狀態(tài)，在降水過程中需制定各項措施確保系統(tǒng)真空度始終滿足設計要求，以保證“三降三夯”工序的正常銜接。

選擇硬PVC 管作為降水系統(tǒng)的管路材料，因其強度可承受點夯過程中土的側壓力不致破損，且其同時具備耐腐蝕、水密性好、流體阻力小的優(yōu)點。PVC 管表面均勻鉆制直徑2 mm 的細孔，土下部分的管體表面包裹一層透水紗布以防止管內混入稀泥引起堵塞，既能滿足系統(tǒng)真空度的要求，又可保證所有降水管持久運作和可循環(huán)利用。

在插管工作完成之后需采用黏土封堵孔口，確保地下降水系統(tǒng)不與外界大氣相連，始終保持真空負壓狀態(tài)，地面降水系統(tǒng)各部件均需安裝嚴密，防止跑氣。

真空泵機組的功率配備需滿足系統(tǒng)真空度的要求，其調節(jié)范圍需超出設計要求的-0.03～-0.06 MPa，降水過程中需通過各觀測孔量測水位標高，并根據降水效果的對比分析及時調節(jié)局部管路真空度使整個降水區(qū)域的水位處于同步狀態(tài)。

如降水過程中發(fā)現(xiàn)真空表顯示真空度超出允許范圍或趨近于0，需通過排除法逐一排查各管路降水管密閉質量，及時替換破損管材，防止因局部管路受損影響整個系統(tǒng)的真空度。

5.2 點夯過程的技術控制

點夯過程中由于降水區(qū)域需進行夯擊的部位已拔除降水管，設計深度范圍以下的地下水及周邊的環(huán)繞水會因加固部位壓力分布減小而向此處匯集，且夯擊過程中形成的超靜孔隙水壓力如不盡快消除的話會影響土骨架的變形，導致土體結構恢復原狀，因此提高強夯效率，縮短夯擊周期是確保真空動力固結加固質量的重要前提。

合理安排施工計劃，避免雨天夯擊。曹妃甸地處海域邊界，夏天雨量多，每逢雨天地下滲流加劇，土體含水量回升，孔隙比增大，影響強夯質量，同時地表土受潮松軟導致夯沉量增大，間接引起最后兩擊沉落量之和達標的總擊數(shù)增多，整體施工周期延長且加固效果差，可根據實際情況適當延長真空降水作業(yè)時長，保證點夯作業(yè)在無雨水天氣情況下施工。

強夯施工之前應檢查夯錘吊點是否居中，若有偏心現(xiàn)象應加焊鋼板調平，以避免夯坑傾斜造成土體加固不密實。夯擊作業(yè)要求錘重10～20 t，夯錘直徑2～2.3 m，在同夯擊能量的前提之下，盡量使用大重力、大直徑的夯錘，因夯錘重力越大，需求提升高度越小，安全系數(shù)更高。錘徑大的夯錘，點夯時錘印搭接面積大，有利于擴大點夯覆蓋面。

為保證點夯期間土體加固全面均勻，在夯擊施工之前人工拉線排點，根據設計夯點間距布設灑灰線或插入竹簽以便操作手根據點位推進作業(yè)，點夯采用隔行跳打施工，夯擊過程中需測量每擊夯沉量及每遍地面平均夯沉量并做好記錄，夯擊次數(shù)及夯沉量符合要求后及時移動夯機連續(xù)打夯，保持規(guī)范連貫作業(yè)。

相鄰兩遍夯擊之間的間隔應不少于4 d，要求超孔隙水壓力消散85%～90%，水位滿足要求。

5.3 推平碾壓的利用

實踐情況表明，完成每遍強夯施工后地表均會出現(xiàn)明顯的夯坑及坑間松土，由于完成夯擊作業(yè)后地表1 m 內的土無良好的上覆壓力及側向約束力，導致該部分土層密實度相對較差，需先用推土機將土方整平，由壓路機穩(wěn)壓一兩遍之后，再振動碾壓兩三遍以增強表層加固效果。

6 常見問題的處理

6.1 降水緩慢

測量各水位觀測孔的水位標高是否已達到設計降水位置，如已達到，迅速停泵并拔管夯擊；如未達到，在確保真空度顯示合格的前提下，肉眼觀察各井點孔口豎管與臥管間的半透明波紋管內水流速率，及時查看水流緩慢的豎管是否有破裂或堵塞現(xiàn)象；如真空度已低于標準，則需調節(jié)泵前三通接口及各豎管的接口位置，通過排除法確定跑氣位置；降水期間也可視場地情況碾壓表層，以提高降水速率。

6.2 土體隆起

強夯過程中發(fā)現(xiàn)某夯坑周圍土體隆起較大時，應停止對該點的夯擊并換點進行，待孔隙水壓力消散后再繼續(xù)施工。

6.3 機械沉陷

強夯施工中夯機在施工區(qū)域內出現(xiàn)沉陷或傾斜，應立即停止夯擊，如范圍較小可局部采用穩(wěn)定性良好的級配碎石進行換填，如范圍較大則采用挖掘機對表層1～2 m 的土體進行開挖翻曬，整體晾干后推平碾壓，然后重復上一步降水步驟重新降水。

7 地基加固檢測要求

真空動力固結施工完成后間隔14 d 以上進行效果檢測，檢測標準如下。

7.1 標準貫入試驗

采用標貫試驗檢測地基，測點密度為每4 000 m2一個測點，檢測深度為8 m，要求標貫擊數(shù)不得小于10 擊，或靜力觸探比貫入阻力Ps不小于5 MPa。

7.2 平板載荷試驗

每5 000 m2至少做一次平板載荷試驗，且每個加固區(qū)要針對標貫檢測薄弱點做不少于三次地基載荷試驗，載荷板面積不小于1.5 m2，要求0～2 m 地基承載力特征值不小于150 kPa，2～6 m 地基承載力特征值不小于120 kPa，否則應采取其他補救措施。

7.3 液化判別

對處理后的地基進行液化判別，要求消除地表以下液化土層。

8 結語

真空動力固結借由高真空強降水和強夯沖擊的交替作用，降低了飽和砂土的含水量，實現(xiàn)了土體孔隙水壓力的消散和土顆粒間有效應力的增加，在提高土體強度的同時可以防止因局部砂土震動液化而引起的地表不均勻沉降，該工法加固效果好、工藝簡練、安全環(huán)保，已被廣泛應用于沿海地區(qū)吹填土地段的地基加固處理。