高壓旋噴樁在鐵路路基病害中的應(yīng)用

閆洪銘

（青藏集團(tuán)公司德令哈工務(wù)段，青海 西寧 810000）

自新中國成立以來，國家已建設(shè)了世界上最現(xiàn)代的鐵路網(wǎng)和最發(fā)達(dá)的高鐵網(wǎng)。為保持鐵路經(jīng)常處于良好狀態(tài)，國家每年投入大量人力物力對鐵路機(jī)車、車輛、路基、軌道及信號等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。其中路基沉降病害作為最常見的病害，得到了國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注，歷經(jīng)多年發(fā)展，現(xiàn)已研究出多種常見的針對各種病害的治理措施，文章僅對高壓旋噴樁處理措施進(jìn)行簡要介紹及實(shí)例分析。

1 路基常見病害

1.1 路基基床下沉

鐵路路基土體在雨水的長期浸泡下，不僅會降低路基的整體強(qiáng)度，還會造成路基下沉，再加上車輛在行駛過程中產(chǎn)生的震動、重車的荷載等導(dǎo)致道砟壓入基床中，形成道砟袋或道砟囊，最終造成路基基床土體軟弱層出現(xiàn)剪切滑動，側(cè)溝向外擠壓、路肩隆起等破壞，嚴(yán)重的將導(dǎo)致車輛在運(yùn)營過程中出現(xiàn)脫軌等嚴(yán)重的安全事故。

1.2 滑坡

鐵路路基因長期暴露在大氣中，在某些地質(zhì)環(huán)境中，受到自然及人為因素的共同作用，巖土體受力平衡被打破，在其結(jié)構(gòu)裂縫或軟弱面處向下滑動而破壞[1]?；略斐傻穆涫?、坍方產(chǎn)生的沖擊力可使路基，軌面遭到破壞，若侵入正線將造成運(yùn)營中斷，是危害最大的路基病害之一。

1.3 凍害和雪害

凍害即是路基內(nèi)含有的水在凍結(jié)或融化過程中出現(xiàn)路基不均衡的凍脹和承載力減弱的現(xiàn)象。對于路基面存在較多積水時，一旦氣溫較低，就會結(jié)冰而使體積膨脹，進(jìn)而引發(fā)凍脹等現(xiàn)象，直接影響到列車的正常運(yùn)行。尤其是在降雪時，大量的積雪覆蓋了線路，很容易引發(fā)凍害，影響路基平整度，直接影響到列車的在區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行速度，同時對行車安全構(gòu)成威脅，從而造成交通事故。

1.4 砂害

砂害即是風(fēng)砂流的掏蝕、堆積作用對鐵路線路設(shè)備的破壞及流砂上道進(jìn)而對正常行車產(chǎn)生影響的現(xiàn)象。通常可以將風(fēng)力對路基產(chǎn)生的風(fēng)蝕作用分成掏蝕、磨蝕和吹蝕。就沙害的危害程度，一般分為特級沙害（積沙超過軌面）、一級沙害（積沙與軌面向平）、二級沙害（積沙埋沒枕木和扣件）、三級沙害（積沙使道床不潔，但未埋沒枕木和扣件）。

1.5 翻漿冒泥

當(dāng)雨水長期將路基土體浸濕后就會變成泥漿，然后再受到列車傳出的振動就向道碴中的間隙擠入，讓道床變得更加臟污，降低其彈性。這將大大降低路基的強(qiáng)度，進(jìn)而會轉(zhuǎn)變成泥漿，受到外力作用而冒出。路基翻漿冒泥是多種因素綜合作用的結(jié)果，土質(zhì)、水、溫度、路面與行車荷載是影響路基翻漿冒泥的主要因素，同時還包括工程措施方面的原因。

2 高壓旋噴樁原理及工藝特點(diǎn)

2.1 技術(shù)原理

高壓旋噴技術(shù)是20世紀(jì)70年代從日本引進(jìn)的，主要用于軟土地基的處理。它的噴射介質(zhì)為水、水泥漿液和壓縮空氣，使噴射管邊旋轉(zhuǎn)邊提升，利用高壓水形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥漿液進(jìn)行充填，形成圓形斷面狀的凝結(jié)體，以提高土體的抗剪強(qiáng)度和承載力[2]。

2.2 優(yōu)點(diǎn)及用途

高壓旋噴樁用途較廣，既可以事前處理，也可以事后補(bǔ)救。設(shè)備較簡單，施工方便，固結(jié)土體形狀大小可以調(diào)節(jié)，根據(jù)需要可以采用旋噴、定噴、擺噴等形成不同的加固形狀；可以采用單重管法、雙重管法及三重管法，形成大小不同的加固體[3]。

單重管法，只噴射單一的高壓水泥漿液，形成的樁徑最小，樁徑一般為0.6 m左右，多用在松散、稍密砂層中，水泥用量一般小于200 kg/m，正常施工速度一般在20 cm/min。

雙重管法，噴射水泥漿和壓縮空氣，形成的樁徑一般在0.6～0.8 m，經(jīng)常用在中密砂層中，水泥用量一般小于300 kg/m，正常施工速度在10～20 cm/min。

三重管法，噴射水泥漿液、空氣和高壓水，機(jī)理是用高壓水去切割土體，水泥漿去填充切割后的土體，樁徑一般在1.0～1.2 m，可以在圓礫層內(nèi)施工，水泥用量一般在400 kg/m，正常施工速度在10～20 cm/min。

高壓旋噴樁施工中，水泥漿的用量和提升速度、灌漿壓力、噴嘴大小等都有著密切的關(guān)系，所以在施工前需要先做試驗(yàn)樁，確定合理的施工工藝和施工參數(shù)[4]。

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目概況

工程位于青海省海西蒙古族藏族自治州烏蘭縣察汗諾車站，沿既有鐵路線兩側(cè)有鹽湖分布，茶德高速與線路并行，交通較為便利。本段鐵路以填方形式通過，最大填方高度約2.0 m，填方高度較低，兩側(cè)均有常年積水洼地，路肩外側(cè)設(shè)置填方式側(cè)溝，路基及坡面完整，坡面采用灌木防護(hù)，生長良好，側(cè)溝排水通暢。該段路基多年來出現(xiàn)不均勻沉降，嚴(yán)重影響正常行車及行車安全，并給工務(wù)段的養(yǎng)護(hù)帶來很大困難。

3.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

3.2.1 地形地貌

該工程地貌上屬于沖積平原區(qū)，地形開闊平緩，地勢南高北低，局部有起伏，地面標(biāo)高為3 283～3 290 m。

3.2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭示，工程場地內(nèi)地層主要有第四系全新統(tǒng)填筑土、沖湖積淤泥、粉質(zhì)黏土、粉砂及細(xì)砂。

（1）人工填筑土（Q4ml）:主要分布于既有鐵路路堤，黃褐色，成分以粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)不均，局部含碎石及礫砂，層厚2～4 m，稍濕-潮濕，中密，Ⅱ級普通土。

（2）淤泥（Q4al+11）:主要分布于表層，層厚0.8～2.2 m，灰黑色，部分夾有機(jī)質(zhì)，無搖振反應(yīng)，無光澤，韌性較低，有腐臭味道，軟塑，Ⅱ級普通土，σ0=60 kPa。

（3）粉質(zhì)黏土（Q4al+11）:分布于淤泥層之下，層厚大于13.8 m，黃褐色，無搖振反應(yīng)，刀切面較光滑，韌性中等，手搓易成條，巖芯呈柱狀，軟塑-流塑，Ⅱ級普通土，σ0=80 kPa。

（4）粉砂（Q4al+14）:淺黃色，呈透鏡體狀分布于粉質(zhì)黏土層中，層厚0～0.5 m，成分以石英、長石為主，黏粒含量較大，飽和，稍密，I級松土，σ0=80 kPa。

（5）細(xì)砂（Q4al+14）:淺黃色，呈透鏡體狀分布于粉質(zhì)黏土層中，層厚0～1.8 m，成分以石英、長石為主，飽和，稍密，I級松土，σ0=100 kPa。

3.2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程范圍內(nèi)第四系覆蓋層較厚，未見明顯地質(zhì)構(gòu)造形跡。地質(zhì)構(gòu)造對該工程無影響。

3.2.4 水文地質(zhì)特征

（1）地表水：青藏線K353+700～K353+900段分布于都蘭河上游地段左側(cè)，都蘭河常年有水，流向西，在烏蘭縣并入沙柳河后注入都蘭湖，系區(qū)內(nèi)侵蝕基準(zhǔn)面。該段路基距離都蘭河河谷約200 m，受地形影響，線路左側(cè)及右側(cè)的察漢諾車站地段分布有大小積水洼地，洼地內(nèi)水位受季節(jié)影響變化幅度較大。

（2）地下水：地下水以第四系松散層孔隙潛水為主，埋深0.8～1.8 m，主要含水層為粉質(zhì)黏土層及粉、細(xì)砂層，受大氣降水及地表鹽湖水補(bǔ)給，以地下徑流及蒸發(fā)的形式排泄，水位隨季節(jié)的變化而變化，變化幅度較大。

（3）腐蝕性評價：根據(jù)勘察資料，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級為L1；地表水對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具氯鹽侵蝕性，環(huán)境作用等級為L1；環(huán)境土對混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土具硫酸鹽結(jié)晶破壞性，環(huán)境作用等級為Y1。

3.3 病害概況及原因分析

3.3.1 病害概況

青藏線K353+700～K353+900段鐵路路基海拔為3 283～3 290 m，以低填方路基形式通過，路基兩側(cè)洼地常年積水，路基存在不均勻沉降及翻漿冒泥現(xiàn)象，沉降最大處約20 cm，列車經(jīng)過時軌道及道床上下晃動嚴(yán)重，對鐵路運(yùn)營造成很大安全隱患。

3.3.2 病害原因分析

通過病害現(xiàn)狀、水文條件，地層情況及工務(wù)段介紹綜合分析病害產(chǎn)生主要原因如下：

（1）經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，線路坡腳有幾處湖泊，常年積水，浸泡坡腳。根據(jù)路基下地層情況，該段地層上部為填土層，其下為淤泥層，再以下為粉質(zhì)黏土層，引起路基不均勻沉降的主要為淤泥層和其下飽和粉質(zhì)黏土層，即地基加固主要考慮對該2層土層進(jìn)行加固可有效改善路基沉降情況，確保行車安全。

（2）路堤填方本體內(nèi)毛細(xì)水上升導(dǎo)致路基本體及基床軟化等造成了不均勻沉降，局部段落基床出現(xiàn)了翻漿冒泥。

3.4 工程措施

3.4.1 斜向旋噴樁工程

（1）左側(cè)旋噴樁：上排樁鉆孔位置距左側(cè)鋼軌水平距離2.6～3.6 m，上排樁樁徑0.6 m，鉆孔長18.1～19.1 m，從孔底向上旋噴成樁16 m，下傾角10°；下排樁鉆孔位置距上排樁鉆孔水平距離2.6～3.6 m，樁徑0.8 m，鉆孔長22.4～25.6 m，從孔底向上旋噴成樁19 m，下傾角15°。

（2）右側(cè)旋噴樁：上排樁鉆孔位置距左側(cè)鋼軌水平距離2.2～3.3 m，上排樁樁徑0.6 m，鉆孔長17.8～18.9 m，從孔底向上旋噴成樁16 m，下傾角10°；下排樁鉆孔位置距上排樁鉆孔水平距離0.7～1.6 m，樁徑0.8 m，鉆孔長20.4～21.8 m，從孔底向上旋噴成樁18 m，下傾角15°。

（3）旋噴樁布置：上下兩根樁豎向位于同一立面布置，左右雙側(cè)相互交錯，沿線路縱向樁間距1.3 m。高壓旋噴樁所用水泥采用P.0.42.5普通硅酸鹽水泥。

3.4.2 咬合旋噴樁工程

咬合旋噴樁工程是在既有線兩側(cè)鋼軌外6 m各設(shè)一排咬合旋噴樁，旋噴樁樁徑0.6 m，樁長7 m，咬合0.2 m。

3.4.3 鋼管樁工程

鋼管樁工程是在既有兩股正線中心、兩股道軌枕外側(cè)0.5 m處及正線兩股道中心道砟以下路基面等位置采用鋼管樁加固，鋼管直徑0.133 m，壁厚5 mm，采用螺旋鉆成孔，橫向設(shè)置5個鉆孔，沿線路縱向間距1.3 m，孔深3 m。鋼管孔壁應(yīng)預(yù)先打孔，沿周長方向設(shè)4個孔，沿深度方向間距為0.4 m，交錯布設(shè)，鋼管內(nèi)填碎石。鋼管樁頂部縱橫向均采用直徑Φ20HRB400鋼筋焊接。

3.4.4 補(bǔ)強(qiáng)排水工程

施工完成后對K353+700～K353+900段范圍內(nèi)側(cè)溝按原尺寸予以恢復(fù)加固，側(cè)溝采用M7.5漿砌片石鋪砌，厚度0.3 m，于兩側(cè)側(cè)溝內(nèi)側(cè)距離水溝頂面或距離路基0.6 m處每隔2 m于路肩部分開挖后鉆孔打入一道PVC雙壁波紋管，外包無紡?fù)凉げ?，坡?%，長度5 m，路基開挖部分采用砂夾卵石回填，以便排出路基基床及道砟內(nèi)積水。

3.5 沉降監(jiān)測

3.5.1 監(jiān)測目的

在施工過程中不僅需列車限速45 km/h，且為保證路基病害整治過程中的安全性，達(dá)到監(jiān)測預(yù)警的目的，施工期間應(yīng)加強(qiáng)路基及軌道變形監(jiān)測。施工過程中對路基高程實(shí)施沉降監(jiān)測，施工中跟蹤監(jiān)測，確保施工安全，并反饋設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)防治效果。

3.5.2 監(jiān)測內(nèi)容及方法

沉降監(jiān)測采用自由坐標(biāo)系，通過項(xiàng)目區(qū)外假設(shè)一定高程的穩(wěn)定點(diǎn)，采用閉合水準(zhǔn)路線對路基沉降點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，得到各沉降點(diǎn)的高程，通過監(jiān)測獲得各監(jiān)測點(diǎn)高程進(jìn)行對比分析。沉降監(jiān)測采用徠卡Sprinter 350 m電子水準(zhǔn)儀，精度為0.5 mm，沉降監(jiān)測采用二等水準(zhǔn)測量。

根據(jù)監(jiān)測工作的目的及主要任務(wù)要求，監(jiān)測工作的主要內(nèi)容有以下幾個環(huán)節(jié)：

（1）建立控制基準(zhǔn)網(wǎng)：根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，監(jiān)測網(wǎng)控制點(diǎn)埋設(shè)在項(xiàng)目區(qū)外的穩(wěn)定區(qū)域，向地面打入膨脹螺絲、沉降監(jiān)測釘，并假設(shè)一固定高程作為基準(zhǔn)。

（2）在路基片石路肩上布置沉降監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)不僅需滿足水準(zhǔn)儀的通視條件，而且應(yīng)布設(shè)在最能反映地面及樓體變形特征的部位。

（3）采用電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測各監(jiān)測點(diǎn)的高程，每次觀測遵循“三固定”的原則，即：觀測所用設(shè)備固定、觀測人員固定、觀測路線固定，盡可能減少觀測中誤差。

（4）監(jiān)測工作根據(jù)線路運(yùn)行實(shí)際情況，日沉降量大于5 mm或累計(jì)沉降量大于25 mm達(dá)到報警值。

3.5.3 監(jiān)測頻率

（1）治理工程施工前測定3次，獲得初始值，施工期間（3個月），監(jiān)測頻率為2天1次；如現(xiàn)場變形嚴(yán)重，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況加密監(jiān)測，必要時應(yīng)全天候監(jiān)測。

（2）施工竣工后一年內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測。雨季監(jiān)測頻率為1月2次（6—10月），旱季監(jiān)測頻率為1月1次（11—5月)。

3.6 效果評價

施工完成后，為保證施工質(zhì)量，甲方委托第三方進(jìn)行檢測，采用低應(yīng)變檢測樁身均勻性，采用淺部開挖樁頭檢測樁身直徑，采用鉆芯取樣檢測樁身強(qiáng)度等[5]，檢測結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。

加固段路基共設(shè)置11個沉降監(jiān)測點(diǎn)（JC-1～JC-11），間距15～20 m，沉降監(jiān)測自施工前開始，截至到施工后1個月，沉降累計(jì)曲線見圖1，從圖中可以看出沉降趨勢從施工開始由陡逐漸變緩（停工期間無數(shù)據(jù)），至施工結(jié)束后30 d沉降趨勢變?yōu)橹本€段（無沉降），最終JC-11號點(diǎn)累積沉降值最大為2.3 mm，施工結(jié)束后所有監(jiān)測點(diǎn)基本未出現(xiàn)新的沉降，與施工前和施工期間比較，沉降量明顯減小，沉降累計(jì)值最終趨于穩(wěn)定，路基加固效果明顯。

圖1 路基監(jiān)測累計(jì)沉降圖

4 結(jié)論

高壓旋噴樁作為處理軟弱地基的措施，目前已經(jīng)被廣泛使用，其在路基病害治理中可靈活運(yùn)用，既可斜向旋噴樁加固路基基床，又可豎向咬合旋噴樁形成截水帷幕，解決了路基病害問題。但在今后的使用中，仍需通過大量應(yīng)用和數(shù)據(jù)的累積，對其進(jìn)行不斷的研究和完善。