倾斜旋喷桩技术处理铁路既有线路基病害工程实践

李元彪+吴红刚+冯帅

摘要：高压旋喷桩具有加固体强度高、加固质量均匀、加固体形状可控的特点，已成为国内外工程界普遍接受的、多用、高效的地基处理方法。本文分析了既有路基产生沉降的主要原因，并介绍了倾斜式双管高压旋喷成桩技术在软土路基沉降中的应用，分别阐述了该技术设计参数的选择，施工工艺及加固效果，指出高压旋喷成桩技术控制沉降变形效果明显，值得推广。

Abstract： High-pressure jet grouting pile is a versatile and efficient method of the ground treatment and is accepted universally in the domestic and foreign engineering field because of its ground reinforcement has high strength， uniform weight and controlled shape. This paper analyzes the main reason caused by the settlement of existing railway， and introduces the application of the technology of high-pressure jet grouting pile with inclined double-pile on the soft base subsides， and represents separately the choices of design parameter， the technology of construction and the effects of reinforcement. The settlement deformation is efficiently controlled by the technology of the high-pressure jet grouting pile， and it is recommendable.

关键词：旋喷桩；既有路基；加固；质量控制

Key words： jet grouting pile；existing railway；reinforcement；quality controlling

中图分类号：U213.1+5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）20-0080-04

0 引言

高压喷射灌浆技术是通过在地层中的钻孔内下入喷射管，用高速射流（水、浆液或空气）直接冲击、切割、破坏、剥蚀原地基材料，受到破坏、扰动后的土石料与同时灌注的水泥浆或其它浆液发生充分的掺搅混合、充填挤压、移动包裹，至凝结硬化，从而构成坚固的凝结体，成为结构较密实、强度较高、有足够防渗性能的构筑物，以满足工程需要的一种技术措施。

日本在上世纪六十年代首创了高压喷射灌浆技术。在之后的十余年间，该技术在我国的水电、煤炭、冶金、铁路等领域得到普遍应用。在同一时期，我国也开始涉足高压喷射灌浆技术的应用研究。发展至今，该技术已在各种建筑物地基的加固工程中得到大规模推广应用[1]。

本文以某铁路既有线路基病害为例，主要阐述高压旋喷灌浆处理铁路既有线路基沉降病害的有关技术问题。

1 铁路路基沉降病害状况

1.1 路基沉降的发生及状况

病害段线路总体走向近南北向。由于路基沉降，路基两侧都出现了贯通裂缝，最长的裂缝开裂长度大概达到了600m，并且明显可见铁路两侧警示牌也出现了下沉现象，下沉最大处达1.5m。病害段线路轨道轨面起伏不平，可见明显的台阶证明该段出现沉降变形。由于该段路基沉降严重，为保证铁路正常运营，工务段不停地垫高道床维持铁路的正常运营，目前道碴最高处垫高至2m。

该段病害曾采用灰土挡水墙和地基劈裂压浆联合加固，但线路两侧基底灌浆加固及3m深挡水墙实施以后，治理效果不明显，农田浇灌后路基继续沉陷。挡水墙深度有限，不能完全阻断灌溉水进入路基，且在路基基底饱水土体中注浆成孔困难且无法注浆，加固处理效果不明显。目前该段铁路已经采取限行措施。

1.2 路基沉降原因分析

1.2.1 土层具有湿陷性和高压缩性是路基沉降的根本原因

病害区地基土属于粉质粘土和粉土，该区土层为黄土和第三系泥岩风化粘土在水流带动下形成的静水沉积物。因此土层在含水量降低后成为兼具黄土性质和粉土的混合土，在含水量增大后具有湿陷性和高压缩性。

规范规定[2]：当黄土的湿陷系数小于0.015时，应定为非湿陷性黄土，当黄土的湿陷系数大于或等于0.015时，应定为湿陷性黄土。

从原状土实验结果中可知，该段病害地基土3m以上的湿陷系数在0.02～0.09之间，为中等湿陷性。3m以下的地层不具湿陷性，反而具有高压缩性。

工程中一般采用100～200kPa压力区压缩模量Es指标判断土层的压缩性：Es≤4MPa为高压缩性土，20MPa≥Es≥4MPa为中等压缩性土，Es≥20MPa为低压缩性土。从试验数据可见地基以下2.5m以内土层压缩模量为5.4～7.3MPa，属于中等压缩性土，2.5m以下土層为压缩模量小于4MPa，属于高压缩性土。

1.2.2 周边黄河灌区开始漫灌浇地使土体含水量增加是地基沉降的诱发因素

病害区年平均降雨量约为300mm，土体含水量差，所以2003年以前该路段从为出现路基沉降变形。2003年以后国家大力引黄灌溉，灌溉水渗入铁路两侧的农田，3m以上的地层的土体局部湿陷性基本完成。灌溉水下渗后引起地层含水量增大，含水量比土的液限稍高，已是含水率交稿的软弱地层，并且地基承载力大幅度下降，使得路基沉降不能稳定。加之每年春秋二季的灌溉铁路二侧的地基土长期处于高含水状态，承载力不能满足列车荷载的要求。

1.3 路基地基土目前状态分析

从现场勘察揭露深度范围内看，地表为种植土层，上部主要为近代冲湖相沉积的粘性土地层，底部为河相沉积的含碎石粉质粘土层。按地层结构、岩性特征、埋藏条件及其物理力学性质，将场地岩土层划分为6层。现自上而下将各土层岩性特征分述如下：

①素填土。

灰色，松散，稍湿，以粘性土为主，含植物根茎，该层沿铁路分布，层厚0.6～2.05m，主要分布于铁路路基底部；

② 种植土。

颜色杂，灰黑色为主，夹灰色、紫红色，含大量植物根系，以黄土及粘性土为主，该层广泛分布，层厚0.5～1.0m，分布于素填土底部及路基两侧老地面；

③黄土。

浅黄色、褐黄色，硬塑，湿，干强度中等，中等韧性，无摇震反应，切面光滑，含铁锰质和少量氧化物；该层局部分布，层厚0.6～3.6m；

④粉质粘土。

灰黄、褐黄色，硬塑～软塑，湿，干强度高、低韧性，无摇震反应，切面稍光滑，含铁锰质和少量氧化物；该层全场分布，层厚4.3～8.1m；

⑤粉土。

紫红色、浅黄色，可塑～硬塑，干强度不高，中等韧性，无摇震反应，切面光滑，含铁锰质和少量氧化物，手捻砂感强烈。该层全场分布，层厚2.7～5.8m；

⑥ 砂砾土。

灰色～灰黄，潮湿，松散，无摇震反应，切面光滑，含铁锰质和少量氧化物。该层局部分布，层厚0.9～1.5m。

场地整个处于农田包围中，由于引黄灌溉的影响，不同深度土层含水量不同，土体不同的含水量严重影响土体本身物理力学性质。地下土层主要为黄土状粉质粘土及黄土状粉土，黄土状粉质粘土在水的作用下，呈流塑状，工程性质差，对路基本身及施工存在一定影响[3]。

经野外钻探与调查，场地大部分区域存在粉土和粉质粘土，埋深4m范围内土层具有湿陷性，7.5m范围内地层承载力偏低。考虑列车荷载及路基本体的附加应力随深度减小至土体自重应力的15%左右时对应深度一般都在10m左右，因此建议加固深度确定为10m。

2 路基病害试验段整治设计

2.1 沉降治理方法的比选

目前软基处理的主要方法有[4-5]：①换填垫层法；②挤密法；③深层搅拌法；④灌浆法；⑤强夯法等。

换填垫层法：换填垫层法主要作用是提高地基的承载力。其方法是将基底下一定范围内的软弱土挖去，换填砂、碎石和素土等散体料，并分层夯实成低压缩性的地基持力层。

挤密法：挤密法即先往土中打入桩管成孔，然后在孔内填入砾石、砂、石灰，灰土等捣实而成。此法适用于含砂粒、瓦屑的杂填土及含砂量较多的松散土地基，对粘性大的饱和软土地基，由于渗透性小，在加固过程中不能排出很多水分，挤密效果不如预期。

深层搅拌法：该工法是使用专用搅拌轴的轮叶，从地面开始破土搅拌到加固的深度，然后开启阀门把水泥浆（粉）顺着搅拌头注入地基中，并通过搅拌头拌和均匀。

灌浆法：该工法用在卵石、中、粗砂和有裂隙的岩石加固中，能够达到较好的应用效果。它是使用钻机钻孔，将注浆管下放到指定的灌浆深度，再密封处理钻孔的顶部和四周。打开压力泵，将拌制均匀的水泥浆或水泥砂浆通过高压注入孔隙和岩石裂隙，挤出土中的自由水。待水泥浆凝固后，水泥浆和岩石裂隙胶结成整体。该工法保留了原状土的体积和结构，不需要过大的灌浆压力即可完成加固。如是粘性土，则用较高的压力灌入浓度较大的水泥浆或水泥砂浆。

强夯法：强夯法是将重锤起重到一定高度，然后自由下落，重复夯打，以加固地基，使强度提高，压缩性减小。此法一般适用于无粘性土、杂填土和半饱和土。

该断路基沉降的原因主要在路基下部土体承载力不足，不是在路基本体变形。因此本次设计主要针对路基下部列车荷载影响深度范围内的土体进行强化，通过高压旋喷注浆技术，采用旋喷桩作为支撑骨架，挤密土体，改善此部分土体的抗渗条件，与周围土体形成具有一定承载力的复合地基[6]。以改善地基土的性质，提高地基土的承载能力，有效控制地基土的持续沉降变形，保障行车安全。

2.2 倾斜旋喷桩的布设

2.2.1 旋喷桩倾角的确定

设计采用数值分析方法对旋喷桩的几何布置方式进行多方案对比分析，从而确定出较优的布置方案，为现场试验方案设计提供参考。

旋喷桩几何布置方案如表1所示。针对每种布置方案，在路基顶面施加列车荷载66kPa，计算列车荷载作用下路基顶面的沉降。（图1-图4）

由图3可知，方案8（即内侧桩竖向夹角为60度，外侧桩竖向夹角为55度）和方案7（即内侧桩竖向夹角为60度，外侧桩竖向夹角为45度）均为较优方案，但是当采用方案8时，旋喷桩加固范围以下仍将存在1～2m的软弱土层，可能出现软弱下卧层问题，从长期效果来讲，可能对地基承载不利，而采用方案7时，外侧桩直接打入了硬土层中，从工程经验上判断其加固效果更为可靠，因此方案7可以作为设计参考。

就现场而言，如果内侧桩与竖向夹角过大，可能会出现路基表面喷浆污染道砟，而且孔口处不易成桩，增大了施工的难度，因此内侧桩角度不宜超过50°。外侧桩需要考虑桩体置入土体的深度不宜超过30°。综合考虑内侧桩竖向夹角为50°，外侧桩竖向夹角为30°时，列车荷载作用下路基顶面变形相对比较小，而且加固效果的可靠性较高，该成果可供设计时参考。

2.2.2 桩长、桩径及桩间距的确定

由于本次设计高压旋喷桩[7]为倾斜式，地面以下2m以内无法施工，因此，设计桩长自地面以下2m开始，至地面以下10m计算桩长。根据有限元分析结果，内侧桩竖向夹角为50°，桩长为8m；外侧桩竖向夹角为30°，桩长为10m。

考虑置换率直接影响地基承载力的提高，根据计算结果，设计采用800mm的桩径，同时，根据路基沉降变形程度的不同，桩间距采用1.3m及1.5m两种形式。

2.2.3 布设形式

病害治理设计于线路路肩外边缘施作两排高压旋喷桩，单侧齐列布置，双侧错列布置，桩间距1.3m、1.5m，单侧两排桩孔口间距0.5m。

3 倾斜旋喷桩施工工艺与参数

根据现场地基条件，参考之前做过的一些工程[8-9]，旋喷桩采用双管法进行施工，施工工序为平整场地、机具就位、钻孔、置入注浆管，试喷射、喷射作业、拔管、冲洗器具、移开机具和回填注浆等。

旋喷技术参数：注浆材料采用42.5R普通硅酸盐水泥制备的纯水泥浆，浆液水灰比1：0.8，喷射注浆压力为20～25MPa，喷嘴旋转速度18～22r/min，喷嘴提升速度20～25cm/min，在临近桩顶1.5m～2.0m处应慢速提升旋喷至桩顶。（图5-图6）

4 整治效果

该工程于2014年6月开工，11月施工完毕，经历了一个雨季及灌溉期的考验，经过近一年时间的定期监测，采用旋喷桩处理过的路基地段下沉得到了有效控制，没有再继续发展，达到了整治的预期效果，为既有铁路路线的安全运营打下了坚实的基础。

参考文献：

[1]全国水利水电施工技术信息网.水利水电工程施工手册（地基与基础工程）[S].中国电力出版社.

[2]GB 50021-2001，岩土工程勘察規范（2009年版）[S].

[3]铁道部第一勘测设计院.铁路工程地质手册[S].中国铁道出版社.

[4]龚晓南.地基处理手册[M].三版.中国建筑工业出版社.

[5]黄绍铭，高大钊.软土地基与地下工程[M].二版.中国建筑工业出版社，2005.

[6]李鑫，郭炳成.谈对旋喷桩在应用方面的探讨[J].中小企业管理与科技，2008（32）：183.

[7]赵凯歌.高压旋喷桩施工技术探讨[J].中华民居旬刊，2010（10）.

[8]吕志伟.高压旋喷成桩技术在软土路基沉降中的应用[J].山西建筑，2010，36（31）：284-285.

[9]陈月新，肖烈兵.高压旋喷桩在上海某港区陆域形成中的应用[J].中国水运月刊，2010，10（1）：164-165.