CFG樁在石武客運專線路基工程地基處理中的應用

楊維威

(中鐵十九局集團有限公司,遼寧遼陽 111000)

1 工程概況

新建石家莊至武漢鐵路客運專線(河南段)SWZQ-2標段DK590+281.78～DK593+259.55、DK597+844.26～DK600+908.4路基工程地基處理采用CFG樁加固。CFG樁共138萬m,設計直徑為50cm,單樁設計承載力不小于500～650kN。樁頂設置50～80cm厚級配碎石褥墊層。設計樁長12～20m,過渡段,應力擴散角以內正方形布置,間距1.5m,應力擴散角以外長方形布置,縱向間距1.5m,橫向間距1.6～1.8m;非橋頭過渡段,應力擴散角以內正方形布置,間距1.5(1.6)m,以外長方形布置,縱向間距1.5(1.6)m,橫向間距1.8 m;車站站臺區縱向樁間距1.5m,橫向分為兩部分,站臺內邊緣斜向下按1∶1應力擴散區域,樁間距1.5m布置;兩側與之相鄰區域為1.8m。

2 工藝性成樁試驗

試驗地點選在DK599+400～DK599+425(樁間距1.5m)線路右側,路基坡腳線外側,紅線征地界內側,該處下臥地質情況為黏土,軟塑～硬塑。通過CFG樁試驗完成設備選型、確定施工工藝和施工順序,確定混合料配合比、坍落度、攪拌時間、鉆機拔管速度等各項工藝性參數[1],并形成具有指導性意義的工法,以指導本試驗段以后CFG樁的施工。

2.1 試驗方案

本次試樁采用長螺旋鉆進法施工,試樁數量為3根,試樁樁號:248-1,248-2,248-3。

樁間距按設計要求布置,間距為1.5m(表1)。

表1 CFG樁樁位情況

(1)試樁現場做到“三通一平”

①水:施工用水采取挖機井的方式解決,線路征地界兩側挖排水溝,以滿足路基排水需要。

②電:采用地方網電和自發電相結合的方式。

③路:本著節約用地,保護環境的原則合理選擇施工便道,跨越溝渠處搭設施工便橋,以滿足車輛通行需要。

④場地平整:滿足CFG樁機施工和材料運輸、機械進出的需要。

(2)材料要求

混合料各種原材料必須滿足規范標準和設計要求,通過檢測選用的原材料分別為:水泥為新鄉平原同力水泥股份有限公司生產的同力牌P.O42.5水泥,砂為輝縣滿天星生產的機制中砂,碎石為輝縣青青采石場5～25mm碎石,粉煤灰為濟源沁北五龍環保電廠的Ⅱ級粉煤灰,外加劑為浙江五龍化工公司的ZWLA-IX型高效減水劑。CFG樁樁身混合料28d齡期標準立方體抗壓強度不小于20MPa;坍落度要求:泵送混合料控制在160～200mm。泵送混合料配合比為:水泥∶河砂∶碎石∶粉煤灰∶外加劑∶水=1∶4.71∶6.24∶1∶0.014∶1.02,攪拌時間按普通混凝土要求進行控制,且不少于60s。

(3)主要機具

DDJ-32型長螺旋鉆機1臺(主要參數:鉆孔直徑500mm、最大成孔深度22m,動力頭功率45kW×2)、混合料輸送泵1臺、250kW發電機1臺,混合料振搗棒2臺、三級電箱2個、混凝土運輸車3臺。

(4)施工工藝

成樁施工采用長螺旋成孔芯管內泵壓混合料成樁[2]。對于芯管內泵送混合料施工時,單樁混合料控制以記錄輸送泵的泵送次數來推算單根樁的灌注量。

2.2 試驗過程

(1)施工放樣

按施工圖放出路基橫斷面,然后根據“CFG樁樁位平面布置圖”用經緯儀、鋼尺放出每個樁孔位,并撒白灰插釬子標記,誤差控制在現行標準要求以內。

(2)鉆機就位

施工機具進行試拼、組裝。穩定好鉆機,立鉆架并調整安設好起吊系統。調平鉆機,使鉆機鉆桿垂直,垂直度偏差不大于1%,鉆機鉆頭中心和樁孔中心重合。

(3)鉆進成孔

①樁機上每米設有明顯的反光標志,以確定進尺深度。標記的刻度要經現場監理認可,夜間施工要有照明設施,保證刻度標志清晰可見。

②鉆機調整好后開始旋轉擠入鉆進,鉆進時要注意控制鉆進速度,并做好過程記錄。施工前,先做地質探測孔以復核地質資料,并記錄地質變化時電流的變化,以便施工時作為判斷地質情況的參考。施工順序以沿路基方向成排順序施工。

③鉆進時遇電流有明顯變化時記錄下鉆進電流和鉆進深度,繼續加大鉆進電流,向下鉆進達到設計要求深度。

(4)混凝土灌注

①按照試驗室確定的配合比進行粉煤灰混凝土拌制,拌和過程中嚴格控制攪拌時間,拌和時間不小于60s。控制拌和用水量,混合料坍落度應控制在16～20cm,混合料坍落度不宜過大,否則形成樁頂浮漿過多,樁體強度也會降低;混合料坍落度過小,泵送性能較差。總結出粉煤灰混凝土最佳施工用水量,并做2組試塊,檢驗樁身粉煤灰混凝土強度,驗證施工配合比。

②成孔至設計高程后,停止鉆進,開始泵送混合料,當鉆桿芯管內充滿混合料后開始拔管,壓灌混合料時一次提鉆高度小于25cm,采用靜止提拔,提拔速度控制在2～3m/min。嚴禁先提管后泵料。

③灌注結束后,用插入式振搗棒對樁頂混合料加振3～5s,提高樁頂混合料密實度。上部用土封項,保證樁頂不出現干縮裂紋。

2.3 成樁質量檢測

(1)樁身完整性檢測

CFG樁樁身完整性采用低應變動力試驗檢測,檢測工作由中南大學工程檢測研究所基樁檢測站承擔,經檢測3根樁均為I類樁。

(2)CFG樁混合料強度

①現場制作混合料標準立方體試件8組,進行28 d標準養護后,進行試件抗壓強度檢驗。經試塊抗壓強度檢驗,平均抗壓強度為29.7MPa,全部合格。

②按照《鐵路工程結構混凝土強度檢測規程》(TB10426—2004)[4]規定,分別對248-1樁和248-3樁進行了鉆芯取樣,芯樣試件每孔取3組,芯樣直徑為100mm,芯樣試件的高度與直徑之比為1∶1。經試驗室檢測248-1樁上部結構混合料強度推定值為23.7、24.4MPa,中部結構混合料強度推定值為28.6、29.2MPa,下部結構混合料強度推定值為29.2、27.4 MPa,全部合格;248-3樁上部結構混合料強度推定值為27.9、23.0MPa,中部結構混合料強度推定值為25.8、26.6MPa,下部結構混合料強度推定值為29.0、29.4MPa,全部合格。

2.4 試樁結論

(1)加強工程地質復核。在施工前先在規劃好的斷面位置進行地質復核,并進行詳細記錄繪制成地質縱斷面圖,作為施工參考;或在一定區域范圍內第一個孔進行地質復核,作為本區域CFG樁施工的依據。在鉆進時,記錄每米電流變化并記錄電流突變位置的電流值,作為地質復核情況的參考。

(2)確定了施工設備和施工工藝。使用長螺旋鉆機成孔及芯管泵送混合料灌注的施工方法,成樁速度快、質量比較好[3],適合本試驗段施工。在試樁期間也曾試用過多種設備,如振動沉管因地層較硬只能打到地表以下2～3m,很難達到設計深度;捶擊沉管雖然成孔質量較好、效率高,但對鄰樁影響較大,故均未采用。

(3)確定了混合料原材料和配合比。混合料的各種材料技術指標均滿足規范要求,采用試驗配合比的抗壓強度滿足設計要求。

(4)確定了相關參數。采用該工裝時,泵送混合料配合比的坍落度控制在16～18cm,混合料攪拌時間控制在60～120s,拔管速度控制在2.2m/min,施打順序按成排順序施工,成樁后不允許機械擾動。

3 路基CFG樁施工

在DK597+844.26～DK600+908.4段路基施工中采用長螺旋鉆進成孔芯管內泵送混合料成樁的施工方法,在施工中加強泵送混合料成樁的施工控制,以提高CFG樁的成樁質量;加強各工序間的施工配合,以提高成樁的速度;在施工中不斷積累相關數據,為以后施工提供參考經驗。

(1)長螺旋施工工藝流程[4]

原地面處理→測量放線→鉆機就位→鉆孔至設計高程→停鉆→泵送混合料→混合料灌滿后按規定速度邊泵送邊提拔鉆桿至地表→移位施打下一根。

①鉆機就位:鉆機就位后,應使鉆桿垂直對準樁位中心,確保CFG樁垂直度容許偏差不大于1%。采用在鉆架上掛垂球的方法,在鉆架上刻上明顯的對照位置線,每根樁施工前都有專門的人員進行樁位對中及垂直度檢查,滿足要求后,方可開鉆。

②混合料攪拌:混合料攪拌按配合比進行配料。每盤料攪拌時間按照普通混凝土的攪拌時間進行控制,控制在60～120s,坍落度控制在16～18cm。具體攪拌時間由攪拌站集中控制室進行控制,并在電腦中有詳細記錄。

③鉆進成孔:鉆孔開始時,關閉鉆頭閥門,向下移動鉆桿至鉆頭觸及地面時,啟動馬達鉆進。先慢后快,同時檢查鉆孔的偏差并及時糾正。在成孔過程中,發現鉆桿搖晃或難鉆時,放慢進尺,防止樁孔偏斜、位移及鉆桿、鉆具損壞。根據鉆機塔身上的進尺標記,成孔到達設計高程時,停止鉆進。

④灌注及拔管:鉆孔至設計高程后,停止鉆進,開始灌注混合料,每根樁的投料量應不少于設計灌注量。鉆桿芯管充滿混合料后開始拔管,施工樁頂高程宜高出設計高程50cm,灌注成樁完成后,樁頂蓋土封頂予以保護。

在灌注混合料時,對于混合料的控制采用記錄泵壓次數的辦法,對于同一種型號的輸送泵每次輸送量基本上是一個固定值,根據泵壓次數來計量混合料的投料量。

灌注時采用靜止提拔鉆桿,在特殊情況下采用邊轉邊提進行灌注,如圓礫層等情況下,拔管速度控制在2～3m/min[5]。

⑤移機:上一根樁施工完畢,鉆機頭進行保護,移位,進行下一根樁的施工。

⑥現場試驗:對于每盤混合料,試驗人員都要進行坍落度的檢測,合格后方可進行混合料的投料,在成樁過程中抽樣做混合料試塊,每臺班做1組試塊,測定其28d抗壓強度。

(2)施工工效

該段路基CFG樁施工時間為2009年12月1日～2010年5月1日,其中凈工作時間為130d。使用該型號長螺旋鉆機芯管內泵送混合料的施工方法,單機成樁工效約450m/d(24h),且不受地下水的影響、,安全環保,適合各種軟土地層。成型CFG樁見圖1。

(3)施工質量控制要點

圖1 成型CFG樁

①應選用技術先進、性能穩定的施工設備[6]。針對新鄉段的地質條件,長螺旋鉆機具有工效高、成孔質量易控制等優點,應優先選用。

②混合料灌注時鉆桿提拔速率和輸送泵的泵送量要密切配合,鉆桿靜止提拔,并保證連續提拔,施工中嚴禁出現超速提拔及先提管后泵料。灌注過程中芯管插入混合料的最小深度宜按25cm控制。

③確保樁長達到設計要求。設計要求CFG樁必須穿透軟弱土層至硬底,對于第四系地層一般應嵌入砂類土或硬塑黏性土≮2m,對于下伏基巖段應嵌入全風化層≮1m。

④混合料的各種材料技術指標必須滿足規范要求,其抗壓強度必須滿足設計要求。需要特別注意的是當采用機制砂作為施工配料時需采用以下規范標準:《鐵路混凝土與砌體工程施工規范》(TB10210—2001 J118—2001)[7]、《鐵路混凝土與砌體工程施工質量驗收暫行標準》(TB10424—2003,J283—2004)[8];當采用泵送劑時注意與減水劑的相容性。

⑤做好地質情況的復核工作。對有代表性的地點在施鉆過程中適時提鉆,以確認地層分布情況是否和地質資料一致,特別是鉆進達到設計深度時要確認樁尖土是否已經達到持力層足夠深度[9]。必要時,可在相鄰兩地質橫斷面中間進行補鉆,以進一步復核地質情況。若出現異常情況,則必須及時通知監理和設計單位到現場確認,并提出處理意見。

⑥做好季節性施工的施工預案。

(4)檢測內容

按設計及相關規范要求的頻率嚴格進行檢測,同時現場配合監理單位的平行檢驗(試驗)及第三方檢測單位的檢測工作。

①混合料28d齡期標準立方體試件抗壓強度≮20MPa。

②成樁28d后采用低應變檢測 CFG樁樁身完整性。

③CFG樁按復合地基設計時,處理后的復合地基承載力、變形模量應滿足設計要求;按柱樁設計時,處理后的單樁承載力應滿足設計要求[10]。

④CFG樁檢測試驗結果應及時上報相關單位,便于分析。

圖2為單樁檢測,圖3為低應變檢測。

圖2 單樁檢測

圖3 低應變檢測

(4)施工控制注意事項

①做好施工放樣的樁位保護工作,并做好施工前復核,確保施工放樣準確。

②嚴格按照設計深度施工,不允許私自調整樁長。

③嚴格控制混合料拌和時間和坍落度。大量工程實踐表明,混合料坍落度過大,會形成樁頂浮漿過多,樁體強度也會降低。坍落度控制在16～20cm,和易性好,當拔管速率適當時,一般樁頂浮漿可控制在10 cm左右,成樁質量容易控制[11]。

④嚴格控制拔管速度。拔管速率太快可能導致樁徑偏小或縮頸斷樁,而拔管速率過慢又會造成水泥漿分布不勻,樁頂浮漿過多,樁身強度不足和形成混合料離析現象,導致樁身強度不足[12]。故施工時,應嚴格控制拔管速率。正常的拔管速率應控制在2～3 m/min。

⑤設置保護樁長。試樁在加料時,應比設計樁長多加0.5m的填充料,用插入式振搗棒對樁頂混合料加振3～5s,提高樁頂混合料密實度。

⑥上部用土封項,增大混合料表面的高度即增加了自重壓力,可提高混合料抵抗周圍土擠壓的能力,避免新打樁振動導致已打樁受振動擠壓,混合料上涌使樁徑縮小。

(5)安全控制

施工現場標準化管理,進入現場必須戴安全帽,不允許穿拖鞋、打赤膀等;用電執行一機、一閘、一漏電保護、接零、接地;實行三相五線制等;特種人員必須持證上崗等嚴格按照施工現場安全管理規定進行管理[13]。做到安全第一,防患于未然。

(6)環境保護措施

①貫徹執行國家及地區的環境保護的有關政策、法規,對全體施工人員進行環境保護知識,法規宣傳教育,做好環境保護工作和文明施工[14～15]。

②控制施工污染,減少污水、空氣粉塵及噪聲污染,施工廢渣、廢棄雜物應制定地點堆放,統一處理。

4 結語

石武鐵路客運專線通過全面推廣與應用CFG樁對松軟路基進行加固處理,不但大大降低了施工成本,而且將全線路基工程的工期提前近1個月完成。隨著近年我國高速鐵路及地產業的迅猛發展,CFG樁這種新型松軟路基樁體,將會憑借其高強度的復合地基承載力、經濟快速的成樁率、安全環保等施工特點得到更為廣泛的應用。

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[3] TB10426—2004,鐵路工程結構混凝土強度檢測規程[S].

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[5] 閆明禮,張東剛.CFG樁復合地基技術及工程實踐[M].北京:中國水利水電出版社,2001.

[6] 黃 勇.淺談客運專線長螺旋法施工CFG樁質量控制[J].科技資訊,2009(12).

[7] TB10210—2001,J118—2001,鐵路混凝土與砌體工程施工規范[S].

[8] TB10424—2003,J283—2004,鐵路混凝土與砌體工程施工質量驗收暫行標準[S].

[9] 陳圣仟.CFG樁復合地基的機理及在工程中的應用[D].濟南:山東大學,2007.

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