高速鐵路地基處理施工工藝及方法探討

何奎元 譚春騰 匡華云

(湖南高速鐵路職業技術學院 湖南 衡陽 421001)

1 高速鐵路地基處理原則

客運專線地基處理的方法與客運專線的類型、行車速度及工后沉降標準有關。根據有關客運專線的設計暫行規定，現在客運專線分有砟軌道和無砟軌道結構，行車速度為200～250km/h和300～350km/h及以上，工后沉降標準有15cm、10cm、5cm及15mm等。客運專線地基處理的原則是：

（1）按照客運專線的軌道類型、設計速度及工后沉降標準進行設計選擇。針對有砟軌道、速度為200～250km/h的客運專線，地基處理可采用排水固結、擠密樁、攪拌樁等復合地基的方法；針對無砟軌道、速度為300～350km/h及以上的客運專線，地基處理一般不采用排水固結的方法，而采用CFG樁和預制混凝土打入樁的方法。

（2）對于濕陷性黃土地段，采用消除地基濕陷性的方法，6m以內可采用強夯、6～20m可采用水泥土擠密樁，大于20m可采用CFG樁或鉆孔樁樁板結構等措施。

（3）對于膨脹土地段，采用消除地基遇水膨脹的封閉或加壓的方法，對于路塹段采取換填1.5～2.5m改良土封閉處理的措施，對于路堤段采取地基換填深度加改良土填筑高度大于2.5m加壓處理的措施。

（4）對于淺層松軟土采用挖除換填、強夯及沖擊壓實的方法，對于深厚軟土采用CFG樁和預制混凝土打入樁的方法。

（5）對于巖溶地段采用注漿、灌砂、回填片石等方法。

（6）對于砂土液化地段，采用消除地基液化的擠密砂樁或擠密碎石樁的方法。

2 高速鐵路地基處理方法

2.1 原地面處理

（1）做好排水工作和清表后的晾曬工作；（2）換填材料是否符合設計要求(每5000m3做一組土工試驗，包括液塑限、擊實等)；（3）壓實度能否滿足設計要求；（4）路基寬度是否符合設計要求。

2.2 排水固結法

排水固結法適用于飽和軟粘土層的加固處理。排水固結的方法和原理是：首先在飽和軟粘土層表面填筑路拱、鋪設排水砂墊層、再在飽和軟粘土層中插設豎向排水通道，然后通過路堤填土和預壓荷載對飽和軟粘土層施加壓力，使軟粘土孔隙中的水擠排出來，軟土地基產生固結變形。隨著排水固結變形的發展，軟土中有效應力逐漸提高，地基土的強度逐漸增長，地基承載力得到提高。排水固結法，通過施工期間使飽和軟粘土層產生快速固結沉降，可控制路堤的工后沉降和路堤的整體穩定性。排水固結法的砂墊層應采用透水性好的中粗砂，含泥量不大于3%，其滲透系數一般不低于10-3cm/s。排水砂墊層應具有一定的厚度和坡度，為使其在地基沉降變形后不產生反坡，按設計要求填筑路拱。排水砂墊層當起持力層作用時，可在砂墊層中加設土工合成材料。排水固結法的豎向排水通道一般采用塑料排水板或袋裝砂井。塑料排水板是廠家專門生產的厚度4.5～6.0mm，寬度100mm的高壓聚乙烯芯板外包無紡布濾膜的成卷板材。袋裝砂井是用具有一定抗拉強度的直徑7～12cm聚丙烯或聚乙烯編織長袋，裝滿含泥量不大于3%的中粗砂，形成袋裝砂井。塑料排水板或袋裝砂井采用專用的打設機械，按設計深度插入軟土，為保證排水通道暢通塑料排水板或袋裝砂井的出露部分或埋入砂墊層長度不少于30cm。

2.3 擠密砂（碎石）樁復合地基

擠密砂（碎石）樁適用于松散砂土、粉土、粘性土、素填土及雜填土地基加固，主要靠樁的擠密和施工中的振動作用使樁周圍土的密度增大，從而使地基的承載能力提高，壓縮性降低。在松散砂土和粉土地基中起擠密、振密和抗液化作用。在粘性土地基中起置換和排水作用。擠密砂（碎石）樁的用料，最好用級配較好的中、粗砂，當然也可用砂礫及碎石。對飽和粘性土因為要構成復合地基，特別是當原地基土較軟弱、側限不大時，為了有利于成樁，宜選用級配好、強度高的砂礫混合料或碎石。填料中最大顆粒尺寸的限制取決于樁管直徑和樁尖的構造，以能順利出料為宜，規定最大不應超過50mm。考慮有利于排水，同時保證具有較高的強度，規定砂石樁用料中小于0.005mm的顆粒含量（即含泥量）不能超過5%。擠密砂（碎石）樁施工采用振動沉管的方法將樁管打入設計深度，樁管內填砂或碎石，振動提拔樁管，砂或碎石振出，向下擠壓樁管，再提拔樁管再向下擠壓，反復作用形成擠密砂（碎石）樁，擠密砂（碎石）樁根據施工設備和地基土條件，其樁管直徑一般為300～800mm，樁間距一般可控制在3～5倍樁徑之內較合理。

2.4 半剛性樁復合地基

半剛性樁復合地基這里特指粉體噴射攪拌樁、漿體噴射攪拌樁、高壓旋噴樁。這三種地基處理方法是通過機械對加固土體噴射粉體或漿體加固材料（水泥或石灰），并強制攪拌，使土體與加固材料發生化學反應形成加固樁體，提高土體的強度。采用粉體噴射攪拌樁、漿體噴射攪拌樁、高壓旋噴樁進行地基處理時，主要考慮在對地基沉降、承載力和穩定性有較高要求的結構部位，如公路、鐵路的路橋過渡段、涵洞基礎、房建結構基礎等的地基處理，以半剛性樁復合地基的形式承受荷載作用。半剛性樁復合地基的沉降計算應考慮復合地基樁體的壓縮變形s1和樁底以下未加固土體的壓縮變形s2。s1的計算一般可采用復合模量法、應力修正法、樁身壓縮量法等。S2的計算一般可采用應力擴散法、等效實體法、當層法等。

2.5 土工格柵碎石墊層施工質量控制要點

（1）材料控制(碎石、土工格柵等)；（2）土工合成材料和碎石之間設置5cm的中粗砂保護層；（3）對出庫的每卷土工格柵都由施工單位進行質量檢驗并填寫出庫檢驗單，隨材料一同進場，（按《驗標》要求檢查）；（4）施工中需要經常檢查的項目。

2.6 灰土擠密樁

灰土擠密樁施工方法和加固原理:灰土擠密樁包括石灰土擠密樁、水泥土擠密樁和柱錘沖擴樁等，適合對松軟非飽和土的加固處理，如濕陷性黃土消除其濕陷性的加固處理。鄭西客運專線對地基處理深度為22米以內的濕陷性黃土采用了水泥土擠密樁或柱錘沖擴樁的方法進行消除其濕陷性的加固處理。施工前應進行成樁試驗，確定成孔設備、灰土拌和設備、施工工藝參數。灰土擠密樁施工，首先①成孔，成孔方法可采用振動擠密、長螺旋或機械洛陽鏟掏土成孔，然后②人工向孔內充填機械拌合好的水泥土料，③重錘分層夯實，重復②③工序直到擠密成樁。

2.7 CFG樁

CFG樁是水泥粉煤灰碎石樁的簡稱(即Cement FIying-ash Gravel Pile)。它是由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘結強度樁，和樁間土、褥墊層一起形成復合地基。

CFG樁適用于粘性土、粉土、砂土和已自重固結的素填土等地基加固處理。對于淤泥質土及流塑狀軟土應慎用。CFG樁可用振動沉管機施工，也可用長螺旋鉆機。而選用哪一類成樁機和什么型號，要視工程的具體情況而定。振動沉管成孔對周圍原狀土有擠密作用，長螺旋鉆機成孔對周圍原狀土沒有擠密作用。對于成孔要求質量高的地區，使用長螺旋鉆孔管內泵壓成樁工藝。長螺旋鉆機施工，首先①定位，②鉆孔到設計標高，③提鉆并泵送CFG料，④到地面成樁性的承載板直接與樁土接觸，實際測到的是單樁承載力。

2.8 混凝土打入樁

高速鐵路在通過深厚軟弱土層，當地基處理大于30m，采用CFG樁不經濟時，一般采用混凝土打入樁進行地基處理。對于津京城際、滬寧城際、京滬高速鐵路，采用了大量的混凝土打入樁進行地基處理。打入樁地基處理地段一般采用樁板或樁筏的承力結構。打入樁一般采用預制鋼筋混凝土管樁或方樁，根據地質條件、樁型和樁體承載力可采用錘擊法、振動法或靜壓法打入。

2.9 樁板、樁筏、樁網結構

高速鐵路由于采用了無砟軌道結構，速度達到350km/h及以上，對路基平順性和工后沉降有較高的要求，所以對通過的軟弱土地段大量采用了CFG樁、混凝土打入樁或鉆孔樁進行地基處理，并采用樁板、樁筏或樁網的承力結構，以保證高速鐵路路基的安全可靠。

2.10 混凝土薄壁筒樁

混凝土薄壁筒樁是在軟基加固現場直接澆灌制成的混凝土樁。其樁外徑為0.8～2.0m，壁厚120～250mm，中心充滿地基土。其具有樁帽，與樁間土、墊層一起形成復合地基。

薄壁筒樁多用振動沉管機施工，其工藝為——雙層鋼護筒沉入地下——向夾層中灌入混凝土——啟動振動錘拔出雙層鋼護筒——形成一根薄壁筒樁。適應于深厚淤泥質粘性土加固。

成樁質量檢測同混凝土樁。

3 高速鐵路地基處理存在的技術問題

我國幅員遼闊，地質條件復雜，各客運專線遇到的地基處理問題各不相同。但由于工期緊任務重，對于設計、施工和建設單位來說，沒有時間和精力進行前期的試驗研究工作，地基處理的設計一般是簡單化、保守化、經驗化。有些地區可能是地基處理過強，存在保守浪費現象；有些地區由于對復雜地質的認識有限，看似地基處理較強，但還出現了失穩破壞的現象。從大規模的客運專線建設過程中出現的技術問題有：

（1）地基處理大量采用CFG樁，存在簡單化、經驗化、萬能化的現象，對其適用條件沒有進行深入研究。現場出現掉樁頭、斷樁、串樁、充盈系數偏大、局部斷樁等情況，這與流塑狀軟土的不排水抗剪低、觸變靈敏度高有關。

（2）對深厚及流塑狀軟土的地基處理簡單化、經驗化，一般采用CFG樁和預制混凝土打入樁。現場除出現上面的現象外，還出現使加固區以外建筑物外擠、隆起的現象，影響建筑物的使用安全。

（3）對個別客運專線，設計采用了合理的地基處理方法，施工質量經檢驗合格，路基填筑后出現失穩破壞的情況，應從技術及認識角度認真分析原因、總結經驗，這樣才對今后有借鑒作用，不要只說是施工單位質量問題或推脫為自然災害等。

（4）地基處理只考慮了路基荷載的影響，還應考慮運營過程中，路基附近一定影響距離內水塘、基坑等開挖（偏載）對路基安穩定的影響。

（5）路橋分界處的橋頭錐體部位地基處理有局部漏的，使錐體部位出現下沉開裂。

（6）地基處理深層檢測技術有局限性，實際施工質量的過程控制尤為關鍵。但施工隊伍的技術水平是有差別的，所以設計上可能會加大安全系數，對于間距減小、樁徑和樁長的加大，勢必又會給施工增加技術難度。

（7）各客運專線出現的地基處理問題有重復性，設計、施工和建設單位應及時交流并引起足夠的重視。

（8）各客運專線進行的地基處理科研試驗段，個別存在簡單化、重復性、全線指導性滯后等問題。

4 高速鐵路地基處理的建議

針對客運專線地基處理存在的技術問題應加大前期研究工作，建議對流塑狀軟土抗剪強度及觸變特性、地基處理不同形式的組合、工藝及模式進行研究。

（1）研究流塑狀軟土的抗剪強度及觸變特性對CFG樁、混凝土打入樁的影響機理。

（2）研究排水固結+CFG樁的地基處理組合形式，用排水固結預加固流塑狀軟土，以解決CFG樁掉樁頭、斷樁、串樁、充盈系數偏大、局部斷樁等技術問題。

（3）研究強夯+CFG樁的地基處理組合形式，用強夯解決表層濕陷性黃土的濕陷性和變形，用CFG樁解決路基的持力和變形問題。

（4）研究擠密土短樁+CFG長樁的地基處理組合形式，用擠密土短樁解決表層濕陷性黃土的濕陷性和變形，用CFG長樁解決路基的持力和變形問題。

（5）研究CFG樁加鋼筋的工藝形式，提高CFG樁的強度，可加大樁間距，減小地基處理工作量。

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