淺談螺桿樁在高速鐵路粉砂層地基處理中的應用

錢勝

摘要： 本文以張呼客專鐵路某標某某段路基施工為背景，在高速鐵路松軟土粉砂層地基處理施工中，采用螺桿樁施工技術，并取得了顯著效果，為鐵路路基工程螺桿樁施工控制提供有益經驗。

Abstract： In this paper， taking a section subgrade contruction of Zhangjiakou-Huhhot passenger dedicated railway as the background， in the foundation treatment of silt layer of the high-speed railway， the screw pile technology is used and has achieved remarkable results， providing useful experience for screw pile construction control the railway subgrade engineering.

關鍵詞： 螺桿樁；高速鐵路施工；粉砂層地基

Key words： screw pile；high-speed railway construction；silty sand foundation

中圖分類號：U238 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）15-0071-04

0 引言

螺桿樁是在長螺旋鉆孔灌注樁與日本鋼釬維全螺紋預制樁的基礎上研發的新樁型，已被廣泛應用于高層建筑施工中。隨著我國鐵路施工技術的迅速發展，近年來這項樁基施工技術也逐漸在鐵路施工中得到更多更廣泛的應用，螺桿樁承載力高、造價低、施工快速環保的優點更為突顯。新建張家口至呼和浩特鐵路是設計時速250公里的客運專線，某標段路基段全部為松軟土路基，地下水埋深淺，存在液化現象，為滿足路基工后沉降的設計要求，地基加固處理采用了螺桿樁技術。

1 工程概況

1.1 地質情況

新建張家口至呼和浩特客運專線位于華北北部，地形地貌為沖洪積平原，地勢起伏不大，多為旱地及草地，植被較為發育，地面相對高差相對較小，地下水主要補給為大氣降雨滲入，地下水對混凝土無侵蝕性。整條線路呈東西走向，全長286.773km。某標段施工范圍內路基類型屬松軟土路基，地層結構依次為粉土、粉砂、細砂、中砂和細圓礫土等。

松軟土：松軟土分布較為廣泛，沿線地表分布的第四系的黏性土、粉土、砂質黃土等地層的表層，承載能力較低，沉降變形較大。

黃土：厚度不等，一般為3～15m，局部可達40m。一般具有I級非自重-II級自重濕陷性，部分地段具有Ⅲ級自重濕陷性，濕陷土層厚度3～20m。

1.2 地震動參數區劃

工程所在位置土壤最大凍結深度1.31m。根據國家質量技術監督局1：400萬《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），結合本線工程地質條件，沿線地震動峰值為0.10g（地震基本烈度7度），地震動反應譜特征值0.40s。

1.3 水文及氣象條件

該地區屬中溫帶干旱氣候區，大陸性氣候明顯，季風影響顯著。冬季長而寒冷，夏季短而溫涼，春秋季氣候多變，溫差大，日照充足。年降雨量小，多集中在7～9月份，年平均降水量394.7mm。

該地區地表水系不發育，無常年地表徑流，地表水主要為大氣降水形成的地表水流，水量受季節性影響較大，其自然排泄順暢，需注意暴雨期間對施工的影響；地下水主要是第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，地下水較發育。

第四系松散巖類孔隙潛水：孔隙潛水主要賦存于河谷階地、山間盆地及沖溝中，局部地段孔隙水具承壓性，沖洪積的砂類土及碎石類土為其主要的含水層；基巖裂隙水：基巖裂隙水，又分基巖裂隙潛水和承壓水兩類。基巖裂隙潛水主要賦存于各類基巖的風化帶及構造裂隙中，一般埋深大于20m，多數水量不大，部分地段埋藏較淺，地表徑流較弱，大氣降水多沿裂隙下滲，為地下水的主要補給源，地下水位隨季節變化顯著。局部地段具承壓性，主要賦存于構造裂隙中，水量較大，承壓水多存在于太古界變質巖中，因原巖成分的差異及遭受多期構造運動的影響，致使構造節理裂隙發育程度不同，加之多期巖脈的侵入和斷裂的切割阻隔作用，形成了部分地段和層位無含水、部分地段和層位無隔水的構造，形成了承壓含水層。

2 施工技術參數

本標段螺桿樁設計樁徑0.4m，呈正方形布置，間距2m，樁長設計12.28～24.43m，樁身上部圓柱段為總樁長的1/3，余下2/3為螺紋段，樁身混凝土強度為C20，其上設置直徑1.0m、高0.4mC25混凝土樁帽。螺桿樁具體設計如圖1。

3 鉆機選型及主要設備表（表1）

根據臨近工程施工地質情況調查，施鉆過程中有可能出現卵石層，設備選型過程中應充分考慮設備扭矩和鉆桿剛度問題，就此選用JUS180履帶式螺桿樁機其參數如下：塔高41（m）；鉆孔深度35（m）；最大鉆孔直徑？準1500（mm）；動力頭輸出扭矩450（kN·m）；履帶最大工作寬度7100（mm）；最大提拔力800（kN）；整機質量110（t）；配重質量22（t）。

此種機型在類似工程使用過程中性能穩定，成樁質量好，效率較高，與其他螺桿樁機相比，動力輸出扭矩大，同步操作性強，輸出轉速調節范圍廣，底盤穩定操作簡單故障率低，施工效率明顯提高。特別是復雜地層的施工更體現它的優越性，具有在卵石層、漂石層及堅硬巖層高效鉆孔能力。

4.施工人員及組織情況（表2）

5 施工工藝要點

施工工藝流程詳見圖2、圖3。

5.1 施工準備

①螺桿樁施工前應具備以下文件資料：

1）路基施工圖，地質柱狀圖及補勘資料；

2）施工區域內的地下管線、地下構筑物等的調查資料；

3）螺桿樁樁位平面布置圖及技術要求；

4）試樁資料或工藝實驗資料；

5）施工技術交底、安全技術交底、作業指導書、施工方案等。

②施工前，清除地表土、腐殖土，回填平整場地，對現場標高進行調整至設計標高，并做好地表排水系統，保證現場不積水以滿足現場施工要求，最后壓路機碾壓密實。

③施工前應做好原材料質量檢驗工作。

④測量人員對設計控制樁進行復測定位，利用全站儀放出試樁樁位。

⑤施工前應做試樁，其目的是核對檢驗所選設備、機具、施工工藝及技術要求是否合適。同時，檢測相鄰樁孔之間的影響，確定影響程度，相鄰樁孔之間影響較大時需要考慮跳打施工。如試樁滿足設計要求，則根據試樁試驗的數據確定施工時工藝參數，編制試樁工藝性總結，指導螺桿樁大面積施工。

5.2 施工方法

①確定螺桿樁的施工順序。螺桿樁的施工順序應從路基一側向另一側施工，按編號順序進行，防止樁位漏打，同時根據樁間距和地層的滲透情況以及成樁試驗結果，確定是否采用跳樁施工方法，以免因擠壓造成相鄰樁孔縮徑，甚至影響樁體完整性。

②測量定位放線。測量定位放線要嚴格按照設計施工圖紙進行，采用全站儀和鋼尺測量，逐個施放在現場，樁位中心點用釬子插入地下，并用白灰明示。

③樁機就位、對中。采用主要施工機械設備為JZU180型螺桿樁機，80型泵送混凝土機。螺桿樁機到達指定樁位進行對中。首先使樁機鉆桿的鉆頭垂直對準施工的樁位，螺桿樁機就位后必須調直、調平并穩固，確保成孔垂直度，容許偏差不大于1%。樁位容許偏差不大于10cm。

④調整鉆桿垂直度。樁機就位后，應用樁機塔身的前后和左右的垂直標桿檢查鉆桿，校正位置，使鉆桿垂直對準樁位中心，確保垂直度小于1%樁長。

⑤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。一般應先慢后快，這樣既減少鉆桿搖晃，又容易檢查鉆孔的偏差，以便及時糾正。在粉砂層地層中，鉆進速度宜控制在1.5m/min左右，鉆進電流控制在50～110A，在鉆進過程中，如發現鉆桿劇烈搖晃或震顫時，應降低鉆進速度，否則將導致導致鉆孔偏斜位移和螺紋結構破壞，甚至使鉆桿、鉆具損壞。在鉆孔的過程中操縱樁機自控系統聯動同步裝置嚴格控制鉆桿進給速度和旋轉速度，使二者匹配。形成圓柱段時，要求鉆桿每下降一個螺距，鉆桿旋轉二周以上，鉆至螺桿樁直線段設計深度。形成螺紋段時，要求螺桿樁鉆桿每下降一個螺距，鉆桿旋轉一周，鉆至螺桿樁螺紋段設計深度。當遇有障礙物時應立即停鉆，判明原因后處理重新鉆進。

⑥反向旋轉提升鉆桿及泵送混凝土。螺桿樁成孔到達設計標高后，停止鉆進，開始泵送混凝土，泵送前檢查泵管密閉性減少泵管彎曲保持平順，灌注前應先泵送配合比砂漿潤管，泵送混合料的坍落度宜控制在18～22cm，混合料攪拌時間不小于60s，當鉆桿芯管充滿混凝土后，螺桿樁機反向旋轉提升鉆桿，與鉆進參數相同達到螺紋成形目的，鉆桿其旋轉的轉數和提升速度應保持聯動同步，勻速控制提管速度，要求鉆桿旋轉一圈，鉆桿上升一個螺距。與此同時泵送高壓的細石混凝土迅速填充由于鉆桿同步旋轉提升所產生的螺紋段空間。當鉆桿提升至螺紋段頂面的設計高度時，鉆桿再次正向旋轉不同步聯動提升產生圓柱樁體，同時鉆頭泵出高壓混凝土大于6MPa澆筑，距樁頂2.5m時管內混凝土在自重狀態即可完成剩余部分混凝土澆筑，最后混凝土超灌至樁頂標高以上50cm。成樁過程灌注提升連續進行，應避免因后臺供料慢而導致停機待料。

⑦鋼筋籠制作。鋼筋籠制作過程中應嚴格按照設計尺寸加工，鋼筋連接全部采用焊接，為保證樁體鋼筋保護層厚度每隔2m進行焊耳焊接，嚴格檢查鋼筋籠變徑位置，螺紋段鋼筋保護層應按內徑進行控制。每隔3m加工中心桿定位筋保證鋼筋籠下沉的準確性，鋼筋籠底部加工尖頭焊接減少下放阻力提高導向性能。

⑧鋼筋籠下放。混凝土灌注至樁頂標高以上50cm，清除樁口泥土，采用樁基自帶吊裝設備吊起鋼筋籠對準樁位在自重作用和人工配合下緩慢下放，然后吊起震動裝置震動下放到控制標高。

⑨樁機移位進行下一根施工。對施工完成的樁體進行自然養護，必要時樁頭澆水并加蓋草簾，做好現場成品保護。重復以上步驟進行下一根樁的施工。

⑩樁頭鑿除及樁帽澆筑。所有螺桿樁達到一定強度后，先用風鎬鑿除樁頭至設計標高，清理樁頂檢查樁位，調整鋼筋位置后立模澆筑樁帽混凝土，強度達到設計強度10%拆除樁帽模板，達到設計強度后采用小型夯實機具夯實回填。

6 施工功效分析

根據螺桿樁施工全過程按24.43m樁50根取樣平均進行分析，樁機移動就位調整所需時間5min；正向鉆進至樁底標高所需時間為7 min；混凝土灌注反轉提升至地面9 min；鋼筋籠提升下放到位所需時間為4 min，總計成樁時間為25 min。混凝土平均充盈系數為1.08，對樁體強度、直徑、長度及完整性檢查，樁檢合格率100%。

7 施工質量保證

①螺桿樁樁身水泥可采用普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，所選用的水泥應有出廠合格證。

②混凝土用砂應選用粗砂或中砂，砂應質地堅硬、干凈，含泥量小于5%。

③粗骨料可選用卵石或碎石，石子應質地堅硬、耐久、干凈，混凝土石子粒徑宜采用8～25mm，壓碎值指標滿足要求。混凝土強度等級為C20，施工過程中嚴格按照配合比下料，嚴格控制粉煤灰的慘入量，塌落度控制在18～22cm。

④混凝土應符合泵送混凝土的要求，粉煤灰等級要求Ⅲ級及以上。減水劑、泵送劑等外加劑可根據不同的使用要求適量參入。外加劑的用量根據施工需要通過實驗確定。

⑤泵料時，嚴禁先提鉆后泵料，確保成樁質量。

⑥若施工中因其它原因不能連續灌注，須避開飽和砂性土、粉土層，不得在這些土層內停機。

8 安全管理重點

①大風天氣禁止操作，鉆桿回收停放。

②鉆機必須支撐穩定地基上，對于軟土地帶應初步換填墊設鋼板，防止鉆機失穩傾覆。

③鉆機操作人員必須培訓并持證上崗，不得酒后作業。

④必須按照鉆機說明書定期進行保養維護。

⑤鉆機上方與既有電線路保持安全距離，防止觸電事故發生。

⑥鉆機施工作業前必須進行探槽探知地下管線埋設情況。

⑦鉆機工作前應試運轉，確保設備各項參數處于正常狀態，而后才能正常施鉆。

⑧施工過程中如突然停電，設備各項開關應歸于零位，現場布置備用電源啟動。

⑨雨后應及時清除積水，防止地基浸泡造成地基承載力下降影響樁機穩定。

⑩吊具應定期進行檢查排除安全隱患。

9 結論

①螺桿樁與傳統的混凝土灌注樁、長螺旋灌注樁相比在施工過程中不取土，對樁間土有明顯的擠密效果。通過對天然地基的擠密，降低了地基土的壓縮性，從而提高了天然地基的承載力，減小了地基的沉降。對沉降變形要求很高的構筑物，螺桿樁有很高的應用價值。

②由于螺桿樁的下部形成了螺紋段，使樁的受力性能發生了變化，螺紋段不但提高了與周圍土體的接觸面積而且土體的提供的剪切反力也遠大于摩阻力，從而提高了樁的整體承載能力。在相同條件下，螺桿樁與普通直桿灌注樁相比單樁的極限承載力有顯著提高。

③螺桿樁單樁承載力較高，在達到同等設計效果下與直樁相比可縮短樁長，減少樁徑和減少樁數，從而降低工程造價，便于施工。

④目前隨著螺桿樁應用的普及，專業設備制造有了長足發展，現有螺桿樁鉆機成套設備具有機械扭矩潛能大，穿透力強的特點，因此螺桿樁對于不同土質有很強的適應性，并且不受地下水位的影響。

⑤螺桿樁施工工藝簡單便于操作，具有無振動、低噪音、無環境污染等綠色樁型特色。

⑥通過螺桿樁處理的復合地基可以有效降低地震力對結構的影響，由于加固后消除了可液化土層，從而可以廣泛地應用于地震區工程施工。

⑦螺桿樁機設備性能先進，自動化程度高，勞動強度低，可靠性強，施工進度快，可以連續泵送混凝土成樁。

參考文獻：

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[2]TB10424-2010，鐵路混凝土工程施工質量驗收標準[S].

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