淺談偏心潛孔錘跟管注漿在路基加固中的應用

田家+++郭少華

摘要：既有線頂橋路基穩定性是決定頂橋能否順利進行的關鍵，也是決定既有線營運安全的關鍵。對既有線頂橋范圍及橋體兩側對路基進行注漿加固已成必然趨勢，本論文針對復雜地層路基加固采用偏心潛孔錘跟管鉆孔注漿進行闡述。

一、工程概況

本工程在鐵路石太下行線K19+483m（石太下行線k19+483，石太Ⅲ線k28+434，石太Ⅳ線k28+462）處下穿鐵路。該里程處線鐵路東西走向，四線電氣化，主軌為P60軌，鋼筋混凝土枕；本橋就位位置位于鐵路緩和曲線段，鐵路縱坡13‰。采用7-14-7m頂進框架橋結構形式，框架橋中心線與鐵路中心線交角86°。本橋高度12m，結構凈空高度10.1m，頂進最大頂力為7968.75T，頂程34.23m，本橋是石太客專線最大跨度、凈空最高的頂橋。

本橋頂進范圍內路基地質情況分為三層。第一層土體為A類料（圓礫土及碎石土），土層厚度為3～6m，土體承載力為150Kpa。第二層土體為山皮土，土層厚度為1.2-1.5m，土體承載力為150KPa。第三層土體為新黃土，土體承載力為160Kpa，土層厚度為17.6m，框構橋預制位于此地基上。第一層土體穩定性較差，另外頂進前雪災增大了此段路基含水率，在列車動荷載影響下，極易造成路基塌方。為防止頂橋橋體范圍內及橋體兩側路基塌方，北京鐵路局要求此段路基進行注漿加固。

二、注漿范圍

為保證頂進過程中線路及列車運行安全，防止路基前方塌方及側塌，擬對框構橋就位位置及東西兩側各10m范圍路基進行注漿加固。

三、鉆孔注漿方案選擇

1、高壓旋噴注漿加固法施工

采用MGJ-50鉆機成孔高壓旋噴法進行注漿加固。旋噴法施工是利用鉆機把帶有特殊噴嘴的注漿管鉆進至地層的預定位置后，用高壓脈沖泵，將水泥漿液通過鉆桿下端的噴射裝置，向四周以高速水平噴入土體，借助流體的沖擊力切削土層，使噴流射程內土體遭受破壞，與此同時鉆桿一面以一定的速度旋轉，一面低速徐徐提升，使土體與水泥漿充分攪拌混合，膠結硬化后即在地基中形成直徑比較均勻，具有一定強度的樁體，從而使地層得到加固。

施工效果評定：高壓旋噴鉆機穿A類料困難，鉆頭遇小卵石容易改變鉆進方向，遇大卵石無法鉆進，采用此種方式鉆進深度及鉆進方向無法保證。再者鉆機鉆進過程中，注漿壓力達到25-28MPa，易導致鐵路線路隆起。鉆孔過程中用水量較大，增大了既有路基的含水量，在頂進過程中易形成塌方。此種施工方法不適合本工程。

2、潛孔錘鉆孔PVC管注漿施工

風動潛孔錘也稱風動沖擊器，潛孔錘在空壓機的作用下，以壓縮空氣為動力介質驅動其工作的，對硬巖進行高頻率破碎沖擊；在氣動潛孔錘鉆進過程中，高壓空氣驅動沖擊器內的活塞作高頻往復運動，并將該運動所產生的動能源源不斷的傳遞到鉆頭上，使鉆頭獲得一定的沖擊功。鉆頭在該沖擊功的作用下，連續的對孔底巖石施行沖擊。巖石在該沖擊功的作用下，形成碎屑。同時，空壓機產生的壓縮空氣也兼作洗井介質，將潛孔錘破碎的碎屑攜出孔內。潛孔錘在卵石層、塊石、孤石、中風化和微風化硬巖地層的鉆探中，取得了良好的效果，能夠較快成孔。風動潛孔錘鉆孔工藝是將潛孔錘施工技術與注漿技術結合起來，以解決復雜地層的注漿難題。潛孔錘成孔后抽出鉆頭，穿入PVC管后封口進行注漿，注漿壓力可控制在0.3-0.5MPa之間，大大降低了鐵路線路隆起風險。

施工效果評定：潛孔錘在卵石層鉆進過程中土質松散，漏風嚴重，周圍有竄風現象，孔口基本不排碴，只偶爾有少量細顆粒碴子排出，底部大顆粒巖屑不能經過孔口排出，只能落到孔底經反復上下鉆進時重復破碎成細顆粒，整個造孔過程時間長，且容易造成埋鉆事故。潛孔錘在卵石層成孔過程中易對路基卵石層擾動造成塌孔，另外列車對路基的擾動也是塌孔的主要原因。潛孔錘抽出后無法穿入PVC管導致無法注漿。故此種施工方法不適合本工程。

3、偏心潛孔錘跟管鉆孔PVC管注漿施工

鉆具組成：套管（長度為2米標準節和1米的調整節，接長采用絲扣聯結）、管靴、偏心潛孔錘鉆頭、空心鉆桿、拔管器。

鉆進采用偏心潛孔鉆，其鉆孔原理與潛孔鉆工作原理基本相同，鉆頭位置設置偏心裝置。套管的跟進是通過潛孔錘連接在套管上的管靴帶動套管同步跟進。套管的主要作用是護壁，防止在成孔過程中對巖體擾動掉塊，另一個作用是套管直徑較鉆桿大，剛度較好，防止鉆桿彎曲，提高成孔質量。鉆孔長度達到設計后，抽出偏心潛孔錘穿入PVC花管后，抽出套管進行注漿。

偏心潛孔錘跟管鉆孔施工原理圖

施工效果評定：

套管加工為定型產品，可多次重復使用，以減少成本費用。鉆孔過程中無塌孔現象，跟管抽出前穿入PVC花管能夠保證注漿質量及注漿壓力，大大降低了鐵路線路隆起風險。跟管鉆進能夠較好的維持風壓、風速，能夠將鉆孔產生的碎屑及時帶出。

經三種施工方案對比采用偏心潛孔錘跟管鉆孔PVC管注漿施工，能夠提高工作效率，降低施工風險，能夠保證既有線運營安全。

四、橋體范圍內注漿實施

1、注漿加固原理

注漿法原理通過注漿管把漿液均勻的注入地層中，漿液以填充、滲透和擠密等方式，將土顆粒或卵石縫隙中的水分和空氣排除后占據其位置，經一定時間后，漿液將原來松散的土?；蛏呈z結成一個整體，形成一個結構新、強度大的“凝結體”，以達到提高路基土體承載力，降低頂橋過程中路基塌方風險。

2、孔位布置

頂進范圍內對路基砂夾卵石層全面注漿，砂夾卵石范圍東側6m，西側3m范圍。排距、孔距為1m，1.5m，孔位采用梅花狀布置。鉆孔時角度為水平角度，鉆深為17m-25m。此注漿面共布設注漿孔89個。

3、成孔

施工前先將作業面清理干凈，將MD-50錨桿機就位。采用偏心跟管潛孔錘鉆具進行鉆孔，鉆頭直徑為100mm，鉆桿直徑60mm，跟管直徑為98mm，鉆孔直徑為100-120mm。用偏心跟管潛孔錘將上層砂夾卵石鉆孔待進入土層后，更換鉆具用螺旋鉆具，鉆到位后進行注漿。待成孔后將跟管置換成32mmPVC管，跟管逐段拔出。PVC管每隔20cm鉆10mm孔四個并用膠帶封閉，防止進入雜物堵塞注漿孔。鉆孔首先鉆角度小的，后鉆角度大的，待一批成孔后注漿。

4、注漿

注漿管就位后，將注漿孔封閉并預留排氣孔。待漿液從排氣孔內流出時，說明孔內空氣已排凈，封閉排氣孔進行壓力注漿。注漿材料采用水泥粉煤灰漿，水灰比為0.3～0.5。注漿采用ACF50～150注漿泵整孔靜壓注漿，壓力控制在0.3～0.5MPa范圍內。

在設計壓力下穩定5-10min即可終止該孔注漿，封堵孔口。若出現串漿（隔孔串漿、地面冒漿）或注漿量達到設計要求但壓力無法穩定時，應采取間歇注漿。

水泥漿在送漿前要不停攪拌，防止水泥漿液離析。輸漿管道不能發生堵塞，注漿開始或中途停止超過30min時，應用水或稀水泥漿潤滑注漿泵及其管路。

5、注漿量監測。

注漿工程技術要求采用雙控法鑒定注漿效果，即壓力控制與返漿控制?；蛘吣鼙ＷC試驗得出的壓力值，或者見到漿液返出可認為該孔注漿完成。注漿過程中，設專人盯控注漿機壓力表，發生壓力超限時，立即停機。

成孔后孔內有PVC管有效的防止孔內塌方，故可成一批孔后集中注漿，注漿時間安排在白天以便觀察線路變化。注漿時先注路基上層孔位，使其形成整體，可減小線路隆起危險。

五、橋體兩側注漿實施

在頂進過程中為防止橋體兩側土體側塌，須對橋體兩側進行注漿加固。鉆孔方式與橋體范圍內方式相同，注漿管變為直徑48mm鋼花管，孔位間距為1m，角度為10-75度，注漿后鋼化管不再抽出，相當于在橋體兩側形成鋼管水泥帷幕，提高橋體兩側土體承載力，降低側塌風險。

六、偏心潛孔錘鉆孔技術參數分析

偏心潛孔錘鉆進工藝的主要參數有兩個：風壓和風量。該項目所選沖擊器的額定風量為10m?/min，隨著孔深的增加和孔徑的增大，保證孔底巖屑的排出，減少巖粉的重復破碎達到理想的鉆進效率，通常要求孔內風量上返速度≥15m/s，此時氣流速度大于巖屑懸浮速度。根據跟管直徑、鉆桿外徑、排渣通道上的上返風速等條件，其風量可按下式計算： Q=47.1K1K2（D2 -d2 ）V

式中：Q———送風量m?/min；

K1———孔深修正系數K1=1～1.1；

K2——— 孔內涌水系K2=1～1.5；

D———跟管直徑； 98mm

d———鉆桿外徑； 60mm

V———上返風速（15～ 25m/s）

根據公式，孔口上返風速為24.7m/s，鉆孔深度鉆孔修正系數取K1=1.1，孔內涌水系數取K2=1.3；

風壓。

偏心潛孔錘屬低壓潛孔錘，所需風壓是0.5～0.7MPa，然而鉆進效率的高低是受風壓直接影響的，風壓越大，其沖擊功越大，碎巖效率越高。

經以上計算設備選型滿足施工要求。

七、鉆孔注漿施工中的主要技術問題處理

1、鉆孔風量不足

應對措施：根據鉆孔孔徑要求及已選空壓機風量，采用潛孔錘跟套管鉆進工藝鉆孔。跟管鉆進能夠較好的維持風壓、風速，能夠將鉆孔產生的碎屑及時帶出 。經實際應用，潛孔錘跟套管鉆進工藝解決了風量不足的問題，鉆孔施工過程中獲得較理想的效果。

2、巖屑串孔

應對措施：巖屑串孔是由于兩樁鉆孔間距較小，在高壓空氣作用下，高壓空氣通過地層中的孔隙，鉆孔與鉆孔之間連通，導致高壓空氣壓力降低。在鉆孔施工過程中，由于巖屑串孔問題的產生，導致鉆孔出口風量小于15m/s，無法達到排屑的目的，而使巖屑通過孔隙進入另一孔內，相鄰孔內形成一定厚度的沉渣。經研究分析發現，孔內沉渣對路基注漿影響較小，其原因主要有兩方面：

一方面是由于孔內沉渣顆粒較小，結構松散，注漿后對土體承載力影響較小。另一方面注漿后對凝固土體強度要求不高，能夠滿足列車擾動不塌方即可，凝固體強度過大，造成頂進時土體開挖困難，降低開挖效率，影響要點施工工期。

3、注漿安全保證措施

注漿施工中，設駐站員一名，施工現場設防護員兩名，監護人員到場，駐站人員，防護人員到位的情況下方可施工。安全監測工作由有經驗的線路工實施。注漿過程中，線路工執行趟檢制度并隨時觀測線路變化。施工中防護人員隨時保持聯系，報話機出現問題，用手機及時通報，調換報話機，調換報話機由候補人員執行，防護人員堅守崗位，隨時用手機溝通。施工員必須及時下達每項工序的施工安全交底單；并向施工人員將安全施工交底內容交待清楚，不斷加強各級施工人員的安全業務責任心和提高自我安全防范意識。

八、結語

在既有線頂橋施工中，針對本工程復雜地質情況，創造性的采用偏心潛孔錘跟管鉆孔方式解決了在卵石層路基鉆孔注漿的難題，并取得了較好效果，縮短了注漿加固要點工期，保證了既有線列車行車安全，保障了列車正常運營，為以后類似工程積累了施工經驗。

參考文獻：

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