螺旋鋼樁加固既有鐵路路基與邊坡技術

王希云，牛樂樂，蘇 謙，邵 康，劉凱文

(1.神華包神鐵路集團有限責任公司，內蒙古 包頭 014010；2.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；3.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031)

1 工程概況

巴準鐵路地處內蒙古自治區(qū)西南部鄂爾多斯市伊金霍洛旗和準格爾旗境內，沿線地形條件復雜，溝壑林立，路基高填深挖路段較多，路基的施工勢必引起原有地形、地貌、水流流向等變化。2016 年8 月22 日由于鄂爾多斯地區(qū)普降大雨導致巴準鐵路李家塔2 號大橋橋臺處路基邊坡滑塌、接觸網(wǎng)倒塌，鐵路中斷行車24 h，嚴重影響了鐵路正常運營。

2 地質情況

巴準鐵路位于鄂爾多斯高原，地勢呈西北高、東南低。李家塔2號大橋橋臺處路基水毀段均位于準格爾旗境內，為低中山區(qū)，地勢起伏較大，地形較陡峻，自然坡度30°～50°，植被不發(fā)育。工點所經(jīng)區(qū)域地面標高 1 115.5～1 151.2 m，相對高差35.7 m。內地層為第四系全新統(tǒng)沖洪積細砂，第四系上更新統(tǒng)風積砂質黃土下覆三疊系下統(tǒng)砂巖與泥巖互層。沿線巖土基本參數(shù)為：①細砂，淺黃色，稍密，稍濕，基本承載力設計值σ0=180 kPa，側摩阻力設計值fi=30 kPa，Ⅰ級松散土。②砂質黃土，中密，稍濕，具濕陷性，σ0=130 kPa，Ⅱ級普通土。③砂質黃土，中密，稍濕，σ0=150 kPa，fi=30 kPa，Ⅱ級普通土。④砂巖與泥巖互層，全風化，σ0=200 kPa，fi=60 kPa，Ⅲ級硬土。⑤砂巖與泥巖互層，強風化，σ0=300 kPa，Ⅲ級硬土。⑥砂巖與泥巖互層，弱風化，σ0=400 kPa，Ⅳ級軟石。

3 加固路基與邊坡的必要性

巴準鐵路李家塔2 號大橋橋臺邊坡滑塌，接觸網(wǎng)支座基礎被完全毀壞，盡管已經(jīng)采取了路基外側回填土方、路基本體三七灰土拌和回填等臨時性的措施，但該損毀段處于限速60 km/h 和路基沉降重點監(jiān)測地段，線路路基的不穩(wěn)定性對鐵路正常運營產生了極大的影響，具有很大的安全隱患，需要盡快處理以保證鐵路運輸安全。線路路基和邊坡?lián)p毀見圖1。

圖1 現(xiàn)場路基過渡段和邊坡擬加固區(qū)照片

該路基水毀段位于溝壑處，每年汛期對護坡穩(wěn)定性是個考驗。傳統(tǒng)的堆碼沙袋、換填三七灰土、漿砌片石、混凝土骨架、錨桿框架梁等修復方法都是將抗洪與永久工程分開施工，先進行臨時性抗洪搶險施工，待雨季過后再進行永久性工程施工。這種施工方法存在浪費資源、需額外增加天窗點施工、施工周期較長、作業(yè)面積影響范圍較大、影響鐵路運輸?shù)热秉c，因此亟需一種新的施工工藝能夠在汛期時快速施工完成路基及邊坡處理工作[1-2]。本文采用拼接式螺旋鋼樁快速加固新技術和復合模袋混凝土防護新工藝對邊坡滑塌進行治理。此類新技術和新工藝能在搶險時直接永久防護和加固，避免二次施工造成次生災害[3-4]。

4 加固設計方案

4.1 螺旋鋼樁加固技術簡介

拼接式螺旋鋼樁憑借現(xiàn)場拼接組裝單節(jié)鋼樁的方法，靈活多變，便于運輸，適用于多種地質條件，施工手段多樣、施工便捷高效、節(jié)能減排、可循環(huán)再利用，總體經(jīng)濟性好、耐久性好、抗震性好，可快速估算承載力、施工質量保障性高。憑借這些優(yōu)點，拼接式螺旋鋼樁被視為一種理想的新型快速加固技術。目前國內類似鋼質螺桿樁主要應用于國內光伏電站底座支架、農場圍欄、花園籬笆等小荷載工況，為了適應大荷載工況及更復雜的地質環(huán)境，采用拼接式螺旋鋼樁可廣泛應用于新建高速鐵路公路路基快速加固、既有鐵路公路線路路基邊坡修復、房屋地基托換、鐵路接觸網(wǎng)及公路標識物支架基礎等諸多領域。

4.2 既有路基加固設計方案

對路基損毀段，從李家塔2號大橋橋臺開始設置2排螺旋鋼樁，縱向間隔1.5 m，橫向間隔1.3 m，與水平面成45°斜向打入路基內部。第1排螺旋鋼樁長6.4 m，第2排樁長8.2 m。螺旋鋼樁和葉片均采用20號鋼，鋼樁的鋼軸外徑76 mm,葉片外徑210 mm,采用焊接與鋼軸連接。螺旋鋼樁外部采用噴漆處理，與坡面成45°夾角液壓旋進。拼接式螺旋鋼樁加固路基過渡段示意見圖2。

圖2 拼接式螺旋鋼樁加固路基過渡段示意(單位：mm)

4.3 邊坡加固設計方案

對邊坡?lián)p毀段，距坡腳高3.6 m處間隔1.5 m設置第1排螺旋鋼樁，距坡腳高1.6 m處間隔1.5 m設置第2排螺旋鋼樁。第1排螺旋鋼樁長4.8 m，第2排樁長3.9 m。螺旋鋼樁參數(shù)與路基加固區(qū)螺旋鋼樁一致。拼接式螺旋鋼樁加固邊坡示意見圖3。

圖3 拼接式螺旋鋼樁加固邊坡示意(單位：mm)

5 施工工藝

施工準備→螺旋鋼樁加固→生態(tài)復合模袋混凝土→邊坡植被→麥克墊+預制混凝土塊→埋設預制排水溝→收尾及竣工驗收。

5.1 螺旋鋼樁施工

拼接式螺旋鋼樁施工流程如圖4所示。

圖4 拼接式螺旋鋼樁施工流程

5.1.1 施工準備

1)場地平整：拼接式螺旋鋼樁施工前，清除地上及地下一切障礙物，并用機械夯實。若地表較軟可鋪筑0.5～1.0 m厚的砂礫土或砂墊層防止施工機械失穩(wěn)。

2)測量放線：根據(jù)設計施工圖和坐標網(wǎng)點測放樁位。

3)確定樁位：在施工軸線上確定樁位，編上樁號，依據(jù)基準點測量各樁位地面高程。樁位應嚴格按照圖紙設計測設，偏差不得大于50 mm。

5.1.2 旋入帶葉片的螺旋鋼樁

1)扭矩電動馬達就位。將帶葉片的螺旋鋼樁安裝到扭矩電動馬達鉆頭上，并對準樁位，用角尺控制角度。

2)利用扭矩電動馬達的自動控制系統(tǒng)，嚴格控制旋轉速度和鉆桿下降速度，要求旋轉一次，螺旋葉片下降一個螺距。

3)將帶葉片的螺旋鋼樁旋至該樁頂離地面以上20 cm時停止旋轉，預留該樁頭進行拼接。

4)旋入過程中隨時注意地層變化，對施工扭矩、旋入深度等參數(shù)進行詳細記錄。當發(fā)現(xiàn)旋入困難時應立即停止查找原因，解決后再次旋入。

5.1.3 拼接上部鋼樁，并旋入土中

1)將帶葉片的螺旋鋼樁從鉆頭拆卸后，與上部中心鋼管通過高強螺栓進行拼接。

2)將上部中心鋼管安裝到扭矩電動馬達鉆頭上，將其旋入土中，旋入過程要求與5.1.2中相同。

3)要求每旋入2 m用角尺復核控制角度。

4)不斷重復該步驟，直至該拼接式螺旋鋼樁長度達到設計樁長。

5.1.4 選擇性注漿加強

在必要情況下從樁頂接入注漿管聯(lián)通壓力泵，調整注漿壓力值，對鋼樁進行注漿，再次加強地基。

5.1.5 扭矩電動馬達移位

拼接式螺旋鋼樁施工完畢后，扭矩電動馬達移位至下一根樁的位置進行施工。施工機械就位后必須穩(wěn)固。

5.2 生態(tài)復合模袋混凝土施工

5.2.1 整坡及模袋鋪設

1)整理邊坡，將原始坡面上的雜物清理干凈，采用人工或機械將坡面拍打平整。

2)鋪設模袋前，對模袋質量進行詳細檢查。

3)模袋鋪設時，橫向預留20 cm左右的收縮量，上端部預留坡長4%左右的收縮量。

4)為了防止模袋順坡下滑，在坡頂模袋上緣適當設置定位樁，定位樁宜設在坡頂距離模袋上緣1.0～1.5 m 處。定位樁的間距設為1.5 m，每塊模袋不少于4根，在模袋的小單元分界面打設一個定位樁，用尼龍繩將穿入模袋穿管孔中的鋼管系牢，另一端通過拉緊裝置與定位樁相連。

5)模袋鋪設時須拉緊和平整，因此在其上下緣的管套中穿入鋼管(鋼管長度比模袋兩側各長出50 cm左右，以便于操作)，將模袋卷在鋼管上，為了模袋鋪放就位準確，卷模袋要從模袋的內、外坡腳端向坡頂卷起。

5.2.2 混凝土配合比設計

混凝土設計強度為C20，坍落度控制在180～220 mm。根據(jù)模袋混凝土水泥漿量大、砂率大、石子粒徑小等要求[5]，設計出的生態(tài)復合模袋混凝土配合比見表1。水灰比為50%，砂率為44%。

表1 生態(tài)復合模袋混凝土配合比

5.2.3 充灌混凝土

1)充灌前應用水沖濕模袋,以防止模袋吸水引起混凝土坍落度變小從而影響混凝土的流動性。充灌前泵管與灌口間要扎牢，輸送導管末段用10 m長的軟管(即高壓彈簧管)，插入模袋進料口，并用鐵絲扎牢，軟管拐彎角度不大于70°，充灌順序先上游后下游，先深水后淺水，澆筑好的進料口用鐵絲扎牢。

2)充灌壓力控制和疏導。灌注速度控制在8～12 m3/h，出口壓力為0.2～0.3 MPa。充灌混凝土應遵循“三先原則”，即先下后上、先左右后中間、先標準斷面后異形斷面，以防止模袋在充灌過程中產生偏移。充灌時，應掌握混凝土充灌壓力，當混凝土壓力持續(xù)上升時應適當降低泵充速度；當模袋內混凝土流動受阻時，可用腳踩踏疏導。如果灌口處混凝土壓力很高，或上升速度很快，應停止充灌。按下列不同情況分別處理：如果在灌口處發(fā)生阻塞，可拆走泵管，將阻塞的石子或混凝土掏出，或將阻塞物搗散、疏通，然后繼續(xù)充灌；由于充灌路途中長時間的停歇，先充灌的混凝土在灌口周圍流動性不足，這時可用腳踏出一條凹槽通道，改用砂漿充灌，若模袋已被堵死，可在未充滿部位再開一個灌口進行充灌。

3)充灌混凝土采取自下而上逐口、逐倉充灌的順序，每排充灌時從模袋搭接的一側向另一側逐口充灌，即幾條模袋交替充灌，這樣的順序便于掌握模袋坡肩位置、減小模袋承受的壓力以及避免模袋橫向收縮造成側向位移，從而保證拼縫嚴密。充灌時操作人員應把穩(wěn)充灌袖口,并不斷踩塌充實，氣體要充分排出，使充灌中的模袋混凝土緊貼坡面。

4)充灌飽滿后，暫停10 min，待模袋填料中水分、空氣析出后，再稍充些填料，這樣就能充填飽滿，而且使充灌后的混凝土強度大于相同強度等級的常規(guī)方法澆筑的混凝土。充滿結束后，用繩將充灌袖口系緊，防止混凝土外溢，待混凝土稍微凝固，用人工將袖口混凝土掏出，即將灌布套內混凝土清除，將布套塞進灌口并縫合灌口，然后將模袋表面沖洗干凈[6-8]。

5.2.4 植被施工和養(yǎng)護

待模袋混凝土達到一定強度后，剪開模袋框格，在框格處放置厚度10 cm左右的營養(yǎng)土。播種適合當?shù)丨h(huán)境的植物，并用土工植物覆蓋。做好排水設施的施工。

5.3 施工注意事項

1)施工前將設計圖紙和施工組織設計與鐵路各部門復核，檢查設計孔位處有無影響施工和安全的障礙物。

2)施工作業(yè)前會同車站做好防護工作，防護人員需提前接受嚴格培訓并通過鐵路安全防護員考試。

3)對地下未知電纜先進行地質雷達檢測，然后人工開挖排纜，確保電纜安全。電纜挖出后進行專門保護。

4)螺旋鋼樁施工時，電動馬達裝置離接觸網(wǎng)需有一定安全距離，且必須在天窗點接觸網(wǎng)斷電情況下施工作業(yè)。

5)施工過程中每30 min觀測1次路基面和接觸網(wǎng)變形，若發(fā)現(xiàn)路基面觀測點變化超過2 mm或接觸網(wǎng)支柱發(fā)生變形，立即停止施工，通知鐵路負責人員采取相應措施。

6 沉降觀測

6.1 路基加固段沉降觀測

巴準鐵路屬于運煤專用重載鐵路，對路基工后沉降的要求：一般地段工后沉降不應大于20 cm，路橋過渡段工后沉降不應大于10 cm，沉降速率均不大于5 cm/年[9]。

沉降觀測樁布置在加固段路肩邊緣，每2.7 m 布置1個測點，觀測周期和頻率見表2。

表2 路基加固段沉降觀測頻率

6.2 邊坡加固觀測

在邊坡施工過程中，只有對邊坡支護結構進行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測，才能保證邊坡工程的安全性以及工程的順利進行。根據(jù)既有設計，將對如下內容進行監(jiān)測：邊坡表面位移變形、邊坡深層位移變形、螺旋鋼樁軸力、螺旋鋼樁變形、邊坡臨近既有鐵路路基變形、地下水位、邊坡表層含水率等。監(jiān)測頻率見表3。

表3 邊坡加固監(jiān)測頻率

7 加固效果

螺旋鋼樁對路基加固完成后，分別采用灌砂法、地基系數(shù)檢測儀和動態(tài)變形模量測試儀檢測路基壓實度、地基系數(shù)K30及動態(tài)變形模量Evd[10-12]。根據(jù)加固后試驗檢測結果，采用螺旋鋼樁加固后路基壓實度滿足設計要求，K30和Evd較加固前提高了40%左右。對邊坡變形持續(xù)觀測，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

8 結語

針對現(xiàn)有的既有鐵路路基和邊坡加固技術的不足，提出了采用拼接式螺旋鋼樁快速加固鐵路路基和邊坡新技術。以巴準鐵路為案例介紹了拼接式螺旋鋼樁從設計、施工到監(jiān)測的全部流程，為后續(xù)類似工程治理提供參考。采用螺旋鋼樁加固后路基壓實度滿足設計要求，K30和Evd較加固前提高了40%左右。對邊坡變形持續(xù)觀測，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。拼接式螺旋鋼樁在該工程中的成功應用，說明了該技術可以快速、安全、高效地加固既有路基和邊坡，值得推廣。