淺析螺桿樁在鐵路路基工程施工中的應(yīng)用

胡曉軍 何玉先

(中國水利水電第八工程局有限公司, 長沙 410000)

1 工程概況

1.1 地理位置

新建吳忠-中衛(wèi)鐵路DK 1+515.8～DK 2+464.00、DYK 2+000～DYK 2+619.00段路基，線路中心最大填高6 m。工點(diǎn)地貌屬黃河沖積平原區(qū)，地形平坦，地勢(shì)開闊，地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土，沖積粉質(zhì)黏土、粉土、砂類土及細(xì)圓礫土[1]。

1.2 主要工程數(shù)量

DK 1+515.8～DK2+464，DYK 2+000～DYK 2+619.00，螺桿樁地基處理線路長度為1.5672 km。螺桿樁地基處理工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 螺桿樁工程數(shù)量表

2 試樁目的、內(nèi)容及要求

2.1 試樁目的

通過成樁性工藝試驗(yàn)，可達(dá)到以下目的：

(1)通過螺桿樁的工藝性試驗(yàn)，復(fù)核地質(zhì)資料和設(shè)備、施工工藝、施工順序的合理性[2]。

(2)通過試樁工藝確定施工過程中工藝流程要點(diǎn)的控制，提高施工人員的操作熟練程度。

(3)檢驗(yàn)選定的施工設(shè)備和施工工藝是否合理。

(4)對(duì)螺桿樁的承載性能進(jìn)行研究[3]。

2.2 試樁內(nèi)容及要求

試樁設(shè)置在DK 1+800～DK 1+840段,根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，螺桿樁樁身采用C20混凝土。

螺桿樁幾何斷面“上部為圓柱型，下部為螺絲型”，直桿段長度不宜小于樁長的1/3，螺紋段直徑等于直桿段直徑，螺牙寬度50～60 mm，螺牙端部厚度約50 mm[4]。

試樁位置選取在原樁位進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置2排試樁，每排3根，總共6根，每根樁長19 m。樁間距2 m，樁位布置如圖1所示，具體樁位編號(hào)及每根樁的施工參數(shù)如表2所示。

圖1 樁位布置圖

表2 試樁參數(shù)表

現(xiàn)場(chǎng)施工前，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行配合比試驗(yàn)。施工過程中，嚴(yán)格按照配合比配制混合料。混合料攪拌采用攪拌站拌和機(jī)集中拌和，原材料質(zhì)量檢驗(yàn)合格，混合料拌合時(shí)間控制在 60～120 s，坍落度控制在160～200 mm。

3 施工組織安排

3.1 人員和設(shè)備

(1)組織機(jī)構(gòu)和人員配備

本次螺桿樁基試樁在監(jiān)理單位監(jiān)督旁站下進(jìn)行。施工單位成立了以總工程師為組長的領(lǐng)導(dǎo)小組，項(xiàng)目部分部負(fù)責(zé)人和分部總工參加，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員實(shí)施。

(2)施工安排

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)施工條件，經(jīng)認(rèn)真分析研究，螺桿樁施工機(jī)具設(shè)備配置、人員計(jì)劃、測(cè)量及試驗(yàn)儀器的資源安排如表3～表5 所示。

表3 主要機(jī)具設(shè)備配置表(臺(tái))

表4 人員計(jì)劃表(人)

表5 測(cè)量及試驗(yàn)儀器表(臺(tái))

3.2 施工用電

工程現(xiàn)場(chǎng)配備發(fā)電機(jī)進(jìn)行臨時(shí)用電，滿足鉆機(jī)施工機(jī)械等電器設(shè)備的安裝、維修、操作等需求，電工等級(jí)必須滿足相應(yīng)要求。

3.3 施工用水

施工用水優(yōu)先考慮采用地下水，地下水不能滿足要求時(shí)，考慮水車?yán)\(yùn)、水車供水，水源采用附近無侵蝕性等滿足要求的水源。

3.4 場(chǎng)地測(cè)量

(1)根據(jù)涉及圖紙及設(shè)計(jì)文件要求，對(duì)樁位平面圖及主要樁位軸線，采用全站儀進(jìn)行放樣，確定樁位。

(2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形，測(cè)量地面標(biāo)高，最終確定設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高。

3.5 試驗(yàn)材料

現(xiàn)場(chǎng)樁基原材料檢測(cè)試驗(yàn)需采用的材料有水泥、水、碎石、粉煤灰、外加劑等。

3.6 內(nèi)業(yè)要求

(1)現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)填寫施工原始資料。

(2)施工記錄填寫的原始資料內(nèi)容應(yīng)真實(shí)、準(zhǔn)確、完整。

4 施工技術(shù)要求

螺桿樁的施工技術(shù)要求為：

(1)螺桿樁幾何斷面“上部為圓柱型，下部為螺絲型”，直柱段長度不宜小于樁長的1/3。

(2)螺絲段外徑等于直桿段直徑，螺牙寬度50～60 mm，螺牙端部厚度約為50 mm，根部厚度約為 100 mm，螺距與樁徑之比約為1∶0.6～1。

(3)樁身采用C20混凝土，28 d樁身混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度不得低于對(duì)應(yīng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(4)為保證混合料順利輸送，施工中采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，坍落度控制標(biāo)準(zhǔn)為60～200 mm。

5 施工方案

5.1 成孔工藝流程

成孔工藝流程為：鉆孔機(jī)就位調(diào)平→制備灌注混合料→鉆至設(shè)計(jì)深度→樁機(jī)反向旋轉(zhuǎn)提升鉆桿并泵送混合料→均勻拔管至樁頂→移鉆孔機(jī)，如圖2所示。

圖2 螺桿樁施工工藝流程圖

5.2 螺桿樁施工方法

(1)施工準(zhǔn)備工作

①準(zhǔn)備場(chǎng)地的工程地質(zhì)資料、水文資料和樁基施工圖，調(diào)查附近的地下管線，了解主要施工機(jī)具和配套設(shè)備的技術(shù)性能參數(shù)和施工工藝，落實(shí)建筑材料的供應(yīng)。

②進(jìn)行場(chǎng)地的“三通一平”。保證場(chǎng)地通水、通電、通路，對(duì)施工場(chǎng)地應(yīng)進(jìn)行平整處理，確定測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)。

③按施工圖紙實(shí)地進(jìn)行樁孔中心位置的放線，并按施工順序?qū)段贿M(jìn)行編號(hào)。

(2)施工順序

樁的施工順序應(yīng)根據(jù)樁間距和周圍建筑物的情況，按流水法分區(qū)考慮施工順序。

(3)成孔與成樁

成孔時(shí)，首先使樁機(jī)的樁頭垂直對(duì)準(zhǔn)備施工的樁位，螺桿樁機(jī)就位后必須調(diào)直、調(diào)平并穩(wěn)定牢固，確保成孔垂直度。樁位偏差小于50 mm，垂直度允許偏差不大于1%。確認(rèn)樁位無誤后，啟動(dòng)樁機(jī)，下鉆過程中保持均勻的下鉆速度。螺旋桿樁機(jī)自控系統(tǒng)嚴(yán)格控制鉆桿下降速度和旋轉(zhuǎn)速度，使二者匹配，要求鉆桿旋轉(zhuǎn)1圈，螺桿鉆下降1個(gè)螺距，在土體中形成螺紋，當(dāng)鉆至預(yù)定的設(shè)計(jì)深度后停鉆。

與此同時(shí)，用輸送泵將混凝土通過高壓管路輸送到螺旋鉆桿內(nèi)管并壓到鉆頭。螺桿樁樁機(jī)反向旋轉(zhuǎn)提升螺桿鉆桿，提鉆過程中，螺桿樁自控系統(tǒng)嚴(yán)格控制螺桿鉆桿提升速度和旋轉(zhuǎn)速度，螺桿鉆桿旋轉(zhuǎn)和提升速度應(yīng)保持同步和匹配，要求螺桿鉆桿旋轉(zhuǎn)1圈，鉆桿上升1個(gè)螺距。此時(shí)，高壓混凝土填充，螺桿鉆桿旋轉(zhuǎn)提升產(chǎn)生了帶螺紋空間，當(dāng)鉆桿提到螺紋部分頂面的設(shè)計(jì)高度時(shí)，螺桿鉆桿再次正旋轉(zhuǎn)或直接提升，同時(shí)鉆頭泵出高壓混凝土鉆桿直接提升產(chǎn)生了帶圓柱空間直至頂設(shè)計(jì)高，最終灌注形成“上部為圓柱，下部為螺紋”的螺桿樁[5]。

混凝土必須連續(xù)施工，每根樁的澆注時(shí)間按初盤混凝土的初凝時(shí)間控制，對(duì)澆注過程中的一切故障均應(yīng)記錄備案。控制最后一次灌注量，樁頂不得偏低，必須保證暴露的樁頂混凝土達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。提鉆時(shí)鉆頭到達(dá)一定的位置可停止泵壓混凝土，由鉆桿內(nèi)的混凝土繼續(xù)充填至樁標(biāo)高。螺桿灌注樁樁頂標(biāo)高至樁帽頂面0.4 m范圍內(nèi)不灌注混凝土，樁頂伸入樁帽10 cm，樁頂以下1.5 m范圍內(nèi)用插入式振搗棒振搗密實(shí)，不需要截掉樁頭。螺桿樁施工過程如圖3所示。

圖3 螺桿樁施工過程圖

6 施工質(zhì)量控制

螺桿樁施工質(zhì)量控制要求如下：

(1)施工前應(yīng)對(duì)地下水進(jìn)行復(fù)測(cè)檢查。

(2)應(yīng)按照設(shè)計(jì)的樁位、樁長、樁數(shù)、混凝土設(shè)計(jì)量和試驗(yàn)確定的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工。

(3)應(yīng)按設(shè)計(jì)配合比拌制水泥漿，拌制好的水泥漿旋轉(zhuǎn)時(shí)間不得超過2 h。

(4)施工中應(yīng)對(duì)螺桿樁鉆桿進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)做好施工記錄，檢查孔深是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(5)施工時(shí)鉆桿的旋轉(zhuǎn)速度與提升速度應(yīng)保持一致，混凝土的泵送量要與鉆桿的提升速度協(xié)調(diào)[6]。

(6)當(dāng)出現(xiàn)鉆桿跳動(dòng)、機(jī)械搖晃、鉆不進(jìn)尺等異常情況時(shí)應(yīng)立即停車檢查。

(7)施工過程中，樁位(縱橫向)偏差應(yīng)小于 5 cm，最后成樁的有效直徑及樁長不得小于設(shè)計(jì)值，樁身垂直度偏差按照不超過1%控制。

7 施工工藝參數(shù)

通過對(duì)螺桿樁工藝試樁施工過程的監(jiān)控和分析，確定施工工藝參數(shù)如下：

(1)確定了混凝土坍落度需控制在160～220 mm才能滿足規(guī)范和現(xiàn)場(chǎng)施工的要求。現(xiàn)場(chǎng)坍落度檢測(cè)頻率為3次/臺(tái)班，實(shí)測(cè)出坍落度為195 mm、190 mm。

(2)通過工藝試驗(yàn)確定提拔速度應(yīng)控制在2.6～3.2 m/min，成樁過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，應(yīng)避免出現(xiàn)停機(jī)待料。在提升鉆頭達(dá)到一定位置時(shí)，應(yīng)停止泵壓混凝土施工，采用鉆桿內(nèi)的混凝土充填至樁標(biāo)高，嚴(yán)禁先提鉆后泵料和直提鉆桿，確保成樁質(zhì)量[7]。

(3)試驗(yàn)段螺桿樁樁徑為0.4 m，灌注 1 m所需混凝土方量為0.125 6 m3，通過工藝試驗(yàn)測(cè)出，實(shí)際灌注1 m所需混凝土方量為0.13 m3。

(4)現(xiàn)場(chǎng)配備1名管理人員，1名技術(shù)人員，1名機(jī)長和7名操作人員。采用液壓步履式螺旋鉆孔機(jī) 1臺(tái)，HBT60S型混凝土泵1臺(tái)，KHI300-14柴油發(fā)電機(jī)1臺(tái)，罐車2臺(tái)。機(jī)械設(shè)備、人員配置等能滿足施工需要。

(5)根據(jù)地質(zhì)條件，鉆機(jī)鉆進(jìn)7轉(zhuǎn)/min，單根成樁時(shí)間約為30～50 min。

(6)鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)樁基位置后，開始為螺紋段泵送混凝土施工。鉆桿反轉(zhuǎn)向上提升至1.5 m位置，鉆機(jī)顯示器提醒泵送混凝土，泵送混凝土4～5次后，繼續(xù)向上提升鉆桿，每提升15 m泵送混凝土3次，直到提升至設(shè)計(jì)1/3樁長處的直圓段。接著鉆桿開始正轉(zhuǎn)提升，每提升1.5 m泵送3次混凝土，直到提升至設(shè)計(jì)樁頂位置。

(7)樁基承載力和路基地基沉降檢測(cè)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求[8]。

8 結(jié)束語

在吳忠-中衛(wèi)鐵路路基地基處理過程中，通過對(duì)螺桿灌注樁施工機(jī)械與設(shè)備、施工工序及成樁工藝的試樁實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)采用螺桿灌注樁處理地基，具有環(huán)保效果好、樁身質(zhì)量可靠、施工工序簡(jiǎn)化、施工效率高、適用范圍廣的特點(diǎn)，可作為地基加固的一種處理方式，廣泛適用于淤泥質(zhì)黏土、黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土層、粒徑小于30 mm的卵石層及強(qiáng)風(fēng)化巖等的地基處理[9]。