高速鐵路橋臺樁基補強注漿工藝及效果分析

程學武

（中國鐵路北京局集團有限公司，北京100860）

隨著我國高速鐵路建設力度的不斷加大，樁基工程的使用率逐年提升，對傳統樁基補強工藝帶來了挑戰［1-3］。注漿技術作為樁基補強工藝的一個重要分支，具有施工設備簡單、投資小、損耗少，操作工人少，工期短、見效快等優勢［4-9］。尤其適用于狹窄場地施工，且加固深度與加固范圍高度可控［10-11］。通過將具有固化效果的漿液注入到樁端或樁側，在漿液的滲透置換、劈裂加筋、壓密固化等作用下，能有效加固樁端土層，消除樁側泥皮，改善樁-土接觸條件，從而提高樁基的承載性能［12-13］。近年來，國內外針對不同工程環境下的注漿工藝進行了深入研究，但針對高速鐵路樁基礎注漿補強工藝的研究尚少。本文結合一高速鐵路大橋橋臺樁基補強工程，針對承臺鉆孔樁基礎多次控制劈裂注漿工藝的補強效果進行研究，深入剖析該工藝的注漿范圍及注漿體強度，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程背景

該高速鐵路鋼桁梁橋上跨既有北京市五環路，采用承臺鉆孔樁基礎，鉆孔樁為摩擦樁，橋臺為雙線T形橋臺。北京方向橋臺鉆孔樁共計15根（圖1），設計樁長52.5 m，樁徑1.25 m，設計強度C30。

圖1 橋臺樁位布置示意

采用聲波透射法逐樁進行樁基礎完整性檢測。橋臺樁基施工完成后，經檢測除9#樁因深50.5 m處聲測管堵塞未檢測到底，其余14根樁在深50.5～51.9 m處均存在不同程度的信號異常。為確保已施工樁基正常使用，對樁基進行注漿補強，通過劈裂注漿提高樁底及樁側土體強度，保證現有樁基滿足承載力與變形要求。

2 樁基補強加固方案及施工工藝

2.1 補強加固方案

在每根樁四周距樁邊30 cm處設置豎向注漿鋼花管，共57根（靠近既有線一側不設鋼花管，如圖2所示）。鉆孔孔徑110 mm，孔深66 m，鋼花管尺寸φ50 mm×4.5 mm，管長66 m（深入樁底面以下12.5 m）。

補強加固采用多次控制劈裂注漿工藝，確保漿液注入基底、樁側砂土及粉砂地層，以彌補樁頂部檢測信號異常造成的承載力損失，并確保樁基沉降達到規范要求。為保證注漿效果，本次注漿采用第1次常壓注漿、第2次劈裂注漿、第3次復壓注漿工法。具體控制參數及技術如下：

圖2 鋼花管鉆孔位置（單位：m）

1）第1次常壓注漿

采用水灰比0.5～0.6的水泥漿作為第1次注漿漿液配比，第1次注漿管伸入孔底，從孔底向上反向壓漿，將孔底的水或泥漿壓出來。第1次注漿壓力控制在2.0～2.5 MPa，當孔口返出正常漿液時即停止，如果出現漿液凝固收縮回落到孔口以下，要及時補漿，直到孔口注滿為止。

2）第2次劈裂注漿

第2次注漿壓力控制在8.0 MPa以內，漿液水灰比0.7～0.8。第1次、第2次注漿時間間隔依據現場試驗確定，約3～4 h。最終注漿量以實際工程為準。第2次注漿要求間隔跳槽注漿，前后兩根第2次注漿孔位間距不小于6.0 m，相鄰孔道注漿時間間隔不得小于72 h，以防止孔道注漿引起相鄰已注漿孔串漿。

3）第3次復壓注漿

在第2次注漿約12 h后，進行第3次復壓注漿，注漿流程同第2次注漿。

2.2 注漿施工工藝

該樁基補強工程的工藝流程為：錨固筋彎曲、工作面準備→施工放線→鉆孔→下鋼花管→第1次常壓注漿→第2次劈裂注漿→第3次復壓注漿→錨固筋恢復。

1）錨固筋彎曲、工作面準備

將鉆孔灌注樁樁頂錨固筋彎曲放平，成“打傘狀”散開（見圖3），再回填土將錨固筋掩埋，以保護錨固筋免受施工過程中的機械損傷。

圖3 錨固筋彎曲放平

2）鋼花管加工

采用φ50 mm×4.5 mm的無縫鋼管，在鋼管距樁頂面以下29～42 m和48～65 m設置注漿眼。沿鋼管軸向每隔30 cm進行鉆眼，同一軸向位置鉆眼2個，孔眼位置徑向相對，孔眼直徑8 mm，同時軸向相鄰位置沿半徑方向旋轉90°進行下一位置鉆眼，如圖4所示。待整根鋼花管鉆眼完成，用膠帶包纏孔口，防止泥漿及第1次注漿的漿液進入孔內，造成堵管。鋼管采用對接頭焊接進行連接。在每根鋼管的一端焊接長度約為15 cm的對接頭，對接頭的內徑略大于鋼管外徑。鋼花管對接施焊時應保證接口的順直，避免注漿時阻塞注漿器。

圖4 鋼花管鉆眼示意（單位：cm）

3）鉆孔下管

根據施工方案，在樁四周孔位處進行鉆機定位，移動鉆機至指定鉆孔位置，調整鉆桿垂直度，開始鉆孔作業。考慮到鉆進深度較深，且地下水位較高，地層中粉砂、砂層分布范圍較大，故鉆孔采用泥漿護壁成孔，保證成孔深度滿足下管要求。根據設計要求下管深度為66 m，為保證鋼花管正常下放到孔底，鉆進深度為67 m。

在成孔之前將預先加工好的鋼花管按照下孔順序擺放到一旁，根據設計要求，須在48～65 m和29～42 m深度范圍注漿。鋼管單根長度6 m，每孔下管11根。故考慮實際施工，下管按照3根鋼花管→1根鋼管→2根鋼花管→5根鋼管的順序下管。最底端鋼花管做封口處理，保證下管時不進雜土、注漿時不進漿，每根鋼管（鋼花管）上端預焊接對接頭。

下管時借助鉆機的吊繩，逐根下放鋼管。鋼管在頂端因為焊接有對接頭，上一根鋼管下管對接時，可直接插接在下一根鋼管一端的對接頭內并焊接，保證鋼管對接順直且焊縫飽滿避免漏漿。最后一根鋼管外側露出地面約20 cm，并用棉布條封住孔口，保證地面泥漿不進入鋼管，以免造成堵管。

4）第1次常壓注漿

將注漿管和加壓管分別與注漿器連接，并檢查連接緊固，將注漿管與加壓管順直后每隔2 m用膠帶捆扎作為米標，方便確定下孔深度。同時將注漿管的另一端連接注漿泵，加壓管的另一端連接高壓氣瓶（可提供最大壓力為13 MPa，封孔壓力為2.0～2.5 MPa）。

第1次注漿將鋼管外側與孔內采用漿液填充，主要作用是封孔，保證第2次、第3次注漿具有足夠的注漿壓力。故第1次注漿漿液的水灰比較小，約為0.55，同時加入0.5‰的三乙醇胺（速凝劑）。采用BW-150型三缸往復式注漿泵泵送。

因下鋼管時鋼管外壁包纏的封孔眼的膠帶極易受孔內壁的摩擦而滑脫，在注漿前須要將連接好的注漿器與注漿管自鋼管口深入孔底，同時標記深入孔底的深度，邊下注漿器邊泵入清水，待注漿器到達孔底后，持續泵入清水，洗出鋼管內的泥漿，直至鋼管口冒出清水為止。洗孔完成后，采用高壓氣體（氮氣）使注漿器封孔端膨脹封孔，封孔氣壓達到2.5 MPa時，即進行第1次注漿。第1次注漿漿液經鋼管底部注漿區域的孔眼流入鉆孔內，在注漿壓力作用下泥漿自孔底反壓至孔口，當地面孔口冒出水泥漿時停止注漿，拔出注漿器。第1次注漿壓力約2 MPa，注漿期間如封孔氣壓低于2 MPa則增大壓力，使壓力保持在2.0～2.5 MPa。

5）第2次劈裂注漿

第2次注漿為劈裂注漿，為保證洗孔后注漿器能順利深入孔底同時鋼管外的漿液不會因為第2次高壓注漿而出現地面孔口冒漿，須給第1次注漿的漿液一定的初凝時間。經現場實驗，確定第2次注漿于第1次注漿后3～4 h后進行。

在第1次注漿3～4 h后，進行第2次注漿前的洗孔，將注漿器邊向下沖水邊深入鋼管內，如深入困難，則加大沖水壓力，即可將注漿器繼續深入，直至注漿器深入最底端同時地面鋼管口冒出清水為止。洗孔完畢后，采用高壓氣體（氮氣）使注漿器封孔端膨脹封孔，封孔氣壓達到2.5 MPa時，即進行第2次注漿。第2次注漿漿液不添加速凝劑，水灰比約0.7～0.8，注漿壓力不超過8 MPa，注漿時如壓力逐漸上升至8 MPa或地面出現冒漿即停止注漿。注漿停止后保壓4～5 min再卸載封孔壓力，確保漿液滲入土體。當注漿完成4～5 min并卸載封孔壓力后，將注漿器上拔2～4 m，再次使用高壓氣體使注漿器封孔，并在該段繼續進行注漿，注漿壓力不高于8 MPa。該段注漿完成，繼續上拔注漿器進行注漿，直至該孔所有注漿段注漿完成為止。待所有注漿段注漿完成后，自鋼管口深入注漿器，邊泵入清水邊下放，將鋼管內的水泥漿稀釋并洗出部分水泥漿，以防第3次注漿時堵管，直至注漿器深入鋼管底，停止泵送清水，拔出注漿器。

6）第3次復壓注漿

在第2次注漿約12 h后進行第3次復壓注漿，注漿流程同第2次注漿。

7）場地整理、錨固筋恢復

待所有鉆孔注漿完成后，將場地雜土清出場地，并將灌注樁頂部的錨固筋恢復至直立狀態。

3 沉降監測

為掌握鉆孔注漿期間周邊地面沉降變形情況，確保周邊建筑物的安全及正常使用，對注漿周邊區域進行沉降監測。監測點位置與監測結果見圖5，通過分析監測數據可知，注漿對地面點的豎向變形幾乎無影響。

圖5 監測點位置與監測結果

4 注漿效果分析

4.1 鉆孔取芯鑒定

在注漿區域隨機挑選兩處位置進行鉆孔取芯，驗證注漿效果。鉆孔取芯現場見圖6。從圖中可以清晰看出，注漿區域與未注漿區域有明顯的分界面，從側面驗證此次注漿的效果良好。

圖6 鉆孔取芯結果

4.2 室內試驗結果

1）直剪試驗

采用直剪試驗對極限側阻力進行測試。快剪試驗是在試樣上施加垂直壓力后，立即以0.8 mm/min的剪切速率進行剪切，使試樣在3～5 min內剪壞。剪切盒下部為混凝土塊，上部為土體，所加的法向壓力為土體所受水平土壓力，數值上等于豎向應力與靜止土壓力系數之積。土體與混凝土塊間的抗剪強度近似為極限側摩阻力，對其做研究可反映出注漿后側摩阻力的提高幅度。

結合補強技術方案，對樁側注漿區（29～42 m），樁底注漿區（48～65 m）的注漿土體進行取樣測試，主要對承載力提高幅度和變形指標做分析研究。按照沿長度每5 m取一個樣，個別典型土層取樣相對較多，共取樣18組。針對所取土樣主要進行直剪快剪，首先選取未注漿土樣，在不同法向壓力下得到土樣與混凝土交界面的摩阻力；之后對注漿后土體在相應法向壓力下實施剪切，對比二者的摩阻力極限值，得到其提高幅度。

經過統計分析，法向壓力250，300，350，375，425，450 kPa下注漿樣強度較原狀樣分別提高35%，15%，12%，17%，23%，30%。不同法向壓力下強度平均提高22%。

2）單軸抗壓試驗

試驗取38～65 m深注漿后土體，由于切割注漿土體容易散落形成貫通裂縫，因此不對圓柱體進行徑向切割，保持直徑80 mm，高徑比取2。注漿后土體的單軸抗壓強度在4.3～4.6 MPa變動，平均抗壓強度為4.44 MPa。漿液注入越多，抗壓強度越大；漿液流入越少，抗壓強度越小，但強度變化幅度不大。不同土性對注漿后土體抗壓強度的影響不大。

3）固結試驗

對所取土樣進行固結試驗，選取壓縮模量E1-2作為變形指標試驗結果。固結試驗做了51，57，65 m的原狀土與注漿土的對比試驗。對于原狀土，65 m的砂土壓縮模量為25 MPa，51，57 m的黏土平均壓縮模量為20 MPa。注漿后不同深度土體的壓縮模量均提高了10 MPa左右，其中65 m的注漿效果最好，平均壓縮模量為35.5 MPa；51，57 m的注漿效果較差，平均壓縮模量為31 MPa。

5結論

本文以承臺鉆孔灌注樁為研究對象，采用聲波透射法逐樁進行樁基完整性檢測，通過設置豎向注漿鋼花管進行樁基補強，在此基礎上，通過鉆孔取芯鑒定和一系列室內試驗分析了注漿補強效果，得到如下結論：

1）通過設置豎向注漿鋼花管補強，并采用多次控制劈裂注漿工藝，對補強點周邊地面沉降變形幾乎無影響。

2）鉆孔取芯鑒定表明，注漿區域與未注漿區域有明顯的分界面，從側面驗證注漿對于樁基補強具有良好的效果。

3）直剪試驗中不同法向壓力下注漿強度均有明顯提高；注漿后土體的單軸抗壓強度變化不大，且不同土性對注漿后土體單軸抗壓強度影響較弱；注漿后不同深度土體的壓縮模量均提高了10 MPa左右。