高壓旋噴樁在鐵路路基病害中的應用

閆洪銘

（青藏集團公司德令哈工務段，青海 西寧 810000）

自新中國成立以來，國家已建設了世界上最現代的鐵路網和最發達的高鐵網。為保持鐵路經常處于良好狀態，國家每年投入大量人力物力對鐵路機車、車輛、路基、軌道及信號等進行養護維修。其中路基沉降病害作為最常見的病害，得到了國內外專家學者的關注，歷經多年發展，現已研究出多種常見的針對各種病害的治理措施，文章僅對高壓旋噴樁處理措施進行簡要介紹及實例分析。

1 路基常見病害

1.1 路基基床下沉

鐵路路基土體在雨水的長期浸泡下，不僅會降低路基的整體強度，還會造成路基下沉，再加上車輛在行駛過程中產生的震動、重車的荷載等導致道砟壓入基床中，形成道砟袋或道砟囊，最終造成路基基床土體軟弱層出現剪切滑動，側溝向外擠壓、路肩隆起等破壞，嚴重的將導致車輛在運營過程中出現脫軌等嚴重的安全事故。

1.2 滑坡

鐵路路基因長期暴露在大氣中，在某些地質環境中，受到自然及人為因素的共同作用，巖土體受力平衡被打破，在其結構裂縫或軟弱面處向下滑動而破壞[1]。滑坡造成的落石、坍方產生的沖擊力可使路基，軌面遭到破壞，若侵入正線將造成運營中斷，是危害最大的路基病害之一。

1.3 凍害和雪害

凍害即是路基內含有的水在凍結或融化過程中出現路基不均衡的凍脹和承載力減弱的現象。對于路基面存在較多積水時，一旦氣溫較低，就會結冰而使體積膨脹，進而引發凍脹等現象，直接影響到列車的正常運行。尤其是在降雪時，大量的積雪覆蓋了線路，很容易引發凍害，影響路基平整度，直接影響到列車的在區間內的運行速度，同時對行車安全構成威脅，從而造成交通事故。

1.4 砂害

砂害即是風砂流的掏蝕、堆積作用對鐵路線路設備的破壞及流砂上道進而對正常行車產生影響的現象。通常可以將風力對路基產生的風蝕作用分成掏蝕、磨蝕和吹蝕。就沙害的危害程度，一般分為特級沙害（積沙超過軌面）、一級沙害（積沙與軌面向平）、二級沙害（積沙埋沒枕木和扣件）、三級沙害（積沙使道床不潔，但未埋沒枕木和扣件）。

1.5 翻漿冒泥

當雨水長期將路基土體浸濕后就會變成泥漿，然后再受到列車傳出的振動就向道碴中的間隙擠入，讓道床變得更加臟污，降低其彈性。這將大大降低路基的強度，進而會轉變成泥漿，受到外力作用而冒出。路基翻漿冒泥是多種因素綜合作用的結果，土質、水、溫度、路面與行車荷載是影響路基翻漿冒泥的主要因素，同時還包括工程措施方面的原因。

2 高壓旋噴樁原理及工藝特點

2.1 技術原理

高壓旋噴技術是20世紀70年代從日本引進的，主要用于軟土地基的處理。它的噴射介質為水、水泥漿液和壓縮空氣，使噴射管邊旋轉邊提升，利用高壓水形成高速噴射流束，沖擊、切割、破碎地層土體，并以水泥漿液進行充填，形成圓形斷面狀的凝結體，以提高土體的抗剪強度和承載力[2]。

2.2 優點及用途

高壓旋噴樁用途較廣，既可以事前處理，也可以事后補救。設備較簡單，施工方便，固結土體形狀大小可以調節，根據需要可以采用旋噴、定噴、擺噴等形成不同的加固形狀；可以采用單重管法、雙重管法及三重管法，形成大小不同的加固體[3]。

單重管法，只噴射單一的高壓水泥漿液，形成的樁徑最小，樁徑一般為0.6 m左右，多用在松散、稍密砂層中，水泥用量一般小于200 kg/m，正常施工速度一般在20 cm/min。

雙重管法，噴射水泥漿和壓縮空氣，形成的樁徑一般在0.6～0.8 m，經常用在中密砂層中，水泥用量一般小于300 kg/m，正常施工速度在10～20 cm/min。

三重管法，噴射水泥漿液、空氣和高壓水，機理是用高壓水去切割土體，水泥漿去填充切割后的土體，樁徑一般在1.0～1.2 m，可以在圓礫層內施工，水泥用量一般在400 kg/m，正常施工速度在10～20 cm/min。

高壓旋噴樁施工中，水泥漿的用量和提升速度、灌漿壓力、噴嘴大小等都有著密切的關系，所以在施工前需要先做試驗樁，確定合理的施工工藝和施工參數[4]。

3 工程實例

3.1 項目概況

工程位于青海省海西蒙古族藏族自治州烏蘭縣察汗諾車站，沿既有鐵路線兩側有鹽湖分布，茶德高速與線路并行，交通較為便利。本段鐵路以填方形式通過，最大填方高度約2.0 m，填方高度較低，兩側均有常年積水洼地，路肩外側設置填方式側溝，路基及坡面完整，坡面采用灌木防護，生長良好，側溝排水通暢。該段路基多年來出現不均勻沉降，嚴重影響正常行車及行車安全，并給工務段的養護帶來很大困難。

3.2 工程地質及水文地質

3.2.1 地形地貌

該工程地貌上屬于沖積平原區，地形開闊平緩，地勢南高北低，局部有起伏，地面標高為3 283～3 290 m。

3.2.2 工程地質條件

根據地質調查及鉆探揭示，工程場地內地層主要有第四系全新統填筑土、沖湖積淤泥、粉質黏土、粉砂及細砂。

（1）人工填筑土（Q4ml）:主要分布于既有鐵路路堤，黃褐色，成分以粉質黏土為主，土質不均，局部含碎石及礫砂，層厚2～4 m，稍濕-潮濕，中密，Ⅱ級普通土。

（2）淤泥（Q4al+11）:主要分布于表層，層厚0.8～2.2 m，灰黑色，部分夾有機質，無搖振反應，無光澤，韌性較低，有腐臭味道，軟塑，Ⅱ級普通土，σ0=60 kPa。

（3）粉質黏土（Q4al+11）:分布于淤泥層之下，層厚大于13.8 m，黃褐色，無搖振反應，刀切面較光滑，韌性中等，手搓易成條，巖芯呈柱狀，軟塑-流塑，Ⅱ級普通土，σ0=80 kPa。

（4）粉砂（Q4al+14）:淺黃色，呈透鏡體狀分布于粉質黏土層中，層厚0～0.5 m，成分以石英、長石為主，黏粒含量較大，飽和，稍密，I級松土，σ0=80 kPa。

（5）細砂（Q4al+14）:淺黃色，呈透鏡體狀分布于粉質黏土層中，層厚0～1.8 m，成分以石英、長石為主，飽和，稍密，I級松土，σ0=100 kPa。

3.2.3 地質構造

工程范圍內第四系覆蓋層較厚，未見明顯地質構造形跡。地質構造對該工程無影響。

3.2.4 水文地質特征

（1）地表水：青藏線K353+700～K353+900段分布于都蘭河上游地段左側，都蘭河常年有水，流向西，在烏蘭縣并入沙柳河后注入都蘭湖，系區內侵蝕基準面。該段路基距離都蘭河河谷約200 m，受地形影響，線路左側及右側的察漢諾車站地段分布有大小積水洼地，洼地內水位受季節影響變化幅度較大。

（2）地下水：地下水以第四系松散層孔隙潛水為主，埋深0.8～1.8 m，主要含水層為粉質黏土層及粉、細砂層，受大氣降水及地表鹽湖水補給，以地下徑流及蒸發的形式排泄，水位隨季節的變化而變化，變化幅度較大。

（3）腐蝕性評價：根據勘察資料，地下水對混凝土結構中的鋼筋具氯鹽侵蝕性，環境作用等級為L1；地表水對混凝土結構中的鋼筋具氯鹽侵蝕性，環境作用等級為L1；環境土對混凝土結構中的混凝土具硫酸鹽結晶破壞性，環境作用等級為Y1。

3.3 病害概況及原因分析

3.3.1 病害概況

青藏線K353+700～K353+900段鐵路路基海拔為3 283～3 290 m，以低填方路基形式通過，路基兩側洼地常年積水，路基存在不均勻沉降及翻漿冒泥現象，沉降最大處約20 cm，列車經過時軌道及道床上下晃動嚴重，對鐵路運營造成很大安全隱患。

3.3.2 病害原因分析

通過病害現狀、水文條件，地層情況及工務段介紹綜合分析病害產生主要原因如下：

（1）經現場調查，線路坡腳有幾處湖泊，常年積水，浸泡坡腳。根據路基下地層情況，該段地層上部為填土層，其下為淤泥層，再以下為粉質黏土層，引起路基不均勻沉降的主要為淤泥層和其下飽和粉質黏土層，即地基加固主要考慮對該2層土層進行加固可有效改善路基沉降情況，確保行車安全。

（2）路堤填方本體內毛細水上升導致路基本體及基床軟化等造成了不均勻沉降，局部段落基床出現了翻漿冒泥。

3.4 工程措施

3.4.1 斜向旋噴樁工程

（1）左側旋噴樁：上排樁鉆孔位置距左側鋼軌水平距離2.6～3.6 m，上排樁樁徑0.6 m，鉆孔長18.1～19.1 m，從孔底向上旋噴成樁16 m，下傾角10°；下排樁鉆孔位置距上排樁鉆孔水平距離2.6～3.6 m，樁徑0.8 m，鉆孔長22.4～25.6 m，從孔底向上旋噴成樁19 m，下傾角15°。

（2）右側旋噴樁：上排樁鉆孔位置距左側鋼軌水平距離2.2～3.3 m，上排樁樁徑0.6 m，鉆孔長17.8～18.9 m，從孔底向上旋噴成樁16 m，下傾角10°；下排樁鉆孔位置距上排樁鉆孔水平距離0.7～1.6 m，樁徑0.8 m，鉆孔長20.4～21.8 m，從孔底向上旋噴成樁18 m，下傾角15°。

（3）旋噴樁布置：上下兩根樁豎向位于同一立面布置，左右雙側相互交錯，沿線路縱向樁間距1.3 m。高壓旋噴樁所用水泥采用P.0.42.5普通硅酸鹽水泥。

3.4.2 咬合旋噴樁工程

咬合旋噴樁工程是在既有線兩側鋼軌外6 m各設一排咬合旋噴樁，旋噴樁樁徑0.6 m，樁長7 m，咬合0.2 m。

3.4.3 鋼管樁工程

鋼管樁工程是在既有兩股正線中心、兩股道軌枕外側0.5 m處及正線兩股道中心道砟以下路基面等位置采用鋼管樁加固，鋼管直徑0.133 m，壁厚5 mm，采用螺旋鉆成孔，橫向設置5個鉆孔，沿線路縱向間距1.3 m，孔深3 m。鋼管孔壁應預先打孔，沿周長方向設4個孔，沿深度方向間距為0.4 m，交錯布設，鋼管內填碎石。鋼管樁頂部縱橫向均采用直徑Φ20HRB400鋼筋焊接。

3.4.4 補強排水工程

施工完成后對K353+700～K353+900段范圍內側溝按原尺寸予以恢復加固，側溝采用M7.5漿砌片石鋪砌，厚度0.3 m，于兩側側溝內側距離水溝頂面或距離路基0.6 m處每隔2 m于路肩部分開挖后鉆孔打入一道PVC雙壁波紋管，外包無紡土工布，坡度4%，長度5 m，路基開挖部分采用砂夾卵石回填，以便排出路基基床及道砟內積水。

3.5 沉降監測

3.5.1 監測目的

在施工過程中不僅需列車限速45 km/h，且為保證路基病害整治過程中的安全性，達到監測預警的目的，施工期間應加強路基及軌道變形監測。施工過程中對路基高程實施沉降監測，施工中跟蹤監測，確保施工安全，并反饋設計，檢驗防治效果。

3.5.2 監測內容及方法

沉降監測采用自由坐標系，通過項目區外假設一定高程的穩定點，采用閉合水準路線對路基沉降點進行監測，得到各沉降點的高程，通過監測獲得各監測點高程進行對比分析。沉降監測采用徠卡Sprinter 350 m電子水準儀，精度為0.5 mm，沉降監測采用二等水準測量。

根據監測工作的目的及主要任務要求，監測工作的主要內容有以下幾個環節：

（1）建立控制基準網：根據項目區實際情況，監測網控制點埋設在項目區外的穩定區域，向地面打入膨脹螺絲、沉降監測釘，并假設一固定高程作為基準。

（2）在路基片石路肩上布置沉降監測點，監測點布設不僅需滿足水準儀的通視條件，而且應布設在最能反映地面及樓體變形特征的部位。

（3）采用電子水準儀監測各監測點的高程，每次觀測遵循“三固定”的原則，即：觀測所用設備固定、觀測人員固定、觀測路線固定，盡可能減少觀測中誤差。

（4）監測工作根據線路運行實際情況，日沉降量大于5 mm或累計沉降量大于25 mm達到報警值。

3.5.3 監測頻率

（1）治理工程施工前測定3次，獲得初始值，施工期間（3個月），監測頻率為2天1次；如現場變形嚴重，應根據實際情況加密監測，必要時應全天候監測。

（2）施工竣工后一年內進行監測。雨季監測頻率為1月2次（6—10月），旱季監測頻率為1月1次（11—5月)。

3.6 效果評價

施工完成后，為保證施工質量，甲方委托第三方進行檢測，采用低應變檢測樁身均勻性，采用淺部開挖樁頭檢測樁身直徑，采用鉆芯取樣檢測樁身強度等[5]，檢測結果均滿足設計要求。

加固段路基共設置11個沉降監測點（JC-1～JC-11），間距15～20 m，沉降監測自施工前開始，截至到施工后1個月，沉降累計曲線見圖1，從圖中可以看出沉降趨勢從施工開始由陡逐漸變緩（停工期間無數據），至施工結束后30 d沉降趨勢變為直線段（無沉降），最終JC-11號點累積沉降值最大為2.3 mm，施工結束后所有監測點基本未出現新的沉降，與施工前和施工期間比較，沉降量明顯減小，沉降累計值最終趨于穩定，路基加固效果明顯。

圖1 路基監測累計沉降圖

4 結論

高壓旋噴樁作為處理軟弱地基的措施，目前已經被廣泛使用，其在路基病害治理中可靈活運用，既可斜向旋噴樁加固路基基床，又可豎向咬合旋噴樁形成截水帷幕，解決了路基病害問題。但在今后的使用中，仍需通過大量應用和數據的累積，對其進行不斷的研究和完善。