新線引入既有客運專線車站軟土地基加固技術

杭紅星 陳尚勇 吳成杰

中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 武漢 430063

我國高速鐵路建設有時需要在軟土地基上修建路基。由于軟土地基工程特性差，其沉降控制是高速鐵路路基建造的關鍵。而鄰近高速鐵路營業線進行新線路基建造時變形控制難度更大。要減少新線引入施工對既有線安全運營的影響，重點需要解決好兩方面問題：①軟弱地基條件下引入工程地基處理造成營業線路基附加沉降、偏移的問題；②引入工程施工過程對營業線安全運營的影響。對于解決以上問題，國際上無成功經驗可循。國內鐵路行業路基設計規范尚未有鄰近運營高速鐵路的有關設計條款，各設計單位遇到此類問題時僅憑經驗。多年實踐經驗表明，鄰近營業線地基處理宜優先選用施工機械高度低、施工過程對既有線影響小的技術措施。布袋注漿樁技術需要的設備簡單，占地小，只需鉆機引孔，對于環境受限（如凈空受限等）地段的軟土地基處理有獨特優勢。

布袋注漿成樁是分層注漿技術和土工織物綜合應用而成的新技術［1］，采用適當的注漿設備通過注漿管將漿液注入預先埋設于軟土中的土工布袋內，漿液在布袋內的壓力大于布袋周圍土體的被動土壓力時，得以膨脹布袋壓密土體，并在袋內析水硬化，與加筋注漿管一起形成較規則的圓柱狀或葫蘆串狀結石體，與周圍土體共同形成復合地基，達到加固軟土地基和提高地基承載力及復合模量的目的。

布袋注漿樁技術首次使用在甬臺溫鐵路客運專線臺州南車站、溫嶺車站、樂清車站等工點［2-3］。丁光文、宋寧、陳翠瓊等［4-6］先后對布袋注漿樁加固效果、成樁質量、樁基檢測、工程造價等進行研究。但工程應用多局限在深厚層夾層軟基加固、鐵路路基加固、沿海軟土復合地基處理、擋土墻和基坑開挖等領域［7］，少有鄰近高速鐵路營業線路基地基加固中應用布袋注漿樁技術的報道，國內鐵路行業更是在2023年才將該技術正式納入技術規程［8］。本文結合商合杭（商丘—合肥—杭州）高速鐵路、滬蘇湖（上海—蘇州—湖州）高速鐵路引入既有客運專線車站工程地基處理，通過設計方案論證分析、現場試驗測試研究，提出采用布袋注漿樁解決上述問題的設計與施工關鍵技術，以促進布袋注漿樁技術的應用和推廣。

1 工程概況

1.1 線路概況

既有客運專線車站高速場有2 條正線（Ⅴ道、Ⅵ道），5 條到發線（1 道、3 道、4 道、7 道、8 道），其中4道—7道為無砟軌道，其余均為有砟軌道。商合杭線從車站北端引入，滬蘇湖高鐵從車站南端引入，見圖1。車場內商合杭高鐵線下工程已預留并提前實施，南側滬蘇湖高鐵引入工程為本次新建工程。滬蘇湖高鐵引入工程路基填高2 ～ 3 m，線路等級為國鐵Ⅰ級，設計速度為160 km/h。

圖1 新線引入既有客運專線車站平面

1.2 工程地質及水文地質概況

既有客運專線車站場地位于湖積平原區，地形平坦開闊，辟為水田、魚塘，線路西側為既有宣杭鐵路，線路附近有村莊、林場，交通便利。

地基表層均為第四系地層，從上至下依次為：①素填土，松散，黃褐色～褐灰色；②1粉質黏土，黃褐色 ～ 灰黃色，軟塑；②3淤泥，灰黑色，流塑；②4淤泥質粉質黏土，灰黑色 ～ 灰白色，流塑；②5 粉質黏土，灰色，軟塑；③1粉質黏土，灰黃色 ～ 黃褐色，硬塑；⑦1凝灰巖，全風化，黃灰色 ～ 褐黃色。場地代表性地基土物理力學指標見表1。

表1 地基土主要物理力學指標

2 預留工程現狀

車站通車運營多年來，1 道—Ⅱ道、8 道—10 道路基沉降尚未全部完成。2017 年5 月11 日至2018 年8 月16 日歷時15 個月的沉降監測結果見圖2?？芍孩? 道—Ⅱ道沉降較大段為K183 + 545.6—K183 +920.0段，其中1道累計沉降為6.8 ～ 19.6 mm，沉降速率為0.45 ～ 1.30 mm/月；Ⅱ道累計沉降為5.4 ～ 18.0 mm，沉降速率為0.36 ～ 1.20 mm/月。K184 + 040 —K184 +250段1道累計沉降為5.0 ～ 15.0 mm，沉降速率為0.33 ～1.00 mm/月。②Ⅸ道—10 道沉降較大地段為K183 +750 —K183 + 900段，其中Ⅸ道累計沉降為1.0 ～ 14.8 mm，沉降速率為0.07 ～ 0.98 mm/月；10道累計沉降為2.4 ～12.6 mm，沉降速率為0.16～0.84 mm/月。

圖2 不同線路沉降觀測曲線

3 地基加固方案比選

北端商合杭高鐵引入后，原預留實施工程因沉降尚未完成地基需補強加固，南端滬蘇湖高鐵引入新建工程需進行地基處理。根據路基沉降監測數據結果，確定車場內預留地基補強加固范圍為1 道—Ⅱ道K183 + 545.6 —K183 + 920.0段以及K184 + 040 —K184 +250段；Ⅸ道—10道K183 + 750 —K183 + 900段。

根據文獻［9-14］，鄰近營業線地基處理及沉降補強加固，常?？蛇x擇高壓旋噴樁、局部換填加固、壓力注漿法、鉆孔樁樁板結構、預應力管樁、現澆泡沫輕質土技術等方案。結合技術特點，各處理方案的優缺點比選見表2。

表2 地基處理常用處理方案比選

以上常用方案中，高壓旋噴樁的施工設備最小、施工最方便，但是高壓旋噴樁噴射壓力較大，施工期間很可能會造成4 道—7 道無砟軌道基底管樁接頭的損壞，影響既有線運營安全而予以舍棄?，F澆泡沫輕質土雖具有減載效果，但用于預留工程需開挖基坑，對站臺及相鄰無砟軌道影響大。路基填高較低，泡沫輕質土用于基床范圍填筑時動荷載作用下長期服役性能尚處于研究階段。布袋注漿樁施工具有設備?。ǜ叨? m 左右，機座占地3 ～ 4 m2）、低噪聲、加固深度較大、對軟土地基擾動小等優點，適用于對地基擾動變形控制要求嚴格的鄰近既有線地基加固。布袋注漿樁在深厚軟土地基加固中已有較多成功經驗，而在鄰近無砟軌道營業線地基加固領域未見有成功案例。為此，現場進行了試驗研究。

3.1 布袋注漿樁試驗方案

試驗樁共分3 組進行，見表3，分別在每個地基加固區域的兩端及中間位置，選擇質量配比水∶水泥∶粉煤灰分別為0.70∶0.60∶0.40、0.70∶0.65∶0.35、0.70∶0.65∶0.45 三種配合比進行試驗，每個斷面使用一種配合比。試驗樁樁徑0.35 m，樁間距1.2 m，每個斷面試樁根數不少于3根，共計試樁31根。

表3 布袋注漿樁試驗樁方案

布袋注漿樁試驗用水泥采用42.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥各項性能指標滿足GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥》的規定。粉煤灰性能指標符合F 類粉煤灰標準中C50及以上混凝土標準要求。

注漿用布袋選用?0.35 m 卷筒型土工布袋，單位面積230 g/m2，加州承載比（California Bearing Ratio，CBR）頂破強度不小于5.5 kN，等效孔徑（O95）為0.07～0.50 mm，撕裂強度不小于0.9 kN，滲透系數（K）為1 × 10-2～1 × 10-3cm/s。

3.2 布袋注漿樁試驗過程

布袋注漿樁施工工藝主要包括樁位放樣、鉆孔、加筋注漿管連接、布袋綁扎、注漿、成樁檢測等階段。注漿施工由拌制漿液、制作加筋注漿管、綁扎布袋、注漿、清洗注漿管移位進入下一樁位五個主要工序組成。

3.2.1 鉆孔

樁徑?0.35 m布袋注漿樁鉆孔采用GYB?200小型成孔機械搭配合金三葉鉆頭，泥漿循環成孔工藝，要求成孔直徑不小于0.30 m。鉆孔試驗過程中發現路基填土段尤其是底部碎石墊層易卡鉆、塌孔，導致成孔效率低、容易刺破布袋。改用桶式鉆頭引孔、添加氯化鈣、三乙醇胺等將碎石、填料層固結后，保證了成孔質量，提高了成孔工效。

注漿管起到注漿通道和布袋導向撐的作用，分為標準管節和帶眼管節。注漿管一般采用?32 mm、壁厚3.5 mm 的聚丙烯（PP?R）管，節長4 m，管節間經過熱熔連接，其長度大于設計孔深35 ～ 50 cm，注漿底部采用標準堵頭封底，見圖3。底部1.0 m帶眼管節鉆有孔徑?20 mm、間距100 mm 的注漿孔眼，呈梅花狀布置，注漿完成后，注漿管作為加筋留在樁身。

圖3 PP?R注漿管和布袋制作

將布袋套于注漿管外，布袋的底端用細鐵絲綁扎兩道，以免泄漿。布袋在塑料管上每間隔1 m 用22#扎絲綁扎一道，以保證布袋順利進入孔內，同時扎絲不能綁得太緊，以便于布袋在漿液自重情況下能將袋子撐開。

3.2.3 注漿

注漿采用孔底返漿法，將注漿管插到底直接注漿，過程中記錄每根試樁的實際注漿量，注漿結束后管節保留在孔內，作為布袋樁加筋材料。注漿的送漿壓力主要與注漿樁的埋置深度、土體圍壓、送漿距離、送漿流速等因素有關，可選壓力范圍為0.2 ～ 0.6 MPa。注漿時理論注漿量內流量控制在60 L/min 左右，補漿時流量控制在40 L/min。

注漿過程中發現，單位面積質量規格為230 g/m2的布袋在注漿壓力達0.18 MPa以上時普遍出現破裂，原因是布袋被填土層中帶棱角碎石扎破，注漿壓力大于布袋能承受壓力導致布袋被脹破。經調整布袋單面面積質量不小于390 g/m2，CBR 頂破強度不小于10.5 kN，經向、緯向撕破強力不小于1.4 kN 后重新注漿試驗，布袋破裂現象得到有效解決。

注漿結束后，對實際注漿量進行統計分析，31 根試樁的注漿充盈系數平均值為1.33，最小值1.04，實際注漿量均大于理論值，每根試樁樁徑均達到設計樁徑要求。

3.3 試驗樁檢測

3.3.1 樁身質量檢測

試驗樁齡期達到7 d 后，首先采用淺部開挖樁頭，目測檢查樁的完整性、均勻性，經檢測31 根試驗樁樁身完整均勻，直徑均不小于0.35 m。成樁14 d 后，采用雙管單動取樣器在樁徑方向1/4、樁長范圍內垂直鉆孔取芯，每處試樁取不同深度的不少于3 個試樣做無側限抗壓強度試驗，見圖4。

圖4 布袋注漿樁試驗樁取芯

試驗樁樁體強度結果詳見表4。可知，三種配合比下試驗樁取芯的無側限抗壓強度均大于4 MPa，樁體強度比水泥土攪拌樁、旋噴樁成樁強度均要提高很多［17］。配合比水∶水泥∶粉煤灰 = 0.7∶0.6∶0.4條件下樁體取芯抗壓強度遠大于4 MPa，具有優化空間。

"You have a chance to the top! Corinne told me..." Yes, he is the first Chinese reach the top, and is also the first Chinese Master Sommelier in the world.

表4 試驗樁樁體強度

成樁28 d后，抽取12根樁采用低應變反射波法檢測樁身完整性，結果顯示均無清晰可見的樁底反射信號，且波速范圍無法確定。原因可能是樁身強度弱于混凝土，施工基樁長徑比大，樁身材料與樁周土結合緊密，導致低應變的錘擊能量被樁土混合體大量吸收，無法有效向樁底傳播，無法通過低應變反射波法檢測判定樁身質量。

3.3.2 樁基承載力檢測

試驗樁單樁承載力設計值不小于100 kN，單樁靜載荷試驗最大試驗荷載分別按不小于200、260、360 kN實施。采用慢速維持載荷法進行單樁豎向抗壓承載力試驗，根據受檢樁的預估極限承載力，按八級進行荷載分級。載荷試驗采用堆重平臺作為加載裝置，堆載總重量不小于承載力極限值的1.2倍。

試驗樁的單樁承載力檢測結果見表5，典型的單樁承載力曲線見圖5。其中，Q為荷載，S為沉降，t為時間?？芍?，試驗樁的沉降隨荷載的增大逐級增大，Q?S曲線未出現陡降段，S?lgt曲線各級沉降均逐級增大，在各級荷載作用下，S?lgt曲線斜率均基本接近，且曲線尾均未出現下折征兆，單樁設計承載力取100 kN時有優化空間。

表5 載荷試驗結果

圖5 典型試驗樁Q?S和S?lgt曲線

4 鄰近營業線地基處理方案設計

4.1 設計方案

根據試驗樁工藝總結及檢測結果，最終選用布袋注漿樁技術加固商合杭高鐵、滬蘇湖高鐵引入客運專線車站工程軟土地基。

商合杭高鐵引入工程1 道、Ⅱ道K183+545.6—K183 + 920、K184 + 040—K184 + 250 段，Ⅸ道、10 道K183 + 750—K183 + 900段地基加固區域采用?0.35 m布袋注漿樁加固，樁長11.5 ～ 21.0 m，樁間距1.2 ～1.4 m，正三角形布置，樁頂鋪設0.2 m 厚中粗砂墊層。滬蘇湖高鐵引入工程K184 + 463.1—K185 + 614.4 段靠近寧杭鐵路無砟軌道側地基采用布袋注漿樁處理，樁徑0.4 m，樁間距d= 1.4 m，樁長5.0 ～ 12.5 m，樁頂鋪設0.6 m厚碎石墊層。典型設計斷面見圖6。

圖6 布袋注漿地基處理橫斷面

設計布袋注漿樁水泥結石7 d強度不小于2.8 MPa，28 d 齡期標準試塊抗壓強度大于4.0 MPa，單樁承載力不小于127 kN。

根據試樁結果及工程實踐［6］，設計選用質量配比（水∶水泥∶粉煤灰 = 0.70∶0.55∶0.45）能滿足強度要求，工程樁前期施工可采用配比水∶水泥∶粉煤灰 =0.7∶0.6∶0.4 進行施工，同時進行水∶水泥∶粉煤灰 =0.70∶0.55∶0.45 試成樁，經取芯試驗，滿足試樣強度大于4 MPa 要求后，可調整為配比水∶水泥∶粉煤灰 =0.70∶0.55∶0.45施工。

4.2 施工質量控制要點

注漿用布袋技術規格指標為單位面積質量不小于390 g/m2，CBR 頂破強度不小于10.5 kN，O95為0.07～0.50 mm，經向、緯向撕破強力不小于1.4 kN，布袋滲透系數K= 1 × 10-2～1 × 10-3cm/s。

布袋注漿樁注漿泵輸送壓力設定為0.2 ～ 0.5 MPa，第一次注漿注滿后，保持小流量繼續注漿，注漿管頂部壓力控制在0.05 ～ 0.10 MPa，使布袋充分膨脹。

商合杭高鐵、滬蘇湖高鐵引入客運專線車站軟土地基加固工程設計布袋注漿樁近123000 m，每米樁身造價110 元，具有較強的技術經濟優勢。地基處理施工過程中既有無砟軌道線路維持正常高速運行，新線引入對運營線影響小。地基處理施工完畢，對21根工程樁取芯進行了無側限抗壓強度試驗，結果見表6?？芍簶渡頍o側限抗壓強度最小值8.00 MPa，標準值9.31 MPa，試驗結果離散程度低。對11根工程樁進行單樁載荷試驗，單樁極限承載力不小于254 kN，對應的沉降5.2 ～ 15.9 mm，檢測結果均滿足設計要求。

表6 工程樁取芯無側限抗壓試驗結果

5 結論

1）布袋注漿樁機械設備高度低，占地面積小，施工過程中對地基擾動程度弱，對于新線引入既有客運專線車站等空間受限的既有線地基加固工程，適用性強。

2）布袋注漿樁在路基填土層施工時可能存在塌孔、扎破布袋等問題。通過成孔過程中加入早強劑凝固填料顆粒、提高布袋單位面積重量等可予以解決。

3）布袋注漿樁漿液質量配比水∶水泥∶粉煤灰 =0.70∶0.55∶0.45 情況下，樁身的無側限抗壓強度大于8 MPa，設計抗壓強度取4 MPa具有一定安全富余。

4）采用低應變法檢測布袋注漿樁樁身完整性效果較差，工程應用中應加強樁身取芯檢測。