高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究.pdf

第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究王定顺1，赵文辉1，石旭东1，张金瑞2，杨有海1，张延杰1(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁七局集团有限公司，河南 郑州 450000)摘要：高压旋喷桩在湿软黄土地基加固时效果良好，施工方便，适用于黄土地区既有路基帮宽工程地基处理，但其施工过程中会产生挤土效应，影响既有线路的运营安全。以某在建高速铁路引入既有城际铁路工程为依托，结合挤土试验和实测数据，探究高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响规律。结果表明，对于单桩挤土试验，高压旋喷桩挤土效应与桩周土体距桩心距离呈负相关变化，距离桩心越近，挤土效应越明显。高压旋喷桩沿竖向挤土效应与土层位置、土层压缩系数和湿密度等相关，沿桩深度方向周围土体侧向位移变化在埋深05 m范围最为显著。高压旋喷桩施工后，周围土体会出现回缩现象，现场测试各测斜孔回缩值在02 mm之间。多桩施工时，高压旋喷桩周围土体会产生位移累积效应，挤土试验中所选4根桩全部施工完成后，距桩心2 m位置处的测斜孔，其侧向位移在埋深02 m范围达8 mm以上。既有路基变形实测发现，应力释放孔和高压旋喷桩施工时可导致既有路基上拱或沉降，既有路基监测点最大累计上拱量5.95 mm，最大累计沉降量7.13 mm。通过采取在既有路基坡脚设置应力释放孔、高压旋喷桩由内向外施工并严格控制高压旋喷桩施工参数的措施，可保证既有线路基稳定。关键词：路基帮宽；高压旋喷桩；挤土效应；现场监测；变形研究中图分类号：TU472.99 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）07-2500-09Influence of high pressure jet grouting pile construction on deformation of existing railway subgradeWANG Dingshun1,ZHAO Wenhui1,SHI Xudong1,ZHANG Jinrui2,YANG Youhai1,ZHANG Yanjie1(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.China Railway Seventh Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,China)Abstract:The high pressure jet grouting pile has good effect and convenient construction in the reinforcement of wet and soft loess foundation,which is suitable for the foundation treatment of existing subgrade widening engineering in loess area.However,the compaction effect will occur during the construction process,which affects the operation safety of existing lines.Based on the existing intercity railway project introduced by a high-收稿日期：2022-06-29基金项目：国家自然科学基金资助项目(51868038)；甘肃省青年科技基金资助项目(21JR1RRA249)；兰州交通大学青年科学基金资助项目(2019026)通信作者：赵文辉(1989)，男，河南商丘人，副教授，博士，从事岩土工程与路基工程研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221300第 7 期王定顺，等：高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究speed railway under construction,combined with soil compaction test and measured data,the influence of high pressure jet grouting pile construction on the deformation of existing railway subgrade was explored.The results show that the soil squeezing effect of high-pressure rotary jet grouting pile is negatively correlated with the distance between the soil around the pile and the pile center for the single pile compaction tests The closer the distance to the pile center,the more obvious the soil squeezing effect.The lateral displacement variation of soil around the pile depth is the most obvious in the depth range of 05 m from the ground,which is related to soil position,soil compressibility coefficient,wet density and etc.After the construction of high pressure jet grouting pile,the surrounding soil experienced retraction,and the retraction value of each inclined hole was between 02 mm.During multi-pile construction,the soil around the high-pressure jet grouting pile experiences displacement accumulation effect.After the completion of the four selected piles in the soil compaction tests,the lateral displacement of the inclinometer hole at 2 m away from the pile center can reach more than 8 mm in the depth range of 02 m from the ground.The deformation measurement of the existing subgrade widening shows that the construction of stress release hole and high pressure jet grouting pile can lead to existing subgrade arch or settlement,existing subgrade monitoring points maximum cumulative arch 5.95 mm,maximum cumulative settlement 7.13 mm.The stability of existing roadbed can be ensured by setting stress releasing hole at the foot of existing roadbed,constructing high pressure jet grouting pile from inside to outside and strictly controlling construction parameters of high pressure jet grouting pile.Key words:roadbed width;high-pressure rotating pile;squeezing effect;field monitoring;deformation study 交通乃兴国之要、富民之基，交通强国，铁路先行。伴随着我国向交通强国大步迈进，高速铁路网和城际铁路网不断加密，高速铁路、城际铁路相互接入，出现了各种地质条件下的路基帮宽工程，而帮宽路基复合地基在施工过程中会对既有线路产生一定扰动，影响既有线运营安全1。高压旋喷桩出现于20世纪70年代，其在成桩时，浆液通过高压旋喷切割土体，与土体形成固结体，从而达到加固地基的目的，现已广泛应用于湿陷性黄土地基的加固26。赖金星等7采用现场监测和数值模拟的方法，对高压旋喷桩加固黄土隧道地基进行了研究，结果表明其加固效果良好。冯帅8通过斜向旋喷桩加固黄土地基模型试验，得出在不同角度旋喷桩加固下的复合地基承载力均明显高于天然地基的结论。杨晓华等9系统分析了黄土地区各类地基加固方式，其中高压旋喷桩加固黄土地基时，能够起到加固补强的良好效果。高压旋喷桩属于挤土桩，在施工过程中，会对周围土体产生挤土效应，当既有铁路帮宽段采用高压旋喷桩处理地基时，既有路基会产生不同程度的变形1012。廖进星13结合张吉怀铁路联络线引入沪昆场工程，通过数值计算软件分析了高压旋喷桩加固帮宽地基对既有路基的影响，并进行了帮宽段路基风险评估。白逢义等14将高压旋喷施工时的路基隆起监测结果和注水试验进行了对比分析，研究了高压旋喷注浆时路基隆起的原因。邓开鸿15以离散元(DEM)模型为基础，从微观层面研究了高压旋喷桩施工时周围土颗粒的应力传递特性和运动规律。毛祖夏等16对比了双管高压旋喷桩法与MJS工法的现场挤土试验结果，总结了2种方法挤土效应的差异。李世鑫等17以室内模型试验为基础，研究了高压旋喷桩施工时对邻近铁路桥墩的影响。吕若冰等18根据高压旋喷桩处理软基的现场实测数据，研究了注浆压力对公路路基隆起变形的影响规律。综上所述，黄土地区高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形的影响研究较少。基于此，本文以黄土地区某高速铁路引入既有城际铁路工程为依托，首先通过现场挤土试验分析高压旋喷桩施工对周围土体的影响规律及程度，然后结合工程实测数据，研究高压旋喷桩对既有路基变形的影响规律。该研究保障了工程的顺利施工，且可为类似工程设计、施工提供一定参考，尤其可为黄2501铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月土地区帮宽工程提供一定经验。1 工程概况某新建高速铁路设计时速250 km/h，正线数目为双线，铁路等级为客运专线，新建铁路在既有城际铁路K47+986K49+181段，以路基帮宽的形式引入，工点全长1 195 m，试验工点典型断面见图1。根据工程勘测结果，工点范围内自上而下地层分布及物理力学参数见表1，土层特征为：1)422砂质黄土：浅黄色，土质均匀，可见针孔大虫孔和孔隙，层厚2.54.5 m。2)423砂质黄土：浅黄色，土质均匀，可见针孔大虫孔和孔隙，层厚7.312.4 m。3)933砾砂：浅黄色，成份主要为长石、石英，层厚07.2 m。4)103 3细圆砾土：杂色，成分主要为砂岩，层厚02.8 m。5)42泥岩夹砂岩：棕红色，层状构造，泥质结构，成份主要为黏土矿物。既有城际铁路地基采用双向水泥土搅拌桩进行加固处理，桩径、桩距和桩长分别为0.5，1.3和12 m，三角形布设，面积置换率 m=13.4%，加固后复合地基设计承载力特征值fspk=152 kPa，并在搅拌桩桩顶铺设0.5 m厚中间夹80 kN/m双向土工格栅的碎石垫层。路堤部分基床以下填筑渗水土，基床底层填筑掺 4%水泥的改良土 1.9 m，基床表层填筑级配碎石0.6 m。结合现场工艺试验及设计规范，帮宽段地基采用高压旋喷桩进行加固处理，高压旋喷桩施工参数见表2。桩径、桩距和桩长分别为0.5，1.4和1116 m，正方形布设，面积置换率m=10%，高压旋喷桩无侧限抗压设计强度3 MPa，加固后复合地基设计承载力特征值fspk=155 kPa，并在高压旋喷桩桩顶铺设0.6 m厚中间夹100 kN/m双向土工格栅的碎石垫层。高压旋喷桩处理地基范围距既有城单位：m图1典型断面图Fig.1Typical section diagram表1 上、下行帮宽段地层分布及物理力学参数Table 1 Stratigraphic distribution and physical and mechanical parameters of wide section of upper and lower reach土层名称422砂质黄土423砂质黄土933砾砂1033细圆砾土上行段层厚/m2.62.98.710.31.62.51.21.9含水率/%15.624.623.529.325.630.625.130.7下行段层厚/m2.52.79.011.52.13.21.02.2含水率/%17.733.631.237.328.636.729.736.5泊松比0.320.320.310.33黏聚力/kPa14.918.39.113.9内摩擦角/()20.621.222.723.52502第 7 期王定顺，等：高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究际铁路坡脚2 m，沿高压旋喷桩处理边缘设置孔径0.5 m应力释放孔一排，纵向间距1.2 m，孔深和高压旋喷桩相同，孔内填满碎石并用三七灰土封闭孔口。2 试验与测试方案2.1高压旋喷桩挤土试验为研究高压旋喷桩施工时对桩周土体的影响及程度，在既有城际铁路上行侧帮宽段典型断面位置开展挤土试验。在试验前，首先在典型断面位置进行地质勘测，地质状况见图1，并通过室内试验测定典型断面处土体压缩系数和湿密度随土层深度的变化，结果如图2所示。在埋深03 m范围，压缩系数大于0.5 MPa1，为高压缩性土；在埋深35 m范围，压缩系数在0.4 MPa1附近，为中等压缩性土；在埋深大于5 m的土层，压缩性明显小于埋深在5 m内的土层。湿密度介于1.581.83 g/cm3之间，且随地层深度变深不断增加。现场共选取 4 根高压旋喷桩开展试验，编号1X4X；布设 7 个测斜孔，编号 1C7C。高压旋喷桩施工前以 1X 桩心放样点为基准点，在距其 45，65，85，105 和 125 cm 处布设 1C5C 测斜孔；在 1X 桩心位置垂直于既有路基坡脚方向布设 6C，6C距既有城际铁路坡脚线 1.6 m；在距6C位置70 cm竖直方向上布设7C，测斜孔现场布设关系见图 3。1C5C 孔内测斜管导槽对准 1X桩心位置，分析单桩施工时的影响；6C7C 孔内测斜管导槽方向垂直于坡脚线，在分析单桩施工影响的基础上，对 6C 进行多桩施工条件下影响分析。高压旋喷桩施工顺序为1X先施工，间隔24 h后2X施工，再间隔8 h后3X施工，3X完成后直接进行4X施工。现场共进行4次测试，测试时间分别为1X完成后第1次测试，2X施工前第2次测试，2X完成后第3次测试，4X完成后第4次测试。现场布设和测试如图4所示。2.2既有路基变形监测方案如图5所示，物位计测点布置在既有线道砟坡脚 位 置，现 场 布 置 时 物 位 计 固 定 在 300 mm300 mm5 mm的沉降板上，沿线路纵向每50 m布置一个，数据采集系统自动采集位移变化，超出设定的安全预警值10 mm将自动提醒。表2高压旋喷桩施工参数Table 2Construction parameters of high pressure jet grouting pile喷浆压力/MPa25转速/(rmin1)20喷射流量/(Lmin1)56.6提升速度/(cmmin1)25水灰比1 1(a)压缩系数；(b)湿密度图2典型断面处土体压缩系数和湿密度随深度的变化Fig.2Variation of soil compression coefficient and wet density with depth at typical section2503铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月选取上下行线典型监测区间进行分析，上行侧帮宽段有6排高压旋喷桩，桩长13 m，区间内布设物位计测点 4 个，编号 Y1Y4，监测长度200 m；下行侧帮宽段有 5 排高压旋喷桩，桩长13 m，区间内布设物位计测点3个，编号Z1Z3，监测长度150 m。高压旋喷桩现场施工顺序如图6所示，应力释放孔优先于高压旋喷桩施工23排，高压旋喷桩先从里侧(应力释放孔旁)向外侧进行第1 列施工，完成后按同样顺序依次进行其余各列施工。(a)帮宽地基；(b)物位计测点；(c)物位计平面布置图图5现场帮宽地基处理及物位计图Fig.5Site widening foundation treatment and level meter(a)现场布设；(b)现场测试图4现场布设和测试图Fig.4Field layout and test chart单位：cm图3测斜孔布设关系图Fig.3Inclined hole layout diagram2504第 7 期王定顺，等：高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究3 测试及监测结果与分析3.1挤土试验测试结果分析3.1.1单桩挤土试验数据分析图7为第1次测试侧向位移变化结果，分析可知，沿桩径方向随着测斜孔距桩心距离的增大，侧向位移逐渐减小。1C 最大侧向位移 24.75 mm，位于埋深 0.5 m 处；2C 最大侧向位移 21.84 mm，位于埋深 1.5 m 处；3C5C侧向位移在 10 mm 以内；6C和7C距桩心较远，侧向位移变化不明显，在5 mm以内。结合文献14挤土效应理论，整体而言，高压旋喷桩挤土效应与桩周土体距桩心距离呈负相关变化，距离桩心越近挤土效应越明显。沿桩深度方向，在埋深05 m范围，1C7C侧向位移变化较大，特别在 02.5 m范围尤为明显，最大值为 24.75 mm；在埋深大于 5 m 时，侧向位移变化相对较小，15C 位移在 4 mm 左右，6C和7C位移在2 mm左右。基于地质勘测结果和文献1418可知，高压旋喷桩沿竖向挤土效应与土层位置、土层压缩系数和湿密度等相关。因为高压旋喷桩成桩时，携有高集中能量的高压动喷射流冲击区域很小的土体，会对区域内及周围土体产生较大的挤压和切割作用。在埋深05 m范围，土体埋深浅、可压缩性高、密实度低，土体抗喷射流冲击能力低，从而侧向位移变化较大。1C7C侧向位移随深度变化都存在明显的波动，结合高压喷射注浆法处理地基和凌华等19水力劈裂试验研究可知，高压旋喷桩施工过程中，喷射流脉动和喷头提升速度不均匀会造成喷浆压力变化，从而造成不同位置受力不均。喷射流充满土层时，在喷射流的反作用力下会产生水楔，从而形成水楔效应，在垂直喷射流轴线的方向上，喷射流楔入土体薄弱部位或裂隙，此时喷射流动压力转变成静压力，土体剥落、裂隙增大，浆液会沿着裂隙流动。上述原因均会造成侧向位移波动。比较第2次测试与第1次测试的结果可得各测斜孔的位移回缩变化，图8是侧向位移回缩值随深度的变化，可以看出，1C5C侧向位移均有不同程度的回缩变形，回缩值介于02 mm之间，且随距地面距离增加变化明显。在埋深05 m范围，回缩变形大，1C4C最大回缩值都超过1 mm；在埋深512 m范围，各测斜孔回缩值较为稳定，基本保持在 0.2 mm 左右变化；在埋深 1214 m 范围，回缩值波动明显，1C测斜孔在12.5 m深度处回缩值增至0.86 mm。结合典型断面地勘资料及王曙光等20对地基回弹变形问题的研究可知，在埋深05 m范围，土体含水率较更深层土体低，土体呈半固态或硬塑状态，具有一定的弹性，当高压旋喷桩施工结束，喷浆压力消失，会发生一定的回缩变形；在埋深大于5 m时，土体含水率高，处于软塑状态，回缩变形较上部小。在高压旋喷桩底端施工时，旋喷头刚开始工作，浆液瞬时挤压土体后，返浆量大，能量会有一定程度的衰减，图6高压旋喷桩现场施工顺序图Fig.6Site construction sequence diagram of high pressure jet grouting pile图7第1次测试侧向位移Fig.7First test of lateral displacement2505铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月从而导致底部位置有一定的回缩。3.1.2多桩挤土试验数据分析以6C为研究对象，分析1X，2X和4X施工后的侧向位移变化，对应的测试时间分别为第1次、第3次和第4次测试。图9为6C孔在1X，2X和4X多桩施工后的侧向位移变化，分析可知：1X施工后，侧向位移变化不明显，最大位移为4.36 mm；2X施工后，侧向位移相较于1X施工后，在各埋深范围内均增加，其中在埋深05 m范围最为明显，增幅在2.5 mm左右；4X施工后，侧向位移进一步增加，在埋深02 m范围，侧向位移增至8 mm以上。多桩施工时，6C侧向位移随深度变化规律同单桩挤土试验各孔的变化规律相一致，主要表现为在埋深05 m范围，随深度增加，侧向位移整体呈减小的趋势。通过以上分析可以得出，多桩施工会对桩周围土体产生较大影响，周围土体位移变化明显。在高压旋喷桩施工过程中，喷头附近土颗粒被破坏并与浆液一起形成固结体，最后形成土骨架水泥的特殊结构。固结体形成后，周围土体受排挤作用会出现应力集中现象，但释放程度小，当其他桩位固结体陆续形成后，应力集中现象进一步增强，产生位移累积效应，变形也随之变大。而现场正式施工过程中，高压旋喷桩施工范围广、桩数规模大，桩周围土体位移累计效应明显，会导致其变形进一步增大。3.2既有路基变形监测结果分析3.2.1上行侧测点结果分析图10为上行侧各测点位移变化值，分析可知，其位移变化可分为3个阶段：高压旋喷桩施工距离测点断面较远时，位移缓慢变化；高压旋喷桩施工靠近测点断面时，位移剧烈变化；高压旋喷桩施工远离测点断面时，位移相对稳定。该区间测点在监测期间均发生上拱变形，最大累计上拱值为5.95 mm，出现在Y4测点并在安全预警值范围内；Y1，Y2和Y3测点的最大累计上拱值分别为2.56，5.66和5.60 mm。在高压旋喷桩施工逐渐靠近测点断面时，累计变形不断增大，且各测点的变形最大值均出现在离测点断面较近距离施工时；在高压旋喷桩施工逐渐远离测点断面时，累计变形不断减小，并最终趋于相对稳定。3.2.2下行侧测点结果分析图11为下行侧各测点位移变化值，其变化也可归为缓慢、剧烈和相对稳定3个阶段。但该区间测点累计变形值与上行侧明显不同，受高压旋喷桩影响，既有路基位移从开始变化到相对稳定，测段内各测点均出现不同程度的沉降变形，最大累计沉降量 7.13 mm，出现在 Z3测点并在安全预警值范围内，Z1和Z2测点累计最大沉降量分别为图8侧向位移回缩值Fig.8Lateral displacement retraction value图9多桩施工侧向位移变化Fig.9Lateral displacement change of multi-pile construction2506第 7 期王定顺，等：高压旋喷桩施工对既有铁路路基变形影响研究5.01 mm和5.74 mm。在高压旋喷桩施工逐渐靠近测点断面时，累计沉降不断变大，其增长速率也呈增加趋势；在高压旋喷桩施工逐渐远离测点断面，累计沉降继续增大，但增长速率明显减小，最终趋于相对稳定。结合挤土试验结果分析，高压旋喷桩施工时会产生挤土效应，且该效应与土层位置、土层压缩系数和湿密度等相关。对于下行侧帮宽段紧邻碱沟，地层含水率高，属饱和黄土，当该测应力释放孔和高压旋喷桩施工时，应力释放孔成孔较困难、缩孔现象明显，同时高压旋喷桩施工时，由于循环冲击脉动荷载的影响，土体中有效应力减小，孔隙水压力增大，造成土体强度降低，综合作用导致下行侧测点出现了沉降。而对于上行侧帮宽段地层，其相较于下行侧帮宽段地层含水率低，土体强度高，应力释放孔成孔时无缩孔现象，高压旋喷桩施工时对周围土体产生挤土现象明显，应力应变会通过坡脚设置的应力释放孔释放一部分，但群桩施工时会产生位移累积效应，从而导致路基发生上拱变形。4 结论1)高压旋喷桩产生的挤土效应较为明显。在沿桩径方向，其挤土效应随着离桩距离的增大而减小；在沿桩深度方向，随埋深增加，侧向位移变化逐渐减小，其影响程度在埋深05 m范围最为明显。高压旋喷桩施工时引起的桩周土体变形在施工结束后会出现一定程度的回缩变形，现场测试各测斜孔回缩值在02 mm之间。2)在多桩施工时，高压旋喷桩周围土体会产生位移累积效应。挤土试验中所选4根桩全部施工完成后，距1X桩心2 m位置处的测斜孔，其侧向位移累积值在埋深02 m范围可达8 mm以上。3)由于上、下行侧帮宽段地层含水率差异较大，应力释放孔和高压旋喷桩施工时会引起既有路基上拱和沉降现象。上行侧既有路基最大上拱值为 5.95 mm，下行侧既有路基最大沉降值为7.13 mm。4)通过采取在既有路基坡脚设置应力释放孔、高压旋喷桩由内向外施工并严格控制高压旋喷桩施工参数的措施，使得高压旋喷桩施工对既有路基影响可控，能够保证既有线运营安全。参考文献：1国家铁路局.邻近铁路营业线施工安全监测技术规程:TB 103142021S.北京:中国铁道出版社,2021.National Railway Administration of the Peoples Republic of China.Technical specification for safety monitoring of operating railway 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