软基处理及路基试验段施工技术.doc
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新建铁路北京至石家庄客运专线JS-2标软基处理及路基试验段施工技术
京石铁路客运专线
软基处理及路基试验段施工技术
一、工程概况
1、概述
JS-2标段位于涿州市至保定市之间，线路长度为91.9km正线公里。
本标主要工程内容为路基、桥涵、无砟轨道、贯通线接地、改移道路、三电改迁防护、大型临时设施及过渡工程等，合同工期33个月。
JS-2标段主要工程数量如下：
区间土石方95.9万方，站场土石方185.2万方，附属土方及加固圬工98572立方米，特大桥81594.23延长米。
本标段路基线路总长度约10.3km,区间路基4段（DK127+742～DK129+822、DK148+000～DK148+844、DK152+488～DK153+814、DK156+500～DK156+600），车站三座（涿州车站、高碑店车站、保定车站），区间路基和站场路基基底全部采用CFG桩复合地基进行处理，设计CFG桩共477万米，级配碎石26.5万方，土工格栅153万平方米。
2、地质、水文条件
路基CFG桩处理区域位于冲洪积平原地区，地形平坦开阔，地表无较大起伏，局部为低洼地。
依据钻探设计资料，地质土层依次为粉土（6～8m）、粉质灰色黏土（2-9米）、粉质黄褐色黏土。
地下水埋深9.8m～13.6m。
京石客运专线沿线属暖温带亚湿润大陆性季风气候，四季变化明显，土壤最大冻结深度0.7m。
3、设计情况
区间双线直线地段路堤宽度为13.6m，线间距为5m，路肩宽1.3m。
路基面以下基床表层与底层、底层与基床下部路堤接触面自中心向两侧设4%横向排水坡。
无砟轨道对工后沉降要求特别严格，只有15毫米，地基处理一般采用CFG桩复合地基进行加固；软弱土层厚、采用复合地基法加固沉降难以控制的地段，采用预应力混凝土管桩进行加固；砂层、卵石类土、碎石类土层的上覆层的浅层处理采用强夯；湿陷性黄土及宽站场内正线与其它线的横向过渡处理采用灰土挤密桩处理。
我标段范围内地基处理均采用CFG桩复合地基法进行加固，根据《客运专线无砟轨道铁路设计指南》（铁建设函[2005]754号），依据地基工后沉降控制值，在地基沉降检算和分析的基础上，CFG桩采用桩网结构，桩顶设碎石垫层厚0.5m，垫层内夹铺两层双向100kN/m土工格栅。
二、CFG桩复合地基施工工艺和质量控制
1、复合地基处理原理
复合地基是由天然地基土体和增强体组成的人工地基。
增强体复合地基根据材料性质的不同可分为散体材料桩，柔性材料桩和刚性桩复合地基。
散体材料桩复合地基有碎石桩等；柔性材料桩如深层搅拌桩等；刚性桩复合地基，如CFG桩等。
复合地基是通过桩土的变形调节，实现桩-土共同作用，充分利用桩体强度和土体强度，从而在满足设计要求的前提下，降低工程造价。
我标段设计为CFG桩复合路基，CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称，它由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高黏结强度桩，与桩间土一起，通过褥垫层形成CFG桩复合地基共同工作形成复合地基。
CFG桩复合地基通过褥垫层与基础连接，无论桩端落在一般土层还是坚硬土层，均可保证桩间土始终参与工作。
由于桩体的强度及模量比桩间土大，因此在荷载作用下，桩顶应力比桩间土表面应力大，桩可将承受的荷载向较深的土层中传递并相应减少了桩间土承担的荷载，这样，由于桩的作用使复合地基承载力提高，变形减少，再加上CFG桩是素砼桩，桩体利用工业废料粉煤灰作为掺合料，可以大幅减低工程造价。
2、施工准备
2.1施工便道—“生命线”
施工便道标准：
大车达到40km/h，小车达到60km/h。
便道施工技术要求：
a、宽度要求：
除拆迁区以外，所有施工便道路面宽度都在5.5m以上
b、填料要求：
50cm厚建筑垃圾垫层+10cm厚山皮石面层
施工便道保养措施：
每个分部成立专门的护路队，且配置了2台10m3的洒水车。
2.2物资准备
JS-2标段路基CFG桩合计447万延米，混合料共需要约98.2万方，需要各种原材料见下表。
序号
材料名称
单位
数量
1
水泥
t
196356
2
粉煤灰
t
98178
3
卵石
m3
638744
4
砂
m3
404968
5
石屑
m3
112899
2.3措施：
a、每个路基施工分部建立2-120型砼拌和站一座，每个拌和站设8-9个料仓，2个砂仓、2个石屑仓、4-5个卵石仓，保证材料储备充足。
b、每个拌和站安装了10个150t的水泥粉煤灰罐，6个水泥罐，4个粉煤灰罐。
2.4机械设备配备：
序号
机械名称
规格
数量
说明
1
拌合站
HZS120
8
拌和混合料
2
长螺旋CFG桩钻机
JZL90型
50
钻孔
4
输送泵
拖式HBT80
50
输送混合料
5
发电机
250KW
15
备用供电
7
砼罐车
8m3
50
运送砼
8
全站仪
Lica402
4
测量定位
9
水准仪
TopconAT-G2
4
高程控制
10
变压器
315kva
25
供电
11
洒水车
10m3
10
养护
保定东站林立的钻机与砼运输车辆
3、施工工艺控制要点：
3.1施工工艺流程
场地平整桩位放样（复核） 钻机就位钻孔
检查孔深（合格） 泵送混合料 均匀拔管至桩顶 钻机移位整理数据分析结论
3.2施工工艺
施工准备：
场地清表后平整压实，标高控制到桩顶加50厘米，确保施工设备能够顺利进入施工现场为宜，接入电力线、布设输送泵和连接输送管道。
测量放样：
施工前准确放出施工桩位，桩位中心点用钎子插入地下，用白灰明示。
为了防止破坏桩点，放样后采用钢筋竖直向下打设30cm左右的孔，然后拔出钢筋，向孔内撒石灰，恢复点位时清开表土以石灰点作为控制桩位，测量自检合格后报监理现场（用钢尺）复核。
CFG桩施工测量定位
钻机就位：
现场监理见证对钻杆长度进行标示，用油漆分别标出24.5m、27.5m、30.5m位置后钻机就位，应使钻杆垂直对准桩位中心，反复调整使钻架上竖直和水平表盘归零，确保CFG桩垂直度容许偏差不大于1%，平面位置误差不得大于5cm（在钻架上检核垂直仪表控制）。
满足要求后，方可开钻。
钻机成孔：
钻孔开始时，关闭钻头阀门，向下移动钻杆至钻头触及地面时。
启动马达钻进。
先慢后快，这样能避免钻杆摇晃，在钻孔过程中应加强检查，及时对钻杆的竖直度和位移进行修正。
在成孔过程中，发现电流增大或钻杆摇晃时，放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移及钻杆、钻具损坏。
根据钻机塔身上的进尺标记，成孔到达设计深度时，停止钻进，关闭电机。
混合料搅拌：
试验室在接到开盘令后出具配料单，混合料在搅拌站集中按配合比进行配料、拌和。
首盘混凝土拌和前应先对拌合机、罐车、输送泵及输送管道进行冲洗湿润，减少混凝土的水分损失。
根据管道长度和内径计算砂浆拌和用量，进行管道润滑防止失水造成堵管。
现场管道长度为60~90m，输送管内径为150mm，考虑输送泵内存盘数量，计算砂浆用量为1.5m³～2.0m³。
将砂浆经过罐车运输和输送泵试压后开始拌和混凝土，每盘混凝土搅拌时间控制在90-120s，确保拌合均匀，并保证混凝土具有较好的和易性，经过比对，坍落度控制在180~190mm为宜，然后由混凝土罐车运输到输送泵，检测混凝土入模温度，合格后倒入输送泵。
由于夜间气温较低，应将输送铁管采用保温材料进行包裹，防止混凝土的堵管。
灌注及拔管：
钻孔至设计深度后，停止钻进，按照“先泵料后拔管”的原则进行，混合料由罐车卸入输送泵，当钻杆芯管充满混合料后开始拔管，严禁先拔管后泵料。
提拔速度宜控制在2m～3m/min,成桩过程宜连续进行，应避免供料出现问题导致停机待料，施工桩顶高程高出设计高程50cm，灌注成桩完成后，桩顶盖土封顶予以保护。
移机：
由于本段局部含有砂层，所以现场采用隔桩跳打的方法进行施工，移机前对下一根桩的桩位表层进行清理后辨识，以石灰点为准并与附近桩位间距进行校核，确保桩位的准确性。
4施工控制要点
⑴每班混凝土施工前，输送设施必须提前进行冲洗和用砂浆试压，坍落度控制在180～190mm之间，方可保证混凝土的和易性，防止堵管。
⑵当钻杆芯管充满混合料后开始拔管，严禁先拔管后泵料，灌注完毕应立即对桩顶用土进行覆盖，做好防冻和保湿。
施工时要经常检查排气阀是否发生堵塞，若发生堵塞必须及时采取措施加以清洗。
⑶钻进应随时观察电流的变化，根据土层情况调整钻进速度；结合地质情况，选用合理的施打顺序。
⑷配置应急发电机，防止突然停电。
⑸冬季施工应搭设暖棚对输送泵进行保温，棚内根据实际情况采用电或煤进行加热，防止混凝土受冻，采用煤炉加热时应注意防火和通风，热源距离电力线路必须具有一定的安全距离。
⑹泵车的输送管道由于铁管散热较快，应采用保温材料进行包裹紧密，防止在泵送过程中受冻出现堵管现象；做好各项准备工作，避免停工待料或混凝土受冻。
⑺钻头连接应牢固，避免出现卡钻等现象。
5砼充盈系数控制
（1）钻头直径
钻头直径不得超过47cm。
（2）拔管速率
通过试桩得出的数据为2~3m/min，拔管太快容易断桩也无法保证桩的质量，太慢会出现扩孔浪费砼，同时泵管也容易被打爆。
（3）泵管长度
泵管长度在满足施工需要的情况下越短越好，一般应保持在90m以内（塔架35m+施工长度30m+泵与钻机水平距离25m）。
特别是进入村庄或者在村庄附近施工时，大多数夜间是不允许施工的，而长螺旋钻机每次停工后开钻前必须用砂浆润管，然后将混合料从钻杆里泵出后才能施钻。
这样每开一次钻机将浪费2m3砂浆，每拆一次泵管浪费2m3混合料。
泵管越短越节省混合料。
（4）混合料的和易性
和易性如果满足要求，将较少堵管次数，节约砼。
（5）必须设置中护筒
设置中护筒可以降低钻杆的摆动性，防止扩孔。
（6）施打顺序
从线路中心向两侧推进，沿线路方向每20～30m作为一个循环长度进行隔桩跳打，避免串孔。
6、桩间土开挖、凿桩头、检桩、桩间土夯实
检桩之前的一项重要工作就是开挖桩间土，采用小型挖掘机，且必须有专人指挥，严禁挖机碰断桩头。
凿桩头：
测量出桩顶标高位置—标记凿桩头位置—用切割锯水平锯进（钜深至少5cm）—冲击钻从两个方向打眼（打眼深度至少10cm）—安装楔子—用大锤从两个方向同时敲进。
检桩之前首先要自检，做到心中有数。
桩间土夯实：
采用小型压路机碾压夯实。
碾压完成后采用环刀法做土样压实度，达到设计要求后方可进入下到工序施工。
采用人工配合小型挖掘机挖除桩间土
CFG桩检测
人工凿桩头
三、路基试验段施工技术及质量控制
1、试验段范围
为确保全线路基全面施工，以试验路段技术成果指导全线施工。
试验段选择的依据和原则为CFG桩全部完成并经检测合格，具备施工路基条件；无涵洞等小型结构物，满足100m试验段长度要求并能够连续施工；地形、地貌及地质条件具备本项目路基工程代表性，地基无特殊处理地段；试验所取得的数据具备推广使用的条件。
经论证分析，比选研究，决定试验路段选择DK82+100～DK82+230处，长度130ｍ，此段内无其它构造物，均为填土路堤。
试验路段位于高碑店东站内，在线路直线段上；凹型竖曲线R=30000m，线路纵坡-0.5‰，平均填筑高度6.4m。
2、试验段目的
选择试验段进行施工工艺试验，是采用不同掺合料、不同的机械组合配置，通过试验来确定不同的施工机具压实不同填料的最佳含水量、适宜的松铺厚度和相应的碾压方式、碾压遍数以及最佳的机械组合和施工工序组合，以获得最佳的施工工艺和最合理的机械组合。
试验路段施工完成后，通过对有关指标、数据的检测及分析总结，取得施工工序控制参数，编制试验路段技术总结报告，用以指导全线路基施工。
3、施工流程
试验段施工流程如下页图所示
4、褥垫层填筑
据相关资料研究，褥垫的厚度越小，桩土应力比越大，当厚度达到H>400mm时，褥垫的厚度对桩土应力比影响很小，当褥垫的厚度一定时，褥垫变形模量越高，桩土应力比越大。
本标段褥垫层设计为500mm厚的级
配碎石混合料，中间夹铺2层土工格栅。
为了提高复合地基承载能力，根据设计院文件《关于京石客专路基基底碎石垫层压实标准的函》的要求：
京石客专路基基底碎石垫层的检测指标为EVd≥40MPa，n＜28%，k≥95%。
图1试验流程图
4.1施工准备
为保证试验段褥垫层顺利施工，首先清理50cm厚桩间土，接着截除桩头，并及时进行CFG桩的检测，检测频率桩身完整性10%、单桩承载力和复合地基承载力各1‰，经检测合格，填筑褥垫层。
因设计文件对桩间土无指标规定，虑褥垫层碾压时，除桩头部位外，其余部位均可能下沉，满足不了检测指标；同时，由于加固区土体的压缩模量越大，桩土应力比越小。
桩-褥垫体系处于弹塑性状态或压密状态、桩土处于弹性状态时，影响荷载与桩土应力比关系的主要因素，不是桩-褥垫体系的变形特性，而与桩间土-褥垫体系的作用有关。
因此为了更好发挥复合地基承载能力，在填筑前桩间土必须进行处理。
参考哈大、武广等几条客运专线的施工经验，确定桩间土采用小型振动压路机（LB25C型）碾压，控制指标为压实系数K≥90%。
为保证压实效果，桩间土开挖时使用小型挖掘机开挖，预留10cm人工清除，以尽量减少对桩间土的扰动。
复合地基加固区桩间土清除完后、检测压实系数，不足0.9时采用碎石土对桩间土进行换填夯实，确保桩间土的密实度＞0.9。
施工过程务必连续，挖除保护层检测后需马上进行下一步工序，防止雨水浸泡软化桩间土。
在检测完后未立即进行下步工序，如期间下雨需重新检测。
桩间土夯实
桩间土检测压实度夯实完成的桩间土
4.2填料选择
填筑材料的质量直接影响到填筑质量，为了确保填料质量合格，项目部多次组织试验及技术负责人对设计指定的填料料场进行考察比选，反复进行试验分析，最后选用涿州国强砂石料厂的碎卵石。
经试验，该填料级配良好，满足褥垫层填筑要求。
其检测数据如下表1所示：
表1褥垫层填料试验
序号
试验项目
试验结果
备注
1
颗粒密度Gs
2.69
2
不均匀系数Cu
12.7
3
曲率系数Cc
1.4
4
大于5mm颗粒含量（%）
79.9
5
土样最大颗粒粒径（mm）
75
6
小于5mm颗粒密度Gs
2.68
7
大于5mm颗粒密度Gs
2.7
4.3分层填筑
桩间土经碾压并检测压实系数合格，即可进行褥垫层的施工。
设计褥垫层厚度为50cm（按照10cm+20cm+20cm的层厚分三层），层间夹铺土工格栅。
试验段施工对每个压实区分别进行三个层次的试验，最后根据填层厚度和碾压遍数总结出最佳填层厚度和松铺厚度。
在每层碾压施工前做好对填料的含水量控制工作，在路基碾压时做好对填料压实度的检测，并对施工机械的使用情况进行详实记录，最后从中总结出合理的松铺厚度、压实遍数、施工控制含水量、填筑工艺及最佳机械组合。
填筑所用的填料均采用自卸汽车运至现场，装载机摊铺，平地机整平，振动压路机碾压至压实度合格的工序进行填筑施工，褥垫层试验段的总体施工工序是：
施工放样→第一层→第一层土工格栅→第二层→第二层土工格栅→第三层→整修成型。
铺设土工格栅碎石垫层施工
4.3.1测量控制
按照设计图纸测量出边线并标示灰线，每隔10m一个断面，每个断面在左边桩、左中线、右中线和右边桩的位置打上测钎。
在测钎上挂线，挂线标高=设计填筑层底面标高+松铺厚度。
在每个试验段落每隔10m，测设左边线桩、左中线桩、线路中线桩、右中线桩和右边线桩及相应位置松铺底面标高，以灰线标识网格。
夹铺土工格栅施工完成褥垫层
4.3.2填筑控制
根据各层压实厚度要求，确定松铺厚度，根据压实后实测厚度确定各层的松铺系数。
根据松铺厚度及对应网格，计算出每格填料数量，采用汽车外运和装载机倒运相结合。
先汽车把料运至路基便道侧，再用装载机摊铺到网格内，为了保护桩头及上一层填筑面不被破坏，从便道侧向另一侧摊铺。
4.3.3整平
上料后，按照标高线用装载机大致整平，用平地机按粗平，YZ26压路机静压一遍，再用平地机精平，用人工把平地机整平不到的边角整平。
整平后在每隔10m位置的左边线桩、左中线桩、线路中线桩、右中线桩和右边线桩对应的位置用水准仪抄平，得出松铺顶面标高。
松铺厚度=松铺顶面标高-松铺底面标高。
4.3.4碾压
考虑到第一层厚度较薄，为了保护桩头，采用YZ26压路机静压，压路机走行速度4Km/h。
第二、三层开始使用振动碾压。
碾压完毕后在每个断面对应位置测出压实后顶面标高。
压实厚度=压实顶面标高-填筑前底面标高，松铺系数=松铺厚度/压实厚度。
每层静压1遍后洒水1次保持湿润，表面不能有积水。
4.4机械组合及检测结果（见表2）
Tel/Fax:
0312—6390190Email:
js2_gcb@中铁一局京石客运专线项目经理部
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表2：
褥垫层施工机械组合及试验检测结果
填筑层数
里程
层厚cm
填料类型
机械组合
碾压遍数
检测结果
备注
n
EVd
检测结论
一
DK82+100～230
15
细圆砾（40%砂）松铺系数1.3
YZ26
静2
31.8
孔隙率不合格
试验报告单编号：
JS2-ZT1J0-TG-20090402-1
静4
25.5
孔隙率合格
二
DK82+100～230
20
细圆砾（40%砂）松铺系数1.23
YZ26
静1弱振1
32.1
孔隙率不合格
静1弱振2静1
25.5
孔隙率合格
三
DK82+100～230
15
细圆砾（40%砂）松铺系数1.33
YZ26+LB25C
YZ26静1弱振2
25.3
29.4
孔隙率合格、EVd不合格
YZ26静1弱震2+LB25C高频振2
21.7
36.3
孔隙率合格、EVd不合格
YZ26静1弱震2+LB25C高频振3
18.4
40.3
孔隙率合格、EVd不合格
YZ26静1弱震2+LB25C高频振4
43.6
EVd合格
YZ26静1弱震2+LB25C高频振4静1
19.5
44.4
孔隙率合格、EVd合格
三
DK82+104～110
20
细圆砾（40%石屑）松铺系数1.33
YZ26
静1弱振2
24.0
33.8
孔隙率合格、EVd不合格
静1弱振3
38.6
EVd不合格
静1弱振4
42.5
EVd合格
静1弱振4静1
18.5
43.3
孔隙率合格、EVd合格
褥垫层试验结论
1、桩间土采用小型振动压路机碾压，控制指标为K≥95%，n≤28%，Evd≥40MPa/m，满足褥垫层施工指标控制；
2、第一层填料细圆砾土掺40%砂，采用YZ26型压路机静压4遍，检测孔隙率达到25.5＜28，满足施工要求，达到控制指标；第二层填料细圆砾土掺40%砂，采用YZ26型压路机静压1遍、弱振2遍、静压1遍，检测孔隙率25.5＜28，满足施工要求，达到控制指标；第三层填料细圆砾土掺40%砂时，采用YZ26型压路机静压1遍、弱振2遍、LB25C型压路机高频振压4遍、静压一遍，检测孔隙率19.5＜28，EVd44.4＞40，满足施工要求，达到控制指标；第三层填料细圆砾土掺40%石屑时，采用YZ26型压路机静压1遍、弱振4遍、静压一遍，检测孔隙率18.5＜28，EVd43.3＞40，满足施工要求，达到控制指标。
每层施工时经静压整平后洒水车洒水一次。
3、检测合格区段取得的指标，经不同区段重复试验，均满足控制指标。
4.5试验结论
通过对现场检测的各种指标结果分析，在褥垫层的填筑过程中，主要考虑如下控制指标：
4.5.1桩间土碾压
为了保证褥垫层的施工质量，需要对CFG桩间土进行夯实。
根据施工前的现场实测，由于CFG桩桩间土的含水量较小（一般为9%～13%），夯实时采取小型振动压路机（LB25C）振压2遍，完全可以达到桩间土压实系数K≥90%的控制指标。
4.5.2填料粒径
所有用于褥垫层施工的填料从进料源头上对粒径进行控制，严禁超粒径的原材料进场，满足Evd检测要求的填料最大粒径应不大于75mm。
4.5.3填料含水量
原材料进场后，现场实测填料的含水量为3.5%～5.0%之间，满足填料的压实要求。
实际碾压过程中，由气候干燥，碾压后表面的水分蒸发较快，为了确保压实效果，在实际碾压过程中采用洒水车对表面散失的水分进行补充，确保压实质量。
4.5.4松铺系数及机械组合
现场总结试验段的松铺系数如下表3所示，由于第一层的填筑厚度较薄，为了保护CFG桩桩头不被破坏，施工过程中一定注意在填筑碾压时要采取静压。
表3松铺系数
序号
填筑层数
机械组合
碾压遍数
虚铺厚度（㎝）
压实厚度（㎝）
压实系数
检测结果
1
第一层
YZ26型
静压4遍
13
10
1.3
孔隙率合格
2
第二层
YZ26型
静压1遍，弱振2遍，再静压1遍收面
24.6
20
1.23
孔隙率合格
3
第三层
YZ26型和LB25C型
YZ26压路机静压1遍，弱振2遍，LB25C压路机高频振压4遍，静压1遍
26.6
20
1.33
孔隙率合格、Evd合格
第一层填料采用碎卵石掺40%砂，压实厚度10cm，松铺系数1.3，采用YZ26型压路机静压4遍，走行速度4Km/h，满足检测指标要求。
第二层填料采用碎卵石掺40%砂，压实厚度20cm，松铺系数1.23，采用YZ26型压路机静压1遍、弱振2遍、静压1遍，走行速度4Km/h，满足检测指标要求。
第三层填料采用碎卵石掺40%砂，压实厚度20cm，松铺系数1.33，采用YZ26型压路机静压1遍、弱振2遍、LB25C型压路机高频振压4遍、静压1遍，满足检测指标要求，但由于压路机过小，功效低，能耗大，不具备大面积推广使用的意义。
当采用碎卵石掺40%石屑时，压实厚度20cm，松铺系数1.33，采用YZ26型压路机静压1遍、弱振4遍、静压1遍，走行速度4Km/h，满足检测指标要求。
施工中应特别注意填料的均匀性，如遇集窝现象，必须人工配合掺合均匀。
褥垫层施工的另一个关键工序就是土工格栅的铺设质量，土工格栅铺设前先用钢筋固定土工格栅的一端，土工格栅铺设时，要将其四边拉紧铺平，并用U形钉有效固定。
5、路基试验段施工
5.1施工准备
根据设计资料，确定各段落路基填筑高度和宽度，按照相关客专路基施工经验，初步确定填筑层厚计算填筑层数。
结合设计文件、施工规范和验收标准确定各层检测指标和依据，制定相应检测方案。
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