运营条件下铁路桥梁墩台基础加固

摘 　要 : 采用高压旋喷注浆加固既有桥梁墩台基础可以满足铁路不停车、不限速的要求 , 因而此加固方法在铁路运 营条件下桥梁墩台基础加固中得到了广泛应用。根据现场地层勘察资料 , 首先确定了单桩承载力 , 然后设计出高 压旋喷桩的加固方案。加固完成后的效果检测及多年运营说明 , 采用旋喷桩加固桥梁墩台基础具有独特的优越 性。

关键词 : 桥梁墩台基础 , 高压旋喷 , 加固 , 效果检测

1 　引 言

京广线上很多桥梁是解放前修建的 , 许多桥梁 的墩台基础采用木桩基础。虽经历次大修 , 上部钢 梁大部分已更换为钢筋混凝土梁 , 但桥梁的部分墩 台基础仍为原木桩基础。随着铁路全面提速及货物 列车牵引重量的增加 , 使线路上一些技术标准低的 桥梁墩台基础的承载能力明显不足 , 对铁路运输安 全构成严重威胁 , 因而 , 必须对这些桥梁的墩台基础 进行加固。 一座由 7 孔跨度为 11 m 和 8 孔跨度为 10 m 的 钢筋混凝土梁组成的桥梁 ,1 ～ 5 号桥墩基础为木桩 基础 , 桥墩为圆端形 , 基础承台为长方形 , 尺寸为 3 × 4 m 。河道中常年无水流通过 , 只是在雨季暴雨 过后有水坑出现。运营中发现木桩基础的桥墩出现 严重晃动 , 承台四周与填土之间有 1 ～ 2 mm 的缝 隙 , 桥上行车时有明显的震动现象。经勘察地基土 为细砂 , 稍松～中密 , 重度为 19. 1 kN/ m 3 ;9. 2 m 以 下为卵石土 , 地基基本承载力为 680 kPa ,

2 　墩台加固方法选择与方案设计

2. 1 　方案选择 由于京广线是运输最繁忙的线路之一 , 日平均 通过列车 110 对 , 允许最高行车速度 120 km/ h , 因 而对桥基的加固必须保证不能中断行车 , 不降低列 车运行速度 , 对桥上行车的影响减小到最低程度。 要做到尽量不影响铁路的正常运营 , 必须对墩台加固方案进行合理的选择。经过认真比选 , 决定采用高压 旋喷注浆法加固桥梁墩台基础。这是因为该方案具 有如下优点 [1] :

(1) 施工过程中不干扰正常的铁路 运营 ;

(2) 桩径可人为控制 , 墩台加固效果显著 , 由于桩体 材料的压缩弹性模量比原基础土的压缩弹性模量大 许多倍 , 当地基受到由承台传来的荷载时 , 该荷载大 部分由旋喷桩的桩体承担 , 并通过桩体和桩间土的 共同作用向地基下部传递和扩散 ;

(3) 施工方便且对 周围环境影响较小 ;

(4) 工程造价低廉。

2. 2 　墩台加固方案设计 本文以该桥的 1 号墩为例来说明采用高压旋喷 注浆加固桥梁墩台基础的方法。 1 号墩的承台为 3 × 4 m 的长方形 , 基础为木桩基础 , 承台以上设计荷 载为 N = 5000 kN 。根据《铁路桥涵设计规范》 (TBJ2 - 96) [2] , 当基础宽度 b 超过 2 m 时 , 地基承 载力应按下式修正 : [ σ ] = σ 0 + k 1 γ 1 ( b - 2 ) 式中 : [ σ ] - 地基的容许承载力 ; σ 0 - 地基的基本承 载力 ; b - 基础宽度 , b = 3 m; γ \ - 1 - 基底持力层 的天然重度 , γ 1 = 19 . 1 kN/ m 3 ; k 1 - 与地层性质有 关的修正系数 , 对细砂土层 k 1 = 1 . 5 , 则 [ σ ] = 709 kN/ m 2 。根据经验 , 砂土层中的旋喷桩体的材料强 度能达到 3. 5 MPa 以上。 在旋喷压力为 20 ～ 22 MPa 时 , 旋喷桩桩径一 般大于 60 cm , 因而旋喷桩桩径按 d = 0. 60 m 设计 , 则桩周与砂土层之间的摩阻力可通过计算得到 , 可 以得到单桩的极限承载力 [3] : P f = U f l + A [ σ ] ( 2 ) 式中 : P f - 旋喷桩的极限承载力 ; f - 桩体与土层间的极限摩阻力 , 对细砂层 , f = 40 kPa [2] ; l - 桩的长 度 , 这里 l = 9. 2 m; A - 桩的截面积 , A = 0. 283 m 2 ; U - 桩周长 , U = 1. 88 m; 则 P f = 896 kN 。如果取 安全系数 K = 3 . 0 , 则单桩允许承载力 [ P] = 298kN , 所需桩的根数 n = 17 根 , 为了使承台四周的旋 喷桩对称布置 , 取 n = 18 根。旋喷桩的具体布置如 图 1 。

为了能使桩基础充分发挥承载能力 , 将原来的 3 × 4 m 的承台扩大为 4. 5 × 5. 5 m , 使旋喷桩全部 在新的承台下面。现将原有承台表面凿毛 , 并以水 平间距 20 cm 在原承台混凝土中植入 Φ 22 螺纹钢 , 钢筋植入原混凝土中 25 cm , 螺纹钢间用 Φ 12 箍筋 连接 , 间距 15 cm , 以保证新旧承台混凝土能够共同 协调传递桥墩传递下来的荷载。

3 　高压旋喷桩施工过程

3. 1 　高压旋喷注浆成桩机理 用竖直旋喷钻机将钻杆钻至设计深度 , 然后由 高压注浆泵将水泥浆加压至设计压力后经钻杆输送 到钻头 , 由安装在钻头上的喷嘴射出形成高压浆液 喷射流。由于浆液喷射流在喷嘴喷出时的速度很 大 , 因而 , 浆液射流具有很大的动能。浆液射流将土 层切割下来 , 钻杆一边旋转一边向上提升 , 在射流的 脉动和搅拌作用下 , 切割下来的土体与浆液混合 , 最 后固结形成旋喷桩体。

3. 2 　主要设备和旋喷参数 旋喷注浆的主要设备有旋喷钻机、高压注浆泵、 浆液制备设备以及贮浆罐、钻杆、喷嘴等附属设备。 本次旋喷桩的施工参数为 : 旋喷压力 20 ～ 22 MPa , 一个喷嘴 , 直径 2. 2 mm , 钻杆转速为 20 r/ min , 提升 速度为 20 ～ 22 cm/ min 。水泥浆采用 425 # 普通硅 酸盐水泥 , 每米桩体设计水泥用量为 180 kg , 水泥浆的水灰比为 1 ∶ 1( 重量比 ) , 为使桩体材料早强 , 在 搅拌水泥浆液时加入 3 % 的工业氯化钙 ( 以水泥重 量计 ) 。在正式施工前 , 试喷 2 m 作为试桩 , 以确定 旋喷对此土层的适应性。试桩直径 67 cm , 桩体的 干燥强度为 7. 4 MPa , 饱和条件下为 4. 1 MPa , 软化 系数为 0. 55 , 软化系数与文 [4] 中的报道相近。 试验表明采用设计的旋喷参数完全能够满足设 计要求。

3. 3 　旋喷工艺流程 旋喷注浆施工分为钻机就位、钻孔、旋喷作业、 冲洗等工序 , 操作要点如下 : (1) 旋喷前检查高压设备和管路系统 , 其压力 和流量必须满足设计要求 , 注浆管及喷嘴内不得有 任何杂物 , 注浆管接头的密封圈必须良好 , 搅拌好的 浆液经直径小于 1 mm 的滤网过滤流入贮浆罐。 (2) 垂直施工时 , 钻孔的倾斜度一般不大于 1. 5 % , 钻孔深入卵石层不少于 20 cm 。 (3) 在旋喷过程中 , 要注意防止喷嘴被堵 , 在拆 卸或安装注浆管时动作要快。浆液的压力和流量必 须符合设计值。 (4) 旋喷时 , 要做好压力、流量和喷浆量的量测 工作 , 并按要求逐项纪录。要注意的是 , 钻杆的旋转 和提升必须连续不中断。拆卸钻杆继续旋喷时 , 要 注意保持钻杆有 0. 1m 的搭接长度 , 不得使旋喷固 结体脱节。 (5) 深层旋喷时 , 应先喷浆后旋转提升 , 以防注浆管扭断。 (6) 搅拌水泥的水灰比要符合设计规定 , 不得 随意更改 , 在旋喷过程中应防止因水泥浆沉淀而使 浓度降低。禁止使用受潮或过期的水泥。 (7) 施工完毕后应立即拆卸钻杆 , 彻底清洗钻 杆和注浆泵 , 以确保管内无残存的水泥浆。

3. 4 　施工过程中的安全保障 为了保证施工过程中桥上行车安全 , 在被加固 桥墩的墩帽处设置观测点 , 在施工过程中定时观测 测点的位移情况 , 如有异常及时上报 ; 为了尽量减少 在旋喷过程中施工对原有墩台基础承载力的影响 , 采用非连续施工法 , 即一个桩位施工完成后 , 施工与 该桩相隔一个桩位的桩体 , 这样也可以避免相邻孔 之间串浆现象的发生。

4 　结语

(1) 高压旋喷注浆作为一种比较成熟的地基加 固技术具有工期短、造价低、质量可靠、加固范围可 人工控制等优点 , 对于运营条件下的桥梁墩台基础的加固处理更具有独特的优越性 , 可在不中断行车 , 不限制行车速度 , 不封锁线路的情况下对桥梁基础进行加固。

(2) 旋喷桩加固墩台基础完成后 , 对该桥进行 了振动试验。加固前墩顶最大垂直振幅为 0. 238 mm , 加固后墩顶的横向和纵向的水平振幅均有所 减小 , 最大垂直振幅降至 0. 031 mm , 仅为加固前的 1/ 8 , 说明基础承载力和基础刚度有明显的增加 , 达 到了设计的加固效果。

(3) 对基础加固后的直接观测也表明 , 桥梁墩 台的跳动现象消失 , 振动减小明显 , 承台与填土之间 的缝隙完全消失 , 桥墩的承载能力增强 , 稳定性也得 到了明显的提高。

(4) 经过多年提速行车的考验 , 加固后的桥梁 墩台基础工作良好 , 说明采用的扩大原有承台时的 钢筋植入加固技术 , 能使新旧承台作为一个整体协 调地工作。

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