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临近既有线CFG桩施工的安全与质量控制(一)
临近既有线CFG桩施工的安全与质量控制
六公司哈齐项目部 李 伟
摘 要： 哈齐客专施工临近既有线，在保障既有线行车安全的前提下，进行CFG桩施工体现了工程的高风险性。路线范围内地层均为第四系全新人工堆积层、粉砂、粉质粘土，为软弱土层，地下水为第四系孔隙潜水，软基处理要求较高，路基工后沉降控制要求零沉降，对CFG的施工质量是一个严峻的挑战。
关键词：既有线CFG桩 安全 质量 检测
1、工程概况
本段位于黑龙江省大庆市太康县，既有滨洲线右侧，横跨让胡路区和杜尔伯特蒙古族自治县，本工程位于严寒地区，有效施工时间短，工期紧张。起讫里程为DK191+222.78～DK196+897.49，路基地基处理设计要求用CFG桩进行加固，全线CFG桩共计123万延米，CFG桩采用正方形布置，桩间距1.5、1.6米，桩径0.4、0.5米，设计桩长14.69-23.6米。
2、安全控制
2.1 钻机组装、移位前，对场地进行平整、碾压，达到压实度要求。必要时进行换填处理，长螺旋钻机支腿下垫钢板，保证钻机稳定性，有效防止由于地质软硬不均发生钻机倾覆。
2.2 钻机移位必须在列车间隔时段进行，并专人负责指挥，且有现场防护员和安全员在场，实施有效防护。一旦发现可能危及铁路行车安全异常情况，立即停止移动，及时实施有效安全防护，并采取有效措施进行整改。长螺旋钻机在重点控制部位内移动时，采取缆风绳逐渐放松形式移动，确保钻机移动稳定。
2.3 钻机在施工作业时，采用缆风绳进行对称拉设，确定混凝土地锚墩数量和安设方向，并锚于远端混凝土地锚墩上；受场地限制不能对称张拉的特殊情况，应根据实际情况确定混凝土地锚墩安设位置、缆风绳拉设，确保倾覆后不影响列车运行安全及自闭、供电、高压线安全。钻孔时，钻速不得过快或骤然变速；孔内弃土不得堆积在钻孔周围。停机后，钻头应提出孔外安全放置。
2.4 缆风绳在每次作业前必须认真检查，并加强保养，一旦发现有断丝、毛刺等现象，应及时予以更换。缆风绳直径不小于9毫米，机械施工作业期间，施工负责人、安全员、防护员现场监控，并随时检查机械的稳定状态；当发现异常时，立即停止施工，进行整修处理。营业线有列车通过时，不得进行移位，钻机钻孔深度不小于1米或提钻时深度小于距地面1米必须停止作业。
2.5 当钻机停止施工或间断作业时，必须用缆风绳、混凝土地锚墩固定，施工负责人必须检查确认安全后，并设置专人看守后，作业人员方准暂时离开现场。
2.6 加强收听气象预报，在遇到六级及以上大风时，钻机必须提前停止施工并放倒钻机，现场料具做好捆绑和防风工作。
2.7 一旦发生倾覆侵入铁路建筑限界意外情况，防护员、安全员要立即通知驻站联络员及车站值班员、启动应急预案，拦停列车，做到先防护后处理。
缆风绳检算
2.8 安全防护措施
2.8.1 每个工点应配备1台吊车和不少于1套的氧气、乙炔作为应急处理设备，每台钻机负责人均要掌握吊车和氧气、乙炔操作人员的联系方式，一旦发生倾覆立即启动应急预案并组织救援。
2.8.2 发生倾覆问题时，防护员立即通知驻站联络员，驻站联络员马上向车站值班员报告；防护员执行《工务安全规则》规定，立即手持红旗（红灯）应迎列车运行方向奔跑，做好拦停列车防护。
3、质量控制
3.1 放线
施工前按照桩位平面布置图统一进行测放桩位线，桩位中心点用钎子插入地下，并用白灰明示，桩位偏差小于50mm。
3.2 成孔
长螺旋钻机成孔，一般先慢后快，钻进速率按1.0m～1.2m/min控制，在施工时做好记录，避免形成螺旋孔，成孔至设计深度，确保桩端进入持力层满足设计要求，施工桩顶标高应高出设计桩顶标高不少于0.5m，垂直度偏差小于1％。判断钻头是否达到持力层的两种方法：
（1） 观察桩机驾驶室电流的变化：钻机开始钻孔及在软弱地层钻孔时，电流在50A～70A，钻头达到持力层时，瞬间电流增大到120A以上，同时电压下降。
（2） 在钻机旁直观观察：当钻头达到持力层时，钻杆上部的动力头发生颤动和轻微的摆动，钻机的动力明显减弱。
3.3 混凝土灌注
成孔至设计深度后，现场指挥员应通知钻机停钻提升钻杆，速率按拟定2.1～2.5m/min控制，认真做好施工记录，并同时通知司泵开始灌注混凝土并保持连续灌注。灌注混凝土至桩顶时，应适当超过桩顶设计标高50cm左右，以保证桩顶标高和桩顶混凝土质量均符合设计要求：灌注混凝土之前，应检查管路是否顺畅稳固；CFG桩施工中，每台班均制作检查试件，施工前，应用水泥砂浆湿润管路。
3.4常见质量问题分析
3.4.1 堵管。堵管是长螺旋钻孔管内泵压混合料灌注成桩工艺常遇到的主要问题之一，它直接影响CFG桩的施工效率,增加工人劳动强度,还会造成材料浪费，产生堵管的原因有以下几点: （1） 混合料配合比不合理。当混合料中的细骨料和粉煤灰用量较少时,混合料和易性不好,常发生堵管。因此,要注意混合料的配合比,尤其要注意将粉煤灰掺量控制在70kg/m3～90kg/m3的范围内,坍落度应控制在180mm～220mm之间。
（2） 混合料搅拌质量有缺陷。在CFG桩施工中,混合料由混凝土泵通过刚性管、高强柔性管、弯头最后到达钻杆芯管内。混合料在管线内借助水和水泥砂浆润滑层与管壁分离后通过管线，坍落度太大的混合料,易产生泌水、离析,泵压作用下,骨料与砂浆分离,摩擦力加剧,导致堵管。坍落度太小,混合料在输送管路内流动性差,也容易造成堵管。
（3） 施工操作不当。钻孔进入土层预定标高后,开始泵送混合料,管内空气从排气阀排出,待钻杆内管及输送软、硬管内混合料连续时提钻。若提钻时间较晚,在泵送压力下钻头处的水泥浆液被挤出,容易造成管路堵塞。
（4） 冬期施工措施不当。冬期施工时,混合料输送管及弯头均需做防冻保护,防冻措施不力,常常造成输送管或弯头处混合料的冻结,造成堵管。冬施时,有时会采用加热水的办法提高混合料的出口温度,但要控制好水的温度,水温最好不要超过60℃,否则会造成混合料的早凝,产生堵管,影响混合料的强度。
（5） 设备缺陷。弯头曲率半径不合理也能造成堵管。弯头与钻杆不能垂直连接,否则也会造成堵管。混合料输送管要定期清洗,否则管路内有混合料的结硬块,还会造成管路的堵塞。
3.4.2 缩颈和断桩：在松软土中成桩，桩机的振动力较小，当采用连打作业时，新打桩对已打桩的作用主要表现为挤压，使得已打桩被挤压成椭圆形或不规则形，严重的产生缩颈和断桩。为避免此类现象的发生，无论是在饱和软土中成桩还是在较硬的土层或中间夹有硬土层的地基中成桩，均应选择合适的成桩顺序，并根据土层情况选用较为适宜的施工工艺和设备。
3.4.3 窜孔。打完A桩后,在施工相邻的B桩时,发现未结硬的A桩的桩顶突然下落,当B桩泵入混合料时,A桩的桩顶开始回升,此种现象称为窜孔。发现窜孔的条件有如下三条:
（1） 被加固土层中有松散饱和粉土、粉细砂;
（2） 钻杆钻进过程中叶片剪切作用对土体产生扰动;
（3） 土体受剪切扰动能量的积累,足以使土体发生液化。
由于窜孔对成桩质量的影响,可采取以下措施:
（1） 采取隔桩、隔排跳打方法;
（2） 减少在窜孔区域的打桩推进排数,减少对已打桩扰动能量的积累;
（3） 合理提高钻头钻进速度。
3.4.4 桩头空芯。主要是施工过程中,排气阀不能正常工作所致。钻机钻孔时,管内充满空气,泵送混合料时,排气阀将空气排出,若排气阀堵塞不能正常将管内空气排出,就会导致桩体存气,形成空芯。为避免桩头空芯,施工中应经常检查排气阀的工作状态,发现堵塞及时清洗。
3.4.5 桩端不饱满。这主要是因为施工中为了方便阀门的打开,先提钻后泵料所致。这种情况可能造成钻头上的土掉入桩孔或地下水浸入桩孔。为杜绝这种情况,施工中前、后台工人应密切配合,保证提钻和泵料的一致性。
3.4.6 桩顶浮浆过多。拔管速率过慢会造成水泥浆分布不匀，桩项浮浆过多，桩身强度不足和形成混和料离析现象。混合料坍落度过大，也会形成桩项浮浆过多，桩体强度也会降低。
3.5 施工质量验收
3.5.1 施工过程质量检验主要应检查施工记录、混合料坍落度、桩数、桩位偏差、桩顶标高和桩体试块抗压强度。
3.5.2 桩位允许偏差：0～50mm、桩身倾斜不大于1%、桩体有效直径不小于设计值。
成桩质量验收标准
主控项目 1 水泥、粗细骨料的品种、规格、质量 符合设计要求
2 混合料的坍落度 180～220mm
3 混合料的强度 见后附试验报告
4 桩的数量、布桩形式 正方形布置间距1.6米
5 单桩投料量 符合设计要求
6 桩的有效长度 不小于设计桩长
7 桩身质量 符合设计要求，见后附试验报告
一般项目 1 允许偏差 桩位（mm） 50
2 桩身垂直度 1%
3 桩体有效长度 不小于设计桩长
4、桩的质量检测
4.1 桩身完整性检测
采用低应变动力检测桩身的完整性。检验方法：反射波法是建立在一维弹性杆波动理论基础上，在桩顶部进行竖向激振，弹性波沿桩身向下传播，当桩身存在明显波阻抗差异界面（如桩底、断桩和严重离析等）或桩身截面积发生变化（如缩径、扩径），将产生反射波，经接收、扩大、滤波和数据处理，可识别来自不同部位的反射信息。通过对反射信息进行分析计算，判断桩身混凝土的完整性，判断桩身缺陷的程度及其位置。低应变检测需要在桩头位置打磨出至少3个面积不小于10的平面，位置分别在桩中心和距桩中心2/3R处。见下图
（1）桩身波速平均值的确定：
当桩长已知、桩底反射信号明显时，选取相同条件下不少于5根I类桩的桩身波速按下式计算桩身平均波速：
= =
=2L·
式中——桩身波速的平均值（m/s）;
——参与统计的第i根桩的桩身波速值（m/s）；
L——测点下桩长（m）；
——时域信号第一峰与桩底反射波峰间的时间差（ms）；
——幅频曲线上桩底相邻谐振峰间的频差（Hz）,计算时不宜取第一与第二峰；
n——参与波速平均值计算的基桩数量（n≥5）
（2）桩身缺陷位置按下列公式计算：
=·△·c =·
式中——测点至桩身缺陷的距离（m）；
△——时域信号第一峰与缺陷反射波峰间的时间差（ms）；
△——幅频曲线上缺陷相邻谐振峰间的频差（Hz）
c——桩身波速（m/s），无法确定时用值替代。
（3）桩身完整性类别应结合缺陷出现深度、测试信号衰减特性及设计桩型、成桩工艺、地质条件、施工情况，按下表所列实测时域或幅频信号特征进行综合判定。（附基桩低应变完整性测试波形）
桩身完整性判定
类别 时域信号特征 幅频信号特征
Ⅰ 2L/c时刻前无缺陷反射波，有桩底反射波 桩底谐振峰排列基本等间距，其相邻频差Δf≈c/2L
Ⅱ 2L/c时刻前出现轻微缺陷反射波，有桩底反射波 桩底谐振峰排列基本等间距，其相邻频差Δf≈c/2L，轻微缺陷产生的谐振峰与桩底谐振峰之间的频差Δf’＞c/2L
Ⅲ 有明显缺陷反射波，其他特征介于Ⅱ类和Ⅳ类之间
Ⅳ 2L/c时刻前出现严重缺陷反射波或周期性反射波，无桩底反射波；或因桩身浅部严重缺陷使波形呈现低频大振幅衰减振动，无桩底反射波 缺陷谐振峰排列基本等间距，相邻频差Δf’＞c/2L，无桩底谐振峰；或因桩身浅部严惩缺陷只出现单一谐振峰，无桩底谐振峰
注：对同一场地、地质条件相近、桩型和成桩工艺相同的基桩，因桩端部分桩身阻抗与持力层阻抗相匹配导致实测信号无桩底反射波时，可按本场地同条件下有桩底反射波的其他桩实测信号判定桩身完整性类别。
4.2 单桩承载力检测
采用慢速维持荷载法对单桩承载力进行检测。本次试验仪器采用徐州市建筑工程研究所的JCQ-503A静力荷载测试仪自动控制电动油泵与油压千斤顶加压、反力采用地锚和钢梁组成的联合反力系统。加载等级分为10级，每级加载增量为100KN，最终加载量为1000KN，第一级加载量为分级荷载的2.0倍，为200KN。由安装在承压板两侧的50mm量程位移传感器自动量测沉降值。每级荷载施加后按第5、15、30、45、60min测读桩顶沉降量，以后每隔30min测读一次。直至每小时内桩顶沉降量不超过0.1mm，并连续出现两次，再施加下一级荷载。当满足以下条件时停止加载：
(1) 荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的5倍；
(2) 某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定标准；
(3) 已达到设计要求的最大加载量1000KN。
单桩承载力按下列方法综合分析确定：
(1) 根据沉降随荷载变化的特征确定：对于陡降型Q-S曲线，取其发生明显陡降的起始点对应的荷载值。（附Q-S曲线图）
(2) 根据沉降时间变化的特征确定：取S-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。（附S-lgt图）
(3) 某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚达到相对稳定标准时，取前一级荷载值。
（4） 对于缓变型Q-S曲线可根据沉降量确定，宜取s=40mm对应的荷载值；当桩长大于40m时，宜考虑桩身反弹性压缩量；对直径大于或等于800mm的桩，可取s=0.05D(D为桩端直径)对应的荷载值。
5、结束语
通过以上控制保证了CFG桩临近既有线施工的安全和质量。确保了工程的顺利进行。
基桩低应变完整性测试波形
单桩竖向抗压静载试验曲线图
工程名称: 哈齐铁路客运专线4标段DK192+400—DK192+460 试桩编号: 25-7
桩径: 400mm 桩长: 14.84m 检测日期: 2010-8-27
荷载
（kN） 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
沉降
（mm） 0.49 0.98 1.82 2.81 3.93 5.68 7.30 9.12 11.37
单桩竖向抗压静载试验曲线图
工程名称: 哈齐铁路客运专线4标段DK192+400—DK192+460 试桩编号: 25-7
桩径: 400mm 桩长: 14.84m 检测日期: 2010-8-27
荷载
（kN） 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
沉降
（mm） 0.49 0.98 1.82 2.81 3.93 5.68 7.30 9.12 11.37
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