第一章软土液化地基处理施工设备研究.docx
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第一章软土液化地基处理施工设备研究
客运专线施工技术资料
设备
中铁二十四局集团有限公司
二00五年一月
第一章软土、液化地基处理施工设备研究…………………01
第一节软土地基处理技术和设备研究…………………02
第二节液化地基加固处理技术和设备研究……………16
第三节岩溶路基加固处理技术和设备研究……………19
第二章客运专线路基填筑机械化施工设备研究……………22
第一节概述……………………………………………22
第二节基床级配碎石施工设备研究……………………23
第三节改良土施工设备研究……………………………26
第四节过渡段施工设备研究……………………………36
第五节A、B组填料施工施工设备研究………………41
第三章客运专线铁路架桥机及运梁台车……………………45
第四章无碴轨道施工设备研究………………………………60
第一节概述………………………………………………60
第二节施工设备工作原理和技术性能…………………61
第三节施工设备作业流程及工艺………………………72
第四节整套设备的技术特点……………………………80
第五节组织机构及劳动力安排…………………………81
第一章软土、液化地基处理施工设备研究
根据客运专线沿线工程地质、水文地质情况，对软土地基需进行处理。
根据路基具体特点，我们进行了粉喷桩、碎石桩的施工技术研究。
本次工作的主要研究内容为：
粉喷桩施工工艺和设备选型；碎石桩施工工艺和设备选型；液化地基加固处理施工工艺和设备选型。
第一节软土地基处理技术和设备研究
一、水泥粉喷桩加固软土地基的施工设备研究
用水泥喷射搅拌桩加固软基，是以水泥作加固料与原状软土进行强制搅拌，经物理化学作用后，水泥和土形成一种混合柱体，从而达到提高软基承载力，减少软基沉降的目的。
1、施工设备及操作
（1）施工设备
水泥粉喷桩的施工机械设备主要是钻机、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头和动力设备（发电机组）等。
①钻机。
钻机是粉体喷射搅拌法施工的主要机械，它必须满足：
A、动力大、扭矩大和符合大直径钻头成桩要求，钻头直径一般与水泥粉喷桩的直径相同；B、具有正向钻进，反转提升的功能；C、具有反转提升时能匀速提升、均匀搅拌、匀速喷粉等功能。
本例钻机为铁道设计院设计的PH-5-18型钻机，采用液压蛙步移动，液压调平，有钻进深度计和电流电压监测表，它能很方便地控制粉喷桩的施工质量，包括入土深度、地层阻力、压缩空气压力及其流量等。
②粉体发送器。
粉体发送器是定时发送粉体材料的设备，它是粉体喷射搅拌法加固施工机械中的关键设备，其工作原理为：
由空气压缩机送来的压缩空气，通过节流阀调节风量大小，压缩空气进入“气水分离器”使压缩空气中
气水分离，然后“干风”送到粉体发送器喉管与“转鼓”里输出的粉体混合，成为气粉混合体，进入钻机的旋转龙头，经空心钻杆由钻头喷出，使水泥粉经钻叶与软土拌和。
粉体的定量输出，由转鼓转速控制。
施工时根据配合比确定掺入比和钻头提升速度及钻机的转速，并选定合适的粉体发送量（确定转鼓转速）。
每根桩水泥总量喷入多少，由灰罐电子称控制。
喷粉过程中认真做好粉量记录，确保掺入量符合设计要求，一般掺入量采用15%～16%。
③空气压缩机。
粉喷桩水泥的喷出，是以空气压缩机作为风源。
空气压缩机的选定主要由加固工程的地质条件及加固深度所决定，但平常采用的空气压缩机压力不大，为0.2～0.4MPa，其风量也不宜太大，一般为1.6～2.0M3。
④搅拌钻头。
粉体喷射搅拌法凭借钻头叶片的搅拌作用将使灰粉与软土混合，因此，搅拌钻头的形状直接影响灰、土的搅拌效果。
搅拌钻头的形状要保证在反向旋转提升时，对桩中土体有压密作用，而不是将灰、土向地面翻升而降低桩体质量。
⑤计量装置及动力设备。
计量装置在粉喷桩施工过程中起到质量监测的作用，施工前必须标定，施工过程中要有专人监控记录。
施工过程中监测一般包括深度计、电子称、各种压力表、电压表读数等。
电压表、电流表主要反映钻头钻进过程中的受力情况，从中可判别钻头经过地层的情况。
一般为75kw的发电机组即可满足动力设备要求，也可使用市电。
动力设备与桩机为一一配置。
（2）粉喷桩施工设备操作
①成桩试验
在粉喷桩进行大量施工前，必须要进行成桩试验，试验应达到下列要求，并取得技术参数。
A、满足喷入量的各种技术参数，如钻进速度、提升速度、搅拌速度、喷气压力、单位时间喷入量等；B、确定搅拌的均匀性；C、掌握下钻和提升的阻力情况，选择合理的技术措施；D、根据地层、地质情况确定覆喷范围。
成桩工艺性试验桩数不少于5根。
②施工机械操作
粉喷桩搅拌技术是基于钻机钻孔时，回转转盘和加压机构通过钻杆向钻头施加作用力，钻头在轴压力和回转扭矩作用下切入土层并切碎土体到达设计深度后，然后反向旋转提升钻头，同时用压缩空气输入水泥或石灰粉体，通过钻头的搅拌作用，使固化料和土体充分拌和，边提升钻头、边喷入固化料、边搅拌混合，直至钻头提出地面完成一根桩的施工。
粉喷桩的施工机械主要由步履机构、动力机构、传动机构、操作机构、粉体发送器、空气压缩机、搅拌钻头等组成，主机是一台能完成钻进及搅拌的钻机。
根据粉喷桩的施工特点，要求钻机要有较高的移位灵活性和速度可变性。
③施工工艺
粉喷桩施工程序为：
整平原地面—钻机定位—钻杆下沉钻进—上提喷粉强制搅拌—复拌—提杆出孔—钻机移位【3】。
如图二所示。
图二 粉喷桩施工程序示意图
1－钻机；2－钻架；3－钻杆；4－钻头；5－钻孔；6－成桩
具体操作方法如下：
A、对正桩位，调整钻机机身，保证钻杆的垂直度，启动钻机下钻，待搅拌机钻头接近地面时，启动空气压缩机，开始钻进。
B、钻到设计孔深时，关闭空气阀门，喷送水泥。
C、确认水泥已到桩底时，提升搅拌钻头，为便于控制成桩重量，一般不得使用Ⅲ档提升。
D、提升到设计桩顶标高时，停止喷粉。
E、打开送气阀，但空压机不要停机，搅拌钻头提升到桩顶时停止提升，在原位转动2min，以保证桩头均匀密实。
F、钻头再钻到设计桩底，进行二次搅拌。
G、将搅拌钻头提出地面，停止主电机、空压机，填写施工记录。
H、移动到下一个桩位。
操作要点如下：
A、机身调平以钻杆是否垂直为依据，操作时以钻锤吊线进行控制。
B、钻头钻至设计深度时，应有一定的滞留时间，以保证加固粉料到达桩底。
一般为2～5min。
C、喷粉或喷气时，当气压达到0.45Mpa时，管路可能堵塞，此时应停止喷粉，将钻头提出地面，切断空压机电源，停止送气，查明堵塞原因，予以排除。
D、整个制桩过程一定要保证边喷粉、边提升连续作业。
当空气湿度大、粉体流动性差、喷气压力大、单位桩长喷粉量大时，应开通灰罐进气阀，以对料罐加压。
如出现断粉，应及时补喷，补喷重叠长度不小于0.5m。
E、喷粉开始时，应将电子秤显示屏置零，使喷粉过程在电子计量显示下进行。
喷粉时，记录人员应随时观察电子秤的变化显示，以保证各段喷粉均匀。
2、施工工艺及质量控制
（1）施工顺序及施工工艺
水泥粉喷桩的主要施工顺序为：
施工准备→钻机就位→钻进→提升喷粉搅拌→升到设计标高后再复钻→提升复拌→升到设计标高后停机→下一桩循环施工。
（2）施工质量控制
①施工准备。
施工准备主要是进场道路准备、施工作业面准备和备料准备。
②工艺性试桩。
粉喷桩正式施工前要先施工3～6根桩进行工艺性试桩，以确定：
①要穿过软土层的实际深度；②了解各软土的阻力，以确定钻进及提升速度和喷粉量。
在实际工作中根据其抽芯质量情况发现，对含水量较大的软土，提升速度要慢，风量要大才能保证成桩质量；对砂层，特别是粗砂层，提升速度应较淤泥层快，风量应较淤泥层的小。
本例工艺性试桩确定的参数见下。
试桩确定的施工参数
钻进及提升搅拌速度灰罐压力空气压力气体流量
速度/（m/min）转/minMPaMPaL/s
0.5～0.8500.40.2～0.420
③各主要工序的质量控制要点。
A、桩基就位：
根据设计，确定加固放置机体位置的基础（即加垫砂层），使搅拌桩机机轴保持垂直，以防打斜桩，影响桩基承载力。
B、下钻：
启动搅拌桩机，钻头边旋转边钻进。
为不致于堵塞喷射口，此时并不喷射加固材料，而是喷射压缩空气，可使钻进顺利，减小负载扭距。
随着钻进，准备被加固的土体在原位受到搅动。
C、提升钻头并反转：
在提升过程喷粉搅拌，通过粉体发送器将水泥粉喷射入搅拌的土体中，使土体和水泥沿深度方向充分拌和。
要根据地质情况，决定提升速度，以得到较均匀的水泥土桩，提升速度根据试桩参数确定。
D、提升结束：
当钻头提升到距地面30～50cm时，发送器停止向孔内喷射粉料，成桩结束。
这时由于装置的回路是封闭的，粉体不会向空中喷射和飞散。
在向土体喷射过程中的最后阶段，在搅拌钻头距地面30cm处停止喷粉，粉粒不会溢出地面。
一般在设计桩顶预加50cm桩长作为破除桩头用。
E、复拌：
停止喷粉，钻头边旋转边钻进，直至设计深度的1/3处，再边提升边反向旋转，使土体和粉体充分拌和，土体被充分粉碎，水泥粉被均匀地分散在桩土中，复拌的深度一般位设计桩长的1/3，复拌是保
证成桩均匀和提高桩体强度的有效措施。
3、质量标准及验收
（1）基本要求。
水泥的标号要符合设计要求，要按成桩试验所确定的技术参数进行施工；严格控制喷粉时间、停粉时间及水泥喷入量，确保粉喷桩的长度；桩体上部1/3的桩长范围内必须进行2次搅拌，确保桩体质量；发现喷粉量不足时，应整桩复打；喷粉中断时复打的重叠孔段应大于1米。
（2）桩体质量检验及质量分析。
桩长及强度检测应以取芯为准，本工程以取芯和轻便触探联合检测，前者为甲方抽检，频率为2%，后者为施工单位自检，频率为5%。
从取芯的结果得：
原状土为含水量大的软弱淤泥时，桩体胶结较差，且为松散可塑～硬塑状，桩体强度低；若原状土为粗砂层或细砂层时，桩体胶结好，强度高；若原状土为粉砂、淤泥质粘土时，桩体胶结介于含水量大的软弱淤泥和粗砂层或细砂层之间。
4、设备选型
国内目前的搅拌机有中心管喷浆方式和叶片喷浆方式。
后者是使水泥浆从叶片上若干个小孔喷出，使水泥浆与土体混合较均匀，对大直径叶片和连续搅拌是合适的，但因喷浆孔小易被浆液堵塞，它只能使用纯水泥浆而不能采用其它固化剂，且加工制造较为复杂。
中心管输浆方式中的水泥浆是从中心管输出，这对于叶片直径在lm以下时，并不影响搅拌均匀度，而且它可适用多种固化剂，除纯水泥浆外，还可用于水泥砂浆，甚至掺入工业废料等粗粒固化剂的喷入。
1、SJBF系列深层搅拌机
SJBF系列深层搅拌机是由江苏省江阴市振冲机械制造有限公司生产的水泥搅拌专用机械。
其主要型号有SJBF37Ⅲ、SJBF37、SJBF45等。
配套机械为JLD18履带式桩架。
SJBF系列深层搅拌机主要技术参数如表1-3。
SJBF系列深层搅拌机主要技术参数表表1-3
项目
单位
参数
SJBF37Ⅲ
SJBF37
SJBF45
电机功率
kW
2×37
2×37
2×45
搅拌轴转速
r/min
42.6
42
40
额定扭矩
N·m
5200
2×8405
2×10000
搅拌轴数
3
2
2
一次性处理面积
m2
0.8
0.85
搅拌头直径
mm
2×φ740
2×φ760
搅拌深度
m
12-18
18-25
外形尺寸
mm
1370×734×2437
1262×702×1690
1262×702×1760
配备JLD18简易履带式桩架技术参数如表1-4。
JLD18简易履带式桩架技术参数表表1-4
项目
单位
参数
立柱高
m
18
垂直时允许提升力
kN
180
最大倾斜时允许提升力
kN
120
最大水平倾出距
m
3
倾高允许倾角
°
＜7
行驶坡角
°
＜10
行驶速度
m/min
10
履带有效接地面积
m2
5.8
斜撑调整驱动功率
kW
2×2.2
行驶驱动功率
kW
2×7.5
卷扬机功率
kW
7.5
最大外形尺寸
mm
8470×5650×19595
整机质量
kg
21400
2、GPP-5C型深层搅拌机
该机由上海金泰股份有限公司生产。
其主要技术参数见表1-5。
GPP-5C深层搅拌机主要技术参数表表1-5
项目
单位
参数
地基加固深度（最大）
m
12.5、15、18
标准搅拌翼径
mm
50
转盘转速（正反）
r/min
正：
15、25、44、70、108反：
17、29、52、82、126
最大扭矩
kN·m
23.5
给进提升能力
kN
30
给进提升速度
m/min
正:
0.228、0.386、0.679、1.081、1.665
反:
0.268、0.455、0.800、1.272、1.960
井架高度
m
14、17、20
液压步履纵向单步行程
m
1.2
液压步履横向单步行程
m
0.5
接地压力
kPa
24
重量
kg
9250
外形尺寸
m
5.51×2.23×15.49、5.51×2.23×18.40、
5.51×2.23×21.40
3、PH系列深层搅拌机
PH系列深层搅拌机由中铁武汉工程机械设计研究院生产，其主要技术参数如表1-6。
在上述几种桩机类型中，加固深度一般在18m。
中铁武汉工程机械设计研究院是一家具有设计、生产、科研能力的机械生产厂家，其生产制造的PH系列深层搅拌机性能可靠，可操控性强，功效较高，型号齐全，可根据不同设计及地质条件分别选用。
4、配套机具设备
客运专线如选用PH系列深层搅拌机，与其配套施工机具设备见表1-7。
PH系列深层搅拌机技术参数表表1-6
项目
单位
PH-5A
PH-5B
PH-5D
PH-5E
地基加固深度
m
14.5
18
18
18
成桩直径
mm
500
500
500-1000
2×（250-630）
钻机转速
r/min
正：
15、25、44、70、108
反：
17、29、52、82、126
正：
15、25、44、70、108
反：
17、29、52、82、126
正：
7、12、21、34、52
反：
8、14、25、40、62
正：
10、16、29、47、72
反：
11、19、34、55、85
最大扭矩
kN·m
21
21
55
38×2
提升速度
m/min
正：
0.228、0.386、0.679、1.665、1.081
反：
0.268、0.455、0.800、1.272、1.960
正：
0.228、0.386、0.679、1.665、1.081
反：
0.268、0.455、0.800、1.272、1.960
0.116～1.497
0.116～1.497
钻杆规格
mm
125×125
125×125
125×125
2×125×125
纵向单步行程
m
1.2
1.2
1.2
1.2
横向单步行程
m
0.5
0.5
0.5
0.5
接地比压
MPa
≤0.0287
≤0.038
≤0.0385
0.039
空压机排量
m3/min
1.6
1.6
1.6
2×1.6
主电机功率
kW
37
37
45
2×45
油泵电机
kW
5
5
7.5
11
空压电机
kW
13
13
13
2×13
整机重量
kg
7500
10000
12000
17000
单机作业主要施工机具配置表表1-7
序号
名称
规格或型号
数量
用途
1
深层搅拌机
PH系列
1台
成孔制桩
2
灰浆泵
HB6-3
1台
送浆
3
自动计量灰浆搅拌机
200L
2台
搅拌浆液
4
灰浆集料箱
1000L
1台
蓄料
5
冷却水泵、电缆、胶管
连接管线、装置
二、水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）加固软土地基的施工设备研究
碎石桩（StoneColumn）是指用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石挤压入已成的孔中，形成大直径的由碎石构成的密实桩体。
但因振冲碎石桩有泥水污染环境，且有软化土的作用，从80年代开始，一些单位纷纷开发了锤击碎石桩、振密碎石桩和干振碎石桩等，强夯碎石桩亦有应用，并在制桩工艺和桩体材料方面也进行了改进，如在碎石中添加适量的水泥和粉煤灰（水泥粉煤灰碎石桩，简称CFG桩），或添加铝土矿赤泥等，使桩体获得一定程度的胶结强度。
CFG设备不但能满足CFG桩基础工程的施工，也可逐步替代目前国内广泛使用的振动沉拔桩机，达到节约基础施工费用、提高施工质量、实现文明施工的目的。
1 、CFG桩施工设备施工流程
CFG桩是由碎石、粉煤灰和水泥以一定比例加水拌合而成的具有可变粘结强度的桩型，CFG桩复合地基充分利用天然地基的承载能力，一般不配钢筋笼，水泥用量只有灌注桩的50％－60％，而且桩径小、桩数少，在地基和基础之间设置柔性垫层，使地基强度和变形模量较为均匀，对提高结构受力、结构抗震等级等极为有利。
其工程造价与预制桩相比可节约成本50％，与灌注桩相比可节约成本30％，具有极佳的经济效益。
（1）CFG桩施工设备的施工流程如下（图1）：
①桩机、混凝土泵、搅拌机就位；
②启动桩机，钻具钻进到预定标高；
③混凝土泵将搅拌均匀的混合料送至钻杆芯管内，提升钻杆，根据显示的灌注压力，控制混凝土泵的泵送量和钻具提升速度，灌注到设计标高；
④移动桩机至下一桩位，并清理排气装置。
（2）设备主要性能参数
钻孔直径mm
φ400
钻孔深度m
22
钻杆转速r／min
35．2
动力头功率kw
2×37
最大扭矩kN·m
20．5
许用拔钻力kN
300
步长m
1．2
回转角度º
360
地面允许最大坡度º
3
接地比压MPa
0．05－0．15
整机重量t
38．6
外形尺寸
9200×5000×31000
（3）设备主要特点
CFG桩施工设备的研制，从我国的施工实践出发，采用特制的长螺旋钻孔机钻孔，在钻具提升的同时，通过给料系统灌人混合料，并使之密实成桩。
底盘采用造价适宜的全液压步履式行走机构，可作3ed”回转，机动性好、稳定性强、操纵方便；施工中低噪声、低振动、无污染、效率高，并配有灌注压力显示装置，成桩质量有保证。
该设备除可进行CFG桩施工外，还可进行一般的长螺旋钻孔等多种工法的施工。
特别是该设备的排土装置、灌注压力显示装置、进料排气装置等，不但可切实保证CFG桩的成桩质量，而且填补了国内空白，解决了长期以来施工中存在的问题，获得了很好的施工效果。
①排土装置
长螺旋钻孔机施工时，螺旋叶片会带出大量泥土，粘在钻杆上无法排出，此问题长期未得到很好的解决，从而限制了设备的使用范围。
人工清土，劳动强度大，施工效率低，并有一定的危险性。
该设备专门设计了一种稳定器式排土装置（图2），解决了这一问题。
该排土装置结构简单、操作方便、排土效率高，具有排土和稳定导向钻杆两种功能。
在排土作业时，钻杆不旋转，排土刮板绕钻杆转动进行排土。
在钻具提升过程中，由于主卷扬钢丝绳在卷筒上缠绕的层数改变，使提升速度由慢至快变化。
为避免因速度差而导致刮板与叶片相撞，合理匹配了刮板旋转速度和钻具提升速度，并采用缓冲装置，实现了自动排土。
其工作过程为：
A、排土刮板离开钻杆，钻具穿过排土装置，钻至设计深度；
B、将排土刮板推人钻杆叶片间并定位；
C、启动混凝土泵和主卷扬，提升钻具，灌注混凝土，同时启动排土装置，排土刮板绕钻杆旋转进行排土，至提升钻具出土，完成灌注和排土作业。
②钻头的型式及密封
在CFG桩基础施工中，混凝土从钻杆中心输人，在钻头芯管底部两侧设有两个单向出料门，在钻进时靠土对钻头的反力使其封闭。
当钻到规定标高时，泵送混凝土的压力使其打开，混凝土充满整个桩孔。
目前广泛使用的钻头，采用铰链、盖板给住出料口，由于铰链间隙大，当遇到饱和沙土或通压水时，会造成钻杆内进水，使混凝土离析或埋管，影响施工质量。
该设备的钻头出料门用密封圈进行密封，在钻进过程中泥浆不能进人钻杆芯管内，保证了成桩质量。
同时，钻头的出料门采取上翻式和下翻式两种形式（图3），提高了对地层白适应性。
③灌注压力显示装置
灌注混凝土成桩时，要在钻杆芯管内保持一定的压力，以确保成桩质量。
为此，该设备安装有灌注压力显示装置（图4），将芯管顶端测量的压力信号传递到操纵室，直观显示，驾驶员可根据显示的压力信号来控制钻具提升速度和泵送混凝土量，使灌注过程中不会发生超拔断桩或压力过大造成输送管路或钻杆损坏现象。
经过大量考核试验证明，CFG桩由于采用了保压灌注，大大改善了成桩质量，使桩的承载能力提高了14％－20％。
④进料排气装置
该装置在灌注混凝土的过程中能排除管道和钻杆内的空气，而当混凝土充满管道或钻杆时又能自动关闭、保压，混凝土不向外泄露。
当灌注混凝土时，泵送混凝土通过弯头进人钻杆芯管，芯管内的空气由阀门排出。
当混凝土充满芯管后，将浮子托起封住阀门，灌注完成后，浮子靠自重落下，阀门打开
（见图4）。
目前钻机上的排气装置，使用一段时间后浮于和阀门都会粘结混凝土，使整个装置无法密封或完全堵死，必须经常清理才能重新使用。
我们采用了水冲洗和电磁铁冲击的方法，·在成桩后进行振动和清洗，保证排气口的清洁和密封，解决了此问题。
⑤进料弯管
进料弯管是连接钻杆与高强度柔性管的重要部件，当泵送混凝土时，弯管的曲率半径及其与钻杆的连接形式对混凝土的正常输送起着至关重要的作用。
施工中混凝土常在弯头处逐渐沉积，最终造成堵管，国外同类设备弯管处也经常发生堵管现象。
经过多次反复试验，该设备设计了合理的弯管形式和曲率半径，使混凝土进料顺畅，不会因弯管而造成堵塞现象。
CFG桩施工设备不从我国实际情况出发，具有价格适宜、性能可靠、操作简便等特点，结合独特的“CFG桩复合地基成套技术”，具有良好的经济效益和产业化前景。
第二节液化地基加固处理技术和设备研究
一、液化地基加固处理技术概况
饱和的粉细砂或粉土，在重复或突变荷载作用下，孔隙水压力上升，土粒间有效应力降低，在土中排水条件不畅的情况下，可能使土粒处于悬浮状态，这时土体抗剪强度伤失，这种现象称为砂土的液化。
其液化的内在条件为：
1、土粒无粘性或低粘性，且结构松散；
2、土处于饱和状态；
3、土中排水条件差，超孔隙水压力不易消散。
所以可液化地基处理，其出发点是改变它的内在条件，增加土体密实度和改善排水条件。
常用方法有以下几种：
1、强夯法：
强夯法根据不同土质条件和夯击能，可处理4-10m深度范围。
2、桩基和深基础：
采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度，应计算确定，且对碎石土、砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土不应小于0.5m，对其他非岩石土不宜小于1.5m。
采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下的稳定土层中，其深度不小于0.5m。
3、加密法：
包括振冲法、碎石（砂）桩法等，应处理至液化深度下界，桩间土的标贯击数应大于液化判别标准贯入击数临界值。
4、换填法：
用非液化土替换全部液化土层。
液化地基土的处理范围，采用加密法、强夯法或换土法，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度
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