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严寒地区CFG施工技术
严寒地区CFG桩施工控制技术
研究报告
中铁十六局集团有限公司
二O一二年五月
严寒地区CFG桩施工控制技术
1.前言
为了适应经济快速发展，满足经济日益增长的需要，客运专线工程已经成为我国铁路建设发展的主要方向。
哈齐铁路客运专线地处冲积平原（松内平原），贯穿龙凤湿地和扎龙湿地，是连接哈尔滨和齐齐哈尔的经济大动脉。
也是我国第一条在高纬度、严寒地区修建的高速铁路，设计时速250km，采用Ⅰ型板式无砟轨道结构。
我国东北地区既有铁路冻害比较普遍，路基冻胀和融沉使路基产生不均匀变形，破坏轨道的平顺性，成为影响铁路运行速度和安全的重大隐患之一。
普通铁路运行速度和技术标准较低，对路基工程防冻胀措施往往重视不够。
而客运专线路基工程防冻胀措施方面目前也没有成熟的经验。
面临着如严寒地区客专路基的防冻胀问题、严寒地区无砟轨道板的铺设问题等，本文以管段内400米路基试验段为例，着重介绍了哈齐铁路客运专线在CFG桩施工方面的控制技术和施工工艺，为今后严寒地区的客运专线建设提供了理论依据与施工指导。
2.工程概况
2.1工程概况
本管段路基工程在安达市境内，里程为DK133+621.499～DK134+025.499，长度为400m，均为填方路堤,填筑高度4～5m,路基基床顶面宽度13.4m。
基底采用CFG桩加固，桩身强度C20，桩径0.4m，桩间距1.6m，正方形布置，桩长15～21m，桩顶设置0.15m碎石垫层，其上应力影响线范围内设0.5m厚C40钢筋混凝土板，每20米设置一道伸缩缝，缝宽0.02m。
两侧为C40钢筋混凝土桩帽结构，直径1.1m，厚度为40cm，基床表层填筑级配碎石,厚度不小于0.4m;基床底层顶面以下2m范围内填筑A、B组非冻胀土,其下底层0.3m填筑A、B组土。
路堤边坡坡度为1:
1.5;路堤两侧设防冻胀护道（填土）,护道宽2.5m,坡度为1:
1.5;护道顶面位于基床表层与底层的分界线处;并在护道中设置0.3m厚渗水层（渗水土）。
2.2地形地貌
本段路基位于黑龙江省西南部安达市与卧里屯之间，该地区地势平坦，稍有起伏，局部为洼地，海拔高程一般为144.6m～146.0m，地面最大起伏1.5m。
2.3工程地质
本段路基经过地区地层：
表层为粉质粘土，黑色，软塑，厚度1.5～2.0m，ó0=140KPa；粉砂层，厚度0～3.5m，ó0=90KPa；粉质粘土层，厚度2～12m，ó0=160KPa；粘土层，厚度4～12m，ó0=170KPa；桩底嵌入中、粗砂层深度约1.2m，ó0=450KPa～550KPa。
地震动峰值：
0.05g（地震基本烈度Ⅵ度）
2.4水文资料
沿线地下水为第四系孔隙潜水，地下水埋深0.6～4.8m（高程140.5～144.6m）。
地下水主要由大气降水及地表水补给，以蒸发方式排泄，水位变幅1～3m。
地下水具有硫酸盐侵蚀性。
侵蚀等级为H1。
2.5气象资料
沿线大部属于中温带亚湿润～亚干旱大陆性季风气候区。
冬季严寒干燥漫长，夏季多雨凉爽，春、秋季干旱多风；蒸发强烈且持续时间长，蒸发量大于降水量3倍左右。
由于沿线最冷月平均气温均低于-15℃，属严寒地区。
年平均气温4.1℃～4.7℃，极端最高温度38.7℃～40.8℃，极端最低温度-36.8℃～-39.3℃，年平均降雨量418.1～537.5mm，年平均蒸发量1411.2～1826.mm，平均相对湿度59%～64%，年平均风速2.9～4.0m/s，最大定时风速21.7～24.7m/s，最大积雪厚度13～24cm，最大季节冻土深度189～272cm。
3.基本规定
1、CFG桩应选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。
2、CFG桩复合地基设计时应进行地基变形验算。
3、技术人员应掌握所承担工程地基处理目的、加固原理、技术要求和质量标准等。
施工中应有专人负责质量控制和监测，并做好施工记录。
当出现异常情况时，必须及时会同有关部门妥善解决。
4、施工过程中应有专人或专门机构负责质量监理。
施工结束后应按国家有关规定进行工程质量检验和验收。
4.施工准备
1、施工前应具备下列资料和条件
（1）施工场地工程地质勘察报告和必要的水文资料；
（2）CFG桩布桩图，并应注明桩位编号，以及设计说明和施工说明；
（3）建筑物场地邻近的高压电缆、电话线、地下管线、地下构筑物及障碍物等调查资料；
（4）具备“三通一平”条件。
2、施工技术措施
（1）确定施工机具和配套设施；
（2）编制材料供应计划，标明所用材料的规格、质量要求和数量；
（3）试成孔不小于2个，以复核地质资料以及设备、工艺是否适宜，核定选用的技术参数；
（4）按施工平面图放好桩位；
（5）确定施打顺序及钻机行走路线；
（6）施工前，放好桩位、CFG桩的轴线定位及测量基线，并由监理、业主复核；
（7）在施工机具上做好进尺标志。
3、CFG桩选用的水泥﹑粉煤灰﹑碎石﹑石屑（砂）﹑水等原材料应符合设计要求，并按相关规定进行检验。
（1）本段CFG桩水泥采用P.042.5水泥。
（2）粉煤灰采用Ⅱ级或Ⅲ级粉煤灰。
（3）粗骨料粒径采用5～50mm,砂的含泥量应小于3%。
（4）长螺旋钻孔内泵压混凝土灌注施工，坍落度控制在180±20mm。
5.施工工艺
图1CFG桩施工工艺流程图
开始
原地面处理
测量放样
钻机就位
钻进
否
钻进至施工图标示深度
是
停止钻进
拌合料拌制
向管芯泵送拌合料
提钻
否
管内拌合料有足够高度
提出钻杆
移机
结束
1、桩机就位
桩机就位后，调整钻杆与地面垂直，并使钻杆对准桩位中心，现场技术人员检查桩位偏差及垂直度。
CFG桩垂直度允许偏差不大于1.0%，桩位偏差（纵横向）不大于50mm。
2、钻进成孔
A钻孔开始时，关闭钻头阀门，操纵下移钻杆，钻头触及地面时，启动马达钻机。
钻进应先慢后快，同时检查钻孔的偏差并及时纠正。
B桩机操作手和现场读尺人员要密切配合，钻机每钻进1m,读尺人员要及时通知桩机操作手记录电流数据，操作手在电流表电流发生明显变化时，要通知现场读尺人员做好钻机进尺及土层变化的记录。
当电流显示已进入硬土层时，要控制进尺，确保嵌入深度满足设计要求。
C桩身进入持力层的深度要求：
一般对于第四系地层应嵌入砂类土或硬塑黏土深度不小于2m,对于下伏基岩地段应嵌入全风化层不小于1m。
D钻孔至设计高程后，要对地质情况进行详细的记录。
E发现地质情况与设计不符，要及时通知设计单位。
F在成孔过程中，发现钻杆摇晃或难钻时，应放慢进尺，防止桩孔偏斜、位移及钻杆、钻具损害。
当钻至设计标高后，一般采用静止提拔，但对易卡钻的区域，在圆砾层内允许采用边转边提，离开圆砾层后采用静止提拔。
3、混凝土搅拌
混凝土搅拌严格按配合比进行配料。
计量要准确，拌合料坍落度要控制在180±20mm，拌和时要先投碎石，再投水泥、粉煤灰和外加剂，最后投放石屑、砂子和水，充分搅拌，每盘搅拌时间不少于60s。
4、现场试验人员主要工作
A每台班抽验现场检验混凝土坍落度3次。
B每台班在现场作一组（3块）混凝土试件，进行28标准养护试件抗压强度检验。
现场试验人员要记录取样试件与当日对应灌注的CFG桩的编号。
5、灌注及拔管
钻孔至设计高程后或嵌入硬层深度满足设计要求后，停止钻进，开始泵送混凝土，当钻杆芯管充满混凝土后开始拔管，严禁先提管后泵料。
钻杆应采用静止提管，施工中严格控制钻杆提拔速度和混凝土泵的泵送量，混凝土泵送量应于与提拔速度相配合，保证连续提拔，保证桩体连续、均匀、密实。
现场技术人员应记录混凝土灌注的起止时间，推算单桩混凝土灌注量。
6、施工桩顶高程宜高出设计高程不少于50cm，灌注成桩完成后，桩顶盖土封顶予以保护。
7、移机
上一根桩施工完毕，钻机移位，进行下一根桩的施工。
当桩机移至下一根桩位施工时，应根据轴线或周围桩的位置对须施工的桩位进行复核。
6.CFG桩施工质量控制措施
1、所用的水泥和粗细骨料品种、规格、质量应符合设计要求。
2、桩体连续密实，不得有断桩、缩径等缺陷。
3、允许偏差
A桩长：
不小于设计深度，桩顶高程：
±50mm。
B钻孔垂直度≤1.0%。
C桩径：
不小于设计值。
D桩位：
50mm。
4、成品保护
（1）桩头保护
A为了保证桩顶高程和桩顶的强度，应设置保护桩长，一般为50-70cm。
B成桩后严防重型机械行走或扰动，防止使桩头压松造成桩顶混凝土不成型、断桩。
C桩体达到一定强度（一般3-7d）后方可挖槽，清土采用小型机械设备及人工开挖、运输，严禁开挖过程中机械撞击桩头。
D桩头才用水泥锯四刀法进行切割，严禁重锤直接将桩头打断。
E合理安排施工顺序，避免后续桩基施工对已施工桩头的破坏。
（2）桩间土保护
A为了避免扰动桩间地基土，桩顶高程以上预留50cm保护土层。
B清理桩间土时预留至少10cm采用人工清除找平；避免对地基土的扰动。
5、质量检验
A低应变检测
CFG桩施工完毕后，按成桩总数的10%进行检测，且每检验批不少于5根。
桩体质量检验在成桩28天后进行，采用低应变动力检测CFG桩桩身完整性。
B复合地基承载力检测
采用载荷试验进行复合地基承载力检测和单桩承载力试验。
检测合格后方可进入下道工序。
7.常见问题及处理措施
1、堵管的预防措施
（1）混合料配合比应合理。
混合料的配合比：
粉煤灰掺量宜控制在70kg/m～90kg/m的范围内，条件允许时，宜采用Ⅰ级粉煤灰，碎石宜采用5-25mm的连续级配碎石，防止粒径过大穿越弯管时堵塞弯头或造成混合料和易性差。
（2）严格控制混合料坍落度。
施工时坍落度宜控制在160～200mm。
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）严格按工艺操作，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、硬管内混合料充满连续时方才提钻。
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）防止设备缺陷造成堵管。
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进行清洗，否则管路内有混合料的结硬块，还会造成管路的堵塞。
（5）钻杆达到设计高程后，开始泵送混合料，管内空气从排气阀排出，钻杆芯管及输送管充满混合料，应及时提钻，若不及时提钻，在泵送压力下会使钻头处的水泥浆液挤出，使钻头阀门处产生无水泥浆的干硬少浆的混合料塞体，堵塞管道。
2、窜孔的预防措施
在饱和粉土、粉细砂层中成桩经常会遇到下面情况，打完1号桩后，在施工相邻的2桩时，发现未结硬的1号桩的桩顶突然下落，当2号桩泵入混合料时，1号桩的桩顶开始回升，此种现象称为窜孔。
由于窜孔对成桩质量的影响，施工中应采取的预防措施：
（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）改进钻头，合理提高钻头钻进速度；
3、桩头空芯的预防措施
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。
4、桩端不饱满的预防措施：
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，影响CFG桩的桩端承载力。
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。
5、缩径、断桩的预防措施
（1）严格控制拔管速度，尤其是饱和黏土、地下水丰富的孔位，应严格将拔管速度控制在2.0～2.5m/min，且送料、拔管应连续均匀。
实践证明，将钻头保持在埋深0.5m左右，基本可消除饱和黏土中CFG断桩率。
（2）备足混合料，随钻随浇注，防止停工待料。
（3）经常检查螺旋直径，防止螺旋磨耗造成桩径不足。
（4）严格控制清表后的地基压实质量，提高原地面地基承载力同时，在长螺旋支腿处外加设枕木，减少地基接触应力，防止长螺旋机走行挤压造成桩基断桩、变形。
6、钻头阀门打不开的预防措施
采用下开式钻头或其他先进工艺的钻头，防止泥浆回灌或砂粒，小卵石等卡住。
调整桩长，令桩端穿过透水性好、高水头的砂土或卵石层进入粘土层。
7、短桩及处理措施
施工不当造成桩顶标高低于设计标高并超过验标允许范围时，应采用接桩办法进行处理。
开挖桩体周围土层至桩顶下10cm，接桩模板直径大于桩体直径200mm，剔平桩顶并用水冲洗干净，采用比桩体强度高一等级的豆石混凝土进行浇注至设计标高。
施工过程中需注意保护好桩间土。
8.冬季施工措施
1、混凝土采用冬季施工配合比，拌和时采用热水拌和，对混凝土运输罐车采取保温措施，保证混凝土的入模温度。
2、对混凝土泵泵头、泵管采取保温措施，防止泵管中混凝土温度过低。
3、对刚施工完成桩基及时覆盖土进行保温，防止拌合料在初凝前遭到冻结。
4、施工完成的桩基或者施工完成清除保护土层和桩头后，应采用覆盖玉米秸秆，并在玉米秸秆上盖土的方法对桩间土和桩头进行保温，防止桩间土冻胀造成桩体拉断。
9.安全保证措施
1、钻机施工前，要对场地地基承载力进行检验，防止因地基承载力不满足要求导致钻机支腿下陷失稳，造成钻机倾覆。
2、严格钻机操作规程，严禁违规操作。
3、钻孔作业施工应做好孔口防护，防止人或异物坠入。
4、夜间施工应有足够的照明。
5、高压泵管不得超压使用，防止高压泵管破裂。
6、钻杆上的泥土要及时清理，防止坠下伤人。
10.环境保护措施
1、在距居民生活区较近的施工现场，必须采取必要的噪声控制设施，或将施工时间调整到非敏感时间段。
2、生产和生活垃圾应采用密闭运土车运走，不得随意乱弃。
3、夜间照明灯光应集中照射，避免灯光扰民。
4、施工现场要注意洒水，避免扬尘。
结束语:
高纬度严寒地区的路基施工有其特殊性，有许多方法还值得我们研究，在今后的施工中还应认真总结。
施工及验收依据:
[1]《客运专线铁路路基工程施工质量验收标准》TB10751-2010；
[2]《铁路工程基桩检测技术规程》TB10218-2008；
[3]《哈齐铁路客运专线基桩检测工作手册》；
[4]《哈齐客运专线混凝土工程质量控制手册》；
[5]哈齐铁路客运专线设计文件。
参考的规范及标准
[1]《长螺旋钻孔泵压混凝土桩复合地基技术规程》DB13（J）31-2001；
[2]《哈大客运专线路基工程质量控制手册》2007年10月。
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