王希云，牛乐乐，苏 谦，邵 康，刘凯文

(1.神华包神铁路集团有限责任公司，内蒙古 包头 014010；2.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；3.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

1 工程概况

巴准铁路地处内蒙古自治区西南部鄂尔多斯市伊金霍洛旗和准格尔旗境内，沿线地形条件复杂，沟壑林立，路基高填深挖路段较多，路基的施工势必引起原有地形、地貌、水流流向等变化。2016 年8 月22 日由于鄂尔多斯地区普降大雨导致巴准铁路李家塔2 号大桥桥台处路基边坡滑塌、接触网倒塌，铁路中断行车24 h，严重影响了铁路正常运营。

2 地质情况

巴准铁路位于鄂尔多斯高原，地势呈西北高、东南低。李家塔2号大桥桥台处路基水毁段均位于准格尔旗境内，为低中山区，地势起伏较大，地形较陡峻，自然坡度30°～50°，植被不发育。工点所经区域地面标高 1 115.5～1 151.2 m，相对高差35.7 m。内地层为第四系全新统冲洪积细砂，第四系上更新统风积砂质黄土下覆三叠系下统砂岩与泥岩互层。沿线岩土基本参数为：①细砂，浅黄色，稍密，稍湿，基本承载力设计值σ0=180 kPa，侧摩阻力设计值fi=30 kPa，Ⅰ级松散土。②砂质黄土，中密，稍湿，具湿陷性，σ0=130 kPa，Ⅱ级普通土。③砂质黄土，中密，稍湿，σ0=150 kPa，fi=30 kPa，Ⅱ级普通土。④砂岩与泥岩互层，全风化，σ0=200 kPa，fi=60 kPa，Ⅲ级硬土。⑤砂岩与泥岩互层，强风化，σ0=300 kPa，Ⅲ级硬土。⑥砂岩与泥岩互层，弱风化，σ0=400 kPa，Ⅳ级软石。

3 加固路基与边坡的必要性

巴准铁路李家塔2 号大桥桥台边坡滑塌，接触网支座基础被完全毁坏，尽管已经采取了路基外侧回填土方、路基本体三七灰土拌和回填等临时性的措施，但该损毁段处于限速60 km/h 和路基沉降重点监测地段，线路路基的不稳定性对铁路正常运营产生了极大的影响，具有很大的安全隐患，需要尽快处理以保证铁路运输安全。线路路基和边坡损毁见图1。

图1 现场路基过渡段和边坡拟加固区照片

该路基水毁段位于沟壑处，每年汛期对护坡稳定性是个考验。传统的堆码沙袋、换填三七灰土、浆砌片石、混凝土骨架、锚杆框架梁等修复方法都是将抗洪与永久工程分开施工，先进行临时性抗洪抢险施工，待雨季过后再进行永久性工程施工。这种施工方法存在浪费资源、需额外增加天窗点施工、施工周期较长、作业面积影响范围较大、影响铁路运输等缺点，因此亟需一种新的施工工艺能够在汛期时快速施工完成路基及边坡处理工作[1-2]。本文采用拼接式螺旋钢桩快速加固新技术和复合模袋混凝土防护新工艺对边坡滑塌进行治理。此类新技术和新工艺能在抢险时直接永久防护和加固，避免二次施工造成次生灾害[3-4]。

4 加固设计方案

4.1 螺旋钢桩加固技术简介

拼接式螺旋钢桩凭借现场拼接组装单节钢桩的方法，灵活多变，便于运输，适用于多种地质条件，施工手段多样、施工便捷高效、节能减排、可循环再利用，总体经济性好、耐久性好、抗震性好，可快速估算承载力、施工质量保障性高。凭借这些优点，拼接式螺旋钢桩被视为一种理想的新型快速加固技术。目前国内类似钢质螺杆桩主要应用于国内光伏电站底座支架、农场围栏、花园篱笆等小荷载工况，为了适应大荷载工况及更复杂的地质环境，采用拼接式螺旋钢桩可广泛应用于新建高速铁路公路路基快速加固、既有铁路公路线路路基边坡修复、房屋地基托换、铁路接触网及公路标识物支架基础等诸多领域。

4.2 既有路基加固设计方案

对路基损毁段，从李家塔2号大桥桥台开始设置2排螺旋钢桩，纵向间隔1.5 m，横向间隔1.3 m，与水平面成45°斜向打入路基内部。第1排螺旋钢桩长6.4 m，第2排桩长8.2 m。螺旋钢桩和叶片均采用20号钢，钢桩的钢轴外径76 mm,叶片外径210 mm,采用焊接与钢轴连接。螺旋钢桩外部采用喷漆处理，与坡面成45°夹角液压旋进。拼接式螺旋钢桩加固路基过渡段示意见图2。

图2 拼接式螺旋钢桩加固路基过渡段示意(单位：mm)

4.3 边坡加固设计方案

对边坡损毁段，距坡脚高3.6 m处间隔1.5 m设置第1排螺旋钢桩，距坡脚高1.6 m处间隔1.5 m设置第2排螺旋钢桩。第1排螺旋钢桩长4.8 m，第2排桩长3.9 m。螺旋钢桩参数与路基加固区螺旋钢桩一致。拼接式螺旋钢桩加固边坡示意见图3。

图3 拼接式螺旋钢桩加固边坡示意(单位：mm)

5 施工工艺

施工准备→螺旋钢桩加固→生态复合模袋混凝土→边坡植被→麦克垫+预制混凝土块→埋设预制排水沟→收尾及竣工验收。

5.1 螺旋钢桩施工

拼接式螺旋钢桩施工流程如图4所示。

图4 拼接式螺旋钢桩施工流程

5.1.1 施工准备

1)场地平整：拼接式螺旋钢桩施工前，清除地上及地下一切障碍物，并用机械夯实。若地表较软可铺筑0.5～1.0 m厚的砂砾土或砂垫层防止施工机械失稳。

2)测量放线：根据设计施工图和坐标网点测放桩位。

3)确定桩位：在施工轴线上确定桩位，编上桩号，依据基准点测量各桩位地面高程。桩位应严格按照图纸设计测设，偏差不得大于50 mm。

5.1.2 旋入带叶片的螺旋钢桩

1)扭矩电动马达就位。将带叶片的螺旋钢桩安装到扭矩电动马达钻头上，并对准桩位，用角尺控制角度。

2)利用扭矩电动马达的自动控制系统，严格控制旋转速度和钻杆下降速度，要求旋转一次，螺旋叶片下降一个螺距。

3)将带叶片的螺旋钢桩旋至该桩顶离地面以上20 cm时停止旋转，预留该桩头进行拼接。

4)旋入过程中随时注意地层变化，对施工扭矩、旋入深度等参数进行详细记录。当发现旋入困难时应立即停止查找原因，解决后再次旋入。

5.1.3 拼接上部钢桩，并旋入土中

1)将带叶片的螺旋钢桩从钻头拆卸后，与上部中心钢管通过高强螺栓进行拼接。

2)将上部中心钢管安装到扭矩电动马达钻头上，将其旋入土中，旋入过程要求与5.1.2中相同。

3)要求每旋入2 m用角尺复核控制角度。

4)不断重复该步骤，直至该拼接式螺旋钢桩长度达到设计桩长。

5.1.4 选择性注浆加强

在必要情况下从桩顶接入注浆管联通压力泵，调整注浆压力值，对钢桩进行注浆，再次加强地基。

5.1.5 扭矩电动马达移位

拼接式螺旋钢桩施工完毕后，扭矩电动马达移位至下一根桩的位置进行施工。施工机械就位后必须稳固。

5.2 生态复合模袋混凝土施工

5.2.1 整坡及模袋铺设

1)整理边坡，将原始坡面上的杂物清理干净，采用人工或机械将坡面拍打平整。

2)铺设模袋前，对模袋质量进行详细检查。

3)模袋铺设时，横向预留20 cm左右的收缩量，上端部预留坡长4%左右的收缩量。

4)为了防止模袋顺坡下滑，在坡顶模袋上缘适当设置定位桩，定位桩宜设在坡顶距离模袋上缘1.0～1.5 m 处。定位桩的间距设为1.5 m，每块模袋不少于4根，在模袋的小单元分界面打设一个定位桩，用尼龙绳将穿入模袋穿管孔中的钢管系牢，另一端通过拉紧装置与定位桩相连。

5)模袋铺设时须拉紧和平整，因此在其上下缘的管套中穿入钢管(钢管长度比模袋两侧各长出50 cm左右，以便于操作)，将模袋卷在钢管上，为了模袋铺放就位准确，卷模袋要从模袋的内、外坡脚端向坡顶卷起。

5.2.2 混凝土配合比设计

混凝土设计强度为C20，坍落度控制在180～220 mm。根据模袋混凝土水泥浆量大、砂率大、石子粒径小等要求[5]，设计出的生态复合模袋混凝土配合比见表1。水灰比为50%，砂率为44%。

表1 生态复合模袋混凝土配合比

5.2.3 充灌混凝土

1)充灌前应用水冲湿模袋,以防止模袋吸水引起混凝土坍落度变小从而影响混凝土的流动性。充灌前泵管与灌口间要扎牢，输送导管末段用10 m长的软管(即高压弹簧管)，插入模袋进料口，并用铁丝扎牢，软管拐弯角度不大于70°，充灌顺序先上游后下游，先深水后浅水，浇筑好的进料口用铁丝扎牢。

2)充灌压力控制和疏导。灌注速度控制在8～12 m3/h，出口压力为0.2～0.3 MPa。充灌混凝土应遵循“三先原则”，即先下后上、先左右后中间、先标准断面后异形断面，以防止模袋在充灌过程中产生偏移。充灌时，应掌握混凝土充灌压力，当混凝土压力持续上升时应适当降低泵充速度；当模袋内混凝土流动受阻时，可用脚踩踏疏导。如果灌口处混凝土压力很高，或上升速度很快，应停止充灌。按下列不同情况分别处理：如果在灌口处发生阻塞，可拆走泵管，将阻塞的石子或混凝土掏出，或将阻塞物捣散、疏通，然后继续充灌；由于充灌路途中长时间的停歇，先充灌的混凝土在灌口周围流动性不足，这时可用脚踏出一条凹槽通道，改用砂浆充灌，若模袋已被堵死，可在未充满部位再开一个灌口进行充灌。

3)充灌混凝土采取自下而上逐口、逐仓充灌的顺序，每排充灌时从模袋搭接的一侧向另一侧逐口充灌，即几条模袋交替充灌，这样的顺序便于掌握模袋坡肩位置、减小模袋承受的压力以及避免模袋横向收缩造成侧向位移，从而保证拼缝严密。充灌时操作人员应把稳充灌袖口,并不断踩塌充实，气体要充分排出，使充灌中的模袋混凝土紧贴坡面。

4)充灌饱满后，暂停10 min，待模袋填料中水分、空气析出后，再稍充些填料，这样就能充填饱满，而且使充灌后的混凝土强度大于相同强度等级的常规方法浇筑的混凝土。充满结束后，用绳将充灌袖口系紧，防止混凝土外溢，待混凝土稍微凝固，用人工将袖口混凝土掏出，即将灌布套内混凝土清除，将布套塞进灌口并缝合灌口，然后将模袋表面冲洗干净[6-8]。

5.2.4 植被施工和养护

待模袋混凝土达到一定强度后，剪开模袋框格，在框格处放置厚度10 cm左右的营养土。播种适合当地环境的植物，并用土工植物覆盖。做好排水设施的施工。

5.3 施工注意事项

1)施工前将设计图纸和施工组织设计与铁路各部门复核，检查设计孔位处有无影响施工和安全的障碍物。

2)施工作业前会同车站做好防护工作，防护人员需提前接受严格培训并通过铁路安全防护员考试。

3)对地下未知电缆先进行地质雷达检测，然后人工开挖排缆，确保电缆安全。电缆挖出后进行专门保护。

4)螺旋钢桩施工时，电动马达装置离接触网需有一定安全距离，且必须在天窗点接触网断电情况下施工作业。

5)施工过程中每30 min观测1次路基面和接触网变形，若发现路基面观测点变化超过2 mm或接触网支柱发生变形，立即停止施工，通知铁路负责人员采取相应措施。

6 沉降观测

6.1 路基加固段沉降观测

巴准铁路属于运煤专用重载铁路，对路基工后沉降的要求：一般地段工后沉降不应大于20 cm，路桥过渡段工后沉降不应大于10 cm，沉降速率均不大于5 cm/年[9]。

沉降观测桩布置在加固段路肩边缘，每2.7 m 布置1个测点，观测周期和频率见表2。

表2 路基加固段沉降观测频率

6.2 边坡加固观测

在边坡施工过程中，只有对边坡支护结构进行全面、系统的监测，才能保证边坡工程的安全性以及工程的顺利进行。根据既有设计，将对如下内容进行监测：边坡表面位移变形、边坡深层位移变形、螺旋钢桩轴力、螺旋钢桩变形、边坡临近既有铁路路基变形、地下水位、边坡表层含水率等。监测频率见表3。

表3 边坡加固监测频率

7 加固效果

螺旋钢桩对路基加固完成后，分别采用灌砂法、地基系数检测仪和动态变形模量测试仪检测路基压实度、地基系数K30及动态变形模量Evd[10-12]。根据加固后试验检测结果，采用螺旋钢桩加固后路基压实度满足设计要求，K30和Evd较加固前提高了40%左右。对边坡变形持续观测，边坡处于稳定状态。

8 结语

针对现有的既有铁路路基和边坡加固技术的不足，提出了采用拼接式螺旋钢桩快速加固铁路路基和边坡新技术。以巴准铁路为案例介绍了拼接式螺旋钢桩从设计、施工到监测的全部流程，为后续类似工程治理提供参考。采用螺旋钢桩加固后路基压实度满足设计要求，K30和Evd较加固前提高了40%左右。对边坡变形持续观测，边坡处于稳定状态。拼接式螺旋钢桩在该工程中的成功应用，说明了该技术可以快速、安全、高效地加固既有路基和边坡，值得推广。