打开文本图片集
摘要：既有线顶桥路基稳定性是决定顶桥能否顺利进行的关键，也是决定既有线营运安全的关键。对既有线顶桥范围及桥体两侧对路基进行注浆加固已成必然趋势，本论文针对复杂地层路基加固采用偏心潜孔锤跟管钻孔注浆进行阐述。
一、工程概况
本工程在铁路石太下行线k19 483m（石太下行线k19 483，石太ⅲ线k28 434，石太ⅳ线k28 462）处下穿铁路。该里程处线铁路东西走向，四线电气化，主轨为p60轨，钢筋混凝土枕；本桥就位位置位于铁路缓和曲线段，铁路纵坡13‰。采用7-14-7m顶进框架桥结构形式，框架桥中心线与铁路中心线交角86°。本桥高度12m，结构净空高度10.1m，顶进最大顶力为7968.75t，顶程34.23m，本桥是石太客专线最大跨度、净空最高的顶桥。
本桥顶进范围内路基地质情况分为三层。第一层土体为a类料（圆砾土及碎石土），土层厚度为3～6m，土体承载力为150kpa。第二层土体为山皮土，土层厚度为1.2-1.5m，土体承载力为150kpa。第三层土体为新黄土，土体承载力为160kpa，土层厚度为17.6m，框构桥预制位于此地基上。第一层土体稳定性较差，另外顶进前雪灾增大了此段路基含水率，在列车动荷载影响下，极易造成路基塌方。为防止顶桥桥体范围内及桥体两侧路基塌方，北京铁路局要求此段路基进行注浆加固。
二、注浆范围
为保证顶进过程中线路及列车运行安全，防止路基前方塌方及侧塌，拟对框构桥就位位置及东西两侧各10m范围路基进行注浆加固。
三、钻孔注浆方案选择
1、高压旋喷注浆加固法施工
采用mgj-50钻机成孔高压旋喷法进行注浆加固。旋喷法施工是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至地层的预定位置后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，向四周以高速水平喷入土体，借助流体的冲击力切削土层，使喷流射程内土体遭受破坏，与此同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合，胶结硬化后即在地基中形成直径比较均匀，具有一定强度的桩体，从而使地层得到加固。
施工效果评定：高压旋喷钻机穿a类料困难，钻头遇小卵石容易改变钻进方向，遇大卵石无法钻进，采用此种方式钻进深度及钻进方向无法保证。再者钻机钻进过程中，注浆压力达到25-28mpa，易导致铁路线路隆起。钻孔过程中用水量较大，增大了既有路基的含水量，在顶进过程中易形成塌方。此种施工方法不适合本工程。
2、潜孔锤钻孔pvc管注浆施工
风动潜孔锤也称风动冲击器，潜孔锤在空压机的作用下，以压缩空气为动力介质驱动其工作的，对硬岩进行高频率破碎冲击；在气动潜孔锤钻进过程中，高压空气驱动冲击器内的活塞作高频往复运动，并将该运动所产生的动能源源不断的传递到钻头上，使钻头获得一定的冲击功。钻头在该冲击功的作用下，连续的对孔底岩石施行冲击。岩石在该冲击功的作用下，形成碎屑。同时，空压机产生的压缩空气也兼作洗井介质，将潜孔锤破碎的碎屑携出孔内。潜孔锤在卵石层、块石、孤石、中风化和微风化硬岩地层的钻探中，取得了良好的效果，能够较快成孔。风动潜孔锤钻孔工艺是将潜孔锤施工技术与注浆技术结合起来，以解决复杂地层的注浆难题。潜孔锤成孔后抽出钻头，穿入pvc管后封口進行注浆，注浆压力可控制在0.3-0.5mpa之间，大大降低了铁路线路隆起风险。
施工效果评定：潜孔锤在卵石层钻进过程中土质松散，漏风严重，周围有窜风现象，孔口基本不排碴，只偶尔有少量细颗粒碴子排出，底部大颗粒岩屑不能经过孔口排出，只能落到孔底经反复上下钻进时重复破碎成细颗粒，整个造孔过程时间长，且容易造成埋钻事故。潜孔锤在卵石层成孔过程中易对路基卵石层扰动造成塌孔，另外列车对路基的扰动也是塌孔的主要原因。潜孔锤抽出后无法穿入pvc管导致无法注浆。故此种施工方法不适合本工程。
3、偏心潜孔锤跟管钻孔pvc管注浆施工
钻具组成：套管（长度为2米标准节和1米的调整节，接长采用丝扣联结）、管靴、偏心潜孔锤钻头、空心钻杆、拔管器。
钻进采用偏心潜孔钻，其钻孔原理与潜孔钻工作原理基本相同，钻头位置设置偏心装置。套管的跟进是通过潜孔锤连接在套管上的管靴带动套管同步跟进。套管的主要作用是护壁，防止在成孔过程中对岩体扰动掉块，另一个作用是套管直径较钻杆大，刚度较好，防止钻杆弯曲，提高成孔质量。钻孔长度达到设计后，抽出偏心潜孔锤穿入pvc花管后，抽出套管进行注浆。
偏心潜孔锤跟管钻孔施工原理图
施工效果评定：
套管加工为定型产品，可多次重复使用，以减少成本费用。钻孔过程中无塌孔现象，跟管抽出前穿入pvc花管能够保证注浆质量及注浆压力，大大降低了铁路线路隆起风险。跟管钻进能够较好的维持风压、风速，能够将钻孔产生的碎屑及时带出。
经三种施工方案对比采用偏心潜孔锤跟管钻孔pvc管注浆施工，能够提高工作效率，降低施工风险，能够保证既有线运营安全。
四、桥体范围内注浆实施
1、注浆加固原理
注浆法原理通过注浆管把浆液均匀的注入地层中，浆液以填充、渗透和挤密等方式，将土颗粒或卵石缝隙中的水分和空气排除后占据其位置，经一定时间后，浆液将原来松散的土粒或沙石胶结成一个整体，形成一个结构新、强度大的“凝结体”，以达到提高路基土体承载力，降低顶桥过程中路基塌方风险。
2、孔位布置
顶进范围内对路基砂夹卵石层全面注浆，砂夹卵石范围东侧6m，西侧3m范围。排距、孔距为1m，1.5m，孔位采用梅花状布置。钻孔时角度为水平角度，钻深为17m-25m。此注浆面共布设注浆孔89个。
3、成孔
施工前先将作业面清理干净，将md-50锚杆机就位。采用偏心跟管潜孔锤钻具进行钻孔，钻头直径为100mm，钻杆直径60mm，跟管直径为98mm，钻孔直径为100-120mm。用偏心跟管潜孔锤将上层砂夹卵石钻孔待进入土层后，更换钻具用螺旋钻具，钻到位后进行注浆。待成孔后将跟管置换成32mmpvc管，跟管逐段拔出。pvc管每隔20cm钻10mm孔四个并用胶带封闭，防止进入杂物堵塞注浆孔。钻孔首先钻角度小的，后钻角度大的，待一批成孔后注浆。
4、注浆
注浆管就位后，将注浆孔封闭并预留排气孔。待浆液从排气孔内流出时，说明孔内空气已排净，封闭排气孔进行压力注浆。注浆材料采用水泥粉煤灰浆，水灰比为0.3～0.5。注浆采用acf50～150注浆泵整孔静压注浆，压力控制在0.3～0.5mpa范围内。
在设计压力下稳定5-10min即可终止该孔注浆，封堵孔口。若出现串浆（隔孔串浆、地面冒浆）或注浆量达到设计要求但压力无法稳定时，应采取间歇注浆。
水泥浆在送浆前要不停搅拌，防止水泥浆液离析。输浆管道不能发生堵塞，注浆开始或中途停止超过30min时，应用水或稀水泥浆润滑注浆泵及其管路。
5、注浆量监测。
注浆工程技术要求采用双控法鉴定注浆效果，即压力控制与返浆控制。或者能保证试验得出的压力值，或者见到浆液返出可认为该孔注浆完成。注浆过程中，设专人盯控注浆机压力表，发生压力超限时，立即停机。
成孔后孔内有pvc管有效的防止孔内塌方，故可成一批孔后集中注浆，注浆时间安排在白天以便观察线路变化。注浆时先注路基上层孔位，使其形成整体，可减小线路隆起危险。
五、桥体两侧注浆实施
在顶进过程中为防止桥体两侧土体侧塌，须对桥体两侧进行注浆加固。钻孔方式与桥体范围内方式相同，注浆管变为直径48mm钢花管，孔位间距为1m，角度为10-75度，注浆后钢化管不再抽出，相当于在桥体两侧形成钢管水泥帷幕，提高桥体两侧土体承载力，降低侧塌风险。
六、偏心潜孔锤钻孔技术参数分析
偏心潜孔锤钻进工艺的主要参数有两个：风压和风量。该项目所选冲击器的额定风量为10m³/min，随着孔深的增加和孔径的增大，保证孔底岩屑的排出，减少岩粉的重复破碎达到理想的钻进效率，通常要求孔内风量上返速度≥15m/s，此时气流速度大于岩屑悬浮速度。根据跟管直径、钻杆外径、排渣通道上的上返风速等条件，其风量可按下式计算： q=47.1k1k2（d2 -d2 ）v
式中：q———送风量m³/min；
k1———孔深修正系数k1=1～1.1；
k2——— 孔内涌水系k2=1～1.5；
d———跟管直径； 98mm
d———钻杆外径； 60mm
v———上返风速（15～ 25m/s）
根据公式，孔口上返风速为24.7m/s，钻孔深度钻孔修正系数取k1=1.1，孔内涌水系数取k2=1.3；
风压。
偏心潜孔锤属低压潜孔锤，所需风压是0.5～0.7mpa，然而钻进效率的高低是受风压直接影响的，风压越大，其冲击功越大，碎岩效率越高。
经以上计算设备选型满足施工要求。
七、鉆孔注浆施工中的主要技术问题处理
1、钻孔风量不足
应对措施：根据钻孔孔径要求及已选空压机风量，采用潜孔锤跟套管钻进工艺钻孔。跟管钻进能够较好的维持风压、风速，能够将钻孔产生的碎屑及时带出 。经实际应用，潜孔锤跟套管钻进工艺解决了风量不足的问题，钻孔施工过程中获得较理想的效果。
2、岩屑串孔
应对措施：岩屑串孔是由于两桩钻孔间距较小，在高压空气作用下，高压空气通过地层中的孔隙，钻孔与钻孔之间连通，导致高压空气压力降低。在钻孔施工过程中，由于岩屑串孔问题的产生，导致钻孔出口风量小于15m/s，无法达到排屑的目的，而使岩屑通过孔隙进入另一孔内，相邻孔内形成一定厚度的沉渣。经研究分析发现，孔内沉渣对路基注浆影响较小，其原因主要有两方面：
一方面是由于孔内沉渣颗粒较小，结构松散，注浆后对土体承载力影响较小。另一方面注浆后对凝固土体强度要求不高，能够满足列车扰动不塌方即可，凝固体强度过大，造成顶进时土体开挖困难，降低开挖效率，影响要点施工工期。
3、注浆安全保证措施
注浆施工中，设驻站员一名，施工现场设防护员两名，监护人员到场，驻站人员，防护人员到位的情况下方可施工。安全监测工作由有经验的线路工实施。注浆过程中，线路工执行趟检制度并随时观测线路变化。施工中防护人员随时保持联系，报话机出现问题，用手机及时通报，调换报话机，调换报话机由候补人员执行，防护人员坚守岗位，随时用手机沟通。施工员必须及时下达每项工序的施工安全交底单；并向施工人员将安全施工交底内容交待清楚，不断加强各级施工人员的安全业务责任心和提高自我安全防范意识。
八、结语
在既有线顶桥施工中，针对本工程复杂地质情况，创造性的采用偏心潜孔锤跟管钻孔方式解决了在卵石层路基钻孔注浆的难题，并取得了较好效果，缩短了注浆加固要点工期，保证了既有线列车行车安全，保障了列车正常运营，为以后类似工程积累了施工经验。
参考文献：
呼咏、殷琨、张新华，《潜孔锤回转机构研究》，凿岩机械气动工具，2015
金鑫光、郭连红，《空气潜孔锤钻进工艺在基岩钻进中的应用分析》，西部探矿工程，2003
罗会军，《大口径气动潜孔锤下套管法在复杂地层中的应用》，资源环境与工程，2013
楼日新，《复杂地层潜孔锤跟管钻进技术研究》，探矿工程，2007
郑玉辉，潜孔钻跟管钻进技术在小浪底水利观测孔工程的应用