CFG桩施工法

振动沉管CFG桩“桩—网”结构

加固处理深层软土地基施工工法

工法编号：RJGF(闽)—17—2008

完成单位：中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司

主要完成人：郑军锋 钱寅星 蔡履沐 黄玉仁 陶秉环

1  前言

1.0.1  在全国首批建设的高速铁路—东南沿海新建速度为200km/h的客货共线铁路中，由于新建客货共线铁路荷载大、运行速度高，故对路基的平顺性、工后沉降提出了很高要求，在温福铁路10～25m深层软土地基处理中，依据现行的处理方法已无法满足地基承载力和工后沉降的要求，铁道部和铁道第四勘察设计院决定在温福铁路首次采用CFG桩“桩—网”结构加固处理10～25m深层软土地基。

1.0.2  中铁二十四局集团福建铁路建设有限公司根据设计要求在施工中借鉴和总结现有的软土地基处理方法，总结出一套CFG桩“桩—网”结构加固处理10～25m深层软土地基工法。

1.0.3  本工法在2005年温福铁路试验段加固深层软土地基中首次应用，随后2006年分别在温福Ⅱ标霞浦车站和甬台温铁路工程建设中得到进一步推广和完善。处理后地基的承载力及最大沉降量均满足设计要求。

2  工法特点

2.0.1  本工法对200km/h客货共线铁路路基下卧深层软土地基提供了一种有效的处理方法。

2.0.2  本工法通过实施形成“桩—网”结构，使路基荷载通过“桩—网”结构传至下卧土层，其中褥垫层为柔性垫层，有利于调整桩间相对变形，满足地基承载力和工后沉降控制要求。

2.0.3  工艺流程清楚，设备简单，操作方便，工期能够得到保证。

2.0.4　施工造价低，施工安全、质量易于控制。

3  适用范围

本工法适用于公路、铁路路基持力层深度为10～25m的深层软土地基深的处理。

4  工艺原理

  CFG桩是水泥粉煤灰碎石桩的简称(即cement flying-ash gravel pile)。用CFG桩处理深层软土地的原理是：由水泥、粉煤灰、碎石、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强度桩，并与桩顶上铺设一定厚度的褥垫层（碎石、砂和双向土工格栅）形成“桩—网”结构，使上部荷载均匀地传递到下卧层形成复合地基，以满足地基承载力要求，有效控制工后沉降。“桩—网”结构如图4所示。

图4　CFG桩“桩—网”结构原理示意图

1  CFG桩  2  褥垫层  3  土工格栅　4　碎石垫层

5　中粗砂垫层　6　土工格栅　7　中粗砂垫层　8　碎石垫层

5  施工工艺流程及操作要点

5.1  施工工艺流程

CFG桩“桩—网”结构加固软土地基施工工艺流程见图5.1。

图5.1  CFG桩“桩—网”结构加固软土地基施工工艺流程图

5.2  操作要点

5.2.1  施工准备

1  作业条件

1）施工场地达到“三通一平”，在路基打桩区域及两侧3米范围内铺设0.6～1.0m厚粒径不大于30cm的碎石工作垫层。

2）打桩作业场地周围应设置排水沟。施工范围内的地上、地下障碍物、管线等应清理或改移完毕。

2  技术准备

1）根据设计桩长，确定桩机的机架高度和沉管的有效长度，桩机的机架高度和沉管的有效长度在配置时应比设计桩长高出6～8米。

2）在试桩前应对已配重桩机沉管处的抬架支撑反力进行计算和标定，要求不小于单桩设计承载力的2倍。

3）在桩机机架上画出以米为单位的长度标记，用于沉管时观察、记录入土深度。

4）编制CFG桩施工方案（包括区域划分、对每一根桩进行编号、确定桩顶标高和打桩顺序），经审批后对操作人员进行技术交底。

5）通过试桩确定桩机配重、提管速度、保护桩长、混合料坍落度等施工参数和终孔条件。试桩不少于3根。

6）测放桩位并做好标识。

7）对CFG桩的材料进行复试、试配。

5.2.2  CFG桩施工

1  桩机组装：根据设计桩长、沉管入土深度确定机架高度、沉管长度，根据试桩确定的配重进行设备组装。

2　桩尖的预制与埋设：由于桩尖外形特殊，一般采用钢模结合地模进行预制。桩尖的锥体部分采用地模，柱体部分外露采用钢模，以便桩尖脱膜时地模免受破坏。为提高桩尖预制进度，一般要在桩尖混凝土内掺入早强剂。当桩尖达到设计强度后，方可采取小型挖掘机配合人工按技术放样位置进行埋设。桩尖应埋入地表下300mm左右，平面位置偏差控制在50mm之内。

3  桩机就位：桩机就位必须平整、稳固。待桩机就位后，调整沉管与地面垂直，确保垂直度偏差不大于1％。

4  沉管：桩机就位后，扣准埋设好的预制桩尖开始沉管，沉管过程中注意调整桩机的稳定，严禁倾斜和错位。待沉管至设计标高并抬架时应开动马达，原地留振不小于10s，以确保桩尖进入持力层不小于桩径的1.5倍。沉管过程中做好记录。

5  混合料搅拌：为控制成桩后桩顶浮浆厚度不超过200mm，混合料的坍落度应控制在30～50mm之内。混合料应严格计量，强制搅拌，每盘混合料的搅拌时间不得小于1分钟。在混合料中掺入早强剂使混合料达到设计强度的时间小于7天。

6  投料：终孔后须尽快用料斗进行连续投料，直到管内混合料面与钢管料口平齐，如上料量不够，须在拔管过程中尽早补充投料，以保证成桩桩顶标高满足设计要求。

7  拔管：第一次投料完后即可进行拔管，拔管时速度一般控制在0.8～1.0 m/min，边振动边拔管，拔管速度保持均匀一致，在拔管过程中不允许反插。

8  封顶：当桩管拔出地面，确认该CFG桩符合设计要求后，其上部可用粒状材料或粘土进行封顶并做好标记。此时应注意，封顶的顶面标高应加上30～50cm保护桩长的高度。

5.2.3  CFG桩工后处理

1  砍桩头：桩身达到龄期后，在确定桩顶标高施工扩大桩头前，应先凿除桩体保护桩长至扩大桩头底部标高。砍桩头前桩周工作垫层碎石土为避免机械扰动造成断桩宜采用人工进行开挖。砍桩头可采用风镐自上而下凿除混凝土至指定标高，也可用錾子对称截桩至指定标高。

2  接桩：当CFG桩在凿除浮浆后或由于1.5m以内的浅部断桩造成桩体顶面标高低于设计桩头底面标高时，应采用强度高出桩身一级的混合料进行接桩。接桩部分的桩径应比设计桩径大20cm，与既有桩体的咬结长度不小于20cm，如图5.2.3。

3　桩顶标高即CFG桩扩大桩头顶面标高应在一个区段或若干个区段的CFG桩全部施工完毕后，根据现有工作垫层的平均标高、桥涵等构筑物重新分批确定，同一批CFG桩的桩顶标高应一致，不宜形成横坡或纵坡。

图5.2.3   CFG桩接长示意图

1  接桩混凝土  2  CFG桩身  3  设计桩顶标高

5.2.4  褥垫层施工

1  褥垫层施工工艺流程：铺设碎石—铺设中粗砂—铺设双向土工格栅—铺设中粗砂—铺设碎石—夯实。

2  铺设褥垫层应在桩帽混凝土强度达到设计强度，经检验符合设计要求后进行，褥垫层厚度应符合设计要求，采用的级配碎石，粒径不得大于规范要求，填土前碾压采用小型打夯机进行压实，褥垫层的摊铺厚度应确保压实厚度不小于设计厚度。

3　土工格栅采用16#小铁丝绑扎搭接，横幅之间搭接宽度0.2m，纵向搭接宽度2.0m。

4  铺土工格栅前先人工整平，铺设时理顺、拉直、绷紧，不得有褶皱和破损。

6  材料与设备

6.1  材料要求

本工法所需材料如表6.1所示：

表6.1  材料表

序号	名称	规格	技术指标
1	普通硅酸盐水泥
2	粉煤灰	Ⅱ级或Ⅱ级以上
3	碎石	20～40mm级配	含泥量不大于3%
4	石屑	粒径2.5～20mm	含泥量不大于5%
5	褥垫层碎石	粒径不大于3cm
6	土工格栅		抗击拉大于80KN/m；延伸率不大于15%

6.2  设备要求

表6.2-1  机具设备表

序号	设备名称	设备型号	单位	数量	用途
1	静压夯扩桩机	DZK-50Y	台	1	CFG桩施工
2	搅拌机	J350	台	1	混合料搅拌
3	电焊机	BK1400F-2	台	1	接桩
4	挖掘机	WY60	台	1	CFG桩施工
5	冲击夯机	CV800R	台	3	褥垫层施工

  ZJK系列静压夯扩桩机配备D40型和BDH-15型桩锤，锤头重量分别为9.25t和10t。施工时应按设计要求选择适用的桩锤。DZK动锤和穿心锤的主要技术参数见表6.2-2。

表6.2-2  DZK动锤和穿心锤的主要技术参数表　　                                       　

型号			DZK-40Y			DZK-50Y		DZK-60Y
技术参数			振动锤		落锤	振动锤	落锤	振动锤	落锤
静偏心力距    NM			206.6			239.6		343
偏心块轴转速  rpm			960			960		960
静振力        KN			212.8			246.9		343
空载振幅      mm			5.5			6.0		6.0
重量          kg			5000		2000	5300	2500	5300	3000
落锤高压      m					4		4		4
冲击能量      KN.m					78.4		117.6		117.6
允许拔柱力   KN(tf)			490(50)			800(80)		800(80)
电机功率      KW			18.5×2			22×2		30×2
电 源	100m内	KVA	125			150		200
	200m内	KVA	150			200		250

7  质量控制

7.0.1　施工时应认真执行以下规范、标准：

　　1　《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）

　　2　《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》（铁建设[2005]160号）

　　3　《客运专线铁路路基工程施工技术指南》（TZ212）

　　4　《铁路混凝土工程施工技术指南》（TZ210）

　　5　《普通混凝土用碎石或卵石质量标准检验方法》（JGJ53）

7.0.2  严格按确定的桩机配重、混凝土、塌落度、保护桩长、终孔条件、拔管速度等工艺参数组织施工。

7.0.3  褥垫层中的碎石和砂垫层中不得含有尖石、树根等杂物。

7.0.4  做好检测和测试工作：

　　1　振动沉管施工过程中每台班或每100m3混合料要每至少一组试件。

　　2　桩身强度达到设计要求砍完桩头后进行小应变和静载检测，小应变的抽样率为10%，静载试验的频率为1‰。

　　3　由于CFG桩中可能存在Ⅲ类桩和断桩，在砍桩后可适当选取一定比例的桩进行取芯检测，以进一步检查桩身完整性。

7.0.5  由于采用满堂布桩且间距较小，一般采取隔排连打的施打工序，隔排跳打的时间不小于7天，从路基中间向路两侧推进施工。

7.0.6  终孔的判定根据设计要求，可采用抬架留振和设计标高两种方法：

　　1　抬架留振法：即不管桩是否沉到设计标高只要桩机抬架并留振10s不再下沉就可终孔，当沉至设计标高还未抬架时须继续往下沉管直至抬架。

　　2　当设计明确桩的孔桩标准为沉至设计标高不管持力层情况时可采用此法，此时要准备测定地面标高以便控制。

7.0.7  在施工中应按以下要求控制有效桩径：

　　1　严格控制拔管速度；

　　2　严格控制混合料坍落度；

　　3　合理安排施工顺序。

7.0.8　对于出现的断桩可按部位不同，采用以下处理方法：

　　1　对于1.5m以内的浅层断桩可采用砍除后接桩的办法，大于1.5m深度开挖会造成邻桩剪断；

　　2　对于大于1.5m深的断桩可采用“跑桩”的办法进行处理。跑桩即为将桩机配至2倍设计单桩承载力后依次对深层断桩进行一遍压桩。

8  安全措施

8.0.1  在施工过程中要严格遵循《铁路工程施工安全技术规程》（TB10401.1、TB10401.2）。

8.0.2　施工过程应特别注意以下安全事项：

1  高空作业必须佩带安全带。

2  施工现场的所有电源、电路、电器的设置、安装必须遵守《施工现场临时用电安全技术规范》（JGJ46）的规定。

3  打桩机操作人员、专业电工、电焊工必须持证上岗，并严格遵守安全技术操作规程。

4　移机过程中要保持桩机垂直，预防倒塌。

5　遇到台风天气时要对桩机进行加固。

9  环保措施

9.0.1  噪声控制

1  严格执行《建筑施工场界噪声限值》（GB12523），控制和降低施工机械和运输车辆造成的噪声污染。

2  合理安排作业时间，尽可能将打桩作业安排在白天施工，避免夜间施工，使施工噪声对周围环境影响减少到最低程度。

9.0.2  振动控制

采用振动较小的静压力桩机进行打桩施工，可以有效的减少施工中的振动，避免振动对周围建筑物的影响和破坏。

9.0.3  粉尘控制

    在施工过程中，对易产生粉尘、扬尘的作业面制定操作规程并适当进行洒水降尘，保持湿度，控制扬尘；对容易引起粉尘的细料或松散料用帆布、盖套等覆盖。

9.0.4  废水排放控制

废水排放严格按照各项排放标准执行，保证工地排水和废水处理设施在整个施工过程的有效性，做到现场无积水、排水不外溢、不堵塞，施工废水不直接排放。

10  效益分析

10.0.1  经济效益

1  CFG桩对10～25m深层软土地基进行处理相对桥梁方案，施工安全可靠，操作简便易行，施工造价低廉，能够满足地基沉降的设计要求，具有很好的经济效益和推广价值。

2  由于速度为200km/h的客货共线铁路对地基提出了高要求，而东南沿海软土地基的特点，对10～25m深层软土地基只能采用CFG桩“桩—网”结构加固或桥梁方案，下面就这两种方案以软基深20m、路基宽30m、线路长100m为例进行经济比较，如表10.0.1-1、表10.0.1-2所示：

表10.0.1-1　CFG“桩—网”结构加固造价分析表

序号	项目	数量	单价	造价
1	CFG桩（含桩帽）	20120米	23.1元/米	4772元
2	砂垫层	300立方米	41元/立方米	12300元
3	碎石垫层	900立方米	66.3元/立方米	59670元
4	土工格栅	3400平方米	26.33元/平方米	522元
5	夯填土	5570立方米	4.08元/立方米	22726元
6	级配碎石	3370立方米	66.41元/立方米	223802元
7	合计			872792元
平均每线路延长米8728元

表10.0.1-2　桥梁方案造价分析表

序号	项目	数量	单价	造价
1	φ1250mm钻孔桩	1280米	1104.37元/米	1413594元
2	承台	850立方米	338.51元/立方米	287734元
3	墩（台）身	1205立方米	547.31元/立方米	659509元
4	梁片	3孔	750000元/孔	2250000元
5	桥面系	200延长米	1246.42元/延长米	249284元
6	合计			4860121元
平均每线路延长米48601元

由上两表可见采用CFG桩“桩—网”结构加固处理深层软土地基每延长米路基可节约投资39873元。

10.0.2  环保、节能效益  

CFG桩采用振动沉管桩机进行打桩施工，施工设备投入少，进出场运输方便，淤泥等建筑垃圾产生量少。

10.0.3  社会效益

应用CFG桩对深层软土地基进行处理，在高速铁路路基施工中尚属首次，它的成功实施为在我国沿海海积滩涂—溺谷相沉积的软土地段修筑200km/h客货共线铁路提供了可行经验，为温福铁路全线对10～25m深层软土地基中进行CFG桩的施工提供借鉴。

11  应用实例

本工法综合总结了东南沿海200km/h客货共线铁路软基处理经验，已成功应用于温福铁路福建段软土地基试验段工程（连江段）、温福Ⅱ标霞浦车站、甬台温Ⅱ标等工程中，工程质量满足预定要求。现以温福铁路福建段软土地基试验段工程（连江段）为实例。

11.0.1  工程概况

温福铁路福建段软土地基试验段工程（连江段）位于福建省福州市连江县境内，施工里程为DK275+000～DK275+400。该试验段中DK275+000～DK275+090地基厚度为10～25米的软土地基，设计采用CFG桩“桩—网”结构加固，设计桩径为φ500mm，路肩范围内桩间距为1.6m，路肩外为1.8m，桩顶设0.4m厚的褥垫层，CFG桩共1013根，计 24132延长米，CFG桩“桩—网”结构加固软土地基施工时间为2005年3月20日至2005年8月10日。

11.0.2  施工过程

    按设计要求采用两台振动沉管桩机。施工劳力按一班组织，两台桩机混合料采用统一搅拌供应，桩机配重为65吨，施工时先纵向打最中间一排桩，然后往两侧跳排移机，同排施工时连续施工，每根桩打至持力层时经专职质检员检查并作详细记录后再进行投料，投料时尽可能一次投足，如因管长原因一次无法投足时在沉管后应尽快投足。整区段CFG桩施工完桩身混合料强度达到设计强度后进行开挖砍桩，并进行小应变检查，对浅层断桩进行接桩，对深层断桩进行跑桩处理，最后进行静载试验。桩帽施工完成且养护完成后进行褥垫层施工，铺设完底层碎石和砂层后铺设双向土工格栅，路基两侧土工格栅各回折2.0m，然后再铺设上层碎石和砂层，完成后用内燃冲击夯机进行打夯。

11.0.3  工程监测及应用效果

1  CFG桩小应变检测结果：小应变检测136根，其中Ⅰ类桩50根，Ⅱ类桩62根，Ⅲ类桩24根。

2  Ⅲ类桩处理方法：对1.5m内的浅层断桩采用接桩，对大于1.5m的深层断桩采用跑桩处理。经检测，处理后承载力均能达到要求。

3　静载试验15根全部合格。

4　本段软土地基设两个断面观没断面，每个断面在桩顶和桩间土各设2个观测点，路基填筑完成后12个月观测结果如表11.0.3-1所示：

表11.0.3-1  各观测点的沉降值

	1#点	2#点（桩间土）	3#点	4#点（桩间土）
第一断面	45mm	67mm	42mm	61mm
第二断面	37mm	72mm	49mm	55mm

桩顶与桩间土的沉降值如表11.0.3-2所示：

表11.0.3-2  桩顶与桩间土的沉降值

	最小沉降值	最大沉降值	沉降差
桩顶	37mm	49mm	12mm
桩间土	55mm	72mm	17mm

由以上小应变、静载检测结果和观测结果可知振动动沉管CFG桩“桩—网”结构加固10～25m深层软土地基取得了成功。