一种可膨胀性灌注装置及其治理铁路路基沉降变形的方法

摘要

本发明涉及铁路路基维护领域，尤其涉及一种可膨胀性灌注装置及其治理铁路路基沉降变形的方法，装置结构包括灌注桩芯(1)、容纳袋(2)和注浆管(11)，所述注浆管(11)通过套接螺母(4)连接在所述灌注桩芯(1)的上端，所述容纳袋(2)通过收缩封口圈(3)套接在所述灌注桩芯(1)的下端，所述注浆管(11)和路基(10)想接触处的一段设置有膨胀圈(12)。本发明利用框架结构支撑原理与桩式结构原理，配合高压注入可膨胀泡沫及其注浆设备与监测设备，对病害路基进行精确抬升，精确度可达±1mm，而且材料利用率高，对于治理地基下的大型空洞或地下暗河仍非常有效；对路基结构破坏小，施工快捷。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路路基维护领域，尤其涉及一种可膨胀性灌注装置及其治理铁路路基 沉降变形的方法。

背景技术

我国幅员辽阔，铁路经过的地形比较复杂，路基作为铁路的重要组成部分，是承受 轨道结构重量和列车荷载及各种附加力的基础，也是线路工程中最薄弱最不稳定的环 节，路基几何尺寸的不平顺自然会引起轨道的几何不平顺。为了确保列车安全、平稳运 行，路基必须具有高强度、刚度大、稳定性、耐久性、不易变形等优良特性，因此，作 为承载高速铁路的基础——路基的设计受到越来越广泛的重视。而在一般情况下，多数 路段地基的强度与稳定性的控制难度都不大，给工程带来的主要难题是沉降变形及其各 种治理措施产生的固结问题，因而路基沉降变形问题是铁路设计中所要考虑的主要控制 因素。随着我国既有线大面积提速改造及快速铁路、高速铁路的修建，频繁出现的路基 沉降变形问题变得亟待解决。

从以往治理路基沉降变形的案例可见，国内外用于减缓和治理地基工后沉降变形的 传统方法主要有垫层法、强夯法、孔内深层强夯挤密法、塑料排水板超载预压或真空预 压法、动力排水固结法、水泥喷粉桩、水泥搅拌桩、碎石桩、挤密砂桩、水泥粉煤灰碎 石桩(CFG桩)和钢筋混凝土桩网结构和桩板结构等。然而，由于高速铁路对轨道平顺 性要求的不断提高，天窗的不断缩短，这些方法存在的缺陷变得日益突出，比如，垫层 法换填的厚度越大，造价越高，且不适合处理软土层较厚、埋深较大的地基，地下水位 高、易渗水路段抽排水费用高；强夯法产生的震动与噪音较大，对土方含水量较敏感， 含水量较高时，锤击后易形成橡皮土，要求的施工场地较大，重锤若接触砖块或混凝土 块易造成人员伤亡；塑料排水板预压法的工期长，工序要求高，预压较大会显著增加造 价，难以解决地基次固结沉降；动力排水固结法的处理深度一般小于10米，工序复杂， 对降水、排水系统要求较高，不能独立处理水塘路段，受周边环境影响较大；水泥喷粉 桩的加固深度小于18米，不适合处理有机质含量、塑性指数较大的土壤，造价较高； 水泥搅拌桩处理后的地基均匀性难以控制，这一方面是由于施工工艺无法保证现场搅拌 得比较均匀，另一方面是由于桩身强度沿轴线方向不均匀，而且处理复合地基后的沉降 量较大；碎石桩的加固深度一般小于25米，造价昂贵，难以在十字板剪切强度很低的 淤泥质土上成桩，桩径较难控制，承载力提高幅度较小，工后沉降难以控制；挤密砂桩 的加固深度一般小于20米，处理淤泥质地基需结合堆载预压，且需控制好置换率，不 适合高承载力要求地基；CFG桩造价较高，不适合处理淤泥质地基；钢筋混凝土桩网结 构和桩板结构工序复杂，造价相对复合地基较高。而且，这些方法中的大部分都不适合 处理无砟轨道的路基沉降变形，这是由于无砟轨道受自身调整能力的限制，对线下工程 的沉降变形提出了更严格的要求。

目前，国内已出现适用于对无砟轨道道床下沉进行抬升的系统与方法，具体内容可 参见申请号分别为“201310027717.0”与“201320039996.8”的两项专利，然而，该系 统与方法仅仅适用于抬升无砟轨道道床，进行轨道板下注浆抬升，不能处理深层地基的 缺陷，因而只能在有限的时间内缓解地基沉降变形。而且，在注浆过程中容易产生大量 的材料流失，增加施工成本。如果地基下存在较大空洞或地下暗河，会造成无法抬升或 抬升效果不明显，由于深层地基问题并没有得到根本解决，施工后一段时间后沉降仍会 发生，需要多次治理。而且抬升精度较低，最低只能达到3到5mm左右，离高铁地基治 理控制精度要求的小于1mm相差甚远。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可膨胀性灌注装置及其治理铁路路基沉降变形的方法， 解决目前对铁路路基沉降变形的治理方法无法对深层地基进行治理，而且控制精度差， 也容易受地下环境影响而导致治理效果差、治理效果不持久的问题。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种可膨胀性灌注装置，包括灌注桩芯、容纳袋、收缩封口圈和套接螺母，所述容 纳袋通过收缩封口圈牢固套接在所述灌注桩芯的下端，所述套接螺母设置在灌注桩芯的 上端，用于连接注浆管。

更进一步的技术方案是，所述灌注桩芯套接所述容纳袋后膨胀前的直径在1～10cm， 膨胀后的直径在1～200cm。

更进一步的技术方案是，所述容纳袋是高强度编织袋或薄膜。

一种治理铁路路基沉降变形的方法，包括以下步骤：

步骤一，根据空洞各处在竖直方向上的高度选择不同长度的可膨胀性灌注装置，所 述可膨胀性灌注装置包括灌注桩芯、容纳袋、收缩封口圈和套接螺母，所述容纳袋通过 收缩封口圈牢固套接在所述灌注桩芯的下端，所述套接螺母设置在灌注桩芯的上端；

步骤二，在下沉路基上钻设一个或多个直达空洞的注入孔，将装配有膨胀圈的注浆 管通过套接螺母和灌注桩芯的上端相连接，根据预定深度对浆管进行拼接加长，保证容 纳袋在空洞中膨胀后可以到达预定深度；

步骤三，由外部储浆装置将注入材料从注浆管进行注浆，并由注浆管引导至注入孔 下的灌注桩芯内部，注入材料为经过混合的两个组份，它们在注浆管和灌注桩芯内部流 动时不会发生反应，在注入到容纳袋里面以后，由于与周围环境接触后温度迅速降低， 则迅速发生反应并开始膨胀，由于注入材料发泡前密度小，粘度低，不含颗粒状物质， 渗透力强，可以在地下快速扩散并与容纳袋紧密贴合。

步骤四，控制注浆采用间歇、递减的注浆方式，待注入材料完成初步的膨胀、固化 以后，根据抬升的高度来判断是否继续注入以及下一次的注入量，当抬升高度逐渐接近 预定目标时，逐渐减小注胶流量、延长操作间隔的时间，待注入材料完全膨胀、固化以 后，再根据监测装置得到的数据确定路基上各个位置的抬升量，判断是否继续注入以及 合适的注入量，在注浆、停顿、监测、再注浆这样反复的操作中逐渐将沉降变形的路基 平稳、准确地抬升到预设位置，抬升精度小于±1mm，完成治理。

更进一步的技术方案是，注浆时的流体工作压力在1-30Mpa，可使注入材料迅速分 散、渗透到病害处。

更进一步的技术方案是，所述注入孔的直径在1～10cm，基本不破坏混凝土地基或 铁路路基的钢筋承力结构，施工快速、方便、整洁，工后只需用砂浆填补即可马上恢复 正常通车。

更进一步的技术方案是，在处理地下浅层或深层、没有地下暗道的小型空洞时，还 可拿掉注浆管芯外面的编织袋部分，直接使用注浆管进行注浆抬升，高压注射的泡沫就 可以往周围任何缝隙或缺陷处扩散，最远可以到达10米以上。泡沫膨胀后从而和周围土 石形成复合材料结构，起到地下缺陷填补、土基改良、地基固定和抬升的效果。同时， 还可以先在地下形成膨胀桩来支撑，再在其周边直接插管注射泡沫来进行土质改良，在 桩的上面注射泡沫来抬升。将这几种使用方法结合起来，可以处理非常多而复杂的地基 问题。而且由于控制手段多，抬升精度非常高。可以满足高铁需要的精度小于1mm的要 求。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明利用框架结构支撑原理与桩式结 构原理，配合高压注入可膨胀泡沫及其注浆设备与监测设备，对病害路基进行精确抬升， 精确度可达±1mm，而且材料利用率高；同时，所述可膨胀性灌注桩既可单独使用，又 可与普通的注浆管套接在一起协同使用，进一步增加了其应用范围与灵活性。对路基结 构破坏小，施工快捷，可以有效治理各种深度、各种类型的路基沉降变形问题。

附图说明

图1是本发明一种可膨胀性灌注装置的结构示意图。

图2是本发明一种可膨胀性灌注装置在注浆前的使用状态示意图。

图3-6是本发明一种可膨胀性灌注装置在注浆过程的状态示意图。

图7-图9是本发明针对小型、中型、大型空洞时的治理方法示意图。

图10示出了本发明针对地下大型并且有很多暗道的空洞的治理方式示意图。

图11示出了本发明针对地下大型且高度不一的空洞的治理方式示意图。

图中：1-灌注桩芯，2-容纳袋，3-收缩封口圈，4-套接螺母，5-注入材料，6-土 壤，7-小型空洞，8-中性空洞，9-大型空洞，10-路基，11-注浆管，12-膨胀圈，13-地 下暗道，14-注入孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发 明，并不用于限定本发明。

图1-图6示出了本发明一种可膨胀性灌注装置的一个实施例：一种可膨胀性灌注装 置，包括灌注桩芯1、容纳袋2、收缩封口圈3和套接螺母4，所述容纳袋2通过收缩封口 圈3牢固套接在所述灌注桩芯1的下端，所述套接螺母4设置在灌注桩芯1的上端，用于连 接注浆管11。

根据本发明一种可膨胀性灌注装置的一个优选实施例，所述灌注桩芯1套接所述容 纳袋2后膨胀前的直径在3～5cm，膨胀后的直径在3～100cm。

根据本发明一种可膨胀性灌注装置的另一个优选实施例，所述容纳袋2是高强度编 织袋或薄膜。

图1-图6还示出了本发明一种治理铁路路基沉降变形的方法，包括以下步骤：

步骤一，根据空洞各处在竖直方向上的高度选择不同长度的可膨胀性灌注装置，所 述可膨胀性灌注装置包括灌注桩芯1、容纳袋2、收缩封口圈3和套接螺母4，所述容纳袋 2通过收缩封口圈3牢固套接在所述灌注桩芯1的下端，所述套接螺母4设置在灌注桩芯1 的上端；

步骤二，在下沉路基10上钻设一个或多个直达空洞的注入孔14，将装配有膨胀圈12 的注浆管11通过套接螺母4和灌注桩芯1的上端相连接，根据预定深度对浆管11进行拼接 加长，保证容纳袋2在空洞中膨胀后可以到达预定深度；

步骤三，由外部储浆装置将注入材料5从注浆管11进行注浆，并由注浆管11引导至 注入孔14下的灌注桩芯1内部，注入材料5为经过混合的两个组份，它们在注浆管11和灌 注桩芯1内部流动时不会发生反应，在注入到容纳袋2里面以后，由于与周围环境接触后 温度迅速降低，则迅速发生反应并开始膨胀，由于注入材料发泡前密度小，粘度低，不 含颗粒状物质，渗透力强，可以在地下快速扩散并与容纳袋紧密贴合。

步骤四，控制注浆采用间歇、递减的注浆方式，待注入材料5完成初步的膨胀、固 化以后，根据抬升的高度来判断是否继续注入以及下一次的注入量，当抬升高度逐渐接 近预定目标时，逐渐减小注胶流量、延长操作间隔的时间，待注入材料5完全膨胀、固 化以后，再根据监测装置得到的数据确定路基上各个位置的抬升量，判断是否继续注入 以及合适的注入量，在注浆、停顿、监测、再注浆这样反复的操作中逐渐将沉降变形的 路基平稳、准确地抬升到预设位置，抬升精度小于±1mm，完成治理。

根据本发明一种治理铁路路基沉降变形的方法的一个优选实施例，注浆时的流体工 作压力在1-30Mpa，可使注入材料迅速分散、渗透到病害处。

根据本发明一种治理铁路路基沉降变形的方法的另一个优选实施例，所述注入孔14 的直径在1～10cm。基本不破坏混凝土地基或铁路路基的钢筋承力结构，施工快速、方 便、整洁，工后只需用砂浆填补即可马上恢复正常通车。

图7-图9示出了本发明针对小型、中型、大型空洞时的治理方法，即根据空洞的 大小，均匀的采用多根可膨胀性灌注装置，利用多个容纳袋2进行支撑。其中要注意的 是针对中性和大型空洞的治理时，注浆是多根同时注浆，同时采用间隔停歇和递减的方 式控制注浆量，以便对沉降变形的路基各处进行同步抬升，防止路基整体因受力不均匀 而受到破坏，同时，还可以严格控制抬升量，防止抬升得过多，整个抬升操作过程中都 需要根据监测装置的实时测量结果来确定路基上各个位置的抬升量，以保证路基在各个 位置上都能平稳、准确的抬升到预定位置。

所述空洞可分为小型空洞7、中性空洞8和大型空洞9。

图10示出了本发明针对地下大型并且有很多暗道的空洞的治理方式，路基10下 往往不仅存在地下大型空洞9，还可能存在较多的地下暗道13。如果直接将注射注入材 料5对空洞进行填充与抬升，无疑会造成注入材料5的大量流失与浪费，致使无法抬升 或抬升效果不明显，由于地基稳固性问题并没有得到根本解决，施工后一段时间后沉降 仍会发生，需要多次治理。而本发明可以将注入材料5约束在有限的空间内，并将注入 材料5的膨胀力转化为纵向支撑力，不仅大大减少了注入材料5的流不必要失，大大提 高注入材料5的利用率，显著降低施工成本，而且从根本上加固并抬升地基，不会发生 二次沉降，通过监测装置为抬升操作提供实时数据参数来协助控制注浆量与抬升高度， 精确度小于±1mm。

图11示出了本发明针对地下大型且深度不一的空洞的治理方式，当路基10下除 了存在地下大型空洞9，还存在较多浅层或深层的地下小型空洞7或地下中型空洞8时， 可以先采用可膨胀性灌注桩芯对地下大型空洞9进行抬升、支撑，加固深层地基。然后， 为了更快捷的治理病害，可以将可膨胀性灌注桩芯与注浆管11分开使用，在可膨胀性 灌注桩芯的基础上直接对较小的地下空洞进行注浆，注入材料5在高压下向周围土壤的 缺陷处迅速扩散、渗透，而后发泡膨胀，凭借产生的膨胀力压实周围土壤，进一步抬升 路基，加固地基。整个抬升操作过程中根据监测装置的实时测量结果来协助控制注浆量 与抬升高度，精确度小于±1mm。

本发明针对有多个不同深度的空洞的治理方式，对于仅仅由较小的地下空洞引起 的路基沉降变形，为了更快捷的治理病害，通常将可膨胀性灌注桩芯与注浆管11分开 使用，由于不存在注入材料5的流失问题，因而可以直接通过注浆管注射注入材料5， 利用其液体的高压渗透力快速向周围土壤的缺陷处扩散开来，而后发泡膨胀，利用注浆 的压力和注入材料5发泡过程中的膨胀力压实周围土壤、抬升路基。整个抬升操作过程 中根据监测装置的实时测量结果来协助控制注浆量与抬升高度，精确度小于±1mm。

注浆深度和注射下去的浆料的分布范围是可调的。当注浆管芯外面套有的编织袋 部分时，泡沫膨胀范围被约束在一个狭小的范围内，从而形成基桩，起到支撑作用。在 处理地下浅层或深层、没有地下暗道的小型空洞时，还可拿掉注浆管芯外面的编织袋部 分，直接使用注浆管进行注浆抬升，高压注射的泡沫就可以往周围任何缝隙或缺陷处扩 散，最远可以到达10米以上。泡沫膨胀后从而和周围土石形成复合材料结构，起到地 下缺陷填补、土基改良、地基固定和抬升的效果。同时，还可以先在地下形成膨胀桩来 支撑，再在其周边直接插管注射泡沫来进行土质改良，在桩的上面注射泡沫来抬升。将 这几种使用方法结合起来，可以处理非常多而复杂的地基问题。而且由于控制手段多， 抬升精度非常高。可以满足高铁需要的精度小于1mm的要求。

本发明带来的优点如下：

(1)材料利用率高，对于治理地基下的大型空洞或地下暗河仍非常有效

可以有效治理整体路基下降区间较大处，特别是地下已经形成很大的空洞或形成的 贯穿性很深的地下缺陷区或者是路基底部存在大量水甚至流动水的区域。无论是混凝土 浆或者泡沫浆，都存在大量流失而无法进行有效填充的现象。而可膨胀性灌注桩芯可使 所注入泡沫材料在其内部膨胀并完成固化反应，将注入材料的膨胀力转化为纵向支撑 力，形成直径3～100cm柱体膨胀基桩，对地下空穴位置形成有效支撑与抬升，避免注 浆材料大量流失，而且泡沫桩之间的空隙不需要再次注浆填充，大大减少了材料消耗， 因此，泡沫桩法可有效弥补直接注浆法的不足。并且，由于地下不同位置的地质密度不 同，所形成的泡沫桩是表面为形状不规则的柱体，可以大大增强基桩的摩擦力和支撑力， 比一般的上下直通、表面光滑的混凝土摩擦桩的支撑力要大很多。而且这种桩的比重非 常小，在地下还有正浮力的作用，避免了由于大重量混凝土桩引起的二次下沉问题。此 外，还可以在开口很小的情况下对路基下进行微创打孔、埋桩、固定路基、防止下陷和 地基抬升作业。

(2)对路基结构破坏小，施工快捷

表面开孔小，直径一般2～3cm，最大不到8cm，可以有效回避混凝土结构中的加强 钢筋，从而不破坏混凝土地基或铁路路基的钢筋承力结构的主承力结构。所注射的高压 膨胀泡沫材料可以在几分钟以内固化定型。此方法施工快速、方便、整洁。工后只需要 简单用快强砂浆填补表面开孔即可(正常情况下进行混凝土结构修复需要至少养护1到 2周的养护时间)，可以马上恢复正常通车。所用设备体积较小，无需很大的施工场地， 比如钻机最高不超过3mm，可以在隧道、地铁、甚至建筑物内施工。通常这些地方根本 无法进行混凝土基桩的打桩作业。此外材料消耗少，填补同样体积的地下缺陷所需要的 材料重量只有水泥浆的三十分之一，大大减少了施工材料的准备、搬运等工作量。现场 操作所需人工非常少，甚至2个人的班组就可以完成。

(3)适用于治理各种路基沉降变形情况

通过地质雷达探测路基沉降情况后，可将可膨胀性灌注桩芯与注浆管灵活配合使 用，可以把地下空洞的打桩固定和混凝土板下注射高压可膨胀泡沫抬升的操作结合起 来，从而实现浅层、深层及水下等各类复杂地质情况下的注浆抬升地基全覆盖。该系统 与方法不仅适用于铁路，还适用于地铁、公路、市政、建筑、港湾工程等领域，大大拓 宽了现有泡沫注浆系统的应用范围。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解， 本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本 申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围 内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件 和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。