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近年来，随着我国经济的迅猛发展，交通运输需求持续高增长，铁路交通基础设施建设也如火如荼，我国铁路网络不断完善，建设总里程数不断突破新高，可以深刻的感受到铁路交通设施在国家经济、可持续发展战略中的重要地位。铁路施工建设也成为国家一项长期的基础设施发展战略。
今天我们主要谈一下，我国北方地区铁路路基施工中的特殊路基加固措施设计，以及结合现场实际经过设计改良的施工工艺。即螺杆桩桩帽施工设计优化方案。
1、螺杆桩桩帽传统施工
1.1传统截取桩头方法
螺杆桩施工时，实际的桩顶标高必须高出设计桩顶标高至少50cm;且出土量大，桩头附近堆土多，故只能是采用“后截法”处理桩头，即：桩头截取，是在成桩灌注混凝土 28 天后进行，工艺流程如下：
第一步：用人工配合挖掘机清除桩间土，露出已凝固的桩头。
第二步：用切割机在桩头上切出缝隙。
第三步：用钢钎砸入缝隙，将桩头与桩身分离。
1.2传统截取桩头方法的缺点
（1）成桩后桩头高于地面，钻机在进行后续成桩作业时，钻机的履带、液压腿会挤压到已成桩的桩头，容易造成桩头变形、裂缝。
（2）清桩间土时，因为桩头混凝土已凝固，并高出地面 50cm以上;挖掘机在桩头间行走时，履带会不可避免地挤压桩身;挖掘机的斗齿也不可避免地碰撞桩身;故会造成桩身浅部断桩或裂纹。
（3）截取桩头时的方式原始粗暴，容易造成桩头破裂甚至断桩。
（4）成桩时桩头的气泡较多，不易振捣密实，容易使桩头有气孔，质量不佳。
（5）传统方法施工的螺杆桩，在小应变检测时，会有较多的桩头问题及浅
部断桩，这是一个长期以来存在的困挠。
（6）按照传统螺杆桩施工工艺，一般按照挖桩间土、桩头环切、绑扎钢筋、立模浇筑桩帽混凝土、回填桩间土等工序进行施工，工序繁多、人员、机械、模板材料投入巨大且施工效率低下，既不能满足工期需要，又增加了大量的施工成本。
1.3桩头截取工艺流程对比
2、设计优化后的螺杆桩施工
经过大量的实地调查研究，结合现场实际地质情况，以满足受力要求及桩的整体强度的前提下，以提高工效合理降低成本为目的，对螺杆桩施工进行设计优化改良。在保证螺杆桩整体质量的前提下，进行桩帽施工方案优化，减少工序、提高施工效率。
2.1设计优化后螺杆桩桩帽对比
通过设计优化，改良了施工工艺及桩帽的结构尺寸，主要的优化点为截取桩头工艺由传统的“后截法”，优化为“前截法”;桩帽的结构设计，由原来的钢筋混凝土圆柱形，调整为素混凝土倒圆台形。
具体结构如下图：
2.2设计优化后“前截法”螺杆桩施工
2.2.1施工准备
（1）施工前查明地下管线、电力线等设施，配合产权单位进行迁改，同时做好相应的防护措施。
（2）对施工场地进行清表，清除坡脚范围内的垃圾土、腐殖土、种植土等，按照设计要求对施工场地整平至设计桩帽顶标高，并碾压密实。做到水通、路通、电通、场地平整。
（3）施工材料及钻孔施工的各类机械设备准备就绪。
（4）测量人员按照设计桩位图进行桩位放樣，并做好标记。
（5）对施工作业人员进行技术交底、安全岗前培训。
2.2.2成桩工艺性试验
选取地质条件代表性段落进行成桩质量试验。
（1）确定施工参数
①钻机钻进速度、钻杆提升速度、同步和非同步技术参数。混凝土坍落度以及地泵灌注的速度等。
②检验钻杆外径及芯管直径是否满足设计要求，成孔深度能力和成孔终孔的控制电流、每根桩的混凝土用量等。
③确定作业队的人员配合和施工设备是否能够满足施工要求。
（2）确定设计参数
成桩7d内桩身完整性检测符合设计要求。
28d后单桩地基静荷载试验满足设计要求。
2.2.3钻机就位
钻机四个支腿利用液压系统进行调平，钻杆垂直，钻头向下对准桩位，钻机利用机身电脑智能控制垂直度，使用测量仪器复核，垂直度必须满足规范要求。开钻之前由现场技术主管进行检查，桩位偏差及钻杆垂直度满足要求方可开始施工。
2.2.4钻孔参数设置
根据实验结果，不同的地质条件，按照设计施工图，设置孔径、孔深、钻进速度、提钻速度等相关参数。
2.2.5钻进成孔
钻机钻进过程中机身电脑严格控制钻进速度，桩身直线段成孔为钻杆快速旋转钻进即，于地基中形成圆柱状孔型;桩身螺纹段成孔为钻杆慢速旋转钻进，在地基土体中形成螺纹状孔型。钻头到达设计深度，停止钻进。钻孔深度按照钻杆长度进行预先标记控制。
2.2.6混合料的拌合及运输
按照配合比进行混凝土拌制，拌合机电脑控制系统精准计量，由拌合站集中生产，混凝土罐车统一运输，每盘料搅拌时间夏季不应小于60s，冬季不少于90s。混凝土现场施工的坍落度宜控制在180mm～220mm。
2.2.7桩体混凝土灌注
钻头钻至设计标高后，停止钻进，开始泵送混凝土，当钻杆芯管充满混凝土后钻杆开始反向旋转提升钻杆，提钻过程中应严格控制提升速度与旋转速度，使二者匹配，严禁先提管后泵料。成桩的提拔速度宜控制在每分钟2～3m，成桩过程宜连续进行，应避免因后台供料慢而导致停机待料，施工完桩顶标高应高出设计桩顶标高不少于0.2m。灌注达到控制标高后，钻机移位进行下一根桩施工时，采用连续法施工。
2.2.8清除桩顶浮土、浮浆
在桩身混凝土初凝之前，把桩头多余虚桩部分和多余渣土清理干净，使桩顶标高达到设计，同时检查确保桩头混凝土里面无杂物。 2.2.9桩头捣震
桩头清理至设计标高完成后，人工采用插入式振捣器，对桩头混凝土进行振捣，振捣时插入深度不小于1m，确保桩头混凝土密实。
2.2.10桩头保护
桩头振捣密实后，进行压光整平处理。待混凝土初凝，用塑料膜包裹桩头进行保湿养护，采用压土方式对塑料膜进行固定。
2.2.11开挖桩帽
桩身混凝土强度达到设计要求强度的70%后，对桩顶及周围多余渣土进一步清理，人工配合机械，采用桩帽旋挖设备旋挖成模，人工清除土模内的浮土，并检查土模几何尺寸是否满足要求。
2.2.12桩体质量检测
成桩质量检测主要时间节点为7天和28天，成桩7天后进行桩身完整性检测，成桩28天后进行单桩承载力检测。
2.2.13桩帽混凝土浇筑
桩体质量检测合格后，进行桩帽混凝土浇筑。混凝土由拌合站集中拌统一运输至现场，利用汽车泵泵送入模。人工采用便携插入式振捣棒捣固密实。
2.2.14混凝土养生
桩帽混凝土浇筑完成后采用塑料膜覆盖保湿养生。养护时间不得少于14天。等到混凝土强度达到设计要求后方可铺设碎石褥垫层。
3、施工工艺比选
3.1优化后“前截法”桩帽施工的优点
①螺杆桩施工时比设计桩顶高程超灌 20cm 即可，且出土量少，可在混凝土凝固之前人工截取桩头。钻机后续成桩施工时不会对已施工的桩头造成干扰。
②清理桩间弃土时，因桩头不高于地面，故挖掘机不会触碰桩身，最大程度的保护了桩身不受外力的破坏。
③成桩后人工对桩头进行振捣密实处理，有效的保证了桩的质量，多余桩头在混凝土初凝前就进行截取修整，能有效保证桩头凝固后的内外质量及几何尺寸。
④通过桩帽旋挖成模设备，加快了工作进度，提升了工作效率，减少了材料、设备、人员的各项投入。通过旋挖设备的使用，极大的提高了工效，节约了成本，同时由于旋挖设备的特殊结构设计，在土模旋挖过程中还能有效的保护桩头。
因此通过以上的工艺优化改进，螺杆桩施工不仅减少了施工工序，缩短了施工时间，而且在提高效率的同时，桩身、桩头的质量得到有效保证;故在成桩后的桩身质量检测中，I类桩占比远远高于传统施工工艺的成桩占比。
3.2经济社会效益
新工艺减少了桩帽土方外弃量，降低了环境污染，节约了人力资源投入。
除少量人工外（每台设备配备3-4人），投入的设备为桩帽旋挖机，单价为2万元/台，租赁挖掘机费用为4.5万元/台月。单机投入固定费用2万，其余费用为4.5万/月，投资可控。
最主要的是极大提高了施工效率。单机成穴率约为400-500个/台班。
4、结论
通过对“螺杆桩地基处理新工艺技术研究”，相比较传统螺杆桩施工工艺，优化后的“前截法”螺杆桩施工工艺，工序少、效率高、成本低、操作简单。既避免了传统工艺施工中的缺点，保证了成桩质量，有效的发挥了机械化施工的优势，同时在国家大力推崇创新创效的大背景下，在信息化快速发展的新时代，这项新工艺的改良研发，以及推广应用，对螺杆桩施工工艺进一步优化改革起到很大的促进作用，可谓意义深远。
参考文献
[1]吕文涛.螺杆桩自动定位成桩工艺在软基处理中的应用[J].建筑技术开发，2021，48（15）：133-134.
[2]胡晓军，何玉先.浅析螺杆桩在铁路路基工程施工中的应用[J].高速铁路技术，2020，11（04）：100-104.
[3]黃想禄.高速铁路软土地基条件下螺杆桩施工技术[J].价值工程，2018，37（17）：135-136.
[4]赵晓伟. 粉土地区螺杆桩施工挤土效应影响研究[D].河南工业大学，2017.
今天我们主要谈一下，我国北方地区铁路路基施工中的特殊路基加固措施设计，以及结合现场实际经过设计改良的施工工艺。即螺杆桩桩帽施工设计优化方案。
1、螺杆桩桩帽传统施工
1.1传统截取桩头方法
螺杆桩施工时，实际的桩顶标高必须高出设计桩顶标高至少50cm;且出土量大，桩头附近堆土多，故只能是采用“后截法”处理桩头，即：桩头截取，是在成桩灌注混凝土 28 天后进行，工艺流程如下：
第一步：用人工配合挖掘机清除桩间土，露出已凝固的桩头。
第二步：用切割机在桩头上切出缝隙。
第三步：用钢钎砸入缝隙，将桩头与桩身分离。
1.2传统截取桩头方法的缺点
（1）成桩后桩头高于地面，钻机在进行后续成桩作业时，钻机的履带、液压腿会挤压到已成桩的桩头，容易造成桩头变形、裂缝。
（2）清桩间土时，因为桩头混凝土已凝固，并高出地面 50cm以上;挖掘机在桩头间行走时，履带会不可避免地挤压桩身;挖掘机的斗齿也不可避免地碰撞桩身;故会造成桩身浅部断桩或裂纹。
（3）截取桩头时的方式原始粗暴，容易造成桩头破裂甚至断桩。
（4）成桩时桩头的气泡较多，不易振捣密实，容易使桩头有气孔，质量不佳。
（5）传统方法施工的螺杆桩，在小应变检测时，会有较多的桩头问题及浅
部断桩，这是一个长期以来存在的困挠。
（6）按照传统螺杆桩施工工艺，一般按照挖桩间土、桩头环切、绑扎钢筋、立模浇筑桩帽混凝土、回填桩间土等工序进行施工，工序繁多、人员、机械、模板材料投入巨大且施工效率低下，既不能满足工期需要，又增加了大量的施工成本。
1.3桩头截取工艺流程对比
2、设计优化后的螺杆桩施工
经过大量的实地调查研究，结合现场实际地质情况，以满足受力要求及桩的整体强度的前提下，以提高工效合理降低成本为目的，对螺杆桩施工进行设计优化改良。在保证螺杆桩整体质量的前提下，进行桩帽施工方案优化，减少工序、提高施工效率。
2.1设计优化后螺杆桩桩帽对比
通过设计优化，改良了施工工艺及桩帽的结构尺寸，主要的优化点为截取桩头工艺由传统的“后截法”，优化为“前截法”;桩帽的结构设计，由原来的钢筋混凝土圆柱形，调整为素混凝土倒圆台形。
具体结构如下图：
2.2设计优化后“前截法”螺杆桩施工
2.2.1施工准备
（1）施工前查明地下管线、电力线等设施，配合产权单位进行迁改，同时做好相应的防护措施。
（2）对施工场地进行清表，清除坡脚范围内的垃圾土、腐殖土、种植土等，按照设计要求对施工场地整平至设计桩帽顶标高，并碾压密实。做到水通、路通、电通、场地平整。
（3）施工材料及钻孔施工的各类机械设备准备就绪。
（4）测量人员按照设计桩位图进行桩位放樣，并做好标记。
（5）对施工作业人员进行技术交底、安全岗前培训。
2.2.2成桩工艺性试验
选取地质条件代表性段落进行成桩质量试验。
（1）确定施工参数
①钻机钻进速度、钻杆提升速度、同步和非同步技术参数。混凝土坍落度以及地泵灌注的速度等。
②检验钻杆外径及芯管直径是否满足设计要求，成孔深度能力和成孔终孔的控制电流、每根桩的混凝土用量等。
③确定作业队的人员配合和施工设备是否能够满足施工要求。
（2）确定设计参数
成桩7d内桩身完整性检测符合设计要求。
28d后单桩地基静荷载试验满足设计要求。
2.2.3钻机就位
钻机四个支腿利用液压系统进行调平，钻杆垂直，钻头向下对准桩位，钻机利用机身电脑智能控制垂直度，使用测量仪器复核，垂直度必须满足规范要求。开钻之前由现场技术主管进行检查，桩位偏差及钻杆垂直度满足要求方可开始施工。
2.2.4钻孔参数设置
根据实验结果，不同的地质条件，按照设计施工图，设置孔径、孔深、钻进速度、提钻速度等相关参数。
2.2.5钻进成孔
钻机钻进过程中机身电脑严格控制钻进速度，桩身直线段成孔为钻杆快速旋转钻进即，于地基中形成圆柱状孔型;桩身螺纹段成孔为钻杆慢速旋转钻进，在地基土体中形成螺纹状孔型。钻头到达设计深度，停止钻进。钻孔深度按照钻杆长度进行预先标记控制。
2.2.6混合料的拌合及运输
按照配合比进行混凝土拌制，拌合机电脑控制系统精准计量，由拌合站集中生产，混凝土罐车统一运输，每盘料搅拌时间夏季不应小于60s，冬季不少于90s。混凝土现场施工的坍落度宜控制在180mm～220mm。
2.2.7桩体混凝土灌注
钻头钻至设计标高后，停止钻进，开始泵送混凝土，当钻杆芯管充满混凝土后钻杆开始反向旋转提升钻杆，提钻过程中应严格控制提升速度与旋转速度，使二者匹配，严禁先提管后泵料。成桩的提拔速度宜控制在每分钟2～3m，成桩过程宜连续进行，应避免因后台供料慢而导致停机待料，施工完桩顶标高应高出设计桩顶标高不少于0.2m。灌注达到控制标高后，钻机移位进行下一根桩施工时，采用连续法施工。
2.2.8清除桩顶浮土、浮浆
在桩身混凝土初凝之前，把桩头多余虚桩部分和多余渣土清理干净，使桩顶标高达到设计，同时检查确保桩头混凝土里面无杂物。 2.2.9桩头捣震
桩头清理至设计标高完成后，人工采用插入式振捣器，对桩头混凝土进行振捣，振捣时插入深度不小于1m，确保桩头混凝土密实。
2.2.10桩头保护
桩头振捣密实后，进行压光整平处理。待混凝土初凝，用塑料膜包裹桩头进行保湿养护，采用压土方式对塑料膜进行固定。
2.2.11开挖桩帽
桩身混凝土强度达到设计要求强度的70%后，对桩顶及周围多余渣土进一步清理，人工配合机械，采用桩帽旋挖设备旋挖成模，人工清除土模内的浮土，并检查土模几何尺寸是否满足要求。
2.2.12桩体质量检测
成桩质量检测主要时间节点为7天和28天，成桩7天后进行桩身完整性检测，成桩28天后进行单桩承载力检测。
2.2.13桩帽混凝土浇筑
桩体质量检测合格后，进行桩帽混凝土浇筑。混凝土由拌合站集中拌统一运输至现场，利用汽车泵泵送入模。人工采用便携插入式振捣棒捣固密实。
2.2.14混凝土养生
桩帽混凝土浇筑完成后采用塑料膜覆盖保湿养生。养护时间不得少于14天。等到混凝土强度达到设计要求后方可铺设碎石褥垫层。
3、施工工艺比选
3.1优化后“前截法”桩帽施工的优点
①螺杆桩施工时比设计桩顶高程超灌 20cm 即可，且出土量少，可在混凝土凝固之前人工截取桩头。钻机后续成桩施工时不会对已施工的桩头造成干扰。
②清理桩间弃土时，因桩头不高于地面，故挖掘机不会触碰桩身，最大程度的保护了桩身不受外力的破坏。
③成桩后人工对桩头进行振捣密实处理，有效的保证了桩的质量，多余桩头在混凝土初凝前就进行截取修整，能有效保证桩头凝固后的内外质量及几何尺寸。
④通过桩帽旋挖成模设备，加快了工作进度，提升了工作效率，减少了材料、设备、人员的各项投入。通过旋挖设备的使用，极大的提高了工效，节约了成本，同时由于旋挖设备的特殊结构设计，在土模旋挖过程中还能有效的保护桩头。
因此通过以上的工艺优化改进，螺杆桩施工不仅减少了施工工序，缩短了施工时间，而且在提高效率的同时，桩身、桩头的质量得到有效保证;故在成桩后的桩身质量检测中，I类桩占比远远高于传统施工工艺的成桩占比。
3.2经济社会效益
新工艺减少了桩帽土方外弃量，降低了环境污染，节约了人力资源投入。
除少量人工外（每台设备配备3-4人），投入的设备为桩帽旋挖机，单价为2万元/台，租赁挖掘机费用为4.5万元/台月。单机投入固定费用2万，其余费用为4.5万/月，投资可控。
最主要的是极大提高了施工效率。单机成穴率约为400-500个/台班。
4、结论
通过对“螺杆桩地基处理新工艺技术研究”，相比较传统螺杆桩施工工艺，优化后的“前截法”螺杆桩施工工艺，工序少、效率高、成本低、操作简单。既避免了传统工艺施工中的缺点，保证了成桩质量，有效的发挥了机械化施工的优势，同时在国家大力推崇创新创效的大背景下，在信息化快速发展的新时代，这项新工艺的改良研发，以及推广应用，对螺杆桩施工工艺进一步优化改革起到很大的促进作用，可谓意义深远。
参考文献
[1]吕文涛.螺杆桩自动定位成桩工艺在软基处理中的应用[J].建筑技术开发，2021，48（15）：133-134.
[2]胡晓军，何玉先.浅析螺杆桩在铁路路基工程施工中的应用[J].高速铁路技术，2020，11（04）：100-104.
[3]黃想禄.高速铁路软土地基条件下螺杆桩施工技术[J].价值工程，2018，37（17）：135-136.
[4]赵晓伟. 粉土地区螺杆桩施工挤土效应影响研究[D].河南工业大学，2017.