吴远志1张国权2
1.中佑勘察设计有限公司510000
2.中交远洲交通科技集团有限公司华南设计院 510000
摘要：经项目组分析研究，选择轻质泡沫土作为回填材料，以满足地铁管理单位提出的荷载要求。通过调查、分析，发现选用轻质泡沫土作为地铁上方高填路基的填料，可以大大减少地铁上方的载重负荷，进而控制路基荷载对地铁的影响，为推进该工程施工奠定了良好的基础。文中首先介绍了轻质泡沫土的设计分析、施工方案及施工工艺流程，再结合实际情况，提出了轻质泡沫土施工中的质量控制措施。
关键词：轻质泡沫土；地铁上方；高填路基；设计分析；工艺流程；质量控制
引言
广州某新建道路工程基本与地铁13/16号线平行，局部须将现状地面抬高，且不具备采用桥梁形式跨越的条件，须采用路基形式跨越，且地铁正上方的最大填土高度达到了3m以上，如采用常规路基填土，将达不到地铁管理单位提出的要求，经过调查、研究，提出将路基填料改为容重较轻的轻质泡沫土，路面结构采用混凝土板块加铺沥青的形式，保证施工及运营期间对路基下方的地铁隧洞产生影响的最小。
一、某新建道路涉地铁工程基本概述
根据规划路网，广州某新建道路工程基本与地铁13/16号线平行，地铁13号线为运营中的地铁线路，地铁16号线为规划线，但在此工程范围与13号线共线，隧洞结构与13号线同步实施，采用的是地埋式隧洞结构，隧洞下卧层地质情况为土及岩层软硬结合地层，承载力不均匀，隧洞上方为粘性土和砂质粘性土，根据近期地铁沉降观测，道路路基与地铁交叉处，最大沉降达到-8mm。根据路网规划，本道路在此段不具备采用桥梁形式跨越的条件，须将现状地面抬高后，采用路基形式跨越，地铁正上方的路基最大填土高度达到了3m以上。地铁管理单位提出该段位置现场监测的沉降数值较大，属于地铁最为薄弱的区段，务必保证地铁结构上方的附加荷载不大于20Kpa。
通过计算分析，如采用常规路基填料，将达不到地铁管理单位提出的要求，为了保证在地铁结构安全的前提下能顺利实施本道路项目，经过项目组讨论、研究，并通过计算分析，选用轻质泡沫土作为地铁上方高填路基的填料，在使用过程中可以保证地铁结构附加荷载不大于20Kpa。同时，为了保证施工期间尽量减少振动碾压，将常规的路面基层材料水泥稳定碎石层改成水泥板块加沥青路面结构形式。
二、轻质泡沫土路基的填筑施工及运营对地铁结构的影响计算分析
本次计算软件采用midas GTS/NS进行建模分析，三维整体模型的边界条件为：模型底部约束 Z 方向位移，模型前后两面约束 Y 方向位移，模型左右两面约束 X 方向位移。三维整体模型的荷载条件为：岩土层自重、引桥段填土地。一般地面按 20kPa。本次计算分为：一般工况（轻质土容重6kN/m3）和极限工况（轻质土容重为10kN/m3）
水平位移计算结果 竖向位移计算结果
弯矩极值变化曲线图
2、极限工况计算结果
考虑现场实际运营中，轻质土在室外潮湿环境下重度较难保持6kN/m3，本节选取轻质土重度为 10kN/m3 对本区段进行重新模拟，并得出以下结果。
弯矩极值变化曲线图
模拟分析结果可知：①、一般工况下，地铁结构水平位移极值为 0.37mm，竖向位移极值为沉降-1.76mm，13 号线和 16 号线区间结构初始弯矩极值为 149.47 kN?m 和-186.33kN?m，在拟建项目施工期间，13 号线和 16 号线区间结构弯矩极值分别增大至 150.22 kN?m 和-186.44kN? m，弯矩增量为最大值为 0.75 kN?m。②、极限工况下，地铁结构水平位移极值为 0.40mm，竖向位移极值为沉降-2.85mm，13 号线和 16 号线区间结构初始弯矩极值为 148.25kN?m 和-209.07kN?m，在拟建项目施工期间，13 号线和 16 号线区间结构弯矩极值分别增大至 148.79 kN?m 和-209.8kN? m，弯矩增量为最大值为 -0.73 kN?m。
由以上计算结果可知，此处采用轻质泡沫土填筑对地铁隧洞结构有较为有限的影响，在可控范围。
三、轻质泡沫土的设计与施工
本工程在地铁上方高填路基选用的轻质填筑材料，是经过地铁管理单位、咨询单位、建设单位等相关参建单位，在考虑地铁工程周边环境、填筑材料实际性能、施工工艺等各项因素的基础上，批复同意实施的。
1.轻质泡沫土填筑厚度一般换算
此次工程路基选用的轻质泡沫土容重为6kN/m3，常规路基填筑材料的容重为18kN/m3，施工中所选用的轻质泡沫土填筑厚度，需要根据路面路基的填筑标高，计算轻质泡沫土的总填筑高度。如路基的填筑高度在3m时，那么便可以测得新增荷载为18kN/m3；再计算该路基的反挖深度，可以得知反挖深度为1.0m，挖除荷载为18kN/m3，如此，可推断反挖1.0m，填高4m，将增加荷载为6kN/m3[2]。
2.轻质泡沫土的配合比设计
由于在本次工程中需要进行填筑的高度较大，为了满足地铁对填筑材料的荷载要求，调整范围下限6.0kN/m3左右，并且还需要根据工程路基的填筑深度，确定轻质泡沫土在填筑工作中的自身强度，如工程施工中可以选用10cm×10cm×10cm的立方体测试块，判断轻质泡沫土在投入使用后的抗压强度，并将测试结果与普通混凝土强度进行对比。如在测试过程中，测试人员需要根据工程实际需求调整轻质泡沫土的密度和强度，确保轻质泡沫土具有低渗透性、吸水性，将轻质泡沫土的渗透系数控制0.3~0.5。在测试过程中需要将三块立方体测试块作为同一组测试组，测定立方测试块在7天内的抗压强度，并确保最终抗压强度结果大于或等于0.5倍的设计强度，此时泡沫混凝土立方测试块的配合比可以被此次工程施工所采用。[1]
四、轻质泡沫土的施工工艺流程
1.水泥浆的具体制备
轻质泡沫土在施工中首先需开展水泥浆的配制，根据对本工程的施工量进行计算，可以得知每天需要搅拌水泥浆500m3，水泥浆在搅拌过程中，需要严格根据施工配合比控制水泥浆的搅拌时间和搅拌速度，保证水泥浆在搅拌过程中水泥制备的连续性，避免搅拌中出现局部消泡、假象凝结等现象。此外工作人员还需要在浇筑之前对所搅拌的水泥浆进行消泡试验，要保证水泥浆的湿度、密度满足工程施工要求。
2.泡沫、轻质土的制备
泡沫在制备过程中主要是由发泡剂稀释后，再将稀释后的发泡剂与压缩空气在发泡枪内充分融合，这样便可以形成配置轻质泡沫土的泡沫。轻质土在配置过程中，主要是将泡沫加压后，灌入水泥浆内，确保泡沫与水泥浆充分融合。为了保证轻质泡沫土的制备质量，需要选用泵管输送轻质土，减少轻质土在传输过程中的离析现象，同时还需要将泡沫土制备区域设置在浇筑点的300m以内范围，避免泡沫土的稳定性受到影响。[2]
3.轻质泡沫土的浇筑
轻质泡沫土在浇筑过程中需要采用分段、分区的浇筑形式，对于单个浇筑区域面积需要控制在300m2左右，并且浇筑厚度需要控制在0.3~0.8m。在浇注过程中为了保证轻质泡沫所的稳定性，需要将浇筑时间控制在水泥浆初次凝结之前，避免在浇注过程中，出现由于浇筑厚度过大导致轻质泡沫土下方气泡破碎；在路面基坑基槽开挖施工前，还需做好支挡措施，支挡措施采用轻质挡土墙，以及做好排水、防渗工作，利用水泵将沟槽内的地下水其时抽除，进而保证垫层施工满足干燥环境要求，同时利用防水、防渗涂料对周边进行涂抹，防水、防渗工作较为关键。对于工程施工中存在的变形缝，需要每隔20m处用厚度在1~2cm的泡沫塑料板进行填充，进而将变形缝贯穿整个轻质泡沫土路基，在浇注过程中需要从低方位向高方位浇筑，确保出料管口距离已浇筑完成后的轻质泡沫土表面1m。在每次浇筑完毕过后，需要对轻质泡沫土进行覆盖、保湿养护处理，在路基整体浇筑达到设计标高值后，对轻质泡沫土进行养护处理，开展的养护时间需大于7天。[2]
4.防渗透土工膜钢丝网的铺设
在轻质泡沫混凝土浇筑作业中，防渗透土工膜钢丝网应当布置在路基顶面下部50m的泡沫土内，该钢丝网需安放平整、牢固，网块之间的搭接重叠宽度控制在10cm以内。同时防渗透土工膜钢丝网还应当在浇筑完成后的泡沫土上方再次铺设一层，在铺设过程中需要将泡沫混凝土上部的尖锐物体清除，避免防渗透土工膜钢丝网出现破损。
四、轻质泡沫土施工中的质量控制
1.合理选择对应发泡剂，精确计算水稀释倍数
轻质泡沫土施工过程前，需要先通过实验后，选择适宜的发泡剂，并对发泡剂的水稀释倍率进行计算，进而合理控制轻质泡沫土的密度。施工首先应当选购性能优异的发泡剂，并对发泡剂进行泌水、消泡等试验，确定发泡剂的湿密度，确保泡沫在制备过程中细密且互不联通，并将泡沫的孔径控制在3~10mm。发泡液生成装置在产生泡沫的过程中，主要是借助压缩空气输送动力作用，这样形成一定的泡沫流，这就会造成装置如果产生不同的压缩空气压力或速度，那么便会形成不同的发泡倍率，进而对泡沫的标准密度值造成一定的影响。因此所选择的发泡剂还需要适用于工程实际施工中的发泡装置。[3]
2.对轻质泡沫土进行密度、强度控制
在工程施工中应用轻质泡沫土时，需对轻质泡沫土进行密度和强度控制，首先需要控制好轻质泡沫土施工配合比及搅拌时间，并将配制过程中所使用的输送泵改成定流量泵，确保可以配合出细腻、密度稳定的泡沫流，将消泡率控制在10%以下。在轻质泡沫土生产过程中，最难的环节便是水泥浆与泡沫的混合，在该环节中可以借助带有实时数显功能的电脑控制设备，对轻质泡沫混凝土进行气、液、固三相充分融合。在施工中需要严格控制轻质泡沫土单次浇筑方量、浇筑时间，避免轻质泡沫土在浇筑过程中受到流动和挤压的影响，保持轻质泡沫土内部结构稳定[3]。
3.轻质泡沫土施工中进行全过程监控
在轻质泡沫土施工中还需做好全过程监控工作，工程施工中的监理人员需要对进入施工区域的轻质泡沫土制备材料进行检查，确保制备材料的质量符合工程施工要求；在轻质泡沫土制备过程中，监理人员需要对第1批制备的轻质泡沫土进行质量测试，确保轻质泡沫土的密度和压力符合工程施工要求。并将此次轻质泡沫土的配合比进行记录，进而为后续的配置工作提供参考；在轻质泡沫土填筑作业完成过后，监理人员需要检查填筑作业区域轻质泡沫土的流动性和抗荷载能力，避免轻质泡沫土在浇筑成型后，对支挡区域造成压力影响。若在检查过程中一旦出现问题，那么需第一时间向有关部门汇报，并责令施工方对轻质泡沫土的填筑区域进行反工作业，保证轻质泡沫土的填筑质量。[4]
五、结束语
本案例从多方面介绍了地铁上方的高填路基、道路抬高施工中所采用的轻质泡沫土的设计、施工及对地铁隧洞结构的影响评价，通过上述介绍，可以发现地铁上方填筑填料采用轻质泡沫土，在施工及运维中，对地铁隧洞结构产生的影响较小，具有较好的应用性，可使得类似工程项目得以安全、顺利实施。
参考文献
[1]闭祖彰.泡沫轻质土在公路工程中的应用[J].中国新技术新产品,2012（3）：120-121.
[2]陈忠平，孙仲均，钱争晖.泡沫轻质土充填技术及应用[J].施工技术，2011.10（10）：74-76。
[3]郑小峰.谈泡沫轻质土在工程中的应用及优势[J].山西建筑，2013.39（26）：89-90。
[4]郭建光.简述泡沫轻质土在实际工程中的应用.《基层建设》2016年9期2016-07-29T。
[5]赵文辉，苏谦，李婷，黄俊杰.高速铁路路基床底层泡沫轻质土填料实验研究.《振动与冲击》2019年第38卷第6期。
[6]唐明，徐立新.泡沫混凝土材料与工程应用[M].《中国工业出版社》（北京），2013年。