地鐵上方氣泡輕質土填筑路基施工技術研究

劉鵬，李祥祥，王文清，李劍鋒，趙云奎，李利

（中交隧道工程局有限公司華南分公司，廣州510000）

1 引言

隨著道路車流量的不斷增加，由于路基不均勻沉陷、橋頭通道下沉、錯臺等引起路面破裂的問題不斷出現，給市政立交工程建設帶來很大的施工難度[1]。氣泡輕質土作為一種新型環保節能材料被廣泛應用于軟土路基施工，能進行軟基處理，有效控制路面沉降和工后沉降，解決臺背填筑橋頭跳車等問題[2，3]。

依托地鐵上方施工的南寧市清川立交工程，通過對氣泡輕質土填筑橋臺引道施工技術進行研究論證，為減少橋臺路基回填，對下方地鐵軌道結構物及其安全運營等方面影響尋找新突破，并總結施工經驗，為以后同類施工提供可靠理論數據和經驗。

2 工程概況

依托項目為南寧市清川立交工程，其包含的大學路方向跨線橋軸線與軌道交通軸線重合，跨線橋梁引道及立交范圍下層輔道填方路基段正下方為地鐵軌道1 號線，地鐵軌道對上方區間荷載進行限載要求，新增附加荷載≤20kPa。選擇采用氣泡輕質土換填主線橋橋臺及引道下鋪層路基段，減少回填造成附加荷載超載問題，從而滿足地鐵上方附加荷載要求，并實現最大限度保護軌道交通運營的目的。

3 氣泡輕質土配合比優化研究

綜合考慮氣泡輕質土的工程特點以及其技術指標等因素，結合國內外發泡劑的性能以及工程造價等因素，總結得到氣泡輕質土的配合比是施工質量控制的關鍵。

3.1 配合比試配與試驗

為滿足地鐵上方地基承載力和附加應力的要求，擬確定在距頂面0m～0.8m 范圍內配合比為：水泥364kg/m3，水247kg/m3，氣泡率63.3%；1.0m 以上范圍內配合比為：水泥333kg/m3，水227kg/m3，氣泡率66.4%。試配后進行消泡試驗和無側限抗壓強度試驗。

3.2 消泡試驗

對采用PC42.5 水泥拌制的氣泡輕質土進行消泡試驗。試驗結果如圖1 所示。

圖1 消泡試驗曲線圖

從圖1 消泡試驗變化曲線可以看出，濕密度隨時間的推移不斷增大。對于距頂面≤0.8m 填筑區域，濕密度630kg/m3試件初始實測濕密度為631kg/m3，最終測得濕密度為642kg/m3，濕密度增加率為1.90%，流值為173mm；對于距頂面＞0.8m 填筑區域，密度580kg/m3試件初始實測濕密度為581kg/m3，隨著時間的推移，最終實測濕密度為591kg/m3，濕密度增加率為1.72%，此時流值為177mm。通過消泡試驗得到濕密度增加率＜10%，配合比滿足施工技術要求。

3.3 配合比強度試驗

通過輕質土的施工配合比，制成試件尺寸為10cm×10cm×10cm，并經7d 和28d 齡期的標準養護室中養護后，進行室內抗壓強度試驗，得到2 組配合比下7d 及28d 齡期無側限抗壓強度，如表1 所示。

表1 不同配合比抗壓強度試驗結果

從表1 可以看出，不同區域配合比條件下，7d 齡期抗壓強度＞0.5 倍的設計配合比抗壓強度，且28d 齡期抗壓強度大于抗壓強度設計值，故上述配合比滿足施工要求，可作為施工配合比。

通過對輕質土配合比的設計與試配試驗，結合消泡試驗及無側限抗壓強度試驗論證分析，最終確定了南寧市清川立交工程橋臺及引道路基填筑的氣泡輕質土施工配合比，具體如表2 所示。

表2 輕質土配合比

4 模擬分析

4.1 設計施工方案

根據設計和施工規范要求，氣泡混合輕質土填筑施工采用分塊分段、臺階法方式進行。頂部每高差15cm 劃分臺階，引道按5m 分段，分段處設置沉降縫，填縫料采用聚苯乙烯板；分層澆筑厚度控制在0.3m～1.0m，換填處理長度為20m，處理層厚最大為橋臺與路基連接處。由于大學路換填段正下方為南寧地鐵軌道1 號線正上方，臨近橋臺處引道高度不斷增加，需破除原大學路路面結構層，開挖下層素填土，采用氣泡混合輕質土進行換填，并在換填后的輕質土底部鋪筑30cm 級配碎石墊層。

4.2 模擬計算

根據依托項目涉地鐵結構工程特征，利用COMSOL Multiphysics 仿真軟件建立模型，分析橋臺路基段氣泡輕質土填筑施工對地鐵結構物的影響。考慮到施工過程中的空間效應，計算模型取其有效影響范圍，本模擬中模型長100m、寬30m，自盾構區底面以下5m 厚的土體作為考察范圍進行分析研究。地層模型采用大變形理論，計算荷載考慮既有、結構自重、土體豎向自重力等，并將輕質土自重和鋼筋網等材料施工荷載考慮為面荷載。根據設計文件和勘察報告，本次模擬的計算參數如表3 和表4 所示。

由于施工時橋臺及引道存在一定縱坡，填筑斷面為變截面，因此施工時分區、分塊進行填筑。因此，選取填筑高度最高的橋臺填筑部位斷面，分析地鐵盾構區間盾構截面位移及應力變化規律（見圖2 和圖3）。

表3 巖土計算參數表

表4 結構計算參數表

圖2 位移變形圖（單位：m）

圖3 數值模擬云圖（單位：m）

根據模型分析結果可以得出，最終橋臺所在填筑最高部位上覆荷載為19.6kPa，滿足地鐵上覆荷載限值要求，且盾構區頂面豎向沉降量最大為4mm，未超過標高絕對變化量5mm，填筑后路基頂面沉降為7mm，在合理范圍內。由此說明，采用氣泡輕質土填筑橋臺及引道路基施工對隧道結構有一定影響，但附加荷載及沉降量均在控制范圍內。

5 氣泡輕質土現場施工技術研究

氣泡輕質土填筑施工前需提前組織施工設備進場，并做好安裝、調試及標定工作，對原材料（水泥、發泡劑等）按試驗規定方法進行檢測，做好基坑防排水施工，避免基地長期被水浸泡。具體施工步驟如下：測量放樣→下鋪基地碎石墊層→防滲土工膜鋪設→護壁預制及安裝→輕質土施工（配合比驗證）→輕質土分段分層澆筑→…→養護→路基檢查驗收→邊坡及路面結構層施工。

5.1 單次澆筑高度優化研究

為監測地基附加應力及沉降指標，對該橋臺臺背路基進行土壓力和沉降監測（見圖4），通過對土壓力變化和沉降數據分析，為氣泡輕質土施工提供指導。

圖4 土壓力盒埋設位置示意圖

氣泡輕質土路基施工應采用分段、分區、全面分層澆筑。為加快施工速度，且盡可能降低基礎不均勻沉降，減小施工對地鐵及周邊結構物的不良影響，借助試驗段沉降觀測，對單次澆筑高度進行了研究。相關規定要求氣泡輕質土分層澆筑厚度為0.3m～1.0m。試驗段中氣泡輕質土分層澆筑厚度分別設定為0.3m、0.5m、0.7m、0.9m 和1.0m，每天同一時間對路中進行沉降觀測檢測，結果繪制高度沉降曲線見圖5。

圖5 填筑高度-沉降曲線圖

由圖5 曲線可以看出，沉降變化呈單調不規則遞增變化。曲線前段近似呈線型單調遞增趨勢，在0.9m 填筑高度時曲線突然變陡。通過分析得到，在填筑高度為0.9m 以內時，沉降較小，且呈線型增大，但隨著深度的增大，沉降不斷增大，曲線變陡。因此，從上述曲線分析得到單次最佳填筑高度為0.9m，此時提高施工效率，同時在規范允許內施工，能有效保證施工質量。

5.2 地基附加應力及沉降變化規律研究

由于依托項目屬首次使用氣泡輕質土材料在地鐵上面進行橋頭臺背路基填筑施工，為檢測地基附加應力及沉降指標，對該橋臺臺背路基進行土壓力和沉降監測。通過日常的監測土壓力盒③得到的土壓力數據，并繪制土壓力和沉降變化曲線（見圖6 和圖7）。

圖6 土壓力隨填筑高度的變化曲線圖

圖7 各點總沉降量隨時間變化曲線圖

從圖6 可以看出，土體沉降隨填筑高度氣泡輕質土高度的增加而增大，且道路中線位置（雙向盾構軌道中間）沉降最大。結合不同填筑高度沉降變化分析，在填筑高度5.0m 內時，土壓力變化并不顯著，但隨著填筑高度的增加，土壓力增長率開始變大，后逐漸減小，在填筑的路基荷載下，地基土壓力較小，其附加應力也很小，滿足施工要求。

從圖7 可以得到，地基沉降隨路堤填筑高度的增加而增加，地基沉降量與路堤填筑高度近似呈線性關系。由于道路坡度影響，路中線位置沉降最大，兩側沉降較小。地基沉降速率與路堤高度及填筑時間相關，隨著路堤高度及填筑時間的增加，沉降速率減小。沉降的大小與線路中心地基土層厚度相關，地基土層厚度越大，沉降量越大。觀測工后沉降可以發現，氣泡輕質土澆筑施工完成后，路基仍有局部沉降，但變化較小，通過一個月沉降觀測發現，工后沉降不再增大。

6 結語

綜上所述，通過對氣泡輕質土配合比進行試驗驗證，模擬分析得到氣泡輕質土施工安全可行的結果。結合施工工藝和特點，借助土壓力監測和沉降監測進行數據統計和分析，優化了單次填筑施工高度，有效提高了施工效率，并在一定程度上節約了施工成本。同時，氣泡輕質土在地鐵上方橋臺及引道路基回填施工中也說明了利用現澆氣泡輕質土的輕質性，可有效降低工后沉降和橋頭跳車問題，得到采用氣泡輕質土進行地鐵上方路基橋臺換填施工的優越性和適用性，對類似工程施工有一定的借鑒和指導意義。