氣泡混合輕質(zhì)土在地鐵上方新建市政道路的設(shè)計(jì)示例

高惟煒

（江蘇森尚工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 211100）

0 前言

氣泡混合輕質(zhì)土是一種新型輕質(zhì)材料，它將制備的氣泡群按一定比例加入由水泥、水及可選添加材料制成的漿料中，經(jīng)混合攪拌、現(xiàn)澆成型的一種微孔類輕質(zhì)材料。自氣泡混合輕質(zhì)土出現(xiàn)以來，由于其具有優(yōu)越的性能，其廣泛應(yīng)用于房建工程、道路建設(shè)以及地基處理等領(lǐng)域，例如軟基路段覆土等載換填處理、公路橋臺(tái)背路基換填、橋梁錐坡放坡減跨、地下大跨度結(jié)構(gòu)工程的覆土減荷、道路擴(kuò)建中的加寬路基填筑、山區(qū)陡峭路段的路基填筑、空洞及狹小空間充填、建筑基坑填筑以及地下管線周邊空隙等。該文就是作為其中地下大跨度結(jié)構(gòu)工程的覆土減荷的一種應(yīng)用實(shí)例。

1 工程概況

某市新建市政道路，其道路等級(jí)為城市主干路，全線位于已經(jīng)開通運(yùn)營的地鐵線路結(jié)構(gòu)上方，其相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建道路與地鐵相對(duì)位置關(guān)系圖

地鐵隧洞段現(xiàn)狀埋深6.6m～24m，該道路建成后地鐵隧洞埋深10m～19m，地鐵區(qū)間隧洞上方填方段最大填方高度、對(duì)應(yīng)地鐵隧洞結(jié)構(gòu)洞頂埋深分別為約9m、6.8m～18m；另外，道路沿線現(xiàn)狀河塘數(shù)量約20處。

該項(xiàng)目全線位于既有地鐵結(jié)構(gòu)上方，應(yīng)地鐵公司要求，由建設(shè)單位委托第三方對(duì)道路設(shè)計(jì)方案對(duì)地鐵安全性影響進(jìn)行審查和評(píng)估。因新建道路沿線填方高度較大，河塘回填數(shù)量較多，為保障地鐵結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)第三方安全評(píng)估報(bào)告要求，須控制路基新增荷載控制標(biāo)準(zhǔn)（不大于60kPa）。

2 路基填筑方案比選

目前，常規(guī)的路基填筑材料有石灰穩(wěn)定土、水泥石灰土等，常見的輕質(zhì)路基材料有土工泡沫塑料（EPS塊）、粉煤灰以及氣泡混合輕質(zhì)土等，本次分別選擇了其中的石灰穩(wěn)定土路基、粉煤灰路基和氣泡混合輕質(zhì)土路基進(jìn)行比較。

方案一：石灰土穩(wěn)定路基。石灰穩(wěn)定土是將消石灰粉或生石灰粉摻入各種粉碎或原來松散的土中，經(jīng)拌合、壓實(shí)及養(yǎng)護(hù)后得到的混合料，是當(dāng)?shù)爻Ｓ玫穆坊钪牧希┕すに囀殖墒欤┕るy度小，工程費(fèi)用低，但其自重大，高填方路段所增加的荷載無法滿足地鐵安全要求。

方案二：粉煤灰路基。粉煤灰路基是利用電廠的廢料粉煤灰填筑路基，該方案作為輕質(zhì)路基材料應(yīng)用廣泛，施工工藝成熟，施工難度小，自重輕，可以滿足地鐵安全要求，工程費(fèi)用較低，但隨著國家環(huán)保要求越來越高，廢料粉煤灰中含硫量很高，難以達(dá)到作為路基填筑的指標(biāo)要求，進(jìn)而影響道路路基自身的安全性。

方案三：氣泡混合輕質(zhì)土路基。氣泡混合輕質(zhì)土作為路基填筑材料，其自重小，能滿足地鐵安全要求，但施工工藝較為復(fù)雜，工程費(fèi)用高。

該項(xiàng)目結(jié)合當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，經(jīng)過多方案比選后，為同時(shí)滿足地鐵安全性要求、道路安全性要求以及經(jīng)濟(jì)性要求，路基填筑方案在新增荷載控制標(biāo)準(zhǔn)要求下進(jìn)行上述填筑材料的組合，最終采用石灰土和氣泡混合輕質(zhì)土進(jìn)行組合設(shè)計(jì)。

3 路基填筑設(shè)計(jì)方案

經(jīng)核查現(xiàn)狀測(cè)量標(biāo)高和道路設(shè)計(jì)高程，擬對(duì)3種工況采用不同的路基填筑組合方案。

工況1：一般路基高填方段（填方高度大于3m）及河塘回填高度較大段（填方高度大于5m）。對(duì)一般路段填方高度大于3m，路基材料全部采用氣泡混合輕質(zhì)土進(jìn)行填筑，其上實(shí)施道路路面結(jié)構(gòu)。河塘回填處理段，其中回填高度較大處，河塘底部淤泥清除后，路基全部采用氣泡混合輕質(zhì)土進(jìn)行填筑。具體路基設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 一般路基高填方段及河塘回填高度較大段路基設(shè)計(jì)圖

對(duì)上述工況路基荷載進(jìn)行驗(yàn)算，荷載最不利處位于河塘10#，最大填高8.54m（扣除路面結(jié)構(gòu)厚度后）；本次計(jì)算取值為泡沫混凝土容重取6.5kN/m（路面結(jié)構(gòu)底以下0cm～80cm）、6kN/m（路面結(jié)構(gòu)底以下80cm以下），石灰土容重取18kN/m。回填附加荷載=0.8m×6.5kN/m+（8.54m-0.8m）×6kN/m=51.64kPa＜60kPa，滿足要求。

工況2：河塘回填高度一般段（填方高度3.5m～5m）。河塘回填處理段，其中回填高度一般處，河塘底部淤泥清除后，先用石灰土填筑部分路基，其上采用氣泡混合輕質(zhì)土進(jìn)行填筑，石灰土和氣泡混合輕質(zhì)土厚度根據(jù)荷載計(jì)算后確定。具體路基設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 河塘回填高度一般段路基設(shè)計(jì)圖

對(duì)上述工況路基荷載進(jìn)行驗(yàn)算，荷載最不利處位于河塘13#，最大填高4.742m（扣除路面結(jié)構(gòu)厚度后）；回填附加荷載=0.8m×6.5kN/m+（3m-0.8m）×6kN/m+（4.742m-3m）×18kN/m=49.76kPa＜60kPa，滿足要求。

工況3：河塘回填高度較小段（填方高度小于3.5m）。河塘回填處理段，其中回填高度較小處，河塘底部淤泥清除后，路基全部采用石灰土進(jìn)行填筑。具體路基設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 河塘回填高度較小段路基設(shè)計(jì)圖

荷載最不利處位于河塘4#，最大填高3.058m（扣除路面結(jié)構(gòu)厚度后）；回填附加荷載=3.058m×18kN/m=55.04kPa＜60kPa，滿足要求。

綜上所述，3種工況下路基組合填筑方案的附加荷載均能滿足地鐵安全要求。

4 氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)要求

氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)要求有以下7點(diǎn)：1）路面底面以下0cm～80cm，濕容重為6.5kN/m，泡沫砼28d抗壓強(qiáng)度≥0.8MPa；路面底面以下80cm以下，濕容重為6kN/m，泡沫砼28d抗壓強(qiáng)度≥0.6MPa；流動(dòng)度為（180±20）mm。2）當(dāng)泡沫混凝土澆筑體單向長度超過15m，應(yīng)每隔10m間距設(shè)置變形縫，在斷面突變處應(yīng)加設(shè)變形縫，變形縫材料可采用20mm～30mm厚聚苯乙烯板或10mm～20mm厚木板。3）在澆筑氣泡砼之前應(yīng)做好基底防、排水工作，坑槽開挖好后應(yīng)在最低處開挖寬度不超過1m的泄水口，防止坑槽內(nèi)積水。坑槽開挖好后，應(yīng)將基底碾壓密實(shí)后才能澆筑；遇到大雨應(yīng)停止輕質(zhì)土的澆筑，并對(duì)未終凝的氣泡砼采取遮雨措施，夏季施工應(yīng)避免在中午高溫時(shí)段施工；氣泡砼頂層澆筑好后7d內(nèi)不允許任何機(jī)械直接在上面行走，路面施工必須在頂層氣泡混合輕質(zhì)土養(yǎng)護(hù)7d以后進(jìn)行，且底基層施工時(shí)不得采用重型機(jī)械如攤鋪機(jī)等。4）頂（底）面以下（上）50cm和1m處位置各設(shè)置一層6@10cm×10cm鋼絲網(wǎng)，泡沫混凝土厚度小于1.5m時(shí)僅在中間設(shè)置一層。鋼絲網(wǎng)片縱橫向搭接長度10cm。抗拉強(qiáng)度≥1300MPa，焊點(diǎn)抗剪力≥2.11kN，斷裂伸長率≥2.5%。5）與前后一般路堤之間應(yīng)設(shè)置過渡層，過渡層采用臺(tái)階式銜接，臺(tái)階高度0.5m～1.0m，坡比采用1∶1。6）現(xiàn)場(chǎng)澆筑時(shí)采用分層分塊的方式進(jìn)行，每層澆筑時(shí)須設(shè)置擋板，上一層澆筑作業(yè)應(yīng)在下一層澆筑終凝后進(jìn)行。7）施工時(shí)應(yīng)注意避讓中分帶、側(cè)分帶及人行道樹池部分，以保證綠化植栽的成活。

5 地下市政管線的處理

該項(xiàng)目道路路面下面規(guī)劃有大量市政管線，中壓燃?xì)夤艿馈⒂晁艿馈⑽鬯艿馈㈦娏艿酪约叭蹼姽艿赖龋瑲馀莼旌陷p質(zhì)土對(duì)管線進(jìn)行包裹后，如果需要對(duì)內(nèi)在管線進(jìn)行維修和更換，須破壞輕質(zhì)土塊體，施工難度大而且可能會(huì)對(duì)路基的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因此設(shè)計(jì)階段應(yīng)與各管線設(shè)計(jì)單位進(jìn)行充分溝通和協(xié)調(diào)，確保不對(duì)管線的埋設(shè)以及后續(xù)的維修產(chǎn)生困難和影響。

雨水、污水管道建議采用鋼筋混凝土管材質(zhì)，其具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、使用年限長的特點(diǎn)，可以盡量避免使用時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修更換，同時(shí)，鋼筋混凝土管在氣泡混合輕質(zhì)土中易于安裝。考慮燃?xì)夤艿缹儆趬毫艿溃荒茉O(shè)置在氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)，燃?xì)夤芫€設(shè)計(jì)時(shí)，通過調(diào)整管線豎向和平面位置，將其放置于一般土體內(nèi)，保證其安全性的同時(shí)，也便于燃?xì)夤艿朗褂眠^程中應(yīng)急的維修等。

電力管道和弱電管道埋設(shè)時(shí)本身需要采用混凝土進(jìn)行保護(hù)，所以可以直接將其放置于氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)。

6 地鐵監(jiān)測(cè)情況

該項(xiàng)目實(shí)施期間，地鐵監(jiān)測(cè)單位定期對(duì)地鐵進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果見表1和表2。

表1 道床垂直位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

表2 豎向收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

根據(jù)對(duì)運(yùn)營期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)梳理分析，道路實(shí)施期間地鐵區(qū)間累計(jì)最大隆起1.1mm；累計(jì)最大收斂2.0mm，均小于城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值（隧道豎向位移控制值＜20mm；隧道徑向位移控制值＜20mm），該區(qū)間結(jié)構(gòu)及線路處于安全狀態(tài)，沉降和收斂變形基本穩(wěn)定。采用上述路基填筑方案有效地保障地鐵安全。

7 結(jié)語

氣泡混合輕質(zhì)土的施工工藝基本與水泥混凝土相似，都是通過在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行澆筑完成。因?yàn)闅馀莼旌陷p質(zhì)土具有流動(dòng)性高的特點(diǎn)，所以一般采用軟管泵送的方式，這樣就能使現(xiàn)場(chǎng)施工澆筑的地點(diǎn)與氣泡混合輕質(zhì)土的制作地點(diǎn)存在一定的距離，而且澆筑時(shí)所需要的工作界面較小，可在相對(duì)狹小空間內(nèi)進(jìn)行施工。另外，氣泡混合輕質(zhì)土作為路基填筑材料時(shí)，其澆筑施工無須進(jìn)行振搗碾壓，可以自流成型，與常規(guī)路基填筑材料相比，其施工更方便、更高效。氣泡混合輕質(zhì)土屬水泥類材料，因此具有與水泥混凝土同等的耐久性。氣泡混合輕質(zhì)土因?yàn)橥馏w內(nèi)含有大量的氣泡（氣泡體積含有率為40%～70%），還具有良好的隔熱、隔音及抗凍融性能。

氣泡混合輕質(zhì)土由于自身荷載低、強(qiáng)度高、自流平、自硬化和自密實(shí)等特點(diǎn)，無須機(jī)械攤鋪、振搗和碾壓等施工工序，可以大大減少路基填筑施工過程中外加荷載對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響，適合作為地鐵上方新建道路路基填筑材料，但相對(duì)常用的路基填筑材料，其工程費(fèi)用較高。因此，可以在滿足地鐵附加荷載控制標(biāo)準(zhǔn)要求的情況下，對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土與常規(guī)路基填筑材料進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，以達(dá)到工程安全性和經(jīng)濟(jì)性的平衡。