馬勁松 上海鐵路局杭州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

站房與站場間不規(guī)則狹窄軟基及路基處理研究與應(yīng)用

馬勁松 上海鐵路局杭州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

泡沫輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料、設(shè)計理念和施工方法，憑借其良好的性能已廣泛應(yīng)用于市政、公路等工程，杭州東站站房與站場間路基存在施工邊界條件復(fù)雜、工程地質(zhì)條件差，地基處理和基坑回填施工難度大等諸多不利條件，經(jīng)綜合分析研究論證后，在路基施工中大規(guī)模應(yīng)用并成功實(shí)施。

泡沫輕質(zhì)土；路基處理；研究應(yīng)用

1 工程概況

杭州東站是浙江省乃至整個長三角地區(qū)重要客運(yùn)樞紐，總建筑面積320 813.5 m2，站場總規(guī)模15臺30線，預(yù)留磁懸浮為3臺4線。是匯集客運(yùn)、普速、地鐵、公交等多種交通方式和配套服務(wù)設(shè)施于一體的現(xiàn)代化綜合交通樞紐中心，2013年7月1日建成投入使用，迅速形成舒適、便捷、高效的運(yùn)輸能力，發(fā)揮了巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

站房為5層結(jié)構(gòu)，地上2層（站臺層、高架候車層），地下3層（出站層、地鐵進(jìn)站層和站臺層）。出站層過站通道寬度為112 m，南北站線區(qū)域長度為330 m，共有15個站臺，24條到發(fā)線股道，6條正線股道。結(jié)構(gòu)形式正線為三座五跨剛構(gòu)連續(xù)梁橋，到發(fā)線采用鋼骨梁體系?；A(chǔ)底面標(biāo)高為-12.7 m，自然底面標(biāo)高-4.5 m，開挖深度約8.2 m。過站通道兩側(cè)有站房高架層邊承臺和樓扶梯，其中高架層邊承臺底標(biāo)高為-8.6 m；樓扶梯結(jié)構(gòu)為斜板，底標(biāo)高從-12.7 m到±0.000（站臺面）。過站通道兩側(cè)24 m有兩條出租車通道，采用箱涵結(jié)構(gòu)，通過東西和中部的三條聯(lián)系通道與站房過站通道相連接，出租車通道底標(biāo)高為-13.45 m，面標(biāo)高為-4.3 m，寬度約為22 m。出租車通道以外為站房基坑開挖采用的SMW工法樁圍護(hù)及站場路基。

該區(qū)域的站場路基為由圍護(hù)樁體系外的路基→出租車通道頂板→兩通道間22 m回填加固區(qū)→站房過站通道。路基也由軟→硬→軟→硬，經(jīng)歷了兩次剛度變化。如何高效、優(yōu)質(zhì)和快速的完成該部分路基填筑是一個難題（過站通道和出租車通道剖面見圖1）。

圖1 過站通道和出租車通道剖面圖（單側(cè)）

2 站場結(jié)合部特殊狹窄路基施工難點(diǎn)分析

杭州東站站房路基加固和填筑原設(shè)計方案為采用高壓旋噴樁、水泥攪拌樁加固原狀土，上部填筑A料的形式，即在出租車通道和過站通道間的24 m空間內(nèi)，于-12.7 m標(biāo)高進(jìn)行土體加固，以上采用回填A(yù)料至軌道底的方式。

根據(jù)站場結(jié)合部的結(jié)構(gòu)形式，該區(qū)域路基填筑面臨以下兩個難題：

2.1 平面空間受限

出租車通道和過站通道間有樓扶梯結(jié)構(gòu)和高架承臺妨礙路基填筑施工。該區(qū)域可操作面最大寬度10.8 m，最小寬度2.5 m，施工工作面非常狹小，鉆機(jī)設(shè)備無法就位，無法移動轉(zhuǎn)身，造成鉆機(jī)無法在其中操作。由于空間受限，大型碾壓設(shè)備無法施工，小型設(shè)備碾壓質(zhì)量不穩(wěn)定，A料回填質(zhì)量難以保證（見圖2）。

圖2 兩通道間回填區(qū)局部平面圖

2.2 立面空間受限

該區(qū)域基坑內(nèi)自動扶梯為斜板，下部三角形空間無法加固也無法回填密實(shí)?；靥顓^(qū)域上方是站房高架橋和高架層，底標(biāo)高為7.5 m，水泥攪拌樁設(shè)備受限高影響無法施工。

3 應(yīng)對方案策劃和比選

3.1 方案策劃

面對該特殊狹窄地段，常規(guī)的路基回填方式無法滿足施工需要，必須進(jìn)行變更調(diào)整。對此經(jīng)多次研究論證形成二套建議方案，分別為：①新增樁板結(jié)構(gòu)跨越該結(jié)合部；②采用新型輕質(zhì)回填材料置換一定標(biāo)高以下的回填料，取消基底土改良。

3.2 樁板結(jié)構(gòu)跨越方案

自基坑底（-11.7 m標(biāo)高）向下設(shè)直徑800 mm強(qiáng)度C30的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長為38 m～42 m，樁間距結(jié)合已有建筑樁基布置為3 m，樁頂設(shè)1.5 m厚鋼筋混凝土承臺板，承臺板頂至原地面間主要夯填A(yù)組填料，對承臺周邊及樁基密集空間狹小的部位填筑級配碎石摻3%水泥，采用小型機(jī)具碾壓密實(shí)。

在站房過站通道結(jié)構(gòu)與出租車通道結(jié)構(gòu)施工完成后，即形成了結(jié)合部過渡段基坑，先清理基坑內(nèi)的遺留土，吊運(yùn)樁基進(jìn)入基坑內(nèi)進(jìn)行鉆孔灌注樁作業(yè)，再施工樁頂承臺，因自動扶梯結(jié)構(gòu)區(qū)域回填、夯實(shí)困難，只能采用扶梯結(jié)構(gòu)分段施工進(jìn)行A組料回填、夯實(shí)等。由于回填空間內(nèi)存在自動扶梯、高架層承臺等結(jié)構(gòu)，操作空間狹小，回填壓實(shí)難度較大。且整個施工工序復(fù)雜，樁基、承臺等均存在養(yǎng)護(hù)時間，工期相對較長，不利于結(jié)合部鐵路路基工程的提前介入施工。

3.3 泡沫輕質(zhì)土填筑施工方案

采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行結(jié)合部過渡段基坑處理，可在現(xiàn)場設(shè)置水泥漿攪拌站，料漿采用泵管送至澆筑點(diǎn)的混合泵站處，再通過泵管將泡沫輕質(zhì)土泵送至結(jié)合部過渡段基坑內(nèi)。利用泡沫輕質(zhì)土自流平特性，無需振搗、夯實(shí)及碾壓的特點(diǎn)，杭州東站路基結(jié)合部可采用先將自動扶梯結(jié)構(gòu)施工完成，再做高架層承臺支護(hù)，挖除多余土層，澆搗墊層與鋪設(shè)復(fù)核土工膜，再開始分層分塊澆筑泡沫輕質(zhì)土，最后養(yǎng)護(hù)后鋪設(shè)鍍鋅鋼絲網(wǎng)與上部路基骨料施工。

3.4 方案比選

3.4.1 技術(shù)可行性比較

樁板結(jié)構(gòu)跨越方案工序：坑內(nèi)場地平整（局部回填夯實(shí)）→汽吊將鉆孔灌注樁機(jī)吊入坑內(nèi)→鉆孔灌注樁施工→土方開挖至-11.70 m→清理、鑿樁→鋼筋混凝土承臺施工→分層夯填A(yù)組骨料，并配合扶梯結(jié)構(gòu)分段施工→上部路基施工。該方案存在扶梯結(jié)構(gòu)須與夯填A(yù)組骨料同步施工，造成工序較復(fù)雜，回填夯實(shí)困難。

泡沫輕質(zhì)土填筑方案工序：坑內(nèi)土方開挖至-11.80 m→澆搗100厚混凝土墊層與鋪設(shè)土工布→分層澆搗泡沫輕質(zhì)土→泡沫輕質(zhì)土面層養(yǎng)護(hù)與鋼絲網(wǎng)鋪設(shè)→上部路基施工。該工藝工序簡單，泡沫輕質(zhì)土流動性、可塑性較好，扶梯結(jié)構(gòu)可先行施工，無交叉施工，無需大型設(shè)備進(jìn)場，不存在回填夯實(shí)等難題。

3.4.2 質(zhì)量與安全性比較

樁板結(jié)構(gòu)跨越方案：夯填A(yù)組骨料施工存在盲區(qū)，質(zhì)量控制困難。鉆孔灌注樁樁機(jī)等機(jī)械均采用汽吊吊入坑內(nèi)，在坑內(nèi)組織施工，存在一定的機(jī)械傷害、物體打擊等安全風(fēng)險。

泡沫輕質(zhì)土填筑方案：泡沫輕質(zhì)制備、填筑施工工藝成熟，通過施工前試配試驗與檢驗，可保證實(shí)體質(zhì)量。采用集中制備泵管輸送，傷害性小、安全風(fēng)險低。

3.4.3 工期比較

以結(jié)合部過渡段典型基坑（單個）為例：樁板結(jié)構(gòu)跨越方案施工工期見表1，泡沫輕質(zhì)土填筑方案施工工期見表2。

表1 樁板結(jié)構(gòu)跨越方案施工工期表

表2 泡沫輕質(zhì)土填筑方案施工工期表

3.5 方案綜合比選

通過以上幾個方面的對比，形成綜合分析對比表（見表3）：

表3 研究方案綜合分析對比表

根據(jù)以上對比分析可知，采用泡沫輕質(zhì)土填筑方案更為合理。

4 泡沫輕質(zhì)土填筑施工工藝

4.1 性能要求

根據(jù)《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》（CECS249：2008）的定義，泡沫輕質(zhì)土指采用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥漿（必要時可添加外加劑）按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種新型輕質(zhì)材料。

應(yīng)用于鐵路路基填筑的泡沫輕質(zhì)土有別于民建工程的泡沫混凝土，其性能要求為：①輕質(zhì)高強(qiáng)（容重≤5 kN/m3,抗壓強(qiáng)度≥0.8 MPa）；②自流平、無需推平、振搗、碾壓；③單臺設(shè)備泡沫輕質(zhì)土產(chǎn)能≥90 m3/h，施工連續(xù)澆筑，確保質(zhì)量均勻，安全可靠；④施工裝備實(shí)現(xiàn)發(fā)泡技術(shù)和混合技術(shù)的多步驟、聯(lián)動式自動化控制，實(shí)現(xiàn)了泡沫密度和流量、輕質(zhì)土密度和流量的實(shí)時自動化控制；⑤發(fā)泡劑發(fā)泡倍率≥1200倍，泡沫泌水率≤15%，消泡率≤10%；⑥硬化后可自立，無側(cè)向壓力。

4.2 工藝流程

泡沫輕質(zhì)土總體工藝流程歸納為：三步混合、兩級泵送，分層澆筑，硬化養(yǎng)護(hù)。

第一步：建立水泥漿攪拌站和泵送管道網(wǎng)。

第二步：水泥漿制備（水泥+水→水泥漿）

泡沫制備（水+發(fā)泡→發(fā)泡液+壓縮空氣→泡沫）

泡沫輕質(zhì)土制備（水泥漿+泡沫→泡沫輕質(zhì)土）

第三步：澆筑區(qū)場地準(zhǔn)備（基底開挖→砼墊層澆筑→土工膜鋪設(shè)）

澆筑層澆筑準(zhǔn)備（澆筑模板分層安裝+變形縫分層安裝）

第四步：分層澆筑，硬化養(yǎng)護(hù)。

4.3 重點(diǎn)控制內(nèi)容

4.3.1 原材料選擇方面

①泡沫輕質(zhì)土使用的水泥應(yīng)滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的要求；

②泡沫輕質(zhì)土的發(fā)泡劑性能直接影響泡沫質(zhì)量，進(jìn)而影響泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量。衡量發(fā)泡劑性能的檢驗方法主要有泌水率試驗和消泡試驗，前者表征了泡沫在空氣中的穩(wěn)定性，后者表征了泡沫在水泥漿中的穩(wěn)定性，兩者共同反應(yīng)了發(fā)泡劑的性能。性能優(yōu)良的發(fā)泡劑，其在空氣中和水泥漿中的穩(wěn)定性高，表現(xiàn)為泌水率低、消泡試驗確定的濕密度增加率低。只有低泌水率、濕密度低增加率的發(fā)泡劑，制備的泡沫輕質(zhì)土才有可能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量穩(wěn)定性和均勻性。發(fā)泡劑發(fā)泡倍率≥1200倍，泡沫泌水率≤15%，消泡率≤10%。

4.3.2 機(jī)械設(shè)備方面

泡沫輕質(zhì)土的組分結(jié)構(gòu)特性、制備工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)決定了質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為：如何實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)土密度的穩(wěn)定性和均勻性。

①材料組分結(jié)構(gòu)特性要求輕質(zhì)土密度實(shí)現(xiàn)均勻性和穩(wěn)定性，而發(fā)泡技術(shù)、混合技術(shù)及發(fā)泡劑技術(shù)則在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上對輕質(zhì)土密度的均勻性和穩(wěn)定性起決定作用。

②為確保泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量均勻性及穩(wěn)定性，現(xiàn)場制作、輸送與澆注，應(yīng)采用專用施工設(shè)備，施工裝備需實(shí)現(xiàn)發(fā)泡技術(shù)和混合技術(shù)的多步驟、聯(lián)動式自動化控制，實(shí)現(xiàn)了泡沫密度和流量、輕質(zhì)土密度和流量的實(shí)時自動化控制。發(fā)泡裝置應(yīng)具有發(fā)泡劑自動稀釋功能,水泥漿輸送泵必須為定流量泵，嚴(yán)禁使用柱塞泵或螺桿泵,嚴(yán)禁采用泡沫混凝土或發(fā)泡水泥設(shè)備替代泡沫輕質(zhì)土專用設(shè)備進(jìn)行施工。

4.3.3 澆筑區(qū)澆注層劃分

澆注區(qū)尺寸（不宜大于400 m2），控制單層澆注厚度在0.3 m～1.0 m，并控制單個澆注區(qū)澆注時間在2 h以內(nèi)。

4.4.4 基底要求

基底不能有明顯積水，需清除基底浮土，基底承載應(yīng)≥40 kPa。

5 工藝優(yōu)點(diǎn)分析

泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用，解決了杭州東站特殊狹窄軟基及軟基綜合處理的難題，經(jīng)分析存在以下優(yōu)點(diǎn)：

5.1 施工的便利性

①施工設(shè)備體積小，料漿及輕質(zhì)土輸送采用全管路泵送，不受空間條件制約，機(jī)動性強(qiáng)，可在場地內(nèi)靈活移動；

②施工作業(yè)面小，對交叉施工、并行施工的其它施工作業(yè)基本無干擾，不影響整體施工計劃的實(shí)施，能大幅提高工效；

③可自流平，需推平、振搗、碾壓，解決了復(fù)雜場地條件和狹小空間的填筑的難題。

④泡沫輕質(zhì)7天齡期抗壓強(qiáng)度可達(dá)500 kPa(0.5 t/m2)，養(yǎng)護(hù)期短，有利于后續(xù)施工作業(yè)的開展。

5.2 質(zhì)量的可靠性

①專業(yè)單位的泡沫輕質(zhì)土施工裝備為大產(chǎn)能聯(lián)動式自動化控制，確保泡沫輕質(zhì)土質(zhì)量的均勻性穩(wěn)定性；

②極大降低了路基的工后沉降，經(jīng)設(shè)計院沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，杭州東站路基完成1年后，工后沉降僅為1.5 cm并已趨于穩(wěn)定。

③成型的泡沫輕質(zhì)土可自立，對周邊結(jié)構(gòu)及構(gòu)筑物無側(cè)向壓力，可降低相鄰結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載。

5.3 成本的經(jīng)濟(jì)性

泡沫輕質(zhì)土單層完成澆注10 h后，可開展次層的施工，單日澆注量可達(dá)3 000 m3，工效是常規(guī)填土路基或軟基處理的數(shù)倍，大幅節(jié)省工期，節(jié)約工程成本。

6 需進(jìn)一步改進(jìn)和完善的方面

泡沫輕質(zhì)土有別于普通的泡沫混凝土，其施工專業(yè)性極強(qiáng)，國內(nèi)正真具備這方面施工能力的單位屈指可數(shù)，目前市面上大量生產(chǎn)泡沫混凝土的單位基本不具備鐵路路基填筑的施工水平和能力。簡單來說，在相同水泥用量的情況下，普通泡沫混凝土單位的產(chǎn)品強(qiáng)度只能達(dá)到專業(yè)泡沫輕質(zhì)土單位的60%以下。自然在優(yōu)質(zhì)優(yōu)價的情況下，專業(yè)單位的產(chǎn)品也遠(yuǎn)高于普通泡沫混凝土。因此泡沫輕質(zhì)土的推廣，有必要通過一段時間的試點(diǎn)和試驗，最終制定適合鐵路路基施工的指導(dǎo)性規(guī)范或文件，確定施工工藝和各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立行業(yè)準(zhǔn)入制度，才能避免以劣充好和惡性競爭。

7 結(jié)束語

杭州東站作為應(yīng)用泡沫輕質(zhì)土的鐵路站房項目，以其便利性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，取得了初步成功，在后續(xù)工作中還將繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測和驗證，為更好的在站房或路線的軟基處理、橋頭過渡段填筑、狹小空間填筑、地下結(jié)構(gòu)及地下管線減載、路基加寬、應(yīng)急搶修等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供借鑒。

責(zé)任編輯：宋飛 張建強(qiáng)

來稿時間：2016-08-18