鄭惠文

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氣泡混合輕質(zhì)土在地鐵高填方路基中的應(yīng)用

鄭惠文

（重慶市軌道交通集團有限公司，重慶 400022）

以重慶地鐵涂山車輛段高填方路基工程為例，介紹氣泡混合輕質(zhì)土在用地狹小受限地段的應(yīng)用實例，提出氣泡混合輕質(zhì)土填筑地鐵路基的設(shè)計要點并進行穩(wěn)定性驗算，通過分析肯定了氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性，提出氣泡混合輕質(zhì)土填筑地鐵高填方路基的施工及質(zhì)量控制要求。相對于樁板式擋墻和結(jié)構(gòu)混凝土架空等傳統(tǒng)處理方式，氣泡混合輕質(zhì)土填筑地鐵受限高填方路基具有施工方便、節(jié)約投資、縮短工期的優(yōu)點，且質(zhì)量可控度高。

地鐵；高填方；氣泡混合輕質(zhì)土；穩(wěn)定性；耐久性

氣泡混合輕質(zhì)土是近年發(fā)展起來的一種新型輕質(zhì)材料[1]。 它是用物理發(fā)泡方式，在水泥基漿體中加入一定體積的氣泡群，制備的大量均勻封閉微小氣泡的輕質(zhì)工程材料。氣泡混合輕質(zhì)土具有良好的強度和耐久性，并且輕質(zhì)、便于施工、固化后可直立[2]，在路基填筑、橋涵臺背回填、結(jié)構(gòu)減小荷載等方面有較為廣泛的應(yīng)用[3-5]。鄭濤等[6]以四川省川北地區(qū)廣巴高速公路連接線為工程依托，在復雜地質(zhì)構(gòu)造與環(huán)境條件下，通過采用氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)替代衡重式混凝土支擋物的方法，確保路堤整體穩(wěn)定，減少結(jié)構(gòu)物不均勻沉降，解決放坡征地難、施工不便、軟基處理等諸多技術(shù)難題；潘銳等[7]闡述了輕質(zhì)土作為減荷路基填筑材料的設(shè)計要點和結(jié)構(gòu)處理方法。氣泡混合輕質(zhì)土填筑技術(shù)目前有成熟的施工操作規(guī)程《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》[8]（CJJ/T 177—2012），但該技術(shù)在鐵路、地鐵路基填筑中應(yīng)用較少，需要對其設(shè)計及施工進行總結(jié)。

1 工程概況

重慶地區(qū)山高坡陡，建設(shè)地鐵車輛場，面臨較多的填土工程。重慶軌道環(huán)線涂山車輛段及出入段線工程位于涂山路以東、內(nèi)環(huán)快速路以西的地塊。場地呈狹長型，南北向長約1 600 m，東西向最窄處位于場地中部，寬約95 m。場地原始地貌為構(gòu)造剝蝕淺丘溝谷地貌，現(xiàn)狀地形起伏較大，為兩邊坡夾一沖溝，平場后標高與明渠頂標高仍有10～13 m高差。車輛段平面位置及布置如圖1所示。

2 方案設(shè)計

車輛段中段地勢狹窄，但該區(qū)域布置有鏇輪庫、洗車庫、工程車庫、場區(qū)道路以及數(shù)條連接檢修庫至停車列檢庫的軌道線。為了解決場地狹小施工不便、質(zhì)量不易控制的難題，最大化地增加可使用土地面積，為下方明渠預(yù)留足夠空間，對比樁板擋墻、放坡+架空混凝土平臺等4種方案后，經(jīng)設(shè)計單位推薦和專家評審，決定采用放坡+氣泡混合輕質(zhì)土回填方案（圖中紅色區(qū)域）。圖2為氣泡混合輕質(zhì)土填筑區(qū)的典型剖面圖。

圖1 涂山車輛段平面位置及布置

圖2 氣泡混合輕質(zhì)土填筑區(qū)的典型剖面

Fig.2 Typical profile map of a bubble-mixed light soil filling area

3 計算及驗算

地鐵車輛段路基設(shè)計在用地緊張的情況下，要保證設(shè)計成果科學、合理，滿足安全運營的要求，結(jié)構(gòu)安全無疑是重中之重[9]。根據(jù)公路現(xiàn)行行業(yè)標準《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD 30—2015），按特重、極重交通高速公路路床部位的氣泡混合輕質(zhì)土設(shè)計及驗算[10]。由圖2所示，該填方路基包含兩部分：填筑土石區(qū)1和填筑氣泡混合輕質(zhì)土區(qū)2。

為保證填筑區(qū)1傳遞至氣泡混合輕質(zhì)土區(qū)2的水平力為0，根據(jù)CJJ 177—2012規(guī)程填筑區(qū)域1采用臺階式構(gòu)造設(shè)計。選用級配良好（u≥5，且c=1～3）的砂土或碎石類土做填料回填，并分層強夯處理，制訂專門的地基處理設(shè)計要求。填筑區(qū)2氣泡混合輕質(zhì)土在無外部水平荷載作用情況下，只承受車場地面的豎向荷載，需進行路基填筑體抗壓強度驗算（注：為減少氣泡輕質(zhì)土的垂直壓力以及避免兩個新填筑區(qū)域差異性沉降問題，漩輪庫采用樁基礎(chǔ)，樁基深入穩(wěn)定巖層）。由于氣泡混合輕質(zhì)土填筑體整體設(shè)置于斜坡臺階面上，按CJJ 177—2012規(guī)范應(yīng)進行抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定驗算。

綜上，本次設(shè)計計算及驗算主要有路基填筑體強度驗算，填筑區(qū)1沿與現(xiàn)狀地面的折線滑動驗算，填筑區(qū)2（氣泡混合輕質(zhì)土）抗滑穩(wěn)定驗算和填筑區(qū)2（氣泡混合輕質(zhì)土）抗傾覆穩(wěn)定驗算。

本工程填筑體最大高度=13 m，安全等級為一級，重要性系數(shù)0=1.1，設(shè)計使用年限為50年，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取1.35，CBR=4（按《公路路基設(shè)計規(guī)范》[10]表3.3.1取值），坡頂?shù)缆泛奢d取20 kPa，列車荷載（按《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》附錄A）取60 kPa。下部填土地基及填筑區(qū)1經(jīng)強夯或分層碾壓處理后需滿足要求：地基土承載力≥200 kPa，填土壓縮模量≥12 MPa，壓實度≥94%。填筑區(qū)2設(shè)計容重等級為W8，強度等級CF1.5。無側(cè)限抗壓強度設(shè)計值：f=1.5 MPa。填筑區(qū)1填方邊坡超填1 m，邊坡坡度為1:1.5、1:1.75。

按CJJ 177—2012規(guī)程4.5.5進行填筑路基抗壓強度驗算，W8氣泡混合輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度遠大于填筑體抗壓強度和填筑體自立穩(wěn)定的抗壓強度。按CJJ 177—2012規(guī)程4.5.6進行抗滑動穩(wěn)定性驗算和抗傾覆穩(wěn)定驗算后，安全系數(shù)均符合規(guī)范要求。

4 列車動荷載對氣泡混合輕質(zhì)土耐久性分析

該工程中，地鐵車輛剎車碰撞等作用會對路堤產(chǎn)生較大的沖擊作用[11]，有必要對列車動荷載作用下氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性進行分析。

1）氣泡混合輕質(zhì)土施工后形成封閉微孔的細密結(jié)構(gòu)，可有效地阻止水及其他介質(zhì)的浸入，自身具有良好的耐久性。

2）本次設(shè)計的地面荷載為60+25×1.5=97.5 kPa，氣泡混合輕質(zhì)土無側(cè)限抗壓強度設(shè)計值：f=1.5 MPa，后者約為前者的15倍。

3）動荷載產(chǎn)生的土壓力為其等幅值靜荷載的1.2～1.3倍，且?guī)в姓駝雍蜎_擊作用。氣泡混合輕質(zhì)土承受的動荷載與其強度應(yīng)力比通常小于0.3，根據(jù)疲勞方程，按應(yīng)力比0.3計算，氣泡混合輕質(zhì)土的疲勞壽命可達1021次，可滿足一般工程需要。為更進一步保證氣泡混合輕質(zhì)土的耐久性，按照《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》（TB 10001—2005）6.1.1條，路面以下1.5 m處動應(yīng)力衰減比為0.29[12]。因此，在氣泡混合輕質(zhì)土上部設(shè)置1.5 m厚路面結(jié)構(gòu)層，以減小動荷載帶來的振動和沖擊影響。

4）填筑區(qū)2與填筑區(qū)1的邊坡以臺階形式銜接，設(shè)置垂直錨固件，從構(gòu)造上保證填筑區(qū)的整體性和耐久性。

無論是氣泡混合輕質(zhì)土自身還是構(gòu)造設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計，均能保證氣泡混合輕質(zhì)土的長期性能。

5 填筑體內(nèi)、外排水設(shè)計

涂山車場修建后，地表將形成有組織的排水系統(tǒng)。滲入原地表高程附近的水將采用碎石反濾層收集，通過直徑0.8 m、縱向通長的帶孔混凝土透水管排出車場外。

填筑區(qū)1與氣泡混合輕質(zhì)土填筑區(qū)2交界面的滲水將通過設(shè)置在抗滑臺階上的碎石堆囊收集，再利用預(yù)埋的泄水孔排出填筑體外。同時氣泡混合輕質(zhì)土填筑體2底層鋪填15 cm厚碎石墊層，防止施工過程中雨水對填筑體的不利影響。

6 施工及質(zhì)量要求

1）發(fā)泡劑是制作氣泡混合輕質(zhì)土的關(guān)鍵材料。施工前應(yīng)檢測發(fā)泡劑質(zhì)量指標。發(fā)泡劑每5 000 L檢測1次，主要檢測氣泡群密度及標準氣泡柱靜置1 h的沉降距。此外，每班開工前均應(yīng)檢測氣泡群密度，以保證氣泡的穩(wěn)定性。

2）原材料適應(yīng)性試驗關(guān)系氣泡混合輕質(zhì)土施工的成敗。施工前應(yīng)檢測發(fā)泡劑與水泥、水及其他摻合料的適應(yīng)性。主要檢驗氣泡混合輕質(zhì)土靜置1 h的濕容重增加值是否滿足要求。保證氣泡群與水泥基漿體的相容性。

3）氣泡混合輕質(zhì)土配合比應(yīng)通過嚴格的配合比設(shè)計和試驗確定。根據(jù)CJJ 177—2012規(guī)程按氣泡輕質(zhì)土的容重和強度要求進行原材料組合方案及比例設(shè)計，并通過實驗室配制及濕容重試驗和流動度試驗，確定水泥、水、氣泡群、摻合料的最佳比例。配合比在施工過程中應(yīng)根據(jù)材料和過程檢測情況予以驗證和調(diào)整，保證材料性能滿足設(shè)計要求。

4）為保證工程質(zhì)量，本工程要求選擇有氣泡混合輕質(zhì)土施工經(jīng)驗的施工單位，施工組織設(shè)計應(yīng)經(jīng)過專家論證認可。正式施工前先做試驗段（建議選取30 m），確定以下內(nèi)容：

①對氣泡混合輕質(zhì)土進行容重、抗壓強度、流動度、原材料適應(yīng)性試驗等，檢驗各項指標是否滿足設(shè)計要求；②確定氣泡混合輕質(zhì)土初凝與終凝時間；③確定單次澆筑厚度。根據(jù)凝結(jié)時間，在0.3～0.8 m的范圍內(nèi)，選取一個最合適的單次澆筑厚度；④確定最佳配合比。

5）氣泡群應(yīng)采用發(fā)泡設(shè)備預(yù)先制取，新拌氣泡混合輕質(zhì)土采用配管泵送。氣泡混合輕質(zhì)土在泵送設(shè)備、泵送管道中的停置時間不宜超過1 h。

6）氣泡混合輕質(zhì)土采用分層分塊方式澆筑。單層澆筑厚度按試驗確定的最合適澆筑厚度控制。單個澆注區(qū)澆注層的澆注施工時間不應(yīng)超過水泥漿的初凝時間；上下相鄰兩層澆注間隔時間不宜小于8 h。

7）施工過程中應(yīng)加強氣泡混合輕質(zhì)土質(zhì)量檢驗。同一配合比每澆注100 m3檢驗一次濕容重和流動度，每400 m3取樣檢測一次容重和抗壓強度（類似于水泥砼的取樣檢測方法）。

8）填筑區(qū)2與填筑區(qū)1的邊坡以臺階形式銜接，填筑區(qū)1超填1 m后開挖臺階，臺階開挖坡度與邊坡坡度一致，高度為1 m。在臺階角點處設(shè)置長度為2 m的錨固件，垂直進入基床斜面的垂直距離不小于1 m，同時控制填筑區(qū)2的底面寬度不小于2 m，保證填筑體的整體性和耐久性。

9）填筑體及擋板每10～15 m設(shè)置一道沉降縫，沉降縫采用20～30 mm厚的聚苯乙烯板或10～20 mm厚的夾板。擋板由基礎(chǔ)、面板、拉筋及立柱組成，其中面板和基礎(chǔ)均采用C25砼基礎(chǔ)。

7 結(jié)論

應(yīng)用氣泡混合輕質(zhì)土填筑高填方地鐵路基的設(shè)計方案不僅解決了車輛段工程場地受地形限制造成施工不便的難題，相對于樁板式擋墻和結(jié)構(gòu)混凝土架空等傳統(tǒng)處理方式，氣泡混合輕質(zhì)土填筑高填方路基具有良好的耐久性，工程質(zhì)量可控度高，且減少投資，縮短工期，為同行業(yè)采用類似技術(shù)積累了工程經(jīng)驗。

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（編輯：郝京紅）

Bubble-Mixed Light Soil Applied in a Metro High-Fill Roadbed

ZHENG Huiwen

(Chongqing Rail Transit (Group) Co., Ltd., Chongqing 400022)

With the Chongqing Tu Hill depot high-fill engineering as an example, this article introduces application examples of bubble-mixed light soil in narrow and restricted areas, and proposes the design points of bubble-mixed light soil filling subway subgrade; in addition, its stability was checked. The durability of bubble-mixed light soil was confirmed via an analysis. This paper also proposes construction and quality control requirements of high-fill roadbeds of bubble-mixed light soil. Compared to pile-sheet retaining walls and structural concrete overhead and other traditional treatment methods, bubble-mixed light soil fill for restricted subway high-fill roadbeds has many advantages such as construction convenience, less costs, shortened construction period, and strong quality control.

metro; high fill; bubble mixed light soil; stability; durability

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.017

U231

A

1672-6073(2018)04-0088-04

2017-09-03

2017-10-27

鄭惠文，女，碩士，高級工程師，主要從事地鐵隧道、橋梁、路基等土建工程研究，37968949@qq.com