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(xiàn)，給市政立交工程建設(shè)帶來很大的施工難度[1]。氣泡輕質(zhì)土作為一種新型環(huán)保節(jié)能材料被廣泛應(yīng)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(zhì)土填筑橋臺引道施工技術(shù)進行研究論證，為減少橋臺路基回填，對下方地鐵軌道結(jié)構(gòu)物及其安全運營等方面影響尋找新突破，并總結(jié)施工經(jīng)驗，為以后同類施工提供可靠理論數(shù)據(jù)和經(jīng)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(xué)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(qū)間荷載進行限載要求，新增附加荷載≤20kPa。選擇采用氣泡輕質(zhì)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(xiàn)最大限度保護軌道交通運營的目的。

3 氣泡輕質(zhì)土配合比優(yōu)化研究

綜合考慮氣泡輕質(zhì)土的工程特點以及其技術(shù)指標(biāo)等因素，結(jié)合國內(nèi)外發(fā)泡劑的性能以及工程造價等因素，總結(jié)得到氣泡輕質(zhì)土的配合比是施工質(zhì)量控制的關(guān)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(yīng)力的要求，擬確定在距頂面0m～0.8m 范圍內(nèi)配合比為：水泥364kg/m3，水247kg/m3，氣泡率63.3%；1.0m 以上范圍內(nèi)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(cè)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(zhì)土進行消泡試驗。試驗結(jié)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(qū)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(qū)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(shù)要求。

3.3 配合比強度試驗

通過輕質(zhì)土的施工配合比，制成試件尺寸為10cm×10cm×10cm，并經(jīng)7d 和28d 齡期的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護后，進行室內(nèi)抗壓強度試驗，得到2 組配合比下7d 及28d 齡期無側(cè)限抗壓強度，如表1 所示。

表1 不同配合比抗壓強度試驗結(jié)果

從表1 可以看出，不同區(qū)域配合比條件下，7d 齡期抗壓強度＞0.5 倍的設(shè)計配合比抗壓強度，且28d 齡期抗壓強度大于抗壓強度設(shè)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(zhì)土配合比的設(shè)計與試配試驗，結(jié)合消泡試驗及無側(cè)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(zhì)土施工配合比，具體如表2 所示。

表2 輕質(zhì)土配合比

4 模擬分析

4.1 設(shè)計施工方案

根據(jù)設(shè)計和施工規(guī)范要求，氣泡混合輕質(zhì)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(shè)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(xué)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(xué)路路面結(jié)構(gòu)層，開挖下層素填土，采用氣泡混合輕質(zhì)土進行換填，并在換填后的輕質(zhì)土底部鋪筑30cm 級配碎石墊層。

4.2 模擬計算

根據(jù)依托項目涉地鐵結(jié)構(gòu)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(zhì)土填筑施工對地鐵結(jié)構(gòu)物的影響。考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，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(gòu)區(qū)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(jié)構(gòu)自重、土體豎向自重力等，并將輕質(zhì)土自重和鋼筋網(wǎng)等材料施工荷載考慮為面荷載。根據(jù)設(shè)計文件和勘察報告，本次模擬的計算參數(shù)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(qū)、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(gòu)區(qū)間盾構(gòu)截面位移及應(yīng)力變化規(guī)律（見圖2 和圖3）。

表3 巖土計算參數(shù)表

表4 結(jié)構(gòu)計算參數(shù)表

圖2 位移變形圖（單位：m）

圖3 數(shù)值模擬云圖（單位：m）

根據(jù)模型分析結(jié)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(gòu)區(qū)頂面豎向沉降量最大為4mm，未超過標(biāo)高絕對變化量5mm，填筑后路基頂面沉降為7mm，在合理范圍內(nèi)。由此說明，采用氣泡輕質(zhì)土填筑橋臺及引道路基施工對隧道結(jié)構(gòu)有一定影響，但附加荷載及沉降量均在控制范圍內(nèi)。

5 氣泡輕質(zhì)土現(xiàn)場施工技術(shù)研究

氣泡輕質(zhì)土填筑施工前需提前組織施工設(shè)備進場，并做好安裝、調(diào)試及標(biāo)定工作，對原材料（水泥、發(fā)泡劑等）按試驗規(guī)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(shè)→護壁預(yù)制及安裝→輕質(zhì)土施工（配合比驗證）→輕質(zhì)土分段分層澆筑→…→養(yǎng)護→路基檢查驗收→邊坡及路面結(jié)構(gòu)層施工。

5.1 單次澆筑高度優(yōu)化研究

為監(jiān)測地基附加應(yīng)力及沉降指標(biāo)，對該橋臺臺背路基進行土壓力和沉降監(jiān)測（見圖4），通過對土壓力變化和沉降數(shù)據(jù)分析，為氣泡輕質(zhì)土施工提供指導(dǎo)。

圖4 土壓力盒埋設(shè)位置示意圖

氣泡輕質(zhì)土路基施工應(yīng)采用分段、分區(qū)、全面分層澆筑。為加快施工速度，且盡可能降低基礎(chǔ)不均勻沉降，減小施工對地鐵及周邊結(jié)構(gòu)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(guān)規(guī)定要求氣泡輕質(zhì)土分層澆筑厚度為0.3m～1.0m。試驗段中氣泡輕質(zhì)土分層澆筑厚度分別設(shè)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(jié)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(diào)不規(guī)則遞增變化。曲線前段近似呈線型單調(diào)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(nèi)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(guī)范允許內(nèi)施工，能有效保證施工質(zhì)量。

5.2 地基附加應(yīng)力及沉降變化規(guī)律研究

由于依托項目屬首次使用氣泡輕質(zhì)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(yīng)力及沉降指標(biāo)，對該橋臺臺背路基進行土壓力和沉降監(jiān)測。通過日常的監(jiān)測土壓力盒③得到的土壓力數(shù)據(jù)，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(zhì)土高度的增加而增大，且道路中線位置（雙向盾構(gòu)軌道中間）沉降最大。結(jié)合不同填筑高度沉降變化分析，在填筑高度5.0m 內(nèi)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(yīng)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(guān)系。由于道路坡度影響，路中線位置沉降最大，兩側(cè)沉降較小。地基沉降速率與路堤高度及填筑時間相關(guān)，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(guān)，地基土層厚度越大，沉降量越大。觀測工后沉降可以發(fā)現(xiàn)，氣泡輕質(zhì)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(fā)現(xiàn)，工后沉降不再增大。

6 結(jié)語

綜上所述，通過對氣泡輕質(zhì)土配合比進行試驗驗證，模擬分析得到氣泡輕質(zhì)土施工安全可行的結(jié)果。結(jié)合施工工藝和特點，借助土壓力監(jiān)測和沉降監(jiān)測進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，優(yōu)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(jié)約了施工成本。同時，氣泡輕質(zhì)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(xiàn)澆氣泡輕質(zhì)土的輕質(zhì)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(zhì)土進行地鐵上方路基橋臺換填施工的優(yōu)越性和適用性，對類似工程施工有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。