孫秉毅

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

近年來，隨著北京、上海等各大城市軌道交通網絡的不斷擴展和完善，城市地鐵與城市地面道路線位重疊或相交的現(xiàn)象越發(fā)普遍。地鐵上方荷載的變化會在很大程度上影響地鐵盾構的安全穩(wěn)定。地鐵上方市政道路的建設對地鐵結構安全的影響也得到了地鐵維護保養(yǎng)部門的重點關注。為解決相關問題，在道路設計時通過合理的路基設計減少道路建設前后地鐵上方永久荷載的變化，進而減弱影響地鐵結構安全的影響因素已經成為必然趨勢。在道路路基設計時，利用輕型材料對道路下方土基進行材料換填，使地鐵上方永久荷載不變化和少變化，進而減輕或消除道路建設前后對地鐵結構安全的影響，從而保障地鐵結構安全已經成為一種普遍共識。應用于地鐵上方路基填料的輕質材料以泡沫混凝土為主，但是泡沫混凝土的吸水容重變化過大，其作為地鐵上方道路路基材料的可靠性已嚴重降低。

1 項目背景

1.1 項目概況

哥白尼路（軍民路~沔北路）位于浦東新區(qū)張江高科科技園南園。工程范圍北起規(guī)劃軍民路交叉口北側，南至規(guī)劃沔北路，道路全長約1.15km。道路等級為城市次干路，道路紅線寬32m，設計速度40km/h。

由于規(guī)劃申通地鐵21號線在哥白尼路工程區(qū)間與道路平面線位基本重合，且地鐵設計將在哥白尼路建設前完成相關設計。根據申通維護保養(yǎng)單位的相關要求，為使地鐵設計相關前置因素不變化或者少變化，確保地鐵結構安全，考慮通過輕質材料路基換填的方案進行路基設計。

1.2 地鐵要求

根據《地鐵設計規(guī)范》（GB50157—2013）中作用在地下結構上荷載的相關要求，盾構結構上覆土荷載是永久荷載中的土層壓力荷載，其數(shù)值是根據現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》（GB5009）等的有關規(guī)定，并根據施工和使用階段可能發(fā)生的變化，按照可能出現(xiàn)的最不利情況確定的荷載組合情況。當?shù)罔F建設前后覆土荷載出現(xiàn)變化時，盾構隧道往往會出現(xiàn)不均勻豎向沉降，并有可能因附加荷載引起的剪應力過大導致管片間的連接螺栓產生剪切破壞，發(fā)生剪切錯臺變形。所以，控制地鐵上方土層荷載的變化對地鐵結構安全的維護就顯得尤為重要。

結合地鐵維保單位相關要求，為保障地鐵結構安全，本工程建設前后，地鐵上方填土荷載不應發(fā)生明顯變化，且應盡可能使道路建設前后地鐵結構上方填土荷載保持平衡。

2 輕質材料分析

為減少道路建設前后地鐵結構上方荷載的明顯變化造成地鐵結構不均勻沉降和變形，通常利用輕質材料對新建道路路基換填，以達到少增加或不增加地鐵結構上方荷載的目的。

輕質材料作為一種輕質填土材料，與普通土材料相比，容重小、材料特性好。由于輕質路基材料的優(yōu)良特性，其正越來越多地被應用于道路工程建設中。輕質材料種類繁多，應用于道路的輕質材料按照容重的大小通?？梢苑譃闇瘦p質材料、輕質材料和超輕質材料三大類。

準輕質材料以粉煤灰輕質土為代表，容重一般為12~16kN/m3。其主要特點為：（1）具有自硬性，強度高，壓縮性好。（2）利用廢棄材料，節(jié)能環(huán)保。（3）與普通路基材料一樣需要進行碾壓施工，且粉煤灰壓實后塑性差，類似粉土的特性。（4）減重效果不明顯。（5）容易受水的沖刷。

輕質材料以氣泡混凝土等輕質材料為代表，通過氣泡機的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經過發(fā)泡機的泵送系統(tǒng)進行施工或成型，經自然養(yǎng)護所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質材料。其孔結構特性的特點使其材料容重較低，一般干體積密度為300~1600kg/m3。材料主要性能有：輕質性、熱工性能好、隔熱防火性能好、低彈減震性、抗壓性、耐久性、施工速度快、環(huán)保性、經濟性。雖然氣泡混凝土材料有一定的耐水性，但研究表明，氣泡混凝土長期在浸水條件下吸水率仍然不低，這在一定程度上降低了其作為輕質材料的適用價值。

超輕質材料是指密度遠低于一般填筑材料的輕質填筑材料，以聚苯乙烯泡沫（expandedpolystyren，EPS）為代表。作為超低密度材料，EPS的密度由成形階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數(shù)決定，一般介于10~45㎏/m3之間。作為工程中使用的EPS，表觀密度一般在15~35㎏/m3。目前在道路工程中用作輕質填料的EPS密度為普通道路填料的1%~2%[1]。目前EPS在道路工程中的主要應用方向有鋪設EPS隔熱層、防治路基凍害，作為路肩填筑材料減小路基沉降、防止或處治路基失穩(wěn)，作為橋頭填筑材料防止橋頭跳車、減小橋臺的側向位移，修建直立式路堤，減小對地下或鄰近建筑物的影響。EPS由于其優(yōu)良的工程特性，越來越多地被應用在特殊工程建設中。但其作為非降解材料，工程建設的環(huán)保性應該被重視起來，尚待一種環(huán)保材料替代EPS在工程建設中的作用。

3 等載換填設計及計算

3.1 換填設計

為減少地鐵結構上方荷載變化，道路設計采用等載換填的處理方法，使道路建設前后地下結構上方荷載基本保持不變。

本工程根據輕質材料特性及地鐵維保單位的相關要求，采用EPS塊體對道路路基進行材料換填。建設后，路基及路面結構荷載基本等于挖土換填荷載。荷載換填效果如下：

式中：N面為設計路基以上結構荷載；N基為設計換填路基荷載；N換填土為設計挖土換填荷載。

根據《公路路基施工技術規(guī)范》《公路路基設計規(guī)范》對EPS施工及設計的相關要求，結合本次道路的相關設計標準，本工程機動車道路面結構及路基換填形式如下：4cm瀝青馬蹄脂碎石（SMA-13，SBS改性）+8cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）+0.6cm稀漿封層+35cm水泥穩(wěn)定碎石+15cm礫石砂+防滲土工布+15~35cm單層鋼筋混凝土（含泡沫土頂面找平層）+EPS換填（換填深度根據設計標高計算得出）+透水土工布+20cm砂礫墊層（見圖1）。由于市政道路管線多布置于機動車道以外道路兩側范圍內，為保障除布設于機動車道下方的給排水管以外的管線敷設方案，本工程對機動車道以外路基采用泡沫混凝土換填的方式進行路基處理。

圖1 路基換填示意圖

3.2 換填計算

根據等載換填原理，設計路面結構荷載+鋼筋混凝土荷載+EPS荷載+礫石砂荷載等于原地面至設計礫石砂底標高處的挖土荷載。由于路面結構、路面設計高程及EPS換填已經明確，僅需通過計算EPS換填厚度就可換算得出各材料設計高程。

結合設計情況，總結計算流程如下：

（1）為方便計算和結果驗證，對各設計高程和厚度參數(shù)進行編號，具體編號及說明如下：

h路面為路面結構厚度為，取0.676m；

h鋼筋混凝土為鋼筋混凝土板計算厚度（含調平層），即鋼筋混凝土板平均厚度，取值最小厚度0.1m和最大厚度（0.1+18×0.5×0.02=0.28）m的中間值0.19；

h填EPS為EPS填筑厚度，即設計路面高程減去路面結構厚度和EPS上鋼筋混凝土板厚度后的高程與地面線高程的差，可通過已有數(shù)據判別得出；

h換EPS為EPS換填原狀土的厚度；

h礫石砂為EPS底礫石砂墊層厚度，取0.3m；

h土為原狀土挖除厚度；

H地面為原地面高程，采用測量數(shù)據；

H設計為設計路面高程，采用縱斷面設計數(shù)據；

H混凝土底為設計鋼筋混凝土板底面高程，H混凝土底=H設計－h(huán)路面為h鋼筋混凝土max，h鋼筋混凝土max=0.28m；

HEPS底為設計EPS底面高程；

H砂底為設計礫石砂底面高程，即挖土換填底標高。

（2）明確在不同設計地面高程下需要特定判斷計算的數(shù)值和參數(shù)。經試驗總結得，當填高小于一定值時，h填EPS不存在；當填高大于一定值時，h填EPS存在。并可通過相應參數(shù)計算得出；可以通過判別計算方法對相關參數(shù)判別后計算h填EPS。當H設計-h路面-h鋼筋混凝土不大于H地面時，h填EPS為0。當H設計-h路面-h鋼筋混凝土大于H地面時，h填EPS=H設計-h路面-h鋼筋混凝土-H地面。此處進行表格計算時采用IF命令判斷計算（見圖2）。

圖2 材料厚度及設計高程示意圖

（3）根據相關材料要求及規(guī)范，調查統(tǒng)計材料容重參數(shù)如下：

γ土=17kN/m3

γ路面=24kN/m3

γ鋼筋混凝土=25kN/m3

γEPS=0.3kN/m3

γ礫石砂=21kN/m3

根據路面結構設計及換填設計，等效荷載計算公式如下：

N路面+N鋼筋混凝土+N填EPS+N換EPS+N礫石=N換填土（2）式中：N路面為設計路面結構荷載；N鋼筋混凝土為設計鋼筋混凝土板計算荷載；N填EPS為EPS填筑荷載；N換EPS為EPS換填原狀土的荷載；N礫石為礫石砂墊層荷載；N換填土為挖除原狀土的荷載。

代入各材料厚度和高程參數(shù)如下：

由h換EPS可以得出各材料層相應高程和厚度數(shù)據，進而可通過斷面法統(tǒng)計路基工程量數(shù)據。

通過計算得出本項目路基EPS最大厚度為1.45m，最小厚度為0.61m；車行道下實際挖深最大為1.62m，最小為1.6m。這說明在縱斷面變化不大的情況下，由于EPS容重很小，導致采用EPS輕質材料進行等載換填時，路基挖土深度差異較小，有利于道路路基施工和等載效果保證。

3.3 穩(wěn)定性驗算

根據相關規(guī)范規(guī)程的規(guī)定，輕質材料填筑區(qū)位于地下水位以下或受到洪水淹沒時，應根據式（6）進行抗浮穩(wěn)定性驗算。根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》的相關要求，抗浮安全系數(shù)一般取1.05。參照《公路路基設計規(guī)范》，本項目按照路堤抗浮安全系數(shù)不小于1.2考慮計算。

式中：Ff為抗浮穩(wěn)定系數(shù)；γi為各層材料的重度，kN/m3；hi為各層材料的厚度，m；γw為水的重度，kN/m3；hjw為路堤浸水的深度，m。

總結計算流程如下：

（1）根據等載換填計算得出的HEPS底數(shù)值判斷斷面是否處于項目區(qū)域地下水位以下，如果在地下水位以下，則進行抗浮穩(wěn)定性計算；如果不在地下水位以下，則不進行抗浮穩(wěn)定性計算。

（2）計算輕質路堤浸水深度和水位線以上材料厚度。

（3）通過式（6）進行穩(wěn)定性驗算，通過計算得知本項目抗浮穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.55，滿足抗浮穩(wěn)定性的相關要求。這說明EPS路基換填技術在本項目是合理可行的，不需采用特殊的抗浮穩(wěn)定性處理措施。

4 施工要點

EPS塊體施工時應盡量減少場地堆放，并采取防火防風等材料保護措施，EPS塊體下礫石砂墊層寬度應超過路基邊緣0.5~1m。EPS現(xiàn)場施工時，非標準尺寸應在車間電熱絲切割加工完成后再運輸至施工現(xiàn)場，且EPS塊體鋪砌應錯縫鋪設，塊體之間應設置爪件連接并保證連接質量。EPS頂面鋼筋混凝土板或土工材料應覆蓋全部塊體材料，并向外延伸0.5~1.0m。

5 結 語

隨著城市地鐵不斷建設、地鐵周邊地塊或交通設施的不斷開發(fā)，當前影響地鐵結構變形的因素愈加復雜[2]，地鐵上方、改建道路對地鐵結構安全的影響也不斷放大。通過使用EPS材料路基換填，降低地鐵結構上方荷載變化，可以有效減輕對地鐵結構變形的影響。只是當前相關規(guī)范等對相關設計或施工要求較寬泛，相關細節(jié)仍待進一步深化，并增加對相關項目的研究總結工作。