高速铁路泡沫轻质土路基施工关键控制技术

李 斯，姚建平，庞 帅，程冠之，熊亚军

(1.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081； 3.北京铁科特种工程技术开发公司，北京 100081)

2017年底，我国铁路营业里程达到12.7万km，其中高速铁路2.5万km，中西部地区(含东三省)铁路营业里程达9.7万km。目前，我国高速铁路已基本形成“八纵八横”的路网结构。随着路网规模的不断扩大，新线接入既有高速铁路所需的路基帮宽工程逐渐增多，线路沉降和变形难以控制。常规填土工法会大幅提高路基荷载，并会对路基产生竖向荷载和侧向压力，造成铁路路段差异沉降[1]。

泡沫轻质土具有多孔性、轻质性、密度和强度可调节性、耐久性、施工无扰动、自密实、固化后可自立等优良特性[2]。高速铁路泡沫轻质土路基是指“将现场制备的泡沫轻质土浇筑到高速铁路路基中充当全部或部分路基填料，并满足高速铁路路基材料性能、结构形式、受力特征、耐久性指标”的新型、轻质、高强铁路路基，可用于解决高速铁路路基帮宽工程和过渡段、软土地基、陡坡路段等的沉降变形控制难题。

我国对泡沫轻质土的材料性能和工程应用进行了研究。文献[3]研究了水胶比、湿密度、减水剂等不同制备参数对泡沫轻质土工作性能和力学性能的影响。文献[4-5]研究了玻璃纤维和聚丙烯纤维对泡沫轻质土力学性能的改良作用。文献[6-7]研究了泡沫轻质土在不同环境下的耐久性能。文献[8-9]针对高速铁路路基帮宽和软基处理工程开展了研究和应用。目前，对泡沫轻质土的材料性能和改良方法的研究比较深入，但对通过施工过程确保泡沫轻质土浇筑品质的研究相对薄弱。鉴于此，本文通过分析泡沫轻质土强度形成机理，提出控制指标，并结合工程案例探讨施工关键参数的控制。

1 泡沫轻质土强度形成机理

泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。泡沫轻质土经物理化学作用硬化形成其作为轻质路基材料的服役强度，轻质土强度形成主要分为初始阶段(Ⅰ)、反应阶段(Ⅱ)、硬化阶段(Ⅲ)3个过程，强度形成曲线如图1所示[10]。

图1 泡沫轻质土强度形成曲线

1.1 初始阶段

液膜外表面排列着表面活性剂分子，部分凝胶材料颗粒被吸附到液膜表面形成包裹层，部分凝胶材料颗粒散布在气泡间隙的浆液中。重力排液、表面张力排液、泡内气体扩散排液3种作用互相叠加，使气泡上部、相邻气泡结合部的液膜逐渐变薄，小气泡内的气体向大气泡扩散。为保证泡沫轻质土的稳定性，需提高泡沫的稳定性，降低泡沫泌水率，保证气泡泡径小而均匀。

1.2 反应阶段

在该过程中，泡沫轻质土多相体系的稳定性从早期由液膜支撑逐渐过渡由水化凝胶材料骨架支撑。其间，浆体水化反应不断进行并产生大量水化热，体系中部分水以蒸汽的形式排出轻质土结构体外，同时带走大部分热量。液膜全部破坏，轻质土的强度全部由凝胶提供。

气泡液膜逐渐失水并被水化凝胶层取代的固泡过程和凝胶材料吸收浆体中的水分进行水化反应形成凝胶的稠化过程同时发生。为保证泡沫轻质土良好的孔隙结构，避免发生“塌模”，需延长泡沫稳定时间，提高稠化速度，并减少水化放热。

1.3 硬化阶段

在泡沫轻质土硬化早期，其强度尚不能满足大型机械的碾压和振动，故须避免大型机械对硬化早期轻质土孔隙结构的损伤。同时做好泡沫轻质土的防水封闭措施，减弱水导致的泡沫轻质土的长期服役性能的劣化。

2 泡沫轻质土路基控制标准与要求

2.1 结构设计原则

路基主体工程应按土工结构物进行设计，设计使用年限应为100年。路基基床结构的刚度应满足将列车运行时产生的弹性变形控制在一定范围内的要求；其强度应能承受列车荷载的长期作用；其厚度应使扩散到其底层面上的动应力不超过基床底层土的长期承载力。

2.2 工后沉降控制标准

路基工后沉降值应控制在允许范围内，并进行系统的沉降观测。

无砟轨道路基工后沉降应符合线路平顺性、结构稳定性和扣件调整能力的要求。工后沉降不宜超过15 mm；沉降比较均匀并且调整轨面高程后竖曲线半径Rsh≥0.4V2(V为设计最高速度)时，允许的工后沉降为30 mm。路基与桥梁、隧道或横向结构物交界处的工后差异沉降不应大于5 mm，不均匀沉降造成的折角不应大于1/1 000。

有砟轨道正线路基工后沉降应符合表1的规定。

表1 路基工后沉降控制标准

2.3 强度与密度要求

路基是轨道的基础，同时承受动、静荷载作用。静荷载主要指路基上部轨道结构和附属构筑物作用于路基的荷载，轨道、列车和填土作用于地基的荷载。动荷载为列车通过轨道结构传递并作用于路基面的循环荷载。随着运行速度的提高，列车动荷载也随之增大。路基的上部受动力作用强烈的部分为基床。泡沫轻质土路基作为轨道基础的土工结构物，必须能够承受路基荷载作用及其他各种环境因素的作用并保持其设计寿命内的正常使用。

铁路路基(路堤结构形式)由基床表层、基床底层和路基本体(基床以下路堤)构成，其中基床表层厚度无砟轨道为0.4 m，有砟轨道为0.7 m，基床底层厚度为2.3 m。依据工程地质环境的最大土壤冻结深度和路基不同层位，泡沫轻质土路基强度和密度建议值见表2 和表3。

表2 非冻融环境泡沫轻质土路基强度及密度建议值

表3 冻融环境泡沫轻质土路基强度及密度建议值

2.4 耐久性指标

泡沫轻质土路基受到的长期作用主要包括荷载作用和环境作用。依据列车运行荷载、工程地质条件、气候环境等，对泡沫轻质土耐久性指标进行必要设计，以满足泡沫轻质土路基的长期服役性能。材料耐久性评价指标见表4。

表4 材料耐久性评价指标

3 泡沫轻质土施工关键参数控制

结合一高速铁路路基帮填泡沫轻质土工程施工案例，对泡沫轻质土的施工关键参数进行控制，以确保泡沫轻质土检验品质。

3.1 水泥比表面积

泡沫轻质土原材料进场后，须对其水泥比表面积进行检验，TB/T 3275—2011《铁路混凝土》中要求水泥的比表面积为300～350 m2/kg。水泥比表面积低于300 m2/kg时水化反应活性较低[11]；高于350 m2/kg时拌和同样流值的轻质土用水量增加，在轻质土强度形成的第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段都会因为轻质土含水量过高造成不同程度的泌水现象，严重者造成泌水通道层或者泌水薄弱夹层(图2)，劣化轻质土的结构性能和受力性能。

图2 严重泌水现象

3.2 工艺性试验

泡沫轻质土施工前，应依据设计要求开展配合比试验，配合比试验选取施工用水泥、水、发泡剂、纤维、粉煤灰等，确定轻质土湿密度、流值、7 d和28 d无侧限抗压强度、湿密度增加率、标准沉陷率、设计耐久性指标。

配合比试验完成后，仍须在现场浇筑区完成浇筑工艺性试验(图3)，消除现场大尺寸轻质土与实验室试验样品的误差，确定现场施工用配合比、原材料浇筑性能、浇筑层厚、浇筑时间间隔等施工工艺参数。

图3 现场工艺性试验

3.3 水化热控制

在轻质土强度形成的反应阶段，主要是水泥水化硬化形成轻质土骨架结构。在该过程中若水化热释放过快，则影响气泡稳定性，加快液膜失水，加速气泡破裂，最终导致“塌模”质量事故；若水化热释放过慢，则影响轻质土早期强度形成，延长第Ⅱ阶段持续时间，使得分层浇筑时间间隔延长，浪费工期。

为保证泡沫轻质土浇筑质量，可采取以下措施：①采用高稳定性发泡剂，生产泡径小而均匀的气泡，降低泡沫的温度敏感性，使其在强烈的水化反应下仍保持良好的稳定性；②掺加适量的粉煤灰，依据环境情况和水泥成分适当调整水化反应剧烈程度，粉煤灰的掺量宜在0～30%。

3.4 支模分隔工艺

传统的大体积泡沫轻质土浇筑采用支木模分区浇筑，奇数区硬化后拆模浇筑偶数区，待偶数区硬化后重新对奇数区支模浇筑，无法实现连续式快速施工，导致分层浇筑时间间隔延长，浪费工期。通过砌筑加气混凝土块快速分区浇筑轻质土(图4)，可实现连续式快速浇筑施工，缩短浇筑时间间隔40%左右。

图4 连续式快速分区施工工艺

加气混凝土块与泡沫轻质土材料、结构、受力性能类似，具有生产工艺成熟、价格相对较低、施工便捷等优点，可作为泡沫轻质土浇筑中木模分区替代工艺实现连续式快速分区浇筑施工。

4 结论

1)揭示了泡沫轻质土3阶段的强度形成机理，为泡沫轻质土施工控制提供理论依据。

2)提出了轻质土路基从结构、工后沉降、强度与密度、耐久性指标等方面的具体要求。

3)结合案例，对水泥比表面积、工艺性试验、水化热控制、支模分区工艺等泡沫轻质土施工关键参数进行控制，为类似工程提供参考。