地铁上方气泡轻质土填筑路基施工技术研究

刘鹏，李祥祥，王文清，李剑锋，赵云奎，李利

（中交隧道工程局有限公司华南分公司，广州510000）

1 引言

随着道路车流量的不断增加，由于路基不均匀沉陷、桥头通道下沉、错台等引起路面破裂的问题不断出现，给市政立交工程建设带来很大的施工难度[1]。气泡轻质土作为一种新型环保节能材料被广泛应用于软土路基施工，能进行软基处理，有效控制路面沉降和工后沉降，解决台背填筑桥头跳车等问题[2，3]。

依托地铁上方施工的南宁市清川立交工程，通过对气泡轻质土填筑桥台引道施工技术进行研究论证，为减少桥台路基回填，对下方地铁轨道结构物及其安全运营等方面影响寻找新突破，并总结施工经验，为以后同类施工提供可靠理论数据和经验。

2 工程概况

依托项目为南宁市清川立交工程，其包含的大学路方向跨线桥轴线与轨道交通轴线重合，跨线桥梁引道及立交范围下层辅道填方路基段正下方为地铁轨道1 号线，地铁轨道对上方区间荷载进行限载要求，新增附加荷载≤20kPa。选择采用气泡轻质土换填主线桥桥台及引道下铺层路基段，减少回填造成附加荷载超载问题，从而满足地铁上方附加荷载要求，并实现最大限度保护轨道交通运营的目的。

3 气泡轻质土配合比优化研究

综合考虑气泡轻质土的工程特点以及其技术指标等因素，结合国内外发泡剂的性能以及工程造价等因素，总结得到气泡轻质土的配合比是施工质量控制的关键。

3.1 配合比试配与试验

为满足地铁上方地基承载力和附加应力的要求，拟确定在距顶面0m～0.8m 范围内配合比为：水泥364kg/m3，水247kg/m3，气泡率63.3%；1.0m 以上范围内配合比为：水泥333kg/m3，水227kg/m3，气泡率66.4%。试配后进行消泡试验和无侧限抗压强度试验。

3.2 消泡试验

对采用PC42.5 水泥拌制的气泡轻质土进行消泡试验。试验结果如图1 所示。

图1 消泡试验曲线图

从图1 消泡试验变化曲线可以看出，湿密度随时间的推移不断增大。对于距顶面≤0.8m 填筑区域，湿密度630kg/m3试件初始实测湿密度为631kg/m3，最终测得湿密度为642kg/m3，湿密度增加率为1.90%，流值为173mm；对于距顶面＞0.8m 填筑区域，密度580kg/m3试件初始实测湿密度为581kg/m3，随着时间的推移，最终实测湿密度为591kg/m3，湿密度增加率为1.72%，此时流值为177mm。通过消泡试验得到湿密度增加率＜10%，配合比满足施工技术要求。

3.3 配合比强度试验

通过轻质土的施工配合比，制成试件尺寸为10cm×10cm×10cm，并经7d 和28d 龄期的标准养护室中养护后，进行室内抗压强度试验，得到2 组配合比下7d 及28d 龄期无侧限抗压强度，如表1 所示。

表1 不同配合比抗压强度试验结果

从表1 可以看出，不同区域配合比条件下，7d 龄期抗压强度＞0.5 倍的设计配合比抗压强度，且28d 龄期抗压强度大于抗压强度设计值，故上述配合比满足施工要求，可作为施工配合比。

通过对轻质土配合比的设计与试配试验，结合消泡试验及无侧限抗压强度试验论证分析，最终确定了南宁市清川立交工程桥台及引道路基填筑的气泡轻质土施工配合比，具体如表2 所示。

表2 轻质土配合比

4 模拟分析

4.1 设计施工方案

根据设计和施工规范要求，气泡混合轻质土填筑施工采用分块分段、台阶法方式进行。顶部每高差15cm 划分台阶，引道按5m 分段，分段处设置沉降缝，填缝料采用聚苯乙烯板；分层浇筑厚度控制在0.3m～1.0m，换填处理长度为20m，处理层厚最大为桥台与路基连接处。由于大学路换填段正下方为南宁地铁轨道1 号线正上方，临近桥台处引道高度不断增加，需破除原大学路路面结构层，开挖下层素填土，采用气泡混合轻质土进行换填，并在换填后的轻质土底部铺筑30cm 级配碎石垫层。

4.2 模拟计算

根据依托项目涉地铁结构工程特征，利用COMSOL Multiphysics 仿真软件建立模型，分析桥台路基段气泡轻质土填筑施工对地铁结构物的影响。考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，本模拟中模型长100m、宽30m，自盾构区底面以下5m 厚的土体作为考察范围进行分析研究。地层模型采用大变形理论，计算荷载考虑既有、结构自重、土体竖向自重力等，并将轻质土自重和钢筋网等材料施工荷载考虑为面荷载。根据设计文件和勘察报告，本次模拟的计算参数如表3 和表4 所示。

由于施工时桥台及引道存在一定纵坡，填筑断面为变截面，因此施工时分区、分块进行填筑。因此，选取填筑高度最高的桥台填筑部位断面，分析地铁盾构区间盾构截面位移及应力变化规律（见图2 和图3）。

表3 岩土计算参数表

表4 结构计算参数表

图2 位移变形图（单位：m）

图3 数值模拟云图（单位：m）

根据模型分析结果可以得出，最终桥台所在填筑最高部位上覆荷载为19.6kPa，满足地铁上覆荷载限值要求，且盾构区顶面竖向沉降量最大为4mm，未超过标高绝对变化量5mm，填筑后路基顶面沉降为7mm，在合理范围内。由此说明，采用气泡轻质土填筑桥台及引道路基施工对隧道结构有一定影响，但附加荷载及沉降量均在控制范围内。

5 气泡轻质土现场施工技术研究

气泡轻质土填筑施工前需提前组织施工设备进场，并做好安装、调试及标定工作，对原材料（水泥、发泡剂等）按试验规定方法进行检测，做好基坑防排水施工，避免基地长期被水浸泡。具体施工步骤如下：测量放样→下铺基地碎石垫层→防渗土工膜铺设→护壁预制及安装→轻质土施工（配合比验证）→轻质土分段分层浇筑→…→养护→路基检查验收→边坡及路面结构层施工。

5.1 单次浇筑高度优化研究

为监测地基附加应力及沉降指标，对该桥台台背路基进行土压力和沉降监测（见图4），通过对土压力变化和沉降数据分析，为气泡轻质土施工提供指导。

图4 土压力盒埋设位置示意图

气泡轻质土路基施工应采用分段、分区、全面分层浇筑。为加快施工速度，且尽可能降低基础不均匀沉降，减小施工对地铁及周边结构物的不良影响，借助试验段沉降观测，对单次浇筑高度进行了研究。相关规定要求气泡轻质土分层浇筑厚度为0.3m～1.0m。试验段中气泡轻质土分层浇筑厚度分别设定为0.3m、0.5m、0.7m、0.9m 和1.0m，每天同一时间对路中进行沉降观测检测，结果绘制高度沉降曲线见图5。

图5 填筑高度-沉降曲线图

由图5 曲线可以看出，沉降变化呈单调不规则递增变化。曲线前段近似呈线型单调递增趋势，在0.9m 填筑高度时曲线突然变陡。通过分析得到，在填筑高度为0.9m 以内时，沉降较小，且呈线型增大，但随着深度的增大，沉降不断增大，曲线变陡。因此，从上述曲线分析得到单次最佳填筑高度为0.9m，此时提高施工效率，同时在规范允许内施工，能有效保证施工质量。

5.2 地基附加应力及沉降变化规律研究

由于依托项目属首次使用气泡轻质土材料在地铁上面进行桥头台背路基填筑施工，为检测地基附加应力及沉降指标，对该桥台台背路基进行土压力和沉降监测。通过日常的监测土压力盒③得到的土压力数据，并绘制土压力和沉降变化曲线（见图6 和图7）。

图6 土压力随填筑高度的变化曲线图

图7 各点总沉降量随时间变化曲线图

从图6 可以看出，土体沉降随填筑高度气泡轻质土高度的增加而增大，且道路中线位置（双向盾构轨道中间）沉降最大。结合不同填筑高度沉降变化分析，在填筑高度5.0m 内时，土压力变化并不显著，但随着填筑高度的增加，土压力增长率开始变大，后逐渐减小，在填筑的路基荷载下，地基土压力较小，其附加应力也很小，满足施工要求。

从图7 可以得到，地基沉降随路堤填筑高度的增加而增加，地基沉降量与路堤填筑高度近似呈线性关系。由于道路坡度影响，路中线位置沉降最大，两侧沉降较小。地基沉降速率与路堤高度及填筑时间相关，随着路堤高度及填筑时间的增加，沉降速率减小。沉降的大小与线路中心地基土层厚度相关，地基土层厚度越大，沉降量越大。观测工后沉降可以发现，气泡轻质土浇筑施工完成后，路基仍有局部沉降，但变化较小，通过一个月沉降观测发现，工后沉降不再增大。

6 结语

综上所述，通过对气泡轻质土配合比进行试验验证，模拟分析得到气泡轻质土施工安全可行的结果。结合施工工艺和特点，借助土压力监测和沉降监测进行数据统计和分析，优化了单次填筑施工高度，有效提高了施工效率，并在一定程度上节约了施工成本。同时，气泡轻质土在地铁上方桥台及引道路基回填施工中也说明了利用现浇气泡轻质土的轻质性，可有效降低工后沉降和桥头跳车问题，得到采用气泡轻质土进行地铁上方路基桥台换填施工的优越性和适用性，对类似工程施工有一定的借鉴和指导意义。