公路轻质混凝土在地铁站厚覆土中的应用研究

王 姝

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

1 概述

随着城镇建设规模的进一步扩大，中心城区改造和新区建设工程越来越多，连接区县的路网越发密集、纵横交错；高密度中心城区的发展遇到土地资源和基础设施等方面制约，多种市政项目之间更是呈立体化发展，市政道路、基础设施结合建设情况逐渐增多，如何做到相互影响小、总体投资经济合理、施工高效快捷，是目前急需研究解决的问题。

泡沫混凝土具有质轻高强、低弹减震、耐火防水等特点被广泛应用于市政工程。现浇泡沫混凝土广泛应用于公路扩建、高铁路基、桥梁减跨、治理桥头跳车、地下结构减载等土建项目中[1]。

目前国内在长春、天津、杭州、广州等市均有类似工程案例。如长春市城市生态湿地公园长岛隧道工程，隧道桥桥台后填土高达22 m，产生的沉降量很大，导致路面不平顺、桥头跳车，采用泡沫混凝土解决桥台厚回填问题。天津西站南广场公交车场占压地铁站，且规划路面标高抬高，车站上方增加覆土2 m多。为满足既有地铁站结构设计要求，采用现浇泡沫轻质(混凝)土替换填土[2]。广梧高速公路高峰桥桥台处部分桥台背采用7 kN/m3～8 kN/m3泡沫混凝土填充，减少地基处理量，加快施工速度。浙江S75省道南延椒江段南岸桥头软基处理，由于桥头填土平均3 m左右，为避免工后沉降大造成桥头严重跳车，影响行车安全，变更为水泥搅拌桩+泡沫混凝土。

本文对一地下车站顶板覆土兼做引桥路基工程的回填方案进行探讨，对采用泡沫混凝土回填的技术进行研究。为市政工程叠合建设，实现集约化、一体化的设计和施工提供思路。

2 项目概况

2.1 车站工况概况

苏州市轨道交通7号线林家潭路站，位于林家潭路与通达路交叉口，沿通达路呈南北向敷设，车站位于郭巷大桥引桥下方。林家潭路站为岛式站台车站，车站外包总长220.60 m，标准段结构外包宽19.70 m，有效站台中心里程处底板埋深约为16.751 m；端头井结构外包宽均为24.4 m，小里程端头井底板埋深约为22.8 m～23.21 m，顶板覆土深度约为6.23 m～6.61 m；大里程端头井底板埋深约为20.27 m～20.42 m，顶板覆土深度约为3.92 m～4.07 m。主体结构为地下2层单柱双跨矩形框架结构。

车站小里程纵断面图见图1。

2.2 引桥工况概况

通达路郭巷大桥改造工程是对既有通达路郭巷大桥段进行改建，项目全长914 m，主线标准横断面宽40 m，南北向双向六车道，设计为城市主干路，辅道为双向两车道，总宽57 m。主要建设内容为拆除现状郭巷大桥，新建1座长374.1 m，宽40 m的跨苏申外港线三级航道桥及4座配套梯道桥；设计速度：50 km/h；汽车荷载等级：城-A级；桥梁结构安全等级均为一级，结构重要性系数γo=1.1；环境类别为Ⅱ类；设计暴雨重现期：地面道路及周边地块采用3 a；路面及桥面径流采用Ψ=0.9。

车站主体部分位于新建郭巷大桥起坡路基下方，重叠范围长约150 m；2号,3号出入口部分通道位于引桥下方(见图2，图3)。

3 重叠区域回填材料比选

3.1 车站不同回填材料比选

对本案例地铁车站，大里程端头井覆土最厚处达6.6 m，取此截面进行验算对比。车站非引桥范围覆土厚3.2 m，沿车站横向约11.4 m；车站引桥范围覆土厚6.6 m，沿车站横向约13.0 m。当采用泡沫混凝土回填时，贴顶板80 cm高应回填素土，容重取19 kN/m3；贴路面120 cm厚路面做法，容重22 kN/m3；中间回填泡沫混凝土，容重取9 kN/m3。不同材质回填时，车站横断面如图4,图5所示。

由于车站埋深没有变化，顶板覆土增加时，结构内力及配筋由重力工况控制。对比不同材质回填时，车站重力工况荷载大小如图6,图7所示。

沿车站纵向选取1 m厚的单元进行计算。计算结果表明，不同回填材料情况下车站顶板、侧墙的弯矩、剪力差异较大。其中，顶板跨中弯矩差值最大约46%，顶板剪力差值最大约41%；侧墙弯矩差值最大约36%，侧墙剪力差值最大约37%。具体如表1所示。

表1 不同回填材料车站内力差值

经计算，在相同构件截面下，每延米顶板配筋相差50 kg，侧墙配筋相差80 kg。同时由于顶板纵横向重叠区域与非重叠区域覆土厚度差异大，可能导致车站不均匀沉降和裂缝产生。而采用轻质混凝土，可大大降低堆载对车站引起的不利影响。为考虑地面堆载对端头井侧墙影响，考虑在车站小里程端头往外1.5倍基坑深度范围外延续采用泡沫混凝土回填。

3.2 大桥引桥路基材料选择

郭巷大桥南北两侧桥台采用薄壁式桥台。桥台及路基过渡段填土厚度约0 m～3.6 m。与车站重叠150 m范围内，车站填土厚度约3 m～6.6 m。

对桥梁路基来说，特殊路基设计方案一般根据区内的地形、地基土质的物理力学性质、地下水位埋深、地基承载力、路堤填筑高度、填筑材料性质、荷载大小、稳定安全系数、容许变形值、加固深度、周围环境条件、施工工期、施工技术条件和经济指标等因素采用不同的设计方案[3]。本项目特殊路基设计，对桥北侧高填方路段主要以满足沉降、稳定为控制原则；对桥南侧车站上方回填范围，主要从减轻荷载以满足基底承载力要求、控制引桥基础不均匀沉降方面考虑。

综上，为控制引桥基础不均匀沉降、桥头厚填土工后沉降，拟对桥头和桥头过渡段采用特殊路基设计；同时考虑减少厚覆土对车站结构影响，推荐采用泡沫轻质混凝土进行桥梁特殊地基处理。

对桥北侧约50 m采用泡沫混凝土回填，回填厚度在1.2 m～3.3 m；桥南侧180 m范围采用泡沫混凝土回填，回填厚度在1.8 m～5.2 m左右。其中车站顶板上方，先回填50 cm黏土，再回填泡沫混凝土。

4 公路轻质混凝土回填方案研究

4.1 特殊路堤设计原则

特殊地基处理后，拟对沉降和稳定进行计算分析，稳定计算采用有限固结应力法，沉降计算采用分层总和法并进行系数修正。压缩层计算深度控制原则为计算层底面附加应力与有效自重应力之比不大于0.15。

依据CJJ 194—2013城市道路路基设计规范的规定，城市主干道工后沉降应满足表2的要求。

表2 容许工后沉降一览表 m

结合项目所在地区的建设经验，工后容许沉降标准适当提高。

4.2 泡沫混凝土的性能影响因素

泡沫混凝土是一种以胶凝材料和发泡剂为主要原材料的混凝土。泡沫混凝土的强度包括抗压强度、抗折强度和抗冲击强度。不同项目的设计注重哪些指标，应根据具体工程技术要求而定。

影响泡沫混凝土强度首要因素是材料组成，如水泥品种、粉煤灰品质、骨料种类、强度等级、绝干密度、外加剂性质等。影响泡沫混凝土强度另一重要因素是配合比设计。泡沫混凝土配合比设计可以依据固定原材料质量法进行，也可按照固体混合料体积法进行。为控制泡沫混凝土抗压强度，可以通过检测泡沫混凝土湿密度来控制其绝干密度和均匀性。为使泡沫混凝土具有必要的强度保证，使其具有富余强度，一般选择配制强度大于强度标准值的5%～10%[4]。

发泡剂及发泡工艺是影响泡沫混凝土质量的重要因素。动物蛋白发泡剂具有发泡倍数高、泡壁厚稳定性好、泡沫独立性好、消泡时间长等优点，在美国等工业化国家使用广泛。目前国内的制泡技术目前主要是通过将发泡剂溶液倒入高速搅拌机中，用搅拌机的高速叶片搅动发泡剂溶液制取泡沫[5]。

国外比较成熟的技术要求主要考察发泡倍数、沉降距、泌水量。一般要求泡沫体积大于20倍发泡剂水溶液体积的倍数；泡沫柱在1 h时间内沉陷的距离不大于10 mm；泡沫破坏后所产生的发泡剂水溶液体积要求1 h泌水量不大于80 mL。

我国对混凝土用发泡剂的研究起步较晚，只有部分行业技术规程或标准对发泡剂的性能指标及测定方法做了相关规定。如CJJ/T 177—2012气泡混合轻质土填筑工程技术规程要求采用空气压缩机发泡，并用内径108 mm、净高108 mm、壁厚2 mm的量杯制备标准气泡柱后，再测定1 h时内泌水量、沉降距和气泡群密度[6]。建材行业标准JC/T 2199—2013泡沫混凝土用泡沫剂同样要求测定发泡剂的发泡倍数、1 h内泌水量、沉降距。采用的测量仪器是由广口圆柱体容器、玻璃管和浮标组成的特制仪器。将泡沫剂按发泡倍数15～30配成泡沫液制泡，对发泡后间歇一段时间再混泡的场合，需测定泡沫稳定性，即时混泡则无需测定泡沫稳定性。一等品泡沫1 h沉降距应不大于50 mm，1 h泌水率应不大于70%；合格品泡沫1 h沉降距应不大于70 mm，1 h泌水率应不大于80%。相比于CJJ/T 177—2012气泡混合轻质土填筑工程技术规程，该标准对稀释倍数、空气压缩机参数以及试验温度等条件均有规定，对于分析轻质土用发泡剂的评价指标具有一定的参考价值[7]。

4.3 泡沫混凝土设计方案

根据桥面高程梳理出泡沫轻质混凝土的回填厚度和控制标高。对车站范围非重叠部分，从地面往下挖一定深度后，采用车站顶板回填方案一并回填至设计标高，避免横向不均匀沉降的产生。因泡沫轻质混凝土具有自流平特性，施工时无法浇筑出道路纵横坡，在泡沫轻质混凝土上方采用C30钢筋混凝土进行调平，调平层厚度不低于10 cm。泡沫轻质混凝土主要技术指标如表3所示。

表3 泡沫混凝土现场控制指标

泡沫的制备直接影响到泡沫的均质性、泡沫大小、稳定性、泌水量以及发泡倍数等重要性能指标，是制备泡沫混凝土的重要环节。

本工程路用混凝土的发泡剂性能要求稀释倍率40～60，发泡倍率800～1 200，泌水率不大于20，泡沫密度30 kg/m3～50 kg/m3。

经过沉降计算，在填筑厚度2.5 m时，泡沫混凝土工后沉降值较填土小33%左右；在填筑厚度4.1 m时，泡沫混凝土工后沉降值较填土小60%左右。

4.4 泡沫混凝土施工注意事项

路堤开挖前进行高程测量与放线，开挖过程采用分段、分层式掘进，由两端往中间的方式施工。泡沫混凝土搅拌时尽可能的缩短混合时间，在浇筑的时候，需要从一端开始，之后向四周进行。泡沫混凝土填筑沿着纵向每隔10 m设置一道横向施工缝，缝宽建议2 cm左右，采用泡沫塑料板填塞。为适应路面2%的横坡，顶层泡沫混凝土做成小台阶，后用C30混凝土调平。为避免因受到自身重量影响导致压缩气泡以及消泡现象的发生，泡沫混凝土顶层设置φ4.0 mm@250 mm×250 mm镀锌铁丝网和一层普通高密度聚乙烯土工膜，金属网设在土工膜下，土工膜厚度不小于0.5 mm；泡沫混凝土厚度范围每50 cm设置一层φ4.0 mm@250 mm×250 mm镀锌铁丝网。保证浇筑厚度每层维持在0.3 m～0.8 m，还要将3 cm厚碎石层铺设在泡沫混凝土的基底位置。泡沫混凝土中气泡具有分散性、独立性，施工过程中应避免过度振动。泡沫混凝土顶层浇筑好后养护不小于7 d才能进行路面施工，未达一定强度时禁止机械在其面上施工。遇到特殊天气如暴雨时应停止浇筑泡沫混凝土，如已浇筑泡沫混凝土未终凝则应采取遮雨措施。夏季和冬季施工应注意入模温度，避免极端高温或低温施工。

5 结语

通过车站顶板与大桥路基有重叠区域的具体工程，对回填材料进行比较。对选择泡沫混凝土作为回填材料方案展开研究，针对本工程制定了设计原则、混凝土参数指标，通过计算给出泡沫混凝土回填的工后沉降情况，并提出了公路用泡沫混凝土施工时的注意事项。