站房與站場間不規則狹窄軟基及路基處理研究與應用

馬勁松 上海鐵路局杭州鐵路樞紐工程建設指揮部

站房與站場間不規則狹窄軟基及路基處理研究與應用

馬勁松 上海鐵路局杭州鐵路樞紐工程建設指揮部

泡沫輕質土作為一種新型建筑材料、設計理念和施工方法，憑借其良好的性能已廣泛應用于市政、公路等工程，杭州東站站房與站場間路基存在施工邊界條件復雜、工程地質條件差，地基處理和基坑回填施工難度大等諸多不利條件，經綜合分析研究論證后，在路基施工中大規模應用并成功實施。

泡沫輕質土；路基處理；研究應用

1 工程概況

杭州東站是浙江省乃至整個長三角地區重要客運樞紐，總建筑面積320 813.5 m2，站場總規模15臺30線，預留磁懸浮為3臺4線。是匯集客運、普速、地鐵、公交等多種交通方式和配套服務設施于一體的現代化綜合交通樞紐中心，2013年7月1日建成投入使用，迅速形成舒適、便捷、高效的運輸能力，發揮了巨大的社會和經濟效益。

站房為5層結構，地上2層（站臺層、高架候車層），地下3層（出站層、地鐵進站層和站臺層）。出站層過站通道寬度為112 m，南北站線區域長度為330 m，共有15個站臺，24條到發線股道，6條正線股道。結構形式正線為三座五跨剛構連續梁橋，到發線采用鋼骨梁體系?；A底面標高為-12.7 m，自然底面標高-4.5 m，開挖深度約8.2 m。過站通道兩側有站房高架層邊承臺和樓扶梯，其中高架層邊承臺底標高為-8.6 m；樓扶梯結構為斜板，底標高從-12.7 m到±0.000（站臺面）。過站通道兩側24 m有兩條出租車通道，采用箱涵結構，通過東西和中部的三條聯系通道與站房過站通道相連接，出租車通道底標高為-13.45 m，面標高為-4.3 m，寬度約為22 m。出租車通道以外為站房基坑開挖采用的SMW工法樁圍護及站場路基。

該區域的站場路基為由圍護樁體系外的路基→出租車通道頂板→兩通道間22 m回填加固區→站房過站通道。路基也由軟→硬→軟→硬，經歷了兩次剛度變化。如何高效、優質和快速的完成該部分路基填筑是一個難題（過站通道和出租車通道剖面見圖1）。

圖1 過站通道和出租車通道剖面圖（單側）

2 站場結合部特殊狹窄路基施工難點分析

杭州東站站房路基加固和填筑原設計方案為采用高壓旋噴樁、水泥攪拌樁加固原狀土，上部填筑A料的形式，即在出租車通道和過站通道間的24 m空間內，于-12.7 m標高進行土體加固，以上采用回填A料至軌道底的方式。

根據站場結合部的結構形式，該區域路基填筑面臨以下兩個難題：

2.1 平面空間受限

出租車通道和過站通道間有樓扶梯結構和高架承臺妨礙路基填筑施工。該區域可操作面最大寬度10.8 m，最小寬度2.5 m，施工工作面非常狹小，鉆機設備無法就位，無法移動轉身，造成鉆機無法在其中操作。由于空間受限，大型碾壓設備無法施工，小型設備碾壓質量不穩定，A料回填質量難以保證（見圖2）。

圖2 兩通道間回填區局部平面圖

2.2 立面空間受限

該區域基坑內自動扶梯為斜板，下部三角形空間無法加固也無法回填密實?；靥顓^域上方是站房高架橋和高架層，底標高為7.5 m，水泥攪拌樁設備受限高影響無法施工。

3 應對方案策劃和比選

3.1 方案策劃

面對該特殊狹窄地段，常規的路基回填方式無法滿足施工需要，必須進行變更調整。對此經多次研究論證形成二套建議方案，分別為：①新增樁板結構跨越該結合部；②采用新型輕質回填材料置換一定標高以下的回填料，取消基底土改良。

3.2 樁板結構跨越方案

自基坑底（-11.7 m標高）向下設直徑800 mm強度C30的鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，樁長為38 m～42 m，樁間距結合已有建筑樁基布置為3 m，樁頂設1.5 m厚鋼筋混凝土承臺板，承臺板頂至原地面間主要夯填A組填料，對承臺周邊及樁基密集空間狹小的部位填筑級配碎石摻3%水泥，采用小型機具碾壓密實。

在站房過站通道結構與出租車通道結構施工完成后，即形成了結合部過渡段基坑，先清理基坑內的遺留土，吊運樁基進入基坑內進行鉆孔灌注樁作業，再施工樁頂承臺，因自動扶梯結構區域回填、夯實困難，只能采用扶梯結構分段施工進行A組料回填、夯實等。由于回填空間內存在自動扶梯、高架層承臺等結構，操作空間狹小，回填壓實難度較大。且整個施工工序復雜，樁基、承臺等均存在養護時間，工期相對較長，不利于結合部鐵路路基工程的提前介入施工。

3.3 泡沫輕質土填筑施工方案

采用泡沫輕質土進行結合部過渡段基坑處理，可在現場設置水泥漿攪拌站，料漿采用泵管送至澆筑點的混合泵站處，再通過泵管將泡沫輕質土泵送至結合部過渡段基坑內。利用泡沫輕質土自流平特性，無需振搗、夯實及碾壓的特點，杭州東站路基結合部可采用先將自動扶梯結構施工完成，再做高架層承臺支護，挖除多余土層，澆搗墊層與鋪設復核土工膜，再開始分層分塊澆筑泡沫輕質土，最后養護后鋪設鍍鋅鋼絲網與上部路基骨料施工。

3.4 方案比選

3.4.1 技術可行性比較

樁板結構跨越方案工序：坑內場地平整（局部回填夯實）→汽吊將鉆孔灌注樁機吊入坑內→鉆孔灌注樁施工→土方開挖至-11.70 m→清理、鑿樁→鋼筋混凝土承臺施工→分層夯填A組骨料，并配合扶梯結構分段施工→上部路基施工。該方案存在扶梯結構須與夯填A組骨料同步施工，造成工序較復雜，回填夯實困難。

泡沫輕質土填筑方案工序：坑內土方開挖至-11.80 m→澆搗100厚混凝土墊層與鋪設土工布→分層澆搗泡沫輕質土→泡沫輕質土面層養護與鋼絲網鋪設→上部路基施工。該工藝工序簡單，泡沫輕質土流動性、可塑性較好，扶梯結構可先行施工，無交叉施工，無需大型設備進場，不存在回填夯實等難題。

3.4.2 質量與安全性比較

樁板結構跨越方案：夯填A組骨料施工存在盲區，質量控制困難。鉆孔灌注樁樁機等機械均采用汽吊吊入坑內，在坑內組織施工，存在一定的機械傷害、物體打擊等安全風險。

泡沫輕質土填筑方案：泡沫輕質制備、填筑施工工藝成熟，通過施工前試配試驗與檢驗，可保證實體質量。采用集中制備泵管輸送，傷害性小、安全風險低。

3.4.3 工期比較

以結合部過渡段典型基坑（單個）為例：樁板結構跨越方案施工工期見表1，泡沫輕質土填筑方案施工工期見表2。

表1 樁板結構跨越方案施工工期表

表2 泡沫輕質土填筑方案施工工期表

3.5 方案綜合比選

通過以上幾個方面的對比，形成綜合分析對比表（見表3）：

表3 研究方案綜合分析對比表

根據以上對比分析可知，采用泡沫輕質土填筑方案更為合理。

4 泡沫輕質土填筑施工工藝

4.1 性能要求

根據《現澆泡沫輕質土技術規程》（CECS249：2008）的定義，泡沫輕質土指采用物理方法將發泡劑水溶液制備成泡沫，與水泥漿（必要時可添加外加劑）按照一定的比例混合攪拌，并經物理化學作用硬化形成的一種新型輕質材料。

應用于鐵路路基填筑的泡沫輕質土有別于民建工程的泡沫混凝土，其性能要求為：①輕質高強（容重≤5 kN/m3,抗壓強度≥0.8 MPa）；②自流平、無需推平、振搗、碾壓；③單臺設備泡沫輕質土產能≥90 m3/h，施工連續澆筑，確保質量均勻，安全可靠；④施工裝備實現發泡技術和混合技術的多步驟、聯動式自動化控制，實現了泡沫密度和流量、輕質土密度和流量的實時自動化控制；⑤發泡劑發泡倍率≥1200倍，泡沫泌水率≤15%，消泡率≤10%；⑥硬化后可自立，無側向壓力。

4.2 工藝流程

泡沫輕質土總體工藝流程歸納為：三步混合、兩級泵送，分層澆筑，硬化養護。

第一步：建立水泥漿攪拌站和泵送管道網。

第二步：水泥漿制備（水泥+水→水泥漿）

泡沫制備（水+發泡→發泡液+壓縮空氣→泡沫）

泡沫輕質土制備（水泥漿+泡沫→泡沫輕質土）

第三步：澆筑區場地準備（基底開挖→砼墊層澆筑→土工膜鋪設）

澆筑層澆筑準備（澆筑模板分層安裝+變形縫分層安裝）

第四步：分層澆筑，硬化養護。

4.3 重點控制內容

4.3.1 原材料選擇方面

①泡沫輕質土使用的水泥應滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的要求；

②泡沫輕質土的發泡劑性能直接影響泡沫質量，進而影響泡沫輕質土質量。衡量發泡劑性能的檢驗方法主要有泌水率試驗和消泡試驗，前者表征了泡沫在空氣中的穩定性，后者表征了泡沫在水泥漿中的穩定性，兩者共同反應了發泡劑的性能。性能優良的發泡劑，其在空氣中和水泥漿中的穩定性高，表現為泌水率低、消泡試驗確定的濕密度增加率低。只有低泌水率、濕密度低增加率的發泡劑，制備的泡沫輕質土才有可能實現質量穩定性和均勻性。發泡劑發泡倍率≥1200倍，泡沫泌水率≤15%，消泡率≤10%。

4.3.2 機械設備方面

泡沫輕質土的組分結構特性、制備工藝的關鍵環節決定了質量控制的關鍵環節為：如何實現輕質土密度的穩定性和均勻性。

①材料組分結構特性要求輕質土密度實現均勻性和穩定性，而發泡技術、混合技術及發泡劑技術則在技術實現上對輕質土密度的均勻性和穩定性起決定作用。

②為確保泡沫輕質土質量均勻性及穩定性，現場制作、輸送與澆注，應采用專用施工設備，施工裝備需實現發泡技術和混合技術的多步驟、聯動式自動化控制，實現了泡沫密度和流量、輕質土密度和流量的實時自動化控制。發泡裝置應具有發泡劑自動稀釋功能,水泥漿輸送泵必須為定流量泵，嚴禁使用柱塞泵或螺桿泵,嚴禁采用泡沫混凝土或發泡水泥設備替代泡沫輕質土專用設備進行施工。

4.3.3 澆筑區澆注層劃分

澆注區尺寸（不宜大于400 m2），控制單層澆注厚度在0.3 m～1.0 m，并控制單個澆注區澆注時間在2 h以內。

4.4.4 基底要求

基底不能有明顯積水，需清除基底浮土，基底承載應≥40 kPa。

5 工藝優點分析

泡沫輕質土的應用，解決了杭州東站特殊狹窄軟基及軟基綜合處理的難題，經分析存在以下優點：

5.1 施工的便利性

①施工設備體積小，料漿及輕質土輸送采用全管路泵送，不受空間條件制約，機動性強，可在場地內靈活移動；

②施工作業面小，對交叉施工、并行施工的其它施工作業基本無干擾，不影響整體施工計劃的實施，能大幅提高工效；

③可自流平，需推平、振搗、碾壓，解決了復雜場地條件和狹小空間的填筑的難題。

④泡沫輕質7天齡期抗壓強度可達500 kPa(0.5 t/m2)，養護期短，有利于后續施工作業的開展。

5.2 質量的可靠性

①專業單位的泡沫輕質土施工裝備為大產能聯動式自動化控制，確保泡沫輕質土質量的均勻性穩定性；

②極大降低了路基的工后沉降，經設計院沉降監測數據結果表明，杭州東站路基完成1年后，工后沉降僅為1.5 cm并已趨于穩定。

③成型的泡沫輕質土可自立，對周邊結構及構筑物無側向壓力，可降低相鄰結構設計荷載。

5.3 成本的經濟性

泡沫輕質土單層完成澆注10 h后，可開展次層的施工，單日澆注量可達3 000 m3，工效是常規填土路基或軟基處理的數倍，大幅節省工期，節約工程成本。

6 需進一步改進和完善的方面

泡沫輕質土有別于普通的泡沫混凝土，其施工專業性極強，國內正真具備這方面施工能力的單位屈指可數，目前市面上大量生產泡沫混凝土的單位基本不具備鐵路路基填筑的施工水平和能力。簡單來說，在相同水泥用量的情況下，普通泡沫混凝土單位的產品強度只能達到專業泡沫輕質土單位的60%以下。自然在優質優價的情況下，專業單位的產品也遠高于普通泡沫混凝土。因此泡沫輕質土的推廣，有必要通過一段時間的試點和試驗，最終制定適合鐵路路基施工的指導性規范或文件，確定施工工藝和各項技術標準，建立行業準入制度，才能避免以劣充好和惡性競爭。

7 結束語

杭州東站作為應用泡沫輕質土的鐵路站房項目，以其便利性、可靠性、經濟性，取得了初步成功，在后續工作中還將繼續加強監測和驗證，為更好的在站房或路線的軟基處理、橋頭過渡段填筑、狹小空間填筑、地下結構及地下管線減載、路基加寬、應急搶修等領域的推廣應用提供借鑒。

責任編輯：宋飛 張建強

來稿時間：2016-08-18