輕質泡沫混凝土在地鐵車站頂板回填中的研究應用

汪家雷，劉超 （中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000）

0 引言

某市地鐵8號線徐東-汪家墩站為長約1006m的連體車站，沿東西縱向方向布置。車站采用半蓋挖順作法施工，半鋪蓋寬9m～11m不等，沿車站北側縱向分布。原設計為待主體結構施作完成后，交通倒邊破除半鋪蓋結構板，并在主體結構頂板上分層回填土并施作路面。由于徐東—汪家墩站半鋪蓋結構板厚為400mm，縱向長為1006mm，破除工作量大；鋪蓋距離主體結構頂板3m～3.5m，半鋪蓋寬9m～11m不等，填筑土方方量達3萬m3。

采用原狀土分層回填，分層碾壓的施工方案雖然簡單，但是拆除鋪蓋占用交通道路，施工時間長，施工質量不易保證。若采用混凝土回填，雖然施工速度快，但是自重大，對主體結構頂板產生較大荷載，造價高。因此，在日益繁忙的城市主干道修建地鐵，研究新的填充材料和施工方法，對盡快開放交通，減少環境影響將勢在必行。

1 新式回填方案分析

為了縮短回填施工工期、節省造價、保證質量，針對該車站頂板回填，在不破壞在原有鋪蓋體系情況下，采用吹填砂法、鋪蓋下澆筑EPS顆粒輕質混凝土和充填泡沫混凝土均能實現，但3種方案各有優缺點，具體對比分析如表1、表2所示。

通過以上3個方案的綜合對比分析，最終選定鋪蓋下充填泡沫混凝土方案。

2 泡沫混凝土的性質研究

泡沫混凝土的生產過程包括泡沫制備、泡沫混凝土混合料備、澆注成型、養護、檢驗，綜合實際應用情況整理出泡沫混凝土四種關鍵特性分析：①濕容重變化分析、②流動性能分析、③抗壓強度性能分析、④耐久性能分析。

2.1 濕容重變化分析

采用 w=300%，c=80kg/m3；w=300%，c=160kg/m3；w=400%，c=80kg/m3；w=400%，c=160kg/m3（w 為含水量，c為水泥含量）共4種不同水、水泥含量試樣，通過數控裝置控制發泡倍率從而得到不同氣泡含量的試塊，對改變試塊氣泡含量后對其濕容重進行測試，見圖1、圖2。

圖1 試驗過程照片

圖2 氣泡量與濕容重關系

由圖可知，泡沫混凝土濕容重與氣泡含量呈反比關系。另外含水量越大濕容重越大，含水量為300%時，水泥含量增加濕容重有明顯增加；當含水量達到400%且氣泡含量小于40%時，水泥含量對濕容重影響較小，當氣泡含量逐漸增加后水泥含量增加濕容重亦增加。由上述可知，在現場施工過程中，對泡沫土的濕容重參數控制最直接手段為調整其氣泡含量來實現，在不考慮其他因素的情況下，為了實現泡沫水泥輕質土的輕質化，可以直接通過增加泡沫使用量,也可以通過控制泡沫混凝土的濕容度來實現。

2.2 流動性能分析

泡沫混凝土采用泵送，施工過程中無需振搗，依靠其自流性達到密實效果，流動性能直接影響其泵送效果和自流性能。影響泡沫水泥輕質土流動性的主要因素為施工時的用水量。現場通過測試在不同水灰質量比、氣泡和水泥漿液體積比的情況下試樣流動指標的變化情況，測試結果見圖3、圖4和圖5。

填充材料優缺點對比分析表表1

回填方案綜合對比分析表表2

圖3 水灰比與流動指標關系

圖4 體積比與流動指標關系

圖5 表觀密度與流動指標關系

通過圖3可以看出，水灰比與流動指標呈正相關關系，水在泡沫土中起到潤滑作用，含水量越高泡沫土流動性能越好。水灰比小于55%時隨著水灰比的不斷增加，流動性能增加明顯，當超過55%后其流動性能增加減弱。在實際施工過程中往往就是通過調節水灰比的方式來達到其擴展度要求，當水灰比超過一定范圍后再繼續增加效果減弱，應該考慮其他方式進行調整。

通過圖4可以看出，氣泡與水泥漿液體積比對泡沫混凝土的流動性能也有直接影響，兩者基本成負相關關系。氣泡含量增加流動度下降，主要是氣泡在泡沫土中起到增加粘滯力的作用。氣泡與水泥漿液體積比小于20時對流動度基本無影響，當處于20～60時對流動性能影響較小，當超過60后影響程度明顯增加。由此可以看出，在施工過程中只有當氣泡和水泥漿液體積比接近60時可以考慮通過該指標進行調整其流動度。

通過圖5可以看出，流動指標與表觀密度對應關系不甚明確，可大致認為呈正相關關系。

綜上所述泡沫混凝土中水泥、水、氣泡含量對其表觀密度和流動度指標都有較明顯影響，在施工過程中控制泡沫混凝土的表觀密度通過調整泡沫含量得以實現，而這個過程中,也會使其流動性發生改變。由于泡沫混凝土施工控制指標與多個因素關系密切，現階段對其理論研究還不夠充分，較難定量計算出水灰比及泡沫水泥漿液體積比，在實際施工過程中一般根據工程實際情況，通過現場與實驗室試驗相結合的方法綜合確定其比例關系。

2.3 抗壓強度性能分析

現場采用 w=400%、c=80kg/m3，w=400%、c=120kg/m3，w=400% 、c=160kg/m3，w=300% 、c=80kg/m3，w=300% 、c=120kg/m3，w=300%、c=160kg/m3共 6種配合比，通過調節氣泡含量控制其濕密度，制作10cm×10cm×10cm試樣，在天然狀態下養護至28d，測試其單軸抗壓強度，見圖6。

圖6 泡沫混凝土密度與單軸抗壓強度關系

通過圖6可以看出，試樣密度、水泥用量及含水量都對試樣單軸抗壓強度有明顯影響。其中，含水量為400%時，試樣密度超過1g/cm3時其抗壓強度呈降低趨勢；含水量為300%時密度超過1.2g/cm3后其強度呈下降趨勢；試樣抗壓強度與含水量呈負相關關系，而與水泥含量則相反。在實際施工過程中，水泥用量、含水量、泡沫用量可進行隨意調配，可以滿足不同強度要求的施工條件。

2.4 耐久性能分析

2.4.1 耐疲勞特性

試驗得出：荷載應力與單軸抗壓強度的比值在0.50以下時,100次左右的反復疲勞荷載對泡沫混凝土的強度影響可以忽略不計。當荷載應力與單軸抗壓強度的比值達到單0.80左右時,大約在800次左右的反復荷載使地基出現明顯破壞。綜上所述，若將反復疲勞荷載控制在設計單軸抗壓強度的50%左右,其耐疲勞性能很好的滿足工程需要。

2.4.2 干濕循環的特性

試驗以干燥環境，溫度為20℃，濕度控制在70%的恒溫恒濕室內，將試塊置于空氣中1周，然后將試塊全浸水，溫度保持不變的條件下1周，作為干濕循環試驗一個周期。在每個周期結束后對試件進行單軸抗壓強度和變形系數試驗，試驗結果如圖7所示。

圖7 強度比及變形系數比與干濕循環周期數關系圖

通過圖7可以看出，試樣強度比與變形系數比變化基本保持同步，在前3個干濕循環周期內，強度比降低了20%左右，變形系數比降低了約25%左右；第4個干濕循環周期后，強度比和變形模量比逐漸趨于穩定，在多次干濕循環后強度比最終下降約25%左右，而變形系數比最終下降約32%左右。

3 實施方案

3.1 回填泡沫混凝土性能指標

經現場多次試驗，最終確定回填泡沫混凝土各項性能指標，具體見表3。

3.2 回填方案

采用不破除車站半鋪蓋系統，對車站鋪蓋系統下回填空間支模分段，分段長度為25～30m，每個澆筑段開鑿一處洞口，洞口尺寸設置為1500×2000，泡沫混凝土通過鑿開的鋪蓋洞口在地面進行澆筑。為保證填筑材料的密實度和均勻性，每段又分層進行澆筑，分層厚度為50～60cm，全段澆筑完成后將開鑿孔洞加筋澆筑混凝土封閉，車站斷面圖如圖8所示。

圖8 地鐵車站半鋪蓋回填區域斷面圖

由于鋪蓋下是封閉空間，存在多處交界面，在結構交界面掛設鋼筋網進行加強連接處理，對澆筑后交界面仍存在空隙的空間，采取壓注水泥漿進行充填。

4 實施效果檢測

4.1 數值模擬變形量

采用MIDAS數值模擬軟件GTS模塊對鋪蓋下回填泡沫混凝土后的道路、鋪蓋及結構進行變形分析，最大變形量僅為5.3mm，其回填區域變形云圖如圖9所示。

4.2 數值模擬變形量

為驗證理論沉降量，現場對鋪蓋頂路基進行沉降觀測，實測數據反映，回填后的泡沫混凝土沉降量較小，具體監測變形數據，見圖10。

圖9 半鋪蓋回填區域變形云圖

圖10 數值計算和現場監測沉降變形曲線

由圖9可以看出，兩種變化規律基本同步，在泡沫混凝土范圍內沉降變化基本保持均勻變化，超出泡沫混凝土填筑范圍后趨于穩定；現場監測數據較數值計算結果沉降值偏大，這是由于在監測過程中該路段鋪蓋一直保持行車，數值模擬時未考慮車輛荷載對路基沉降的影響。

5 結論

通過地鐵車站半鋪蓋體系回填泡沫混凝土的實施，效果良好，同時配制的泡沫混凝土抗壓強度滿足設計規范要求，后期的沉降觀測監控數據表明沉降量相對常規土的回填沉降有大幅度的改善，實施的工期及造價對比，工程造價節省30%，工期節省40%。