氣泡混合輕質土在地鐵高填方路基中的應用

鄭惠文

?

氣泡混合輕質土在地鐵高填方路基中的應用

鄭惠文

（重慶市軌道交通集團有限公司，重慶 400022）

以重慶地鐵涂山車輛段高填方路基工程為例，介紹氣泡混合輕質土在用地狹小受限地段的應用實例，提出氣泡混合輕質土填筑地鐵路基的設計要點并進行穩定性驗算，通過分析肯定了氣泡混合輕質土的耐久性，提出氣泡混合輕質土填筑地鐵高填方路基的施工及質量控制要求。相對于樁板式擋墻和結構混凝土架空等傳統處理方式，氣泡混合輕質土填筑地鐵受限高填方路基具有施工方便、節約投資、縮短工期的優點，且質量可控度高。

地鐵；高填方；氣泡混合輕質土；穩定性；耐久性

氣泡混合輕質土是近年發展起來的一種新型輕質材料[1]。 它是用物理發泡方式，在水泥基漿體中加入一定體積的氣泡群，制備的大量均勻封閉微小氣泡的輕質工程材料。氣泡混合輕質土具有良好的強度和耐久性，并且輕質、便于施工、固化后可直立[2]，在路基填筑、橋涵臺背回填、結構減小荷載等方面有較為廣泛的應用[3-5]。鄭濤等[6]以四川省川北地區廣巴高速公路連接線為工程依托，在復雜地質構造與環境條件下，通過采用氣泡混合輕質土技術替代衡重式混凝土支擋物的方法，確保路堤整體穩定，減少結構物不均勻沉降，解決放坡征地難、施工不便、軟基處理等諸多技術難題；潘銳等[7]闡述了輕質土作為減荷路基填筑材料的設計要點和結構處理方法。氣泡混合輕質土填筑技術目前有成熟的施工操作規程《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》[8]（CJJ/T 177—2012），但該技術在鐵路、地鐵路基填筑中應用較少，需要對其設計及施工進行總結。

1 工程概況

重慶地區山高坡陡，建設地鐵車輛場，面臨較多的填土工程。重慶軌道環線涂山車輛段及出入段線工程位于涂山路以東、內環快速路以西的地塊。場地呈狹長型，南北向長約1 600 m，東西向最窄處位于場地中部，寬約95 m。場地原始地貌為構造剝蝕淺丘溝谷地貌，現狀地形起伏較大，為兩邊坡夾一沖溝，平場后標高與明渠頂標高仍有10～13 m高差。車輛段平面位置及布置如圖1所示。

2 方案設計

車輛段中段地勢狹窄，但該區域布置有鏇輪庫、洗車庫、工程車庫、場區道路以及數條連接檢修庫至停車列檢庫的軌道線。為了解決場地狹小施工不便、質量不易控制的難題，最大化地增加可使用土地面積，為下方明渠預留足夠空間，對比樁板擋墻、放坡+架空混凝土平臺等4種方案后，經設計單位推薦和專家評審，決定采用放坡+氣泡混合輕質土回填方案（圖中紅色區域）。圖2為氣泡混合輕質土填筑區的典型剖面圖。

圖1 涂山車輛段平面位置及布置

圖2 氣泡混合輕質土填筑區的典型剖面

Fig.2 Typical profile map of a bubble-mixed light soil filling area

3 計算及驗算

地鐵車輛段路基設計在用地緊張的情況下，要保證設計成果科學、合理，滿足安全運營的要求，結構安全無疑是重中之重[9]。根據公路現行行業標準《公路路基設計規范》（JTGD 30—2015），按特重、極重交通高速公路路床部位的氣泡混合輕質土設計及驗算[10]。由圖2所示，該填方路基包含兩部分：填筑土石區1和填筑氣泡混合輕質土區2。

為保證填筑區1傳遞至氣泡混合輕質土區2的水平力為0，根據CJJ 177—2012規程填筑區域1采用臺階式構造設計。選用級配良好（u≥5，且c=1～3）的砂土或碎石類土做填料回填，并分層強夯處理，制訂專門的地基處理設計要求。填筑區2氣泡混合輕質土在無外部水平荷載作用情況下，只承受車場地面的豎向荷載，需進行路基填筑體抗壓強度驗算（注：為減少氣泡輕質土的垂直壓力以及避免兩個新填筑區域差異性沉降問題，漩輪庫采用樁基礎，樁基深入穩定巖層）。由于氣泡混合輕質土填筑體整體設置于斜坡臺階面上，按CJJ 177—2012規范應進行抗滑移及抗傾覆穩定驗算。

綜上，本次設計計算及驗算主要有路基填筑體強度驗算，填筑區1沿與現狀地面的折線滑動驗算，填筑區2（氣泡混合輕質土）抗滑穩定驗算和填筑區2（氣泡混合輕質土）抗傾覆穩定驗算。

本工程填筑體最大高度=13 m，安全等級為一級，重要性系數0=1.1，設計使用年限為50年，邊坡穩定安全系數取1.35，CBR=4（按《公路路基設計規范》[10]表3.3.1取值），坡頂道路荷載取20 kPa，列車荷載（按《鐵路路基設計規范》附錄A）取60 kPa。下部填土地基及填筑區1經強夯或分層碾壓處理后需滿足要求：地基土承載力≥200 kPa，填土壓縮模量≥12 MPa，壓實度≥94%。填筑區2設計容重等級為W8，強度等級CF1.5。無側限抗壓強度設計值：f=1.5 MPa。填筑區1填方邊坡超填1 m，邊坡坡度為1:1.5、1:1.75。

按CJJ 177—2012規程4.5.5進行填筑路基抗壓強度驗算，W8氣泡混合輕質土無側限抗壓強度遠大于填筑體抗壓強度和填筑體自立穩定的抗壓強度。按CJJ 177—2012規程4.5.6進行抗滑動穩定性驗算和抗傾覆穩定驗算后，安全系數均符合規范要求。

4 列車動荷載對氣泡混合輕質土耐久性分析

該工程中，地鐵車輛剎車碰撞等作用會對路堤產生較大的沖擊作用[11]，有必要對列車動荷載作用下氣泡混合輕質土的耐久性進行分析。

1）氣泡混合輕質土施工后形成封閉微孔的細密結構，可有效地阻止水及其他介質的浸入，自身具有良好的耐久性。

2）本次設計的地面荷載為60+25×1.5=97.5 kPa，氣泡混合輕質土無側限抗壓強度設計值：f=1.5 MPa，后者約為前者的15倍。

3）動荷載產生的土壓力為其等幅值靜荷載的1.2～1.3倍，且帶有振動和沖擊作用。氣泡混合輕質土承受的動荷載與其強度應力比通常小于0.3，根據疲勞方程，按應力比0.3計算，氣泡混合輕質土的疲勞壽命可達1021次，可滿足一般工程需要。為更進一步保證氣泡混合輕質土的耐久性，按照《鐵路路基設計規范》（TB 10001—2005）6.1.1條，路面以下1.5 m處動應力衰減比為0.29[12]。因此，在氣泡混合輕質土上部設置1.5 m厚路面結構層，以減小動荷載帶來的振動和沖擊影響。

4）填筑區2與填筑區1的邊坡以臺階形式銜接，設置垂直錨固件，從構造上保證填筑區的整體性和耐久性。

無論是氣泡混合輕質土自身還是構造設計及結構設計，均能保證氣泡混合輕質土的長期性能。

5 填筑體內、外排水設計

涂山車場修建后，地表將形成有組織的排水系統。滲入原地表高程附近的水將采用碎石反濾層收集，通過直徑0.8 m、縱向通長的帶孔混凝土透水管排出車場外。

填筑區1與氣泡混合輕質土填筑區2交界面的滲水將通過設置在抗滑臺階上的碎石堆囊收集，再利用預埋的泄水孔排出填筑體外。同時氣泡混合輕質土填筑體2底層鋪填15 cm厚碎石墊層，防止施工過程中雨水對填筑體的不利影響。

6 施工及質量要求

1）發泡劑是制作氣泡混合輕質土的關鍵材料。施工前應檢測發泡劑質量指標。發泡劑每5 000 L檢測1次，主要檢測氣泡群密度及標準氣泡柱靜置1 h的沉降距。此外，每班開工前均應檢測氣泡群密度，以保證氣泡的穩定性。

2）原材料適應性試驗關系氣泡混合輕質土施工的成敗。施工前應檢測發泡劑與水泥、水及其他摻合料的適應性。主要檢驗氣泡混合輕質土靜置1 h的濕容重增加值是否滿足要求。保證氣泡群與水泥基漿體的相容性。

3）氣泡混合輕質土配合比應通過嚴格的配合比設計和試驗確定。根據CJJ 177—2012規程按氣泡輕質土的容重和強度要求進行原材料組合方案及比例設計，并通過實驗室配制及濕容重試驗和流動度試驗，確定水泥、水、氣泡群、摻合料的最佳比例。配合比在施工過程中應根據材料和過程檢測情況予以驗證和調整，保證材料性能滿足設計要求。

4）為保證工程質量，本工程要求選擇有氣泡混合輕質土施工經驗的施工單位，施工組織設計應經過專家論證認可。正式施工前先做試驗段（建議選取30 m），確定以下內容：

①對氣泡混合輕質土進行容重、抗壓強度、流動度、原材料適應性試驗等，檢驗各項指標是否滿足設計要求；②確定氣泡混合輕質土初凝與終凝時間；③確定單次澆筑厚度。根據凝結時間，在0.3～0.8 m的范圍內，選取一個最合適的單次澆筑厚度；④確定最佳配合比。

5）氣泡群應采用發泡設備預先制取，新拌氣泡混合輕質土采用配管泵送。氣泡混合輕質土在泵送設備、泵送管道中的停置時間不宜超過1 h。

6）氣泡混合輕質土采用分層分塊方式澆筑。單層澆筑厚度按試驗確定的最合適澆筑厚度控制。單個澆注區澆注層的澆注施工時間不應超過水泥漿的初凝時間；上下相鄰兩層澆注間隔時間不宜小于8 h。

7）施工過程中應加強氣泡混合輕質土質量檢驗。同一配合比每澆注100 m3檢驗一次濕容重和流動度，每400 m3取樣檢測一次容重和抗壓強度（類似于水泥砼的取樣檢測方法）。

8）填筑區2與填筑區1的邊坡以臺階形式銜接，填筑區1超填1 m后開挖臺階，臺階開挖坡度與邊坡坡度一致，高度為1 m。在臺階角點處設置長度為2 m的錨固件，垂直進入基床斜面的垂直距離不小于1 m，同時控制填筑區2的底面寬度不小于2 m，保證填筑體的整體性和耐久性。

9）填筑體及擋板每10～15 m設置一道沉降縫，沉降縫采用20～30 mm厚的聚苯乙烯板或10～20 mm厚的夾板。擋板由基礎、面板、拉筋及立柱組成，其中面板和基礎均采用C25砼基礎。

7 結論

應用氣泡混合輕質土填筑高填方地鐵路基的設計方案不僅解決了車輛段工程場地受地形限制造成施工不便的難題，相對于樁板式擋墻和結構混凝土架空等傳統處理方式，氣泡混合輕質土填筑高填方路基具有良好的耐久性，工程質量可控度高，且減少投資，縮短工期，為同行業采用類似技術積累了工程經驗。

[1] 蔡力, 陳忠平, 吳立堅. 氣泡混合輕質土的主要力學特性及應用綜述[J]. 公路交通科技, 2005, 22(12): 71-74.CAI Li, CHEN Zhongping, WU Lijian. Foamed cement banking mechanics and its applications[J]. Traffic science and technology, 2005, 22(12): 71-74.

[2] 陳忠平, 王樹林. 氣泡混合輕質土及其應用綜述[J]. 中外公路, 2003, 23(5): 117-120.

[3] 黃月華. 氣泡混合輕質土在地鐵隧道減荷中的應用[J]. 廣東交通職業技術學院學報, 2008, 7(1): 52-54.HUANG Yuehua. The application of the foamed mixture light weight soil to load-reduce on subway tunnel[J]. Journal of guangdong communication polytechnic, 2008, 7(1): 52-54.

[4] 羅興德, 周勁草. 氣泡混合輕質土在高填筑橋臺中的應用[J]. 山西建筑, 2006, 32(11): 154-155.

[5] 陳文平, 譚存茂, 楊和平. 氣泡混合輕質土在臺背回填施工中的應用[J]. 公路, 2012(11): 162-166.

[6] 鄭濤, 李海清, 蔣瑜陽. 川北重丘區軟基層氣泡混合輕質土的工程技術研究[J]. 筑路機械與施工機械化, 2016(1): 78-81.ZHENG Tao, LI Haiqing, JIANG Yuyang. Research of engineering technology of bubble mixed light soil for soft foundation in hilly area of northern Sichuan[J]. Road machinery & construction mechanization, 2016(1): 78-81.

[7] 潘銳, 劉志明. 氣泡混合輕質土在地鐵結構上覆市政路基中的應用[J]. 中國市政工程, 2013(2): 79-84.

[8] 氣泡混合輕質土填筑工程技術規程: CJJ/177—2012[S]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2012. Technical speacification for foamed mixtute lightweight soil filling engineering: CJJ/177—2012[S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2012.

[9] 蘭淑桂. 地鐵車輛段站場設計有關問題的解決方法[J]. 鐵道工程學報, 2010(6): 119-122.LAN Shugui. Solution to relative problems in design of station yard of metro vehicle depot[J]. Journal of railway engineering society, 2010(6): 119-122.

[10] 公路路基設計規范: JTGD30—2015[S]. 北京: 人民交通出版社, 2015. Specifications for design of highway subgrades: JTGD30—2015[S]. Beijing: China Communication Pree, 2015.

[11] 梁興勝, 李寧. 沖擊荷載作用下氣泡輕質土性能試驗研究[J]. 低溫建筑技術, 2015(1): 41-143.

[12] 鐵路路基設計規范: TB10001—2005[S]. 北京: 中國鐵道出版社, 2005. Code for design on subgrade of railway: TB10001—2005[S]. Beijing: China Railway Publishing House, 2005.

（編輯：郝京紅）

Bubble-Mixed Light Soil Applied in a Metro High-Fill Roadbed

ZHENG Huiwen

(Chongqing Rail Transit (Group) Co., Ltd., Chongqing 400022)

With the Chongqing Tu Hill depot high-fill engineering as an example, this article introduces application examples of bubble-mixed light soil in narrow and restricted areas, and proposes the design points of bubble-mixed light soil filling subway subgrade; in addition, its stability was checked. The durability of bubble-mixed light soil was confirmed via an analysis. This paper also proposes construction and quality control requirements of high-fill roadbeds of bubble-mixed light soil. Compared to pile-sheet retaining walls and structural concrete overhead and other traditional treatment methods, bubble-mixed light soil fill for restricted subway high-fill roadbeds has many advantages such as construction convenience, less costs, shortened construction period, and strong quality control.

metro; high fill; bubble mixed light soil; stability; durability

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.04.017

U231

A

1672-6073(2018)04-0088-04

2017-09-03

2017-10-27

鄭惠文，女，碩士，高級工程師，主要從事地鐵隧道、橋梁、路基等土建工程研究，37968949@qq.com