泡沫輕質土在下穿鐵路涵洞中的應用

■林我棉

(平潭綜合實驗區交通投資集團，平潭 350400)

泡沫混凝土(foamed concrete)又稱氣泡混合輕質土或泡沫輕質土，通過將泡沫加入到水泥、骨料、摻合料、外加劑和水制成的漿料中，經混合攪拌、澆筑成型、養護而成的輕質多孔混凝土，它內部含有大量細小、封閉、均勻的氣孔。

1 泡沫輕質土的生產工藝及性能特點

1.1 生產工藝

泡沫輕質土的生產過程包括：泡沫制備、料漿制備、漿泡混合、泵送、澆筑成型、養護、檢驗(見圖1)。

圖1 輕質泡沫土生產工藝流程

1.2 性能特點

泡沫輕質土的主要特點如下

(1)輕質高強：容重最小可達150kg/m3，相當于普通混凝土的1/2～1/10，抗壓強度最高可達30MPa。

(2)直立性：凝固成型后的泡沫輕質土是一個整體，支撐性極好，無需夯實和模板支撐，可有效緩解道路沉降、橋頭跳車等問題；可以減少道路擴建征地量，節約資金。

(3)高流動性：攪拌混合后的泡沫輕質土漿料呈液體狀態，可以流動至作業面的各個角落、縫隙。

(4)強度和密度可調節：抗壓強度 0.2MPa～30MPa，容重范圍150kg/m3～1600kg/m3，強度和密度可滿足不同部位的要求。

(5)環保節能：可根據需求利用礦渣、粉煤灰、石粉等工業廢料；可以極大減少土方開挖量，節約土地資源；無毒無害，不會破壞周圍土地的性質；使用壽命長，可有效減少后期道路的維修費用。

2 泡沫輕質土在路橋中的應用概況

泡沫土可解決路橋設計施工中的諸多問題。

2.1 橋涵臺背填筑(圖2)

圖2 橋(涵)臺背泡沫輕質土填筑示意圖

(1)泡沫輕質土路基自身剛度大、重量輕，可在臺背與填土路基之間形成過渡段，使橋臺與路基沉降變化均勻緩和，消除橋頭跳車現象；

(2)大幅度地降低填土荷載，在軟土路段可減少軟基的附加應力，抑制軟基的沉降和側移，提高路堤的穩定性；

(3)固化后可自立，對橋臺等結構物無推擠，可取消橋頭搭板，不需機械碾壓和振搗，有效解決臺背回填壓實難題；

(4)施工快捷高效，可縮短工期，降低工程造價。

2.2 軟基段可減少填土荷載(圖3)

(1)可大幅度地降低填土荷載，使換填過后的軟基路堤在各種荷載作用下均能保持超固結狀態，抑制軟基的沉降和側移，提高路堤的穩定性；

(2)用于舊路加高時，可避免拆除舊有路面結構，直接進行填筑；

圖3 軟基段道路加寬加高泡沫輕質土填筑示意圖

(3)尤其適用于低填市政路堤，既不需要進行軟基處理，又能保證路堤的沉降穩定，施工簡單方便。

2.3 道路加寬填筑(圖4)

可直接在原路基邊坡開挖填筑。

圖4 路基加寬泡沫輕質土填筑示意圖

(1)加寬方式靈活，可直接在原路基邊坡開挖填筑，不需重新征地、拆遷；

(2)采用管道泵送施工，不需施工便道，減少與地方關系協調，施工便捷高效。施工只占用硬路肩，不需封閉交通，不需拆除防撞護欄，提高施工期的行車安全性；

(3)材料自流平、自硬化，不需要機械振搗，可在狹窄場地施工，對周邊建筑物和居民影響小。

2.4 需要收坡的陡坡路堤填筑(圖5)

圖5 泡沫輕質土路堤填筑示意圖

(1)對于需要收坡的陡坡路堤，采用泡沫輕質土路堤替代擋土墻，可同時解決收坡和路基穩定性問題；

(2)泡沫輕質土容重低，用于陡峭山體填筑可以保證路基的穩定性；

(3)可在陡坡地段狹窄場地條件下施工，對原地面的開挖量小，有利于對環境的保護；

(4)運營期間的不會產生路基失穩、側移，路面平整度好。

2.5 路基失穩處治(圖6)

圖6 路堤失穩泡沫輕質土填筑示意圖

(1)清除原失穩路基滑動部分，直接澆筑氣泡混合輕質土替換，輕質路基整體穩定性好；

(2)避免對路基進行二次地基處理，不擾動原路基，施工速度快。

此外，還可以采用泡沫輕質土填筑橋臺臺背，可縮短因錐坡放坡而需要增加的橋跨，減少工程造價；以及利用泡沫輕質土高流動性特點，用于空洞及狹小空間回填。巖溶區、采空區、建筑基坑、隧道冒頂形成的空洞及地下管線周邊空隙，可采用泡沫輕質土回填，避免常規填料填充不飽滿的缺陷。

3 泡沫輕質土在下穿鐵路涵洞中的應用

(1)工程概況

寧德市某市政主干路在里程K0+340～K0+380下穿溫福鐵路，擬在溫福鐵路框架涵進行公路堆載及施工。溫福鐵路已修建完成，與道路交叉口為3孔16m箱涵，箱涵底部覆有部分填土，填土厚度約為1至2m，目前作為村道供車輛通行使用。

交叉處鐵路涵洞與道路標高關系，鐵路箱涵頂標高7.77m，箱涵底標高0.77m，箱涵凈空7m。箱涵寬16m，箱涵頂厚1m，底厚1.30m。由北向南第一孔涵長26.8m，第二孔涵長30.3m，第三孔涵長36.8m。

場地為屬沖海積平原地貌，以海相淤泥及粉質粘土等組成。涵洞地基處理采用PHC預應力管樁，樁徑0.5m，樁長25m，間距2m設置，樁頂設1.5m厚鋼筋混凝土頂板。見圖7《下穿鐵路軟基處理平面設計圖》、圖8《下穿鐵路橫斷面設計圖》。

(2)處理方案

由于場地為軟基地段，道路設計需要解決：①路基與涵洞過渡段的工后沉降問題；②道路的軟基處理型式；③在鐵路框架涵內填筑路基、路面形成的附加荷載引起的差異沉降問題。

由于場地為軟基地段，道路設計需要解決：①路基與涵洞過渡段的工后沉降問題；②道路的軟基處理型式；③在鐵路框架涵內填筑路基、路面形成的附加荷載引起的差異沉降問題。

圖7 下穿鐵路軟基處理平面圖

圖8 下穿鐵路段橫斷面圖

鐵路框架涵工后沉降控制性標準：(1)路基與涵洞的過渡地段工后沉降≤5cm；(2)路段差異沉降引起的縱坡變化≤0.4‰(根據 《鐵路線路修理規則》(鐵運[2006]146號))。

針對(1)、(2)問題，設計考慮采用鉆孔灌注樁進行過渡段軟基處理。鉆孔灌注混凝土樁具有無擠土效應，場地適應性強，樁身質量可靠等特點。鉆孔灌注樁樁徑50cm，正方形布置，樁間距2.4m，樁長：16～17m，樁頂鋪設50cm級配碎石砂墊層+兩層鋼塑土工格柵。鉆孔灌注樁布設范圍為 K0+330～K0+390段。

針對(3)問題，設計考慮采用泡沫輕質土替代普通路基填土，以減少工后沉降。輕質填料主要參數：輕質填料為現澆式泡沫輕質土，容重約6kN/m3，強度0.8MPa。

(3)沉降計算

公路路基填筑后，加大了框架涵下部樁基的豎向荷載，因此需要驗算路基填筑后三幅鐵路框架涵的沉降以及不同涵洞間的差異沉降引起的縱坡變化是否滿足要求。

根據詳細勘察報告，淤泥內摩擦角為6°，內聚力為13.7kPa。全風化凝灰熔巖厚度較大，內摩擦角為25°，內聚力為25kPa，壓縮模量為12MPa。下部管樁樁長25m，其中上部15m位于淤泥中，下部10m位于全風化凝灰熔巖。

下面分別對26.8m、30.3m、36.8m三幅鐵路框架涵下部沉降進行計算。根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》(TB10093-2017)計算樁基沉降。樁底中心沉降

為減少溫福鐵路沉降，可填筑輕質土。參考《氣泡混合輕質土填筑工程技術規程》(CJJ/T177-2012)，《現澆泡沫輕質土技術規程》(CECS249：2008)等相關規范，確定可取的重度范圍，對10kN/m3和6kN/m3輕質填料進行計算。

公路路基填料采用20kN/m3普通填料、1OkN/m3輕質填料、6kN/m3輕質填料時，對三幅橋涵樁基沉降進行計算，得到下表1。由表1可見，填料越輕，公路路基填筑后三幅框架橋涵沉降越小，普通路基填料造成溫福鐵路沉降較大。

表1 橋涵沉降計算表

公路填筑20kN/m3普通填料時，26.8m框架涵工后沉43.4mm，30.3m框架涵工后沉降24.9mm，36.8m框架涵工后沉降46.4mm。根據公路填筑20kN/m3普通填料時框架涵沉降計算結果，可見兩框架涵中心點最大沉降差46.4-24.9=21.5mm，兩框架涵間距為18.4m，即21.5/18400=1.17‰＞0.4‰，不滿足要求。

公路填筑10kN/m3輕質填料時，兩框架涵中心點最大沉降23.2-13.7=9.5mm，兩框架涵間距為18.4m，即9.5/18400=0.516‰＞0.4‰，不滿足要求。

公路填筑6kN/m3輕質填料時，兩框架涵中心點最大沉降13.9-9.2=4.7mm，兩框架涵間距為18.4m，即4.7/18400=0.255‰＜0.4‰，滿足要求。

4 結束語

泡沫輕質土作為輕質填料，有其優越的工程特性，如：輕質高強、重量輕，直立性、高流動性等，可在道路加寬、橋(涵)臺背填筑、橋梁減跨、陡坡路堤、軟基減荷、路基失穩處治等諸多應用。

本項目在軟基段下穿鐵路涵洞采用泡沫輕質土，實際上是利用了其軟基減荷特性，解決了采用常規填料差異沉降不滿足要求的問題，對其他工程具有一定的參考意義。