高速鐵路泡沫輕質土路基幫寬施工關鍵技術

李斯 姚建平 楊偉利 謝蛟 李吉亮

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科特種工程技術有限公司，北京 100081）

自2008年中國第一條高速鐵路（京津城際鐵路）開通運營以來，中國高速鐵路發展迅速，截至2018年底，中國高速鐵路運營里程超過2.9萬km。隨著高速鐵路線路和城際鐵路的增加，一些新建線路需接入到既有高速鐵路線路中，而最常用的接入方式是對接入車站路基進行幫寬處理。若采用傳統的路基填筑施工，需要大型機械攤鋪、精平、碾壓路基填料，勢必會影響到既有高速鐵路線路的正常運營。常規路基填料填筑新增的路基豎向、側向荷載大，易使既有線路產生差異沉降和偏移［1］，影響高速鐵路安全運營。

泡沫輕質土具有輕質高強、密度重度可調、固化后直立、無須振搗碾壓的特性［2］，可解決傳統路基填筑的沉降和碾壓問題，適用于高速鐵路車站路基幫寬工程。高速鐵路車站路基幫寬工程對工后沉降要求嚴格，同時施工周邊環境復雜，往往伴隨著工期緊張、作業交叉、外界環境因素嚴峻等問題，很大程度上增大了泡沫輕質土的施工難度。而泡沫輕質土路基的服役性能和使用壽命完全取決于施工質量控制。

許多專家和學者對泡沫輕質土的材料性能和工程應用進行了研究。程冠之［3］研究了水膠比、濕密度、減水劑等不同制備參數對泡沫輕質土工作性能和力學性能的影響。趙文輝等［4］，王武斌等［5］研究了玻璃纖維和聚丙烯纖維對泡沫輕質土力學性能的改良作用。王立軍［6］研究了泡沫輕質土浸水后的性能變化。陽衛平［7］研究了泡沫輕質土在不同環境下的耐久性能。鄧飛［8］研究了泡沫輕質土在軟基處理工程的應用。他們對泡沫輕質土的材料性能和改良方法研究得比較深入，但通過具體的工程技術措施確保泡沫輕質土澆筑品質的研究相對薄弱。鑒于此，本文結合我國一高速鐵路車站路基幫寬工程，從沉降變形控制、水化熱控制、中遠距離澆筑、施工檢測等方面進行分析，提出相應的質量控制措施。

1 沉降變形控制

高速鐵路對路基工后沉降和差異沉降、線路偏移提出了毫米級的要求。對于路基幫寬工程不僅要保證幫寬路基符合規范和設計要求，更要保證既有高速鐵路路基不出現沉降和偏移。針對路基幫寬工程的沉降變形難題，從路基結構設計和濕密度設計進行了控制。

1.1 結構設計

鐵路路基是軌道的基礎，其主要作用是滿足軌道的鋪設、承受軌道和列車的荷載、提供列車運營的必要條件。泡沫輕質土填筑的鐵路路基必須滿足在路基荷載作用及其他各種環境因素的作用下保持其在設計使用壽命內的正常使用。泡沫輕質土路基幫寬工程中，對既有高速鐵路邊坡進行臺階開挖，臺階上鋪設復合土工膜；泡沫輕質土路基內埋設熱塑浸鋼管；泡沫輕質土頂面鋪設高分子瀝青防水卷材；形成了“下排上堵、四周防護”的泡沫輕質土路基整體結構設計，如圖1所示。避免由于水的作用導致泡沫輕質土整體結構遭到破壞，從而引起泡沫輕質土路基自身的沉降變形。

圖1 泡沫輕質土路基整體結構示意

1.2 濕密度設計

泡沫輕質土路基同時承受動、靜荷載作用，靜荷載主要指路基上部軌道結構和附屬構筑物作用于路基的荷載，動荷載為列車通過軌道結構傳遞并作用于路基的循環荷載。隨著運行速度的提高，列車動荷載也隨之增大，對路基特別是路基上部的動力性能提出更高的要求。本工程處于季節性凍土區。在泡沫輕質土路基服役性能的基礎上，為保證泡沫輕質土的抗凍性能，在凍融環境下分層進行濕密度設計。基床底層上部采用濕密度為750～850 kg/m3的泡沫輕質土，下部采用濕密度為650～750 kg/m3的泡沫輕質土。

2 水化熱控制

泡沫輕質土路基進行施工時，由于水泥比表面積過大、上下層施工間隔時間過短、澆筑養護措施不當，會導致泡沫輕質土水化熱溫度應力集中，從而出現“熱通道”現象（圖2），嚴重時出現“爆裂”現象（圖3）。“熱通道”現象可看到水蒸氣從泡沫輕質土中冒出，硬化完成后形成透水通道，同時破壞泡沫輕質土結構的整體性。“爆裂”現象則為到達某一時刻突然出現應力結構裂縫，同時可聽到炸裂的聲音。

圖2 泡沫輕質土“熱通道”現象

圖3 泡沫輕質土“爆裂”現象

2.1 水泥比表面積

TB/T 3275—2011《鐵路混凝土》中要求水泥的比表面積為300～350 m2/kg。當水泥比表面積超出規范要求時，水泥前期水化反應較為劇烈，產生大量水化熱，冷熱空氣劇烈交換形成“熱通道”病害情況，破壞泡沫輕質土泡孔骨架結構，嚴重降低泡沫輕質土抗壓強度。因此，進場前須嚴格控制水泥比表面積，使其符合規范和設計要求。

2.2 施工時間間隔

泡沫輕質土硬化后，雖然強度上可滿足設計要求，但此時泡沫輕質土仍處于水化熱大量釋放階段，不宜進行下一層泡沫輕質土澆筑施工。當外界環境溫度較高時，泡沫輕質土與外界環境溫度梯度差較小，不利于熱量釋放，應加強灑水養護，并延長養護時間。

2.3 澆筑養護措施

泡沫輕質土“熱通道”現象發生于相鄰泡沫輕質土層澆筑時間間隔較短或者澆筑時自然溫度較高，而泡沫輕質土“爆裂”現象發生于澆筑區澆筑時間過長。單區泡沫輕質土澆筑時間應小于1 h，與泡沫輕質土在澆筑19 h時達到溫峰，因此相鄰泡沫輕質土層澆筑時間間隔應大于20 h；泡沫輕質土初凝需要5 h左右，灑水養護應在泡沫輕質土初凝后開始，養護時間不低于15 h。

3 遠距離澆筑

泡沫輕質土具有可泵送、無須振搗碾壓的優良特性，但其最大泵送距離只有300～400 m，一旦超出最遠泵送范圍，泡沫輕質土將出現嚴重的消泡現象，大幅度降低泡沫輕質土性能。本工程案例中，由于不能影響既有高速鐵路正常運營，水泥罐無法靠近既有高速鐵路正線，水泥罐位置距離澆筑區400～1 000 m，無法采用泡沫輕質土一次泵送的施工方式。因此，須在水泥漿下面設立水泥漿攪拌設備，將水泥漿泵送至澆筑區旁邊的泡沫輕質土設備的攪拌池中，進行泡沫輕質土制備與澆筑，如圖4所示。

圖4 泡沫輕質土路基幫寬工程平面布置示意

通過水泥漿制備與泡沫輕質土制備分離的方式可解決中遠距離泡沫輕質土泵送消泡嚴重的問題，但同時還應注意由于泵送距離的增長，泵送管極易出現堵管和爆管現象，現場須加強清理和防護。水泥罐位置超出澆筑區2 km后，水泥漿泵送也變得非常困難，因此需要將制備好的水泥漿通過設備運送至澆筑區附近的泡沫輕質土制備處。

4 施工檢測

泡沫輕質土的質量控制與檢測可分為施工前、施工過程中和硬化后3個階段。施工前檢測主要包括原材料和輔助工程材料的檢驗。施工過程中質量檢驗包括泡沫密度、濕密度等。硬化后質量檢驗內容主要包含材料性能檢測（干密度和28 d抗壓強度）和主體形狀檢測。

4.1 施工前原材料進場檢驗

膠凝材料和發泡劑進場時應對其品種、出場日期等進行檢查，其中膠凝材料應對其強度進行復檢，質量應符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求，發泡劑的性能檢測指標見表1。對于金屬網、土工布等輔助工程材料可不進行復檢，但須材料廠家出具檢測報告。發泡劑3 000 L檢驗1次，當少于3 000 L時，該項目僅需檢驗1次。袋裝水泥200 t檢測1次，散裝水泥500 t檢測1次。

表1 發泡劑主要性能指標

4.2 施工中計量與檢測

施工過程中對泡沫輕質土的控制主要分為材料的計量控制和澆筑質量的檢測2部分。原材料及其計量允許偏差見表2，澆筑質量檢測項目、標準值、計量允許偏差和檢測頻率見表3。

中雨及其以上強度的降雨時段，嚴禁暴露施工現澆泡沫輕質土。高溫（氣溫大于38℃）和低溫（氣溫小于5℃）時段不宜進行現澆泡沫輕質土施工。施工前應對基底進行檢查，確保基底無積水，無垃圾雜物。對基底高程進行檢查，符合設計和規范要求后方能施工。當基底設計有墊層時，墊層施工應滿足要求。泡沫輕質土制備前，水泥漿或水泥砂漿等的靜置時間不宜超過2 h。實際澆筑時，澆注方向應平行于擋墻構筑物。

表2 原材料的計量控制

表3 澆筑質量檢測

4.3 硬化后質量驗收

硬化后質量檢測內容主要包含材料性能（干密度和28 d抗壓強度）和主體形狀。具體檢測項目、規定值、檢測方法和頻次見表4。

表4 硬化后泡沫輕質土質量檢測項目

5 結語

1）針對高速鐵路路基幫寬工程沉降變形控制難，又要保證既有線正常運營的問題，提出了澆筑泡沫輕質土的解決方案。

2）提出了“下排上堵、四周防護”的泡沫輕質土路基整體結構設計方案，分層設計濕密度，給出了凍融和非凍融環境下基床底層上部和下部的濕密度控制指標。

3）從降低水化熱影響考慮，建議單區泡沫輕質土澆筑時間應小于1 h，相鄰泡沫輕質土層澆筑時間間隔應大于20 h，灑水養護應在泡沫輕質土初凝后開始，養護時間不低于15 h。

4）當水泥罐無法設置在澆筑區附近時，可采用水泥漿中轉泵送的方式制備泡沫輕質土。當距離超過2 km時，建議采用水泥漿運送的方式制備泡沫輕質土。

5）提出了泡沫輕質土施工前原材料檢驗指標，施工中計量與檢測指標和硬化后的驗收指標。