高速鐵路膨脹土路基脫空式樁板結(jié)構(gòu)底模施工技術(shù)

趙建民

（中鐵一局集團(tuán)有限公司第三工程分公司，陜西寶雞 721000）

1 依托背景

目前在建的貴陽到南寧高速鐵路廣西段路基施工時(shí)遇到大量膨脹性（巖）土質(zhì)地段。該地段膨脹（巖）土質(zhì)膨脹性指標(biāo)的離散性較大，不同場地、不同深度的巖土層指標(biāo)差異性比較大。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果判定，場地膨脹性（巖）土主要以弱-中等膨脹巖為主，局部具有強(qiáng)膨脹性，結(jié)合相關(guān)規(guī)范及臨近既有線路病害經(jīng)驗(yàn)，考慮到本線為無砟軌道，對(duì)地基地質(zhì)條件要求高且病害處理難度大，本著“寧強(qiáng)勿弱”的原則采用脫空式樁板結(jié)構(gòu)措施更合理可靠。

考慮到地基土吸水體積膨脹，使其上AB 料填方路基隆起或者失水體積收縮，造成主體路基開裂、下沉。因此脫空式樁板結(jié)構(gòu)即在填方路基面上先進(jìn)行鉆孔灌注樁，再施工托梁、最后施工普通鋼筋混凝土承載板等結(jié)構(gòu)物，類似于在已填好的路基面上施工現(xiàn)澆的鋼筋混凝土實(shí)心板梁橋[1]。該樁板結(jié)構(gòu)的托梁一部分埋入路基面以下，承載板在路基面以上，和路基面有一定的脫空間隙，以防止路基土隆起損壞承載板。為此，在充分考慮現(xiàn)有的各種特定條件下，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案的比選，提出采用充氣橡膠作底模來實(shí)現(xiàn)脫空層的技術(shù)方案。

2 設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

新建鐵路貴陽至南寧廣西段站前工程GNZQ-11 標(biāo)段共涉及膨脹區(qū)間路基樁板結(jié)構(gòu)，總長1.7km。統(tǒng)一采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土脫空式樁板結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為每三跨一聯(lián)，每一聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)承載板結(jié)構(gòu)尺寸18.18m×11.2m×0.9m。板底脫空層20cm，路基面設(shè)15cm 厚C25 細(xì)石纖維混凝土保護(hù)層及一層高聚物改性瀝青防水卷材。板底脫空層采用鋼模板配型鋼橫梁和墊塊作為底模支撐系統(tǒng)。施工時(shí)同時(shí)配備至少兩聯(lián)底模材料進(jìn)行周轉(zhuǎn)使用。

通過現(xiàn)場實(shí)際模板拆除過程中發(fā)現(xiàn)拆除困難且效率低下，部分型鋼橫梁無法從脫空層中順利取出，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)每一聯(lián)樁板近30%的鋼模無法一次性拆卸，鋼底模周轉(zhuǎn)率約70%，即每施工下一聯(lián)樁板時(shí)需重新補(bǔ)充30%的模板材料，而樁板結(jié)構(gòu)共設(shè)計(jì)93聯(lián)，經(jīng)計(jì)算需補(bǔ)充523t 型材，多支出費(fèi)用約209.2 萬元。

2.2 優(yōu)化方案Ⅰ

通過施工發(fā)現(xiàn)“設(shè)計(jì)方案”滿足安全要求，但不符合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因此對(duì)“設(shè)計(jì)方案”進(jìn)一步優(yōu)化，擬采用“砂墊層+砂漿找平層”作為承載板底脫空層的模板，即運(yùn)用“土模”的思想施工。經(jīng)現(xiàn)場考察，當(dāng)?shù)厣敖ú馁Y源短缺、價(jià)格偏高、運(yùn)距較遠(yuǎn)，同時(shí)考慮到施工場地處于南寧市郊區(qū)，環(huán)保要求高。采用砂墊層找平時(shí)施工精度高、工序較多，施工完成后需要用人工或高壓水槍將砂墊層從脫空層內(nèi)清理干凈。經(jīng)過現(xiàn)場施工嘗試，發(fā)現(xiàn)砂層清理后在承載板底表面存留大量的水泥砂漿塊無法進(jìn)一步清理，嚴(yán)重影響承載板的外觀質(zhì)量。清理出來的砂二次利用率幾乎為零。以后每施工一聯(lián)需從新購置砂和拌制水泥砂漿。經(jīng)計(jì)算，施工全部承載板需耗用砂3800m3，水泥砂漿571m3，共需費(fèi)用約合99.23萬元。

2.3 優(yōu)化方案Ⅱ

通過對(duì)不同技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案的縱、橫向?qū)Ρ纫约艾F(xiàn)場實(shí)際首件操作，發(fā)現(xiàn)“設(shè)計(jì)方案”和“優(yōu)化方案I”都無法達(dá)到實(shí)現(xiàn)“經(jīng)濟(jì)、適用、安全、快捷”的目標(biāo)，給施工帶來困難。因此，為了更加突出施工便捷性和經(jīng)濟(jì)性，承載板底模采用充氣橡膠底模。每兩道托梁之間鋪設(shè)充氣橡膠，其氣壓值經(jīng)理論計(jì)算和荷載試驗(yàn)來確定，充氣橡膠采用單元結(jié)構(gòu)，由于托梁頂面高于路基面，各充氣橡膠單元連接好后嵌擠于兩托梁之間，托梁內(nèi)側(cè)面對(duì)充氣橡膠模的長邊具有一定約束作用。施工前計(jì)算承載板自重及相關(guān)施工荷載所產(chǎn)生的板底壓力，根據(jù)壓力確定橡膠充氣氣壓，以滿足混凝土澆筑過程中充氣橡膠剛度及強(qiáng)度要求，保證承載板與路基面之間的間隙滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)應(yīng)考慮充氣橡膠模的預(yù)拱度。

3 方案參數(shù)確定

澆筑承載板混凝土?xí)r所產(chǎn)生的板底壓力值范圍為28～76kPa。充氣橡膠底模施工前根據(jù)兩托梁之間的凈距先將底模平面沿線路縱向進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑缓蟀凑談澐趾玫膯卧叽邕M(jìn)行分塊加工，最后將各塊充氣橡膠拼接成整體形成整個(gè)底模系統(tǒng)。

單元?jiǎng)澐謺r(shí)按照擬定的兩種尺寸劃分，分別為4×100cm+50cm+4×100cm+70cm+4×100cm+50cm 和 9×50cm+9×50cm+20cm+9×50cm。按100cm 進(jìn)行單元分塊時(shí)其混凝土澆筑壓力作用下所產(chǎn)生的變形范圍為1.296～4.756mm；按50cm 進(jìn)行單元分塊時(shí)其在同樣的壓力作用下所產(chǎn)生的變形范圍為1.081 ～2.378mm。因此可以得出：在同樣的壓力作用下，充氣橡膠模單元分塊劃分尺寸越小，其變形影響范圍越小，其變形量亦越小，反之亦成立。

根據(jù)結(jié)論，現(xiàn)場擬采用單元寬度為50cm 的充氣橡膠模進(jìn)行布置，不足的空隙采用更小尺寸填補(bǔ)，以滿足充氣橡膠模在施工時(shí)其彈性變形的控制。最終確定的底模充氣橡膠布置圖如圖1所示。

圖1 每聯(lián)承載板脫空層充氣橡膠底模分塊布置設(shè)計(jì)圖（單位：cm）

4 荷載試驗(yàn)

充氣橡膠的分塊單元加工尺寸為550cm（長）×50cm（寬）×25cm（厚）和 550cm（長）×20cm（寬）×25cm（厚）兩種。前者作為標(biāo)準(zhǔn)單元使用，后者作為調(diào)節(jié)單元使用。現(xiàn)場為了模擬充氣橡膠在實(shí)際應(yīng)用時(shí)變形和氣壓強(qiáng)度是否滿足施工要求，故采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)充氣橡膠單元進(jìn)行等效荷載試驗(yàn)。取該標(biāo)準(zhǔn)充氣橡膠單元上方混凝土承載板 0.9m×0.5m×5.5m×1.2×2.5tonf/m3=7.425tonf 進(jìn)行加載，試驗(yàn)荷載介質(zhì)采用型材鋼板，充氣氣壓根據(jù)上述理論分析的結(jié)果，擬采用30～80kPa 范圍內(nèi)的氣壓值。

每個(gè)設(shè)定的額定氣壓值試驗(yàn)加載時(shí)采用一次加載，并考慮超載系數(shù)1.2，同時(shí)記錄每一次加載完成后充氣橡膠的變形值。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

可以得出充氣氣壓值在80kPa 時(shí)，混凝土承載板澆注時(shí)對(duì)充氣橡膠模所產(chǎn)生的變形幾乎為零。該承載板可以視為一聯(lián)普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)實(shí)心板梁，根據(jù)規(guī)范要求，其容許施工撓度為7.83mm，當(dāng)充氣氣壓為30kPa 時(shí)充氣橡膠所產(chǎn)的變形為6.8mm，亦滿足剛度要求。

5 現(xiàn)場實(shí)施應(yīng)用

通過理論分析及相關(guān)荷載試驗(yàn)，可以得出脫空式樁板結(jié)構(gòu)中脫空層采用充氣橡膠底模的技術(shù)可行。為保證施工質(zhì)量和安全，廠家針對(duì)該充氣橡膠的加工制作進(jìn)行專門研究，采用雙層加強(qiáng)型橡膠材料，保證安全工作氣壓不小于100kPa，每一充氣橡膠單元配一個(gè)氣壓表和一個(gè)打氣泵，支模時(shí)充氣，拆模時(shí)放氣。每塊充氣橡膠模工作氣壓設(shè)為80kPa，每個(gè)氣壓表的總行程為100kPa。鋼筋綁扎及混凝土澆注過程中配專人檢查，發(fā)現(xiàn)氣囊漏氣或有損壞時(shí)及時(shí)更換。

各分塊單元拼接成整體后，相鄰充氣橡膠單元之間預(yù)留20cm 左右寬間隙，防止充氣過程中相鄰氣囊膨脹擠壓，在充氣橡膠充氣完成后，其上再鋪設(shè)一層16mm 厚隔離板，保證整個(gè)底模平面的平整性和連續(xù)性。承載板混凝土澆筑過程中及拆模后，現(xiàn)場技術(shù)人員對(duì)充氣橡膠及脫空層尺寸進(jìn)行抽樣檢查，將實(shí)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)均滿足要求，各項(xiàng)誤差均不超過5%。通過首件工程的實(shí)踐和總結(jié)，已經(jīng)大面積開展施工。

6 結(jié)論

通過對(duì)充氣橡膠用作樁板結(jié)構(gòu)脫空層底模的理論分析和荷載試驗(yàn)的驗(yàn)證，以及現(xiàn)場實(shí)際工程的應(yīng)用，證明整個(gè)技術(shù)方案可行。對(duì)于類似工程問題，采用充氣橡膠模具有很大的優(yōu)越性，不但能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并能縮短工期，降低工程造價(jià)和施工難度，保證施工安全。該技術(shù)方案相比采用型鋼底模及鋪砂墊層等方案更能節(jié)約材料，提高材料使用周轉(zhuǎn)率，方案的成功實(shí)施更能體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)性、科學(xué)性及環(huán)保性。