泡沫轻质土在铁路软土路基施工中的应用

泡沫轻质土在铁路软土路基施工中的应用PAGE5PAGE17摘要：现浇泡沫轻质土是土建工程领域中近年开发的一种新型轻质填土材料，它是指用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。它具有轻质性、密度和强度可调节性、高流动性、直立性及施工便捷等特性，以减轻荷重或土压为目的，用于替代填土，可广泛用于软基桥台背填筑、道路扩建、山区陡峭路段填筑、旧路桥头路基换填等公路工程领域，亦可用于地下大跨度结构覆土减荷、空洞及狭小空间充填，具有独特的技术经济优势，是土建领域一种新兴的轻型材料，具有广阔的应用前景。目前泡沫轻质土在铁路建设中的应用寥寥无几，本文将结合蓟港扩能改造工程中改DK62+478.87～改DK62+501.71段中航油管道处采用泡沫混凝土换填施工方案，就其施工要求和降低工程造价、加快工程进度及减少路堤工后沉降和提高路堤的稳定性方面，简要介绍和剖析泡沫轻质土在铁路软土路基施工中的应用。关键词：泡沫轻质土铁路软土路基一、简析目前铁路软基处理主要形式和利弊1.1水泥搅拌桩在铁路软基处理形式中，最常见的就是水泥搅拌桩处理。针对地质情况不同，施工条件差异等因素影响，水泥搅拌桩又分为单向水泥搅拌桩、双向水泥搅拌桩、水泥砂浆桩、钉型水泥搅拌桩和旋喷桩。从施工角度分析，前四种桩机机身大，所需工作面宽，行动缓慢，其施工便捷性、机动性差导致施工进度缓慢。从安全角度分析，一般设计桩长均为10m以上。由于这四种桩机钻杆均不可分段拆卸，所以设计桩长决定了钻杆长度，钻杆长度就决定了钻机高度。临近营业线施工时如果桩机过高施工时需设防风绳防止桩机倒塌侵入限界造成行车事故，打桩施工地下处理较深对各种地下管线、电缆等造成巨大威胁，对施工安全、营业线安全及既有设备安全都埋下巨大隐患。旋喷桩每延米水泥用量为150kg，相比单向、双向水泥搅拌桩每延米水泥用量65kg成本大大提高。旋喷桩机小、移动灵活，不会危及营业线安全。钻杆可分段拆卸，多适用于施工条件苛刻工作面不足的情况，但因其成本较高不能大面积广泛使用。1.2袋装砂井袋装砂井是采用EHZ-8型袋装砂井打桩机，配套设备有成孔套管、灌砂袋架及活动桩帽等，将灌满中、粗砂的砂袋打入软基中，配合堆载预压将软土地质中的过量水分通过砂袋和排水板等设施排挤出来以达到软土地基加固的效果。由于堆载预压期一般为6个月以上，大大降低施工进度给后续工程带来滞后影响。1.3CFG桩CFG桩是将预先拌合好的混合料（水泥、粉煤灰、石屑、碎石）利用1:1的水泥砂浆润滑通过钻杆打入软土地基中达到软土地基加固的目的。施工时容易造成断桩、缩颈、混合料离析等质量事故，且工艺复杂施工进度缓慢。现已基本被水泥搅拌桩替代。1.4碎石换填碎石换填一般是在桥涵过渡段填筑或原地面地质情况稍好的情况采用的一种软基处理方式。施工时采用全断面开挖，回填碎石，分层碾压。碎石材料成本高而且后期沉降量较大，给后期线路养护增加成本。二、软基处理中仍需解决的难题2.1软基深层处理计算理论与实际差异问题由于需要软基处理的地质情况复杂，各土层厚度、承载力不均匀导致其理论计算与实际情况往往有很大出入。2.2桥涵过渡段沉降量较大引起的跳车问题桥涵过渡段跳车问题一直是困扰工程界的难题。桥涵沉降量极小但过渡段处采用传统填料和填筑工艺无论怎样处理后期沉降量相比桥涵都要大很多导致桥头跳车问题越发严重。2.3地下管线位置不明确处软基处理问题新增复线工程中经常会遇到路基下穿各种石油、燃气、工业毒气等深埋管线，由于管线埋设时间久远有些无法确认其具体深度和位置，这样对软基处理造成困难。管线业主担心打桩处理会损坏管线，换填处理担心后期沉降太大压坏管线。给设计单位和施工单位都提出了难题。2.4征地拆迁制约工程进度及增加成本问题在既有营业线基础上新增复线，路基按直线段填高5m考虑，如果路基面傍宽4.15m，既有排水沟废弃从新改移至新建坡脚，不考虑护道，征地界也要随之增加至少8-10m。导致一系列的征地拆迁制约工程进度问题，因征地拆迁补偿款造成增加成本问题。见图2-1图2-1征地拆迁问题三、泡沫轻质土的定义和特性泡沫轻质土是土建工程领域中近年开发的一种新型轻质填土材料，它是指用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥基胶凝材料、水、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料。根据工程的需要，现浇泡沫轻质土中泡沫的含有率、容重及强度可分别在15—70%、5—16kN/m3及0.3—8.0MPa范围内调整。泡沫具有轻质性、高流动性、直立性、不可压缩及高强性、密度和强度可调节性、施工便捷性。详见图2-2，图2-3，图2-4，图2-5，图2-6，图2-7图2-2轻质性图2-3高流动性图2-4直立性图2-5不可压缩及高强性图2-6密度和强度可调节性图2-7施工便捷性四、简析泡沫轻质土的优势4.1泡沫轻质土在桥涵过渡段回填工程中的优势：（1）可大幅降低填土荷载，减少地基的附加应力，抑制地基的不均匀沉降和侧移，提高路基的稳定性；（2）可缓解桥台与台背路基的刚性突变；（3）有效消除填料自身的工后沉降问题；（4）填料具有自立性，对桥台结构物几乎没有推挤作用；（5）施工时自动密实，无需振捣和碾压，能有效解决台背压实难问题。在公路适用，在铁路亦适用。图4-1泡沫轻质土在公路桥涵过渡段应用实例4.2轻质泡沫土在既有路基加宽、扩建工程中的优势：（1）可垂直填筑，节约用地、减少拆迁，节省投资。在旧路基础上加宽不需重新征地，不改变原有排水系统；（2）在软基路段加宽，可不进行软基处理或降低软基处理强度和范围；（3）施工时自动密实，不需震捣和碾压；（4）采用泵送施工，不需设置临时便道，几乎不影响现有交通；（5）施工工期短，对环境无污染，社会经济效益好。图4-2泡沫轻质土在日本轻轨路基加宽中的应用实例五、国内外应用情况气泡混合轻质土是一种新型轻质环保材料，在国外已有几十年的应用历史。自2002年从日本引进以来，在广东、北京、河北等重点工程中采用，取得了良好的效果。到目前为止，该技术在日本应用约为300多万m3，在国内成功应用于奥运工程，天津大道等几十个工程项目，累计约为30多万m3。六、结合工程实例简析泡沫轻质土在铁路软基处理中的应用6.1工程概况新建蓟港铁路咸水沽至邓善沽区间路基中心里程DK62+488.87处下穿一条中航油输油管道，管径Φ329.9mm。与新建线夹角60°，埋深约13m。此处路基填高仅有1m，原设计基底处理为采用1-4m钢筋混凝土盖板箱涵，基础为钻孔桩基础，上设承台，将盖板直接安放在承台上。为确保钻孔桩施工不影响管线安全，施工前需准确定位管线的位置。由于受周边高压线干扰，无法使用探测设备探测出管线准确位置。经建设单位、设计单位、施工单位及管线业主单位协商，决定采用换填方式加固地基基础。本段路基基底淤泥质土深厚，采用传统换填方式工后沉降很大，不能保证管线的安全，后决定采用新兴材料泡沫轻质土换填，利用泡沫轻质土的轻质性、高强性、高流动性等特点来消除铁路修建及火车动载对基底产生的附加应力，以增加路基稳定性和控制工后沉降，进而保证中航油管道的安全。6.2工期安排基坑开挖2天，分层浇注泡沫轻质土6天。6.3泡沫轻质土施工方法及工艺（1）泡沫轻质土制作流程（2）泡沫轻质土施工前，应进行施工配合比试验。施工配合比应满足下列要求：①湿容重≤6.0KN/m3；200mm≥流动值≥160mm。②配合比强度试验试块采用10cm×10cm×10cm立方体试块。抗压强度试验方法同普通混凝土强度试验方法，但要求压力机采用小量程砂浆压力机进行抗压试验，且强度结果不做尺寸折减。③配合比强度应满足：7天龄期强度≥0.3Mpa；28天龄期强度≥0.6Mpa。④施工配合比强度试验以3块为一组，共做3组分别测定7天、14天和28天龄期强度。当7天龄期抗压强度≥0.3Mpa时，该配合比可作为施工配合比采用。（3）泡沫轻质土浇筑施工①泡沫轻质土单层浇注厚度控制在0.2m～1m范围；本工程基坑深度3m，分4次浇注，每次浇注厚度为0.75m。②泡沫轻质土单个浇筑区浇筑层的浇筑施工时间应控制在水泥(砂)浆初凝时间内；上层浇筑层应等下层浇筑层终凝后方可浇筑施工。③应尽可能沿浇筑区长轴方向自一端向另一端浇筑；若采用一条以上浇筑管浇筑时，则可并排地从一端开始浇筑，或采用对角的浇筑方式。④浇筑过程中，当需要移动浇筑管时，则应将浇筑管尽可能提出当前已浇筑轻质土表面后再移动。⑤进行扫平表面时，应尽量使浇筑口保持水平，并使浇筑口离当前浇筑轻质土表面尽可能的低。⑥尽量减少在已浇完尚未固化的轻质土里来回走动。⑦浇筑现场应确保基底无积水，当浇筑面位于地下水位以下时，采用潜水泵临时降水，并在泡沫轻质土养护龄期不少于3天且满足抗浮要求的条件下才能撤除降水措施。6.4过程质量监控（1）施工场地应平整，不得有积水。（2）根据工艺制定各项技术参数、施工要点，供现场操作人员遵守。严格控制轻质土的流值及湿密度，确保轻质土设计要求。（3）施工中，应及时、认真地填写原始记录，不允许事后编写。每天资料都应做好签认、汇总工作，发现问题及时改正。（4）加强资料管理，施工中认真填写有关技术资料，每次浇注要按实际产生的数据认真负责地填写资料，所有的资料数据必须真实可靠并得到监理工程师的签字认可，施工中的所有资料必须完整无缺并整理归档。（5）质量控制指标详见表4.14.1质量控制指标控制指标设计值允许误差检测频率湿密度A±0.1A每工作日自检4次次气泡密度D±0.1D每工作日自检2次次流动值170170mm±100mm每工作日自检4次次6.5强度检测（1）泡沫轻质土固化后常规试验检测指标为抗压强度。（2）泡沫轻质土路基浇筑至最后1层时，每工作日应取强度检测试件2组，分别作7天龄期和28天龄期强度检测；其他层位的泡沫轻质土，每工作日应取强度检测试件1组，做28天龄期强度检测。（3）泡沫轻质土的强度检测试块取样要求及强度评定标准如下：①抗压强度和似干容重检测试件应在浇注点出料口制取，制取时应量测并记录湿容重；试件为边长10cm的立方体；试件3个为1组。②试件制取后，应置于20～25℃的环境中，试块拆模后，应用密封塑料袋包装养护。抗压强度测定时，检测方法参考GB50081-2002《普通混凝土力学性能试验检测方法标准》，但最终强度检测取值不作尺寸折减。③抗压强度的评判合格标准应符合：Qn≥Qc，式中：Qc-抗压强度设计值（Mpa）；Qn-单组试件3个试块强度平均值或代表值（Mpa）。七、效果分析7.1加快工程进度原设计为钻孔桩基础钢筋混凝土盖板箱涵。从钻孔桩施工、承台施工、边墙施工到盖板施工，总工期约45天。而实际工期只需8天就完成，为后续工程的施工创造了充足的时间。7.2施工简便、安全泡沫轻质土施工无需动用吊车、挖掘机、钻机等大型机械，涉及劳力、材料种类少，便于控制和管理，减少危险源，提高营业线运营及工程施工安全系数。7.3降低工程造价①工程变更减少费用工程变更后比变更前减少费用10万元。②降低维护费用研究证明采用泡沫轻质土换填软土路基，可以减少工后沉降，提高工程质量，这样就可大幅度地降低工程运营后的维护管理费用。③降低工期成本由于采用泡沫轻质土填筑，可以大大地缩短施工工期，因此可大幅度地降低工期成本。八、结束语天津、广州、海南等沿海城市地区水网发达，土层多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土、淤泥质粉土及淤泥混砂层，属于饱和的正常压密软粘土，这类土具有含水量高、压缩性大、渗透系数小、灵敏度高、强度低和厚度不均匀等特点，传统的各种软基处理法只是单纯地从提高地基的承载力的角度上下功夫，而忽视了减轻填土的荷载，使得软基路堤，特别是软基深、填土高的路堤的处理成本高、工期长、占地多，并且沉降和稳定的问题不能有效解决，使得工程施工和维修成本提高。为此，采用泡沫轻质土进行软基路堤的填筑研究和应用，取得了良好的效果。7年前，我国开始了泡沫轻质土在基础设施建设中的应用研究，已在包括鸟巢、北京地铁奥运支线、京珠高速公路、广州亚运主干道等工程中得到了成功的应用。2010年5月天津公司天津大道双港高架特大桥首次成功应用现浇泡沫轻质土，解决桥头跳车这一质量通病。在铁路施工中，桥台背填筑、路基加宽换填、下穿高速路基挡土墙、空洞及狭小空间填充等工程同样可以利用泡沫轻质土的独特技术优势。希望今后泡沫轻质土能更加广泛的应用于铁路基础建设工程中。主要参考文献：[1]《简析泡沫轻质土在