高速铁路泡沫轻质土路基帮宽施工关键技术

李斯 姚建平 杨伟利 谢蛟 李吉亮

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科特种工程技术有限公司，北京 100081）

自2008年中国第一条高速铁路（京津城际铁路）开通运营以来，中国高速铁路发展迅速，截至2018年底，中国高速铁路运营里程超过2.9万km。随着高速铁路线路和城际铁路的增加，一些新建线路需接入到既有高速铁路线路中，而最常用的接入方式是对接入车站路基进行帮宽处理。若采用传统的路基填筑施工，需要大型机械摊铺、精平、碾压路基填料，势必会影响到既有高速铁路线路的正常运营。常规路基填料填筑新增的路基竖向、侧向荷载大，易使既有线路产生差异沉降和偏移［1］，影响高速铁路安全运营。

泡沫轻质土具有轻质高强、密度重度可调、固化后直立、无须振捣碾压的特性［2］，可解决传统路基填筑的沉降和碾压问题，适用于高速铁路车站路基帮宽工程。高速铁路车站路基帮宽工程对工后沉降要求严格，同时施工周边环境复杂，往往伴随着工期紧张、作业交叉、外界环境因素严峻等问题，很大程度上增大了泡沫轻质土的施工难度。而泡沫轻质土路基的服役性能和使用寿命完全取决于施工质量控制。

许多专家和学者对泡沫轻质土的材料性能和工程应用进行了研究。程冠之［3］研究了水胶比、湿密度、减水剂等不同制备参数对泡沫轻质土工作性能和力学性能的影响。赵文辉等［4］，王武斌等［5］研究了玻璃纤维和聚丙烯纤维对泡沫轻质土力学性能的改良作用。王立军［6］研究了泡沫轻质土浸水后的性能变化。阳卫平［7］研究了泡沫轻质土在不同环境下的耐久性能。邓飞［8］研究了泡沫轻质土在软基处理工程的应用。他们对泡沫轻质土的材料性能和改良方法研究得比较深入，但通过具体的工程技术措施确保泡沫轻质土浇筑品质的研究相对薄弱。鉴于此，本文结合我国一高速铁路车站路基帮宽工程，从沉降变形控制、水化热控制、中远距离浇筑、施工检测等方面进行分析，提出相应的质量控制措施。

1 沉降变形控制

高速铁路对路基工后沉降和差异沉降、线路偏移提出了毫米级的要求。对于路基帮宽工程不仅要保证帮宽路基符合规范和设计要求，更要保证既有高速铁路路基不出现沉降和偏移。针对路基帮宽工程的沉降变形难题，从路基结构设计和湿密度设计进行了控制。

1.1 结构设计

铁路路基是轨道的基础，其主要作用是满足轨道的铺设、承受轨道和列车的荷载、提供列车运营的必要条件。泡沫轻质土填筑的铁路路基必须满足在路基荷载作用及其他各种环境因素的作用下保持其在设计使用寿命内的正常使用。泡沫轻质土路基帮宽工程中，对既有高速铁路边坡进行台阶开挖，台阶上铺设复合土工膜；泡沫轻质土路基内埋设热塑浸钢管；泡沫轻质土顶面铺设高分子沥青防水卷材；形成了“下排上堵、四周防护”的泡沫轻质土路基整体结构设计，如图1所示。避免由于水的作用导致泡沫轻质土整体结构遭到破坏，从而引起泡沫轻质土路基自身的沉降变形。

图1 泡沫轻质土路基整体结构示意

1.2 湿密度设计

泡沫轻质土路基同时承受动、静荷载作用，静荷载主要指路基上部轨道结构和附属构筑物作用于路基的荷载，动荷载为列车通过轨道结构传递并作用于路基的循环荷载。随着运行速度的提高，列车动荷载也随之增大，对路基特别是路基上部的动力性能提出更高的要求。本工程处于季节性冻土区。在泡沫轻质土路基服役性能的基础上，为保证泡沫轻质土的抗冻性能，在冻融环境下分层进行湿密度设计。基床底层上部采用湿密度为750～850 kg/m³的泡沫轻质土，下部采用湿密度为650～750 kg/m³的泡沫轻质土。

2 水化热控制

泡沫轻质土路基进行施工时，由于水泥比表面积过大、上下层施工间隔时间过短、浇筑养护措施不当，会导致泡沫轻质土水化热温度应力集中，从而出现“热通道”现象（图2），严重时出现“爆裂”现象（图3）。“热通道”现象可看到水蒸气从泡沫轻质土中冒出，硬化完成后形成透水通道，同时破坏泡沫轻质土结构的整体性。“爆裂”现象则为到达某一时刻突然出现应力结构裂缝，同时可听到炸裂的声音。

图2 泡沫轻质土“热通道”现象

图3 泡沫轻质土“爆裂”现象

2.1 水泥比表面积

TB/T 3275—2011《铁路混凝土》中要求水泥的比表面积为300～350 m2/kg。当水泥比表面积超出规范要求时，水泥前期水化反应较为剧烈，产生大量水化热，冷热空气剧烈交换形成“热通道”病害情况，破坏泡沫轻质土泡孔骨架结构，严重降低泡沫轻质土抗压强度。因此，进场前须严格控制水泥比表面积，使其符合规范和设计要求。

2.2 施工时间间隔

泡沫轻质土硬化后，虽然强度上可满足设计要求，但此时泡沫轻质土仍处于水化热大量释放阶段，不宜进行下一层泡沫轻质土浇筑施工。当外界环境温度较高时，泡沫轻质土与外界环境温度梯度差较小，不利于热量释放，应加强洒水养护，并延长养护时间。

2.3 浇筑养护措施

泡沫轻质土“热通道”现象发生于相邻泡沫轻质土层浇筑时间间隔较短或者浇筑时自然温度较高，而泡沫轻质土“爆裂”现象发生于浇筑区浇筑时间过长。单区泡沫轻质土浇筑时间应小于1 h，与泡沫轻质土在浇筑19 h时达到温峰，因此相邻泡沫轻质土层浇筑时间间隔应大于20 h；泡沫轻质土初凝需要5 h左右，洒水养护应在泡沫轻质土初凝后开始，养护时间不低于15 h。

3 远距离浇筑

泡沫轻质土具有可泵送、无须振捣碾压的优良特性，但其最大泵送距离只有300～400 m，一旦超出最远泵送范围，泡沫轻质土将出现严重的消泡现象，大幅度降低泡沫轻质土性能。本工程案例中，由于不能影响既有高速铁路正常运营，水泥罐无法靠近既有高速铁路正线，水泥罐位置距离浇筑区400～1 000 m，无法采用泡沫轻质土一次泵送的施工方式。因此，须在水泥浆下面设立水泥浆搅拌设备，将水泥浆泵送至浇筑区旁边的泡沫轻质土设备的搅拌池中，进行泡沫轻质土制备与浇筑，如图4所示。

图4 泡沫轻质土路基帮宽工程平面布置示意

通过水泥浆制备与泡沫轻质土制备分离的方式可解决中远距离泡沫轻质土泵送消泡严重的问题，但同时还应注意由于泵送距离的增长，泵送管极易出现堵管和爆管现象，现场须加强清理和防护。水泥罐位置超出浇筑区2 km后，水泥浆泵送也变得非常困难，因此需要将制备好的水泥浆通过设备运送至浇筑区附近的泡沫轻质土制备处。

4 施工检测

泡沫轻质土的质量控制与检测可分为施工前、施工过程中和硬化后3个阶段。施工前检测主要包括原材料和辅助工程材料的检验。施工过程中质量检验包括泡沫密度、湿密度等。硬化后质量检验内容主要包含材料性能检测（干密度和28 d抗压强度）和主体形状检测。

4.1 施工前原材料进场检验

胶凝材料和发泡剂进场时应对其品种、出场日期等进行检查，其中胶凝材料应对其强度进行复检，质量应符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，发泡剂的性能检测指标见表1。对于金属网、土工布等辅助工程材料可不进行复检，但须材料厂家出具检测报告。发泡剂3 000 L检验1次，当少于3 000 L时，该项目仅需检验1次。袋装水泥200 t检测1次，散装水泥500 t检测1次。

表1 发泡剂主要性能指标

4.2 施工中计量与检测

施工过程中对泡沫轻质土的控制主要分为材料的计量控制和浇筑质量的检测2部分。原材料及其计量允许偏差见表2，浇筑质量检测项目、标准值、计量允许偏差和检测频率见表3。

中雨及其以上强度的降雨时段，严禁暴露施工现浇泡沫轻质土。高温（气温大于38℃）和低温（气温小于5℃）时段不宜进行现浇泡沫轻质土施工。施工前应对基底进行检查，确保基底无积水，无垃圾杂物。对基底高程进行检查，符合设计和规范要求后方能施工。当基底设计有垫层时，垫层施工应满足要求。泡沫轻质土制备前，水泥浆或水泥砂浆等的静置时间不宜超过2 h。实际浇筑时，浇注方向应平行于挡墙构筑物。

表2 原材料的计量控制

表3 浇筑质量检测

4.3 硬化后质量验收

硬化后质量检测内容主要包含材料性能（干密度和28 d抗压强度）和主体形状。具体检测项目、规定值、检测方法和频次见表4。

表4 硬化后泡沫轻质土质量检测项目

5 结语

1）针对高速铁路路基帮宽工程沉降变形控制难，又要保证既有线正常运营的问题，提出了浇筑泡沫轻质土的解决方案。

2）提出了“下排上堵、四周防护”的泡沫轻质土路基整体结构设计方案，分层设计湿密度，给出了冻融和非冻融环境下基床底层上部和下部的湿密度控制指标。

3）从降低水化热影响考虑，建议单区泡沫轻质土浇筑时间应小于1 h，相邻泡沫轻质土层浇筑时间间隔应大于20 h，洒水养护应在泡沫轻质土初凝后开始，养护时间不低于15 h。

4）当水泥罐无法设置在浇筑区附近时，可采用水泥浆中转泵送的方式制备泡沫轻质土。当距离超过2 km时，建议采用水泥浆运送的方式制备泡沫轻质土。

5）提出了泡沫轻质土施工前原材料检验指标，施工中计量与检测指标和硬化后的验收指标。