泡沫轻质土置换软基新技术在零扰动下穿客运专线施工中的应用

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  摘要:泡沫轻质土具有容重小、自流平、自密实、强度可调、自立性、无侧向变形、全机械化施工、工期短、无污染等诸多优点,本文将介绍应用泡沫轻质土置换软基下穿客运专线的科学性、优越性和经济性,并详细阐述泡沫轻质土的施工方法,对推动气泡轻质土在道路施工过程中的应用和类似工程的施工具有较好的探索、借鉴意义。
  关键词:泡沫轻质土,换填,零扰动,下穿,新技术
  中图分类号:C35文献标识码: A
  1引言
  随着我国客运专线和公路建设事业的迅猛发展,道路下穿客运专线将越来越普遍。道路下穿客专过程中,避免对铁路桥梁墩台产生扰动和尽可能较少路基工后沉降对客运专线的影响,是设计、施工技术人员所面临的难题。针对道路下穿客运专线的施工难题,中交三公局第三工程公司以成都天府新区货运通道工程为依托,进行泡沫轻质土置换客运专线桥下软基施工方法的研究,此方式下穿客运专线在国内外尚无应用先例,取得了一系列的研究成果和现场实地施工经验。利用泡沫轻质土进行软基置换下穿客运专线,有效降低了地基附加应力,消除了施工过程中对铁路桥梁的扰动,减少了道路运营工后沉降,从而有效保证了客运专线的安全,成功突破了道路下穿客运专线的难题,对类似工程的建设具有较好的借鉴意义。
  2工程特点及技术、施工难点
  成渝客专为在建高速铁路,整体走向成西北至东南走向,交叉区域属于DK7+158.696成都高架特大桥258~261号桥。货运通道该段整体走向成东北至西南向,交叉中心桩号为:货运通道桩号K1+550.515=成渝客专DK12+470.652,交叉角度89°56′。
  在客专桥下段的货运通道右侧辅道、主车道下堆弃有高约2.6m的人工杂填土,杂填土下还有4m~5m软土,其下杂填土压实度极差,下伏软土也尚未固结。如何在置换软基的同时尽可能降低对墩台和梁体的影响,减小地基处治后的工后沉降是技术难点。采用气泡轻质土临近墩台置换货运通道杂填土,该方案尚未有施工先例,如何在施工中实现对客专桥梁的“零扰动”,控制泡沫轻质土的施工质量,满足抗压强度和路床顶面弯沉值的要求是施工难点。
  3施工特点
  货运通道项目采用气泡轻质土置软基下穿客运专线取得非常好的应用效果,经过对比分析,相对于传统路基填料,泡沫轻质土具有以下优点:
  (1)泡沫轻质土的容重约为5~13kN/m3,为普通土的1/3-1/2,采用其置换软基,是一个“减力”的过程,可减少路堤荷重,降低填土荷载,减少地基附加应力,有效控制工后沉降,提高路基的稳定性,从而有效解决了道路路基工后沉降对客专墩台的影响。
  (2)泡沫轻质土具备良好的流动性,采用高压软管泵送施工,运送距离300m,自流平,自密实,无需机械碾压和振捣作业,有效解决了路基施工中零扰动客专墩台的问题。
  (3)泡沫轻质土容重及压缩强度可通过配合比进行自由的调整,可根据基底承载能力配比合适的填土荷重,减少下卧地基的荷载,有效解决了路基自重对成渝客专墩台的影响。
  (4)泡沫轻质土固化后具有自立性,可垂直填筑,无侧向变形,对墩台无侧向推挤作
  用,有效解决了路基侧向移动对墩台的附加应力。
  (5)泡沫轻质土采用全机械化施工,自动化程度高,无需碾压,施工质量易控制,每天可连续进行1.0m施工,避免了工期紧填土速度过快,作业面压实不够等通病影响,施工便捷高效,工期短,安全质量可控,对环境无污染,社会效益好。
  4施工方案
  4.1工艺流程
  泡沫轻质土置换软基施工工艺流程如图1所示。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图1泡沫轻质土台背回填施工工艺流程
  4.2施工流程
  4.2.1测量放样
  根据置换路基设计边界,进行测量放样,放出分区浇注边界。
  4.2.2排水系统
  施工前场地应先平整,不得有积水。在置换基坑区域四周设置排水系统,做好防、排水工程等施工准备工作。路槽区域外侧1.5m设置长×宽×深=0.5×0.5×0.5m的截水沟,截水沟采用砂浆封底、抹面。开挖基槽后,于槽内四角分别设置长×宽×深=1.0×1.0×1.0m的集水坑,配备水泵做好抽、排水准备,排水引至路基外侧。
  4.2.3软基开挖
  根据施工图纸尺寸要求对现场需换填软基进行开挖,路堤底部台阶坡面放坡开挖应尽可能做到精细,要求每开挖一级即对放坡面进行平整处理。
  4.2.4基底处理
  软基开挖完成后,应对基槽基底进行碾压,确保基底路基土压实度不低于93%。考虑置换区域处于客专桥梁下方,为尽量减小对客专桥梁影响,碾压采用12T压路机和蛙式夯机配合压实,在桥墩外侧3m外采用压路机静压,3m范围内采用小型蛙式夯机进行补充夯实。
  4.2.5安装模板
  安装模板,根据浇筑区域的规划安装临时模板,因为泡沫轻质土流动性较好,所以要求分区模板要安装、拼合紧密,并采用泡沫胶进行密封,防止轻质土沿缝隙渗流。
  4.2.6泡沫轻质土制备
  4.2.6.1发泡、混合搅拌
   气泡混合轻质土的配置步骤如图2所示,即在水泥、水充分混合成浆状之后,通过发泡装置产生的气泡加入其中而成。
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  图2气泡混合轻质土的制作方法图
  (1)泡沫生成
  1) 泡沫是由发泡剂稀释后加压缩空气经发泡枪生成,发泡剂的性能直接影响泡沫的稳定性,用于泡沫生成的发泡剂性能应该满足下列要求:
  a.对环境应无不良影响,宜采用界面活性类发泡剂。
  b.在0℃以上的温度环境,发泡剂不应出现离析现象。
  c.稀释倍率不宜小于100。
  e.标准泡沫密度宜为40kg/m3~60kg/m3。
  f.发泡剂所制作的泡沫应细密,经消泡试验确定的湿密度增加率不应超过10%。
  2) 拌合水不应含有影响泡沫稳定性、泡沫轻质土的强度和耐久性的有机物、油污等杂质。
  3) 发泡劑的稀释、起泡应采用设备自动化控制,泡沫应细密、稳定。
  
  图3泡沫生成
  4.2.6.2水泥浆制备
  1) 水泥浆可使用拌合站集中搅拌供应,严格控制配合比和拌和时间,水泥浆制备应连续,并经过两次混合搅拌,保证其均匀,无沉积,质量稳定,避免轻质土浇筑过程中出现局部消泡、假凝现象,影响整体施工质量。
  2) 泡沫轻质土对水泥浆中水泥强度无特别要求,但所用水泥必须先进行消泡试验,以确定其湿密度增加率是否满足要求。
  3) 水泥浆制备应连续,避免轻质土浇筑过程中出现局部消泡、初凝现象,影响整体施工质量。
  4) 水泥浆在现场应进行进一步搅拌,以保证其均匀,无沉积,同时应在出料口设置过滤网,防止较大颗粒材料堵塞泵管。
  5) 施工过程中,应对每车水泥浆进行重度检测,确保水泥浆质量稳定。
  4.2.6.3轻质土生成
  轻质土是将气泡加压与水泥浆混合而成,施工过程中,每次起动机器后,需对生产参数进行调整,以保证轻质土的湿密度与流量满足设计要求。参数调整好后,应对泡沫轻质土进行约10m³试喷,混合料容重、流动值稳定后,方可正式进行路基喷填。喷填过程中,及时观察、抽检容重和流动值,发现问题立即停止喷填,解决问题后,方可继续喷填。
  4.2.6.4气泡混合轻质土输送
  气泡混合轻质土中的气泡,采用管道泵管输送的。为保证气泡混合轻质土的稳定性,减少材料离析,搅拌场所设在的离最远施工点500米以内处。如果输送距离超过的,必须设置中继泵送装置等措施,以减少气泡消解和材料分离。
  4.2.7浇注、喷填
  4.2.7.1总体要求
  气泡混合轻质土路堤每隔5m设置沉降缝,缝间采用18mm竹胶板填充。路堤顶面纵向应分段做成台阶状连接,台阶高差根据路线纵坡而定。路堤底面沿纵向横向均为水平状以便于施工。
  气泡混合轻质土中气泡既有独立细微的特点,也具有分散性。为减少气泡的消解及材料分离现象,施工过程中要避免过度振动,气泡混合轻质料的浇筑施工工序如图3所示。
  
  图3气泡混合轻质料施工工艺流程图
  4.2.7.2现场浇注
  1)浇筑要控制好浇筑厚度,根据施工经验得出,一次浇注的最大厚度不能超过1m;最小不小于0.25m,单层浇注厚度,最佳控制在0.5m~0.8m范围。
  2) 分区模板安装要牢固,浇注区间应采用塑料布进行密封,防止轻质土沿缝隙渗流。
  3) 泡沫轻质土单个浇注区、浇注层的浇注时间应控制在水泥浆初凝时间内,上层浇注层仅当下层浇注层终凝后方可浇注施工。
  4) 应尽可能沿浇筑区长轴方向自一端向另一端浇筑,如采用一条以上浇注管浇注,则可并排从一端开始浇注,或采用对角浇注方式。
  5) 浇筑过程中,需要移动浇注管时,应沿浇注管放置的方向前后移动,而不宜左右移动浇注管,如确实需要左右移动浇注管时,则应将浇注管尽可能低于当前已浇注轻质土表面后再移动。
  6) 进行扫平表面时,应尽量使浇筑口保持水平,并使浇注口离当前浇筑轻质土表面尽可能低。
  7) 不可在已浇筑尚未固化的轻质土中来回走动。
  8)气泡轻质土要避免雨天施工。当施工遇降雨时,未固化的泡沫轻质土表面应采取遮雨措施,防止雨水消泡。不能在已浇筑尚未固化的轻质土上走动,如是施工必需则应铺设木板。
  泡沫轻质土单个浇注区、浇注层的浇注时间应控制在水泥浆初凝时间内,上下相邻浇注层,浇注间隔不低于150度·小时,且必须终凝。
  4.2.8成品保护
  (1) 当遇大雨、暴雨或持续时间较长的小雨天气时,未固化的泡沫轻质土表面应采取放水土工布进行遮雨措施,防止雨水消泡。
  (2) 泡沫轻质土浇筑硬化成型后,在强度未达到设计强度前,不宜直接进入使用状态。同条件养护达到设计强度后,方能进行路面结构层施工,并要避免大型机械直接在轻质土顶部行走。
  (3) 泡沫轻质土浇筑完成后,表面覆盖防水土工布进行保湿养护5~7天。
  (4)施工过程中,为保证施工安全和气泡轻质土施工质量,基坑周围采用长1.2m,立杆间距为1m,横杆间距为0.4m的φ48×5mm的鋼管进行围挡,围挡挂密目式安全立网。
  5质量控制措施
  为确保泡沫轻质土工程质量符合设计要求及有关规范的规定,实行以过程为主,工后检测为辅的方针,从人员、设备、材料、施工前的准备、工程施工过程等方面对工程质量进行预控。
  (1)人员控制
  1) 实行岗位责任制,做到定机、定人、定岗、定责。每处施工现场确定一名项目负责人,制定详细的操作手、自检人员岗位责任制。
  2) 凡参加泡沫轻质土施工的人员上岗前首先要了解、掌握、重温有关施工技术规范,明确岗位责任,做到未经培训不得上岗。
  (2)设备控制
  1) 设备性能状态良好,配备有足够的易损件。
  2) 配备先进的自动计量工具,确保配合比准确。
  (3)材料控制
  施工中的水泥应经自检合格后方可进场,进场后的水泥应按批报检,抽检合格后方可投入使用,若采用商品水泥浆,则到场后按要求检测水泥浆比重,确保质量。
  (4)过程质量控制
  1) 施工场地应平整,不得有积水;
  2) 根据施工工艺制定各项技术参数、施工要点,现场严格控制轻质土的流值及湿密度。
  3)施工中,应及时、认真地填写原始资料,若埋设检测仪器,应采取措施保护仪器不被破坏,观测数据应连续、准确。
  (5)施工质量检验
  1)严格按照质量体系文件要求进行各项质量管理工作,确保施工过程得到有效控制,以确保工程质量目标的实现。
  2)应严格根据设计要求,试配泡沫混凝土,确定其水泥、水、发泡剂、外加剂等的掺量,并原材料的计量精度误差不大于±2%。
  3)填筑体长度超过5m 时,按5m或断面突变处加设变形缝,变形缝材料可采用20-30 mm 厚聚苯乙烯板或18mm的胶合板。
  4)模板安装时,水平及倾斜误差应逐层调整,同时要求模板光洁、平顺垂直、板缝均匀,线形顺适,断面尺寸符合设计要求。
  5)为保证浆料混合均匀,应做到及时混合,不得使用超过发泡时间的气泡群。
  6)气泡混合轻质土中气泡在初凝以前是一种不稳定结构,因此浇筑过程中要避免过度振动。填筑气泡混合泡沫混凝土时,由于其自身重量的影响,会压缩气泡和消泡,浇注厚度一般控制在0.7m,最大不超过1.0m。
  7)采用往后直拉的方式拖移浇注管,浇注管出料口应与浇筑面保持水平,扫平表面时,不要用喷射方式浇注。
  8)由于气泡遇雨会消解,因此要避免在大雨天施工。当遇到大雨或长时间持续的小雨天气时,对未固化的表层应采取遮雨措施,重新浇注上层前,应对已被雨水浸泡的表层进行铲除清理。
  6技术革新
  本工法采用泡沫轻质土进行客专桥下路基置换,解决了客专桥下路基回填施工扰动、减荷回填、工后沉降、侧向位移、工期压力等方面问题,成功实现了“零扰动”客运专线,实现了大件荷载道路路基成功下穿客运专线,确保了客运专线的安全和稳定,其施工方法和成果得到参建各方认可和好评(详见图4),为类似工程提供了借鉴实例。
  
  图4 工程应用证明
  7资源节约
  本工法采用泡沫轻质土进行客专桥下路基置换,充分利用气泡轻质土的轻质性,是一个“减力”的过程,减少路堤荷重,为下卧基层减压,大大降低了对软土地基承载力要求,减小了软土路基开挖深度,从而减小了置换材料的需求量,本工法较土石方换填、砂砾石换填处置软基成本低,节约资源。
  8效益分析
  (1)与其他设计方案比较
  若采用土石方、砂砾石等材料进行换填,其比重大,需碾压密实、存在工后沉降、侧向位移、施工工期长,对铁路桥梁墩台将产生长久影响,设计方案必然得不到铁路部门的认可。若采用高架桥上跨方式,该处桥梁建筑高度为13m,考虑铁路接触网等净空,高架桥高度预期将在20m左右,将大大增加工程造价投入。
  (2)与其他软基处理方案比较
  本工法可缩短软基处理时间,显著缩短施工工期,工期效益明显;与水泥搅拌桩、灌浆等方法相比,其施工不是隐蔽施工,具有很强的质量可靠度高,质量效益明显;气泡轻质土采用管道输送,不污染环境,环境效益显著。气泡轻质土单方价格是普通土的3-5倍,但综合考虑软弱土基处理,与排水预压、水泥搅拌桩、预应力管桩、注浆等软基处理方法相比,回填气泡轻质土减荷法回填软基可节省工程造价约200-300元/m2。
  (3) 对环境影响小,现浇泡沫轻质土采用商品水泥浆,现场加气泡后进行浇注,避免了水泥浆现场搅拌与灰土拌合、摊铺及碾压,对现场施工环境造成的影响降到了最低。
  (4)施工便捷高效,施工工期短,施工作业面小,对环境影响小,广泛推广可大幅提升我国基础设施的建设效率。
  (5)通过现浇泡沫轻质土在本工程中的成功应用,并通过成都市城建投资公司、各科研、设计及施工单位的观摩和学习,进一步推广了这种新材料、新工艺在后续设计、施工中的应用,促进了绿色节能新型材料产业发展,拉动和提升了上下游相关产业的发展及技术进步。
  9结语
  该施工方法适用于道路工程下穿客专桥梁等结构物,可推广应用于对工后沉降、减荷回填要求高,对道路近傍结构物施工扰动影响小的路基回填、软基换填,也可推广应用于工期紧,施工作业高度受限路基;道路扩幅改造,征地、拆迁困难路段;地下管道、线缆无法迁移路段,气泡混合轻质混合料技术有着非常广泛的应用前景。
  参考文献:
  [1]CECS249:2008《现浇泡沫轻质土技术规程》[S].
  [2]TJG F10 01-2011《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》[S].
  [3]CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》[S].
  [4]JTG/T D31-02-2013现浇泡沫轻质土技术规程[S].
  [5]JTG F80/1-2004公路工程质量检验评定标准[S].
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