站房与站场间不规则狭窄软基及路基处理研究与应用

马劲松 上海铁路局杭州铁路枢纽工程建设指挥部

站房与站场间不规则狭窄软基及路基处理研究与应用

马劲松 上海铁路局杭州铁路枢纽工程建设指挥部

泡沫轻质土作为一种新型建筑材料、设计理念和施工方法，凭借其良好的性能已广泛应用于市政、公路等工程，杭州东站站房与站场间路基存在施工边界条件复杂、工程地质条件差，地基处理和基坑回填施工难度大等诸多不利条件，经综合分析研究论证后，在路基施工中大规模应用并成功实施。

泡沫轻质土；路基处理；研究应用

1 工程概况

杭州东站是浙江省乃至整个长三角地区重要客运枢纽，总建筑面积320 813.5 m2，站场总规模15台30线，预留磁悬浮为3台4线。是汇集客运、普速、地铁、公交等多种交通方式和配套服务设施于一体的现代化综合交通枢纽中心，2013年7月1日建成投入使用，迅速形成舒适、便捷、高效的运输能力，发挥了巨大的社会和经济效益。

站房为5层结构，地上2层（站台层、高架候车层），地下3层（出站层、地铁进站层和站台层）。出站层过站通道宽度为112 m，南北站线区域长度为330 m，共有15个站台，24条到发线股道，6条正线股道。结构形式正线为三座五跨刚构连续梁桥，到发线采用钢骨梁体系。基础底面标高为-12.7 m，自然底面标高-4.5 m，开挖深度约8.2 m。过站通道两侧有站房高架层边承台和楼扶梯，其中高架层边承台底标高为-8.6 m；楼扶梯结构为斜板，底标高从-12.7 m到±0.000（站台面）。过站通道两侧24 m有两条出租车通道，采用箱涵结构，通过东西和中部的三条联系通道与站房过站通道相连接，出租车通道底标高为-13.45 m，面标高为-4.3 m，宽度约为22 m。出租车通道以外为站房基坑开挖采用的SMW工法桩围护及站场路基。

该区域的站场路基为由围护桩体系外的路基→出租车通道顶板→两通道间22 m回填加固区→站房过站通道。路基也由软→硬→软→硬，经历了两次刚度变化。如何高效、优质和快速的完成该部分路基填筑是一个难题（过站通道和出租车通道剖面见图1）。

图1 过站通道和出租车通道剖面图（单侧）

2 站场结合部特殊狭窄路基施工难点分析

杭州东站站房路基加固和填筑原设计方案为采用高压旋喷桩、水泥搅拌桩加固原状土，上部填筑A料的形式，即在出租车通道和过站通道间的24 m空间内，于-12.7 m标高进行土体加固，以上采用回填A料至轨道底的方式。

根据站场结合部的结构形式，该区域路基填筑面临以下两个难题：

2.1 平面空间受限

出租车通道和过站通道间有楼扶梯结构和高架承台妨碍路基填筑施工。该区域可操作面最大宽度10.8 m，最小宽度2.5 m，施工工作面非常狭小，钻机设备无法就位，无法移动转身，造成钻机无法在其中操作。由于空间受限，大型碾压设备无法施工，小型设备碾压质量不稳定，A料回填质量难以保证（见图2）。

图2 两通道间回填区局部平面图

2.2 立面空间受限

该区域基坑内自动扶梯为斜板，下部三角形空间无法加固也无法回填密实。回填区域上方是站房高架桥和高架层，底标高为7.5 m，水泥搅拌桩设备受限高影响无法施工。

3 应对方案策划和比选

3.1 方案策划

面对该特殊狭窄地段，常规的路基回填方式无法满足施工需要，必须进行变更调整。对此经多次研究论证形成二套建议方案，分别为：①新增桩板结构跨越该结合部；②采用新型轻质回填材料置换一定标高以下的回填料，取消基底土改良。

3.2 桩板结构跨越方案

自基坑底（-11.7 m标高）向下设直径800 mm强度C30的钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩长为38 m～42 m，桩间距结合已有建筑桩基布置为3 m，桩顶设1.5 m厚钢筋混凝土承台板，承台板顶至原地面间主要夯填A组填料，对承台周边及桩基密集空间狭小的部位填筑级配碎石掺3%水泥，采用小型机具碾压密实。

在站房过站通道结构与出租车通道结构施工完成后，即形成了结合部过渡段基坑，先清理基坑内的遗留土，吊运桩基进入基坑内进行钻孔灌注桩作业，再施工桩顶承台，因自动扶梯结构区域回填、夯实困难，只能采用扶梯结构分段施工进行A组料回填、夯实等。由于回填空间内存在自动扶梯、高架层承台等结构，操作空间狭小，回填压实难度较大。且整个施工工序复杂，桩基、承台等均存在养护时间，工期相对较长，不利于结合部铁路路基工程的提前介入施工。

3.3 泡沫轻质土填筑施工方案

采用泡沫轻质土进行结合部过渡段基坑处理，可在现场设置水泥浆搅拌站，料浆采用泵管送至浇筑点的混合泵站处，再通过泵管将泡沫轻质土泵送至结合部过渡段基坑内。利用泡沫轻质土自流平特性，无需振捣、夯实及碾压的特点，杭州东站路基结合部可采用先将自动扶梯结构施工完成，再做高架层承台支护，挖除多余土层，浇捣垫层与铺设复核土工膜，再开始分层分块浇筑泡沫轻质土，最后养护后铺设镀锌钢丝网与上部路基骨料施工。

3.4 方案比选

3.4.1 技术可行性比较

桩板结构跨越方案工序：坑内场地平整（局部回填夯实）→汽吊将钻孔灌注桩机吊入坑内→钻孔灌注桩施工→土方开挖至-11.70 m→清理、凿桩→钢筋混凝土承台施工→分层夯填A组骨料，并配合扶梯结构分段施工→上部路基施工。该方案存在扶梯结构须与夯填A组骨料同步施工，造成工序较复杂，回填夯实困难。

泡沫轻质土填筑方案工序：坑内土方开挖至-11.80 m→浇捣100厚混凝土垫层与铺设土工布→分层浇捣泡沫轻质土→泡沫轻质土面层养护与钢丝网铺设→上部路基施工。该工艺工序简单，泡沫轻质土流动性、可塑性较好，扶梯结构可先行施工，无交叉施工，无需大型设备进场，不存在回填夯实等难题。

3.4.2 质量与安全性比较

桩板结构跨越方案：夯填A组骨料施工存在盲区，质量控制困难。钻孔灌注桩桩机等机械均采用汽吊吊入坑内，在坑内组织施工，存在一定的机械伤害、物体打击等安全风险。

泡沫轻质土填筑方案：泡沫轻质制备、填筑施工工艺成熟，通过施工前试配试验与检验，可保证实体质量。采用集中制备泵管输送，伤害性小、安全风险低。

3.4.3 工期比较

以结合部过渡段典型基坑（单个）为例：桩板结构跨越方案施工工期见表1，泡沫轻质土填筑方案施工工期见表2。

表1 桩板结构跨越方案施工工期表

表2 泡沫轻质土填筑方案施工工期表

3.5 方案综合比选

通过以上几个方面的对比，形成综合分析对比表（见表3）：

表3 研究方案综合分析对比表

根据以上对比分析可知，采用泡沫轻质土填筑方案更为合理。

4 泡沫轻质土填筑施工工艺

4.1 性能要求

根据《现浇泡沫轻质土技术规程》（CECS249：2008）的定义，泡沫轻质土指采用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与水泥浆（必要时可添加外加剂）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新型轻质材料。

应用于铁路路基填筑的泡沫轻质土有别于民建工程的泡沫混凝土，其性能要求为：①轻质高强（容重≤5 kN/m3,抗压强度≥0.8 MPa）；②自流平、无需推平、振捣、碾压；③单台设备泡沫轻质土产能≥90 m3/h，施工连续浇筑，确保质量均匀，安全可靠；④施工装备实现发泡技术和混合技术的多步骤、联动式自动化控制，实现了泡沫密度和流量、轻质土密度和流量的实时自动化控制；⑤发泡剂发泡倍率≥1200倍，泡沫泌水率≤15%，消泡率≤10%；⑥硬化后可自立，无侧向压力。

4.2 工艺流程

泡沫轻质土总体工艺流程归纳为：三步混合、两级泵送，分层浇筑，硬化养护。

第一步：建立水泥浆搅拌站和泵送管道网。

第二步：水泥浆制备（水泥+水→水泥浆）

泡沫制备（水+发泡→发泡液+压缩空气→泡沫）

泡沫轻质土制备（水泥浆+泡沫→泡沫轻质土）

第三步：浇筑区场地准备（基底开挖→砼垫层浇筑→土工膜铺设）

浇筑层浇筑准备（浇筑模板分层安装+变形缝分层安装）

第四步：分层浇筑，硬化养护。

4.3 重点控制内容

4.3.1 原材料选择方面

①泡沫轻质土使用的水泥应满足《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的要求；

②泡沫轻质土的发泡剂性能直接影响泡沫质量，进而影响泡沫轻质土质量。衡量发泡剂性能的检验方法主要有泌水率试验和消泡试验，前者表征了泡沫在空气中的稳定性，后者表征了泡沫在水泥浆中的稳定性，两者共同反应了发泡剂的性能。性能优良的发泡剂，其在空气中和水泥浆中的稳定性高，表现为泌水率低、消泡试验确定的湿密度增加率低。只有低泌水率、湿密度低增加率的发泡剂，制备的泡沫轻质土才有可能实现质量稳定性和均匀性。发泡剂发泡倍率≥1200倍，泡沫泌水率≤15%，消泡率≤10%。

4.3.2 机械设备方面

泡沫轻质土的组分结构特性、制备工艺的关键环节决定了质量控制的关键环节为：如何实现轻质土密度的稳定性和均匀性。

①材料组分结构特性要求轻质土密度实现均匀性和稳定性，而发泡技术、混合技术及发泡剂技术则在技术实现上对轻质土密度的均匀性和稳定性起决定作用。

②为确保泡沫轻质土质量均匀性及稳定性，现场制作、输送与浇注，应采用专用施工设备，施工装备需实现发泡技术和混合技术的多步骤、联动式自动化控制，实现了泡沫密度和流量、轻质土密度和流量的实时自动化控制。发泡装置应具有发泡剂自动稀释功能,水泥浆输送泵必须为定流量泵，严禁使用柱塞泵或螺杆泵,严禁采用泡沫混凝土或发泡水泥设备替代泡沫轻质土专用设备进行施工。

4.3.3 浇筑区浇注层划分

浇注区尺寸（不宜大于400 m2），控制单层浇注厚度在0.3 m～1.0 m，并控制单个浇注区浇注时间在2 h以内。

4.4.4 基底要求

基底不能有明显积水，需清除基底浮土，基底承载应≥40 kPa。

5 工艺优点分析

泡沫轻质土的应用，解决了杭州东站特殊狭窄软基及软基综合处理的难题，经分析存在以下优点：

5.1 施工的便利性

①施工设备体积小，料浆及轻质土输送采用全管路泵送，不受空间条件制约，机动性强，可在场地内灵活移动；

②施工作业面小，对交叉施工、并行施工的其它施工作业基本无干扰，不影响整体施工计划的实施，能大幅提高工效；

③可自流平，需推平、振捣、碾压，解决了复杂场地条件和狭小空间的填筑的难题。

④泡沫轻质7天龄期抗压强度可达500 kPa(0.5 t/m2)，养护期短，有利于后续施工作业的开展。

5.2 质量的可靠性

①专业单位的泡沫轻质土施工装备为大产能联动式自动化控制，确保泡沫轻质土质量的均匀性稳定性；

②极大降低了路基的工后沉降，经设计院沉降监测数据结果表明，杭州东站路基完成1年后，工后沉降仅为1.5 cm并已趋于稳定。

③成型的泡沫轻质土可自立，对周边结构及构筑物无侧向压力，可降低相邻结构设计荷载。

5.3 成本的经济性

泡沫轻质土单层完成浇注10 h后，可开展次层的施工，单日浇注量可达3 000 m3，工效是常规填土路基或软基处理的数倍，大幅节省工期，节约工程成本。

6 需进一步改进和完善的方面

泡沫轻质土有别于普通的泡沫混凝土，其施工专业性极强，国内正真具备这方面施工能力的单位屈指可数，目前市面上大量生产泡沫混凝土的单位基本不具备铁路路基填筑的施工水平和能力。简单来说，在相同水泥用量的情况下，普通泡沫混凝土单位的产品强度只能达到专业泡沫轻质土单位的60%以下。自然在优质优价的情况下，专业单位的产品也远高于普通泡沫混凝土。因此泡沫轻质土的推广，有必要通过一段时间的试点和试验，最终制定适合铁路路基施工的指导性规范或文件，确定施工工艺和各项技术标准，建立行业准入制度，才能避免以劣充好和恶性竞争。

7 结束语

杭州东站作为应用泡沫轻质土的铁路站房项目，以其便利性、可靠性、经济性，取得了初步成功，在后续工作中还将继续加强监测和验证，为更好的在站房或路线的软基处理、桥头过渡段填筑、狭小空间填筑、地下结构及地下管线减载、路基加宽、应急抢修等领域的推广应用提供借鉴。

责任编辑：宋飞 张建强

来稿时间：2016-08-18