高速铁路泡沫轻质土路基帮宽施工问题探讨

张丽

（天津铁道职业技术学院，天津 300240）

0 引言

随着我国高速铁路路网建设规模的不断扩大，新线接入既有高速铁路正线的路基帮宽工程逐渐增多，线路沉降和变形控制难度也随之增大。常规填土施工技术很难使路基荷载大幅提高，甚至会对路基施加侧向压力和竖向荷载，引发铁路路段差异沉降。泡沫轻质土具有轻质性、多孔性、自密实性等特性，通过将现场制备好的泡沫轻质土浇筑进高速铁路路基结构中作为部分或全部路基填料使用，能有效满足高速铁路路基受力特征及耐久性指标，较好地解决高速铁路路基帮宽工程及过渡段、陡坡段、软土路基段沉降变形等问题。

1 泡沫轻质土强度形成机理

泡沫轻质土材料是通过物理技术将发泡剂水溶液制备成泡沫形式，与水泥基胶凝材料、可选组分集料、外加剂、掺合料等按照设计配合比混合，再经物化反应后所形成的硬化性轻质材料[1]，可以作为路基材料使用。泡沫轻质土结构强度的形成主要经过初始阶段、反应阶段和硬化阶段三个过程。

（1）初始阶段：将由胶凝材料和泡沫混合制成的泡沫轻质土泵送至待施工区域，通过严格控制泡沫机械强度维持时间以使其保持动力学稳定性，这一阶段泡沫轻质土流值保持在160～190mm，流动性较好，且不具备抗压强度。活性剂分子排列于泡沫轻质土液膜外表面，胶凝材料的一部分被液膜外表面吸附后形成包裹层，另一部分则散布于气泡间隙浆液内。这一阶段在重力排液、表面张力排液及泡内气体扩散排液三重作用叠加下，气泡上部及相邻气泡结合处液膜不断变薄。主要通过增强泡沫稳定性、控制泡沫泌水率，确保气泡泡径均匀，以维持泡沫轻质土结构的稳定性。

（2）反应阶段：浇筑过程结束后，泡沫轻质土因持续受到水泥水化作用而丧失流动性，从第一阶段的气体-液体-固体三相状态转变为气体-固体两相状态，抗压强度逐渐形成。泡沫轻质土稳定体系开始从早期的液膜支撑转变为水化凝胶材料骨架支撑，浆体不断发生水化反应并生成水化热，将多余水分逐渐排出结构体系之外，大部分热量持续被带走。

（3）硬化阶段：待泡沫轻质土抗压强度升高至0.7MPa 后则进行下一层泡沫轻质土浇筑施工，这一过程中其气体-固体两相状态逐渐稳定，水化反应减缓，空隙结构形成，抗压强度逐步增大。为防止损伤泡沫轻质土孔隙结构，必须避免大型机械碾压振动施工，同时加强泡沫轻质土防水封闭处理。

2 高速铁路泡沫轻质土路基帮宽施工

2.1 工程概况

某铁路客运专线正线长341km，设计行车速度250km/h，专线某车站路基填筑及预压结束后，进行了CRTSⅢ型板式无砟轨道施工，因接触网维修工区变更致使起讫桩号DK465+100—DK465+275 段路基必须拓宽3.5～7.4m。考虑到该客运专线正线填筑施工已于2020 年5 月完成，预压6 个月后于同年11 月完成卸载，路基沉降已经基本处于稳定状态且评估合格，为避免新旧路基拼接处产生裂缝，防止新路基填筑施工附加应力引起正线路基沉降，该车站路基帮宽决定采用泡沫轻质土材料，充分利用其性能优势控制帮宽路基荷载对高速铁路路基沉降的不利影响。

2.2 泡沫轻质土技术指标

根据《现浇泡沫轻质土技术规程》（CECS 249—2008）及相关技术规范，采用室内试验的方式进行泡沫轻质土配合比及发泡剂和水泥兼容效果的确定。

2.2.1 原材料及试验过程

在进行泡沫轻质土配合比试验时，主要采用PO42.5 水泥及SRTJ-A 型发泡剂，将发泡剂稀释倍率控制在100 以上，标准泡沫密度保持在40～60kg/m³范围内，沉降率不超出3%。试验过程中，按照100 倍的稀释倍率将发泡剂制备成发泡液并发出泡沫，经过1L 量筒标定后将泡沫密度控制在40～60g/L 范围内。根据相关规范要求及适配容积称取水泥和水，并搅拌均匀，掺入泡沫后再次搅拌以形成泡沫轻质土。按照600～700kg/m³和700～800kg/m³两种湿密度制备D600 和D700两种试件。根据规范要求测试两种试件的湿密度和流值，此后人工搅拌轻质土展开消泡试验，并在搅拌过程中按照1min 的时间间隔称量，总共记录6 次后结束试验，选取所得到的最大消泡率。在长宽高均为100mm 的三联试模中均匀涂刷一层油进行成型试验，24h 后拆模，每种配合比各成型三组试件，按要求养护7d 后抗压强度至少达到设计强度的0.5 倍，28d 抗压强度则必须达到设计值。

2.2.2 试验结果

根据试验，D600 和D700 两种试件发泡率分别为72.8%和66.7%，搅拌6min 后试件湿密度达到稳定状态，消泡率最大值分别为1.16%和1.43%，符合不大于10%的设计要求，试验结果具体见表1。根据设计要求，泡沫轻质土养护后7d 抗压强度至少达到设计强度的0.5 倍，28d 抗压强度必须达到设计值，试验结果显示，D600 试件7d 和28d 抗压强度分别为0.60MPa 和0.94MPa，D700 试件7d 和28d 抗压强度分别为0.98MPa和1.64MPa，均符合设计要求。故以试验配合比为施工配合比，具体见表2。

表1 泡沫轻质土湿密度及消泡试验结果

表2 泡沫轻质土施工配合比

2.3 路基帮宽施工

（1）泡沫轻质土制作。根据配合比试验结果及生产工艺配置发泡浆体，并按照泡沫混凝土型号在搅拌机内加入定量水，投入称量好的水泥，连续搅拌至少2min，拌制水泥浆。将预发泡沫剂倒入拌制好的水泥浆体中持续搅拌6min，待水泥泡沫浆料完全均值化后进行泵送浇筑。制备好的水泥泡沫浆料必须在4h 内用完。

（2）泡沫轻质土填筑。按照20m的长度划分浇筑区段，一次浇筑区域面积则控制在200～300m2，采用厚度1.8cm 的木夹板充当相邻浇筑区临时分缝支挡，木夹板应贯穿泡沫轻质土路基后与基面保持垂直。单层浇筑厚度根据开挖台阶高度控制在0.6m，顶部浇筑层浇筑厚度单独按照0.8m 确定，单个浇筑层浇筑过程应连续进行，并在2h 内完成。浇筑次序应沿分区长轴方向从一端向另一端进行，也可采用对角浇筑。浇筑结束24h 后按照浇筑次序分段拆模，避免损坏泡沫轻质土，同时对外露泡沫轻质土路基实施至少7d的保湿养护。

2.4 沉降变形控制

高速铁路路基工后沉降、差异沉降及线路偏移方面的要求均为毫米级[2]，路基帮宽施工既要严格符合相关规范及设计要求，又要采取有效措施避免路基发生偏移和沉降，为此，本工程从路基结构及湿密度两个方面着手加强沉降变形控制。

铁路路基轨道为轨道铺设、轨道及列车荷载承受、列车安全运行等提供必要条件，泡沫轻质土路基帮宽施工过程中台阶式开挖铁路边坡后必须铺设复合土工膜，并将热塑浸钢管埋设于轻质土路基结构中，轻质土顶面再加铺高分子沥青防水卷材，形成上堵下排+四周防护的整体轻质土路基结构，有效防止泡沫轻质土结构受到水的破坏而引发路基沉降变形。

高速铁路泡沫轻质土路基还承受着动静荷载作用，其中路基上部轨道结构及附属构筑物对路基施加静荷载，而列车通行向轨道和路基施加循环动荷载。动荷载随着列车运行速度的增大而增大，故高速铁路泡沫轻质土路基帮宽施工过程中对路基及其上部动力性能提出了较高的要求。考虑到该高铁工程施工恰好位于冬季冻土区，保持泡沫轻质土材料基础服役性能的基础上，还必须进行冻融环境分层湿密度设计，以增强材料抗冻胀性能。为此，基床底层上下部泡沫轻质土湿密度均应增大50kg/m3。

2.5 水化热控制

高速铁路路基帮宽泡沫轻质土施工前，考虑到水泥比表面积过大且上下层施工间隔太短，必然会加剧泡沫轻质土水化热温度应力的集中，引发热通道及爆裂现象[3]，使水蒸气从泡沫轻质土孔隙中冒出，硬化后成为透水通道，破坏结构整体性，甚至出现应力结构裂缝。为加强水化热控制，首先，应根据《铁路混凝土》（TB/T 3275—2011）的规定将水泥进场前的比表面积严格控制在300～350m2/kg 范围内，避免出现水化热后形成热通道病害；其次，应严格控制施工时间间隔，待泡沫轻质土达到硬化状态、强度基本符合设计要求时，水化热释放量较大，此时不得展开下一层泡沫轻质土浇筑施工，必须通过洒水养护的方式加速热量释放；最后，考虑到热通道现象一般发生在相邻泡沫轻质土层浇筑时间间隔较短或温度较高的情况下，而泡沫轻质土爆裂则发生在浇筑时间过长的情况下，为此，应将单区浇筑时间控制在1h 以内，相邻轻质土层浇筑时间间隔不小于20h，待泡沫轻质土初凝5h后洒水养护至少15h。

2.6 远距离浇筑

该高速铁路路基帮宽施工泡沫轻质土采用泵送方式，为保证泡沫轻质土性能，必须将泵送距离控制在400m 以内。本工程铁路路基施工不得影响既有线路正常运营，水泥罐不得靠近既有高速公路正线，放置在浇筑施工区以外的500～1 000m 处，无法泵送施工。为此，在水泥浆下方增设搅拌设备，将水泥浆泵送至搅拌设备中制备泡沫轻质土。这种将水泥浆和泡沫轻质土分开制备的方式能有效避免泡沫轻质土远距离泵送所出现的消泡问题，同时必须加强对泵送管的清理和防护，避免堵管、爆管。

3 施工质量检测

3.1 施工开始前

施工前主要检测原材料及附属材料的质量，在胶凝材料和发泡剂进场前全面检查材料种类、出厂日期、性能，并根据《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2020）相关要求进行胶凝材料强度复检。根据检测结果，发泡剂稀释倍率至少为50 倍，pH 值为5～10，物理性能合格且稳定，泡沫密度30～60kg/m³，20℃以下泡沫泌水率不大于60%，泡沫沉降距不大于10mm；通过基准水泥进行泡沫轻质土制备时拌和物沉陷率标准值不大于1%，湿密度变化率在±3%范围内。发泡剂检测频次应为3 000L/1 次，袋装水泥和散装水泥检测频率分别为200t/1次和500t/次。

3.2 施工期间及硬化后检测

施工期间则主要检测原材料质量控制及泡沫密度、湿密度、浇筑施工质量。水泥、外加剂、水等材料的计量偏差不超出±2%，集料计量偏差不超出±3%，发泡剂计量偏差则不超出±5%。泡沫密度、湿密度及流值标准值应分别为设计值、50kg/m³和175mm，允许偏差分别 为±25kg/m³、±2kg/m³、±15mm，检测频次均应为400m³/1 次。施工期间如遇中雨及以上强度的降雨，不得暴露施工轻质土；当环境温度超出38℃或低于5℃时不得浇筑泡沫轻质土。

泡沫轻质土达到硬化状态后必须进行抗压强度、泡沫密度等材料性能检测，检测结果见表3。经检测，泡沫轻质土硬化后7d 和28d 抗压强度、泡沫密度实测值、浇筑区域顶面高程、长宽误差均符合规范要求。检测结果还显示，该高速铁路路基帮宽泡沫轻质土施工后路基基底应力大幅减小，新建线路沉降变形及相邻既有线路差异沉降得到有效控制，工程质量和行车安全均有保证。

表3 泡沫轻质土硬化后性能检测结果

4 结语

通过对泡沫轻质土在高速铁路路基帮宽施工中应用情况的分析，表明泡沫轻质土路基填筑效果良好，能在保护既有路基、降低填土荷载的情况下消除帮填路基附加荷载对高速铁路正线无砟轨道的不利影响，取得较好的施工效果。工程实践表明，泡沫轻质土施工材料还普遍适用于公路铁路路基帮宽填筑、桥头台背回填、基坑回填、地下管线回填等方面，具有十分显著的工程应用效果。