孫秉毅

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

近年來，隨著北京、上海等各大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展和完善，城市地鐵與城市地面道路線位重疊或相交的現(xiàn)象越發(fā)普遍。地鐵上方荷載的變化會在很大程度上影響地鐵盾構(gòu)的安全穩(wěn)定。地鐵上方市政道路的建設(shè)對地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響也得到了地鐵維護(hù)保養(yǎng)部門的重點(diǎn)關(guān)注。為解決相關(guān)問題，在道路設(shè)計(jì)時(shí)通過合理的路基設(shè)計(jì)減少道路建設(shè)前后地鐵上方永久荷載的變化，進(jìn)而減弱影響地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響因素已經(jīng)成為必然趨勢。在道路路基設(shè)計(jì)時(shí)，利用輕型材料對道路下方土基進(jìn)行材料換填，使地鐵上方永久荷載不變化和少變化，進(jìn)而減輕或消除道路建設(shè)前后對地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響，從而保障地鐵結(jié)構(gòu)安全已經(jīng)成為一種普遍共識。應(yīng)用于地鐵上方路基填料的輕質(zhì)材料以泡沫混凝土為主，但是泡沫混凝土的吸水容重變化過大，其作為地鐵上方道路路基材料的可靠性已嚴(yán)重降低。

1 項(xiàng)目背景

1.1 項(xiàng)目概況

哥白尼路（軍民路~沔北路）位于浦東新區(qū)張江高科科技園南園。工程范圍北起規(guī)劃軍民路交叉口北側(cè)，南至規(guī)劃沔北路，道路全長約1.15km。道路等級為城市次干路，道路紅線寬32m，設(shè)計(jì)速度40km/h。

由于規(guī)劃申通地鐵21號線在哥白尼路工程區(qū)間與道路平面線位基本重合，且地鐵設(shè)計(jì)將在哥白尼路建設(shè)前完成相關(guān)設(shè)計(jì)。根據(jù)申通維護(hù)保養(yǎng)單位的相關(guān)要求，為使地鐵設(shè)計(jì)相關(guān)前置因素不變化或者少變化，確保地鐵結(jié)構(gòu)安全，考慮通過輕質(zhì)材料路基換填的方案進(jìn)行路基設(shè)計(jì)。

1.2 地鐵要求

根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157—2013）中作用在地下結(jié)構(gòu)上荷載的相關(guān)要求，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)上覆土荷載是永久荷載中的土層壓力荷載，其數(shù)值是根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB5009）等的有關(guān)規(guī)定，并根據(jù)施工和使用階段可能發(fā)生的變化，按照可能出現(xiàn)的最不利情況確定的荷載組合情況。當(dāng)?shù)罔F建設(shè)前后覆土荷載出現(xiàn)變化時(shí)，盾構(gòu)隧道往往會出現(xiàn)不均勻豎向沉降，并有可能因附加荷載引起的剪應(yīng)力過大導(dǎo)致管片間的連接螺栓產(chǎn)生剪切破壞，發(fā)生剪切錯(cuò)臺變形。所以，控制地鐵上方土層荷載的變化對地鐵結(jié)構(gòu)安全的維護(hù)就顯得尤為重要。

結(jié)合地鐵維保單位相關(guān)要求，為保障地鐵結(jié)構(gòu)安全，本工程建設(shè)前后，地鐵上方填土荷載不應(yīng)發(fā)生明顯變化，且應(yīng)盡可能使道路建設(shè)前后地鐵結(jié)構(gòu)上方填土荷載保持平衡。

2 輕質(zhì)材料分析

為減少道路建設(shè)前后地鐵結(jié)構(gòu)上方荷載的明顯變化造成地鐵結(jié)構(gòu)不均勻沉降和變形，通常利用輕質(zhì)材料對新建道路路基換填，以達(dá)到少增加或不增加地鐵結(jié)構(gòu)上方荷載的目的。

輕質(zhì)材料作為一種輕質(zhì)填土材料，與普通土材料相比，容重小、材料特性好。由于輕質(zhì)路基材料的優(yōu)良特性，其正越來越多地被應(yīng)用于道路工程建設(shè)中。輕質(zhì)材料種類繁多，應(yīng)用于道路的輕質(zhì)材料按照容重的大小通常可以分為準(zhǔn)輕質(zhì)材料、輕質(zhì)材料和超輕質(zhì)材料三大類。

準(zhǔn)輕質(zhì)材料以粉煤灰輕質(zhì)土為代表，容重一般為12~16kN/m3。其主要特點(diǎn)為：（1）具有自硬性，強(qiáng)度高，壓縮性好。（2）利用廢棄材料，節(jié)能環(huán)保。（3）與普通路基材料一樣需要進(jìn)行碾壓施工，且粉煤灰壓實(shí)后塑性差，類似粉土的特性。（4）減重效果不明顯。（5）容易受水的沖刷。

輕質(zhì)材料以氣泡混凝土等輕質(zhì)材料為代表，通過氣泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經(jīng)過發(fā)泡機(jī)的泵送系統(tǒng)進(jìn)行施工或成型，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)材料。其孔結(jié)構(gòu)特性的特點(diǎn)使其材料容重較低，一般干體積密度為300~1600kg/m3。材料主要性能有：輕質(zhì)性、熱工性能好、隔熱防火性能好、低彈減震性、抗壓性、耐久性、施工速度快、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性。雖然氣泡混凝土材料有一定的耐水性，但研究表明，氣泡混凝土長期在浸水條件下吸水率仍然不低，這在一定程度上降低了其作為輕質(zhì)材料的適用價(jià)值。

超輕質(zhì)材料是指密度遠(yuǎn)低于一般填筑材料的輕質(zhì)填筑材料，以聚苯乙烯泡沫（expandedpolystyren，EPS）為代表。作為超低密度材料，EPS的密度由成形階段聚苯乙烯顆粒的膨脹倍數(shù)決定，一般介于10~45㎏/m3之間。作為工程中使用的EPS，表觀密度一般在15~35㎏/m3。目前在道路工程中用作輕質(zhì)填料的EPS密度為普通道路填料的1%~2%[1]。目前EPS在道路工程中的主要應(yīng)用方向有鋪設(shè)EPS隔熱層、防治路基凍害，作為路肩填筑材料減小路基沉降、防止或處治路基失穩(wěn)，作為橋頭填筑材料防止橋頭跳車、減小橋臺的側(cè)向位移，修建直立式路堤，減小對地下或鄰近建筑物的影響。EPS由于其優(yōu)良的工程特性，越來越多地被應(yīng)用在特殊工程建設(shè)中。但其作為非降解材料，工程建設(shè)的環(huán)保性應(yīng)該被重視起來，尚待一種環(huán)保材料替代EPS在工程建設(shè)中的作用。

3 等載換填設(shè)計(jì)及計(jì)算

3.1 換填設(shè)計(jì)

為減少地鐵結(jié)構(gòu)上方荷載變化，道路設(shè)計(jì)采用等載換填的處理方法，使道路建設(shè)前后地下結(jié)構(gòu)上方荷載基本保持不變。

本工程根據(jù)輕質(zhì)材料特性及地鐵維保單位的相關(guān)要求，采用EPS塊體對道路路基進(jìn)行材料換填。建設(shè)后，路基及路面結(jié)構(gòu)荷載基本等于挖土換填荷載。荷載換填效果如下：

式中：N面為設(shè)計(jì)路基以上結(jié)構(gòu)荷載；N基為設(shè)計(jì)換填路基荷載；N換填土為設(shè)計(jì)挖土換填荷載。

根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》對EPS施工及設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，結(jié)合本次道路的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本工程機(jī)動車道路面結(jié)構(gòu)及路基換填形式如下：4cm瀝青馬蹄脂碎石（SMA-13，SBS改性）+8cm粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）+0.6cm稀漿封層+35cm水泥穩(wěn)定碎石+15cm礫石砂+防滲土工布+15~35cm單層鋼筋混凝土（含泡沫土頂面找平層）+EPS換填（換填深度根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高計(jì)算得出）+透水土工布+20cm砂礫墊層（見圖1）。由于市政道路管線多布置于機(jī)動車道以外道路兩側(cè)范圍內(nèi)，為保障除布設(shè)于機(jī)動車道下方的給排水管以外的管線敷設(shè)方案，本工程對機(jī)動車道以外路基采用泡沫混凝土換填的方式進(jìn)行路基處理。

圖1 路基換填示意圖

3.2 換填計(jì)算

根據(jù)等載換填原理，設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)荷載+鋼筋混凝土荷載+EPS荷載+礫石砂荷載等于原地面至設(shè)計(jì)礫石砂底標(biāo)高處的挖土荷載。由于路面結(jié)構(gòu)、路面設(shè)計(jì)高程及EPS換填已經(jīng)明確，僅需通過計(jì)算EPS換填厚度就可換算得出各材料設(shè)計(jì)高程。

結(jié)合設(shè)計(jì)情況，總結(jié)計(jì)算流程如下：

（1）為方便計(jì)算和結(jié)果驗(yàn)證，對各設(shè)計(jì)高程和厚度參數(shù)進(jìn)行編號，具體編號及說明如下：

h路面為路面結(jié)構(gòu)厚度為，取0.676m；

h鋼筋混凝土為鋼筋混凝土板計(jì)算厚度（含調(diào)平層），即鋼筋混凝土板平均厚度，取值最小厚度0.1m和最大厚度（0.1+18×0.5×0.02=0.28）m的中間值0.19；

h填EPS為EPS填筑厚度，即設(shè)計(jì)路面高程減去路面結(jié)構(gòu)厚度和EPS上鋼筋混凝土板厚度后的高程與地面線高程的差，可通過已有數(shù)據(jù)判別得出；

h換EPS為EPS換填原狀土的厚度；

h礫石砂為EPS底礫石砂墊層厚度，取0.3m；

h土為原狀土挖除厚度；

H地面為原地面高程，采用測量數(shù)據(jù)；

H設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)路面高程，采用縱斷面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；

H混凝土底為設(shè)計(jì)鋼筋混凝土板底面高程，H混凝土底=H設(shè)計(jì)－h(huán)路面為h鋼筋混凝土max，h鋼筋混凝土max=0.28m；

HEPS底為設(shè)計(jì)EPS底面高程；

H砂底為設(shè)計(jì)礫石砂底面高程，即挖土換填底標(biāo)高。

（2）明確在不同設(shè)計(jì)地面高程下需要特定判斷計(jì)算的數(shù)值和參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)總結(jié)得，當(dāng)填高小于一定值時(shí)，h填EPS不存在；當(dāng)填高大于一定值時(shí)，h填EPS存在。并可通過相應(yīng)參數(shù)計(jì)算得出；可以通過判別計(jì)算方法對相關(guān)參數(shù)判別后計(jì)算h填EPS。當(dāng)H設(shè)計(jì)-h路面-h鋼筋混凝土不大于H地面時(shí)，h填EPS為0。當(dāng)H設(shè)計(jì)-h路面-h鋼筋混凝土大于H地面時(shí)，h填EPS=H設(shè)計(jì)-h路面-h鋼筋混凝土-H地面。此處進(jìn)行表格計(jì)算時(shí)采用IF命令判斷計(jì)算（見圖2）。

圖2 材料厚度及設(shè)計(jì)高程示意圖

（3）根據(jù)相關(guān)材料要求及規(guī)范，調(diào)查統(tǒng)計(jì)材料容重參數(shù)如下：

γ土=17kN/m3

γ路面=24kN/m3

γ鋼筋混凝土=25kN/m3

γEPS=0.3kN/m3

γ礫石砂=21kN/m3

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及換填設(shè)計(jì)，等效荷載計(jì)算公式如下：

N路面+N鋼筋混凝土+N填EPS+N換EPS+N礫石=N換填土（2）式中：N路面為設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)荷載；N鋼筋混凝土為設(shè)計(jì)鋼筋混凝土板計(jì)算荷載；N填EPS為EPS填筑荷載；N換EPS為EPS換填原狀土的荷載；N礫石為礫石砂墊層荷載；N換填土為挖除原狀土的荷載。

代入各材料厚度和高程參數(shù)如下：

由h換EPS可以得出各材料層相應(yīng)高程和厚度數(shù)據(jù)，進(jìn)而可通過斷面法統(tǒng)計(jì)路基工程量數(shù)據(jù)。

通過計(jì)算得出本項(xiàng)目路基EPS最大厚度為1.45m，最小厚度為0.61m；車行道下實(shí)際挖深最大為1.62m，最小為1.6m。這說明在縱斷面變化不大的情況下，由于EPS容重很小，導(dǎo)致采用EPS輕質(zhì)材料進(jìn)行等載換填時(shí)，路基挖土深度差異較小，有利于道路路基施工和等載效果保證。

3.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)程的規(guī)定，輕質(zhì)材料填筑區(qū)位于地下水位以下或受到洪水淹沒時(shí)，應(yīng)根據(jù)式（6）進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求，抗浮安全系數(shù)一般取1.05。參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，本項(xiàng)目按照路堤抗浮安全系數(shù)不小于1.2考慮計(jì)算。

式中：Ff為抗浮穩(wěn)定系數(shù)；γi為各層材料的重度，kN/m3；hi為各層材料的厚度，m；γw為水的重度，kN/m3；hjw為路堤浸水的深度，m。

總結(jié)計(jì)算流程如下：

（1）根據(jù)等載換填計(jì)算得出的HEPS底數(shù)值判斷斷面是否處于項(xiàng)目區(qū)域地下水位以下，如果在地下水位以下，則進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性計(jì)算；如果不在地下水位以下，則不進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性計(jì)算。

（2）計(jì)算輕質(zhì)路堤浸水深度和水位線以上材料厚度。

（3）通過式（6）進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，通過計(jì)算得知本項(xiàng)目抗浮穩(wěn)定系數(shù)最小值為1.55，滿足抗浮穩(wěn)定性的相關(guān)要求。這說明EPS路基換填技術(shù)在本項(xiàng)目是合理可行的，不需采用特殊的抗浮穩(wěn)定性處理措施。

4 施工要點(diǎn)

EPS塊體施工時(shí)應(yīng)盡量減少場地堆放，并采取防火防風(fēng)等材料保護(hù)措施，EPS塊體下礫石砂墊層寬度應(yīng)超過路基邊緣0.5~1m。EPS現(xiàn)場施工時(shí)，非標(biāo)準(zhǔn)尺寸應(yīng)在車間電熱絲切割加工完成后再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，且EPS塊體鋪砌應(yīng)錯(cuò)縫鋪設(shè)，塊體之間應(yīng)設(shè)置爪件連接并保證連接質(zhì)量。EPS頂面鋼筋混凝土板或土工材料應(yīng)覆蓋全部塊體材料，并向外延伸0.5~1.0m。

5 結(jié) 語

隨著城市地鐵不斷建設(shè)、地鐵周邊地塊或交通設(shè)施的不斷開發(fā)，當(dāng)前影響地鐵結(jié)構(gòu)變形的因素愈加復(fù)雜[2]，地鐵上方、改建道路對地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響也不斷放大。通過使用EPS材料路基換填，降低地鐵結(jié)構(gòu)上方荷載變化，可以有效減輕對地鐵結(jié)構(gòu)變形的影響。只是當(dāng)前相關(guān)規(guī)范等對相關(guān)設(shè)計(jì)或施工要求較寬泛，相關(guān)細(xì)節(jié)仍待進(jìn)一步深化，并增加對相關(guān)項(xiàng)目的研究總結(jié)工作。