大体积现浇泡沫混凝土换填运营地铁覆土技术研究
大体积现浇泡沫混凝土换填运营地铁覆土技术研究
摘要：对天津西站南广场换填工程进行研究，介绍了该工程实施过程中遇到的运营地铁上大面积覆土开挖、近接施工、特殊情况下降水等难点，并给出相应的解决措施。提出了“平衡性”动态降水的理念。实践表明，本工程取得了很好的工程效果及经济效益。
关键字：泡沫混凝土换填 降水
1工程概况及地质条件
1.1 工程概况
天津西站交通枢纽工程位于滨海城市--天津市中心城区西北部（红桥区），紧临海河和子牙河，是京沪高铁国家重点工程的重要组成部分，同时也是海河经济发展带上游起点，是天津市规划的重要交通枢纽工程。
南广场公交车场总用地面积约12000m2，场地占压地铁1 号线天津西站站，包含2004 年新建箱体结构和局部上世纪七、八十年代建设的老箱体结构。现状地面标高为大沽高程+2.02m～2.63m，规划地面标高为大沽高程+4.5m 左右，地铁车站上方需增加覆土2～2.5m，增加荷载近50kN/m。
为满足地铁1号线箱体结构顶板压弯裂缝宽度及顶板抗压强度要求，需对地基进行了轻型材料换填处理。
本工程地铁一号线西站采用现浇泡沫混凝土进行换填，换填断面如图1所示。
本工程设计及施建的主导思想是“保证地铁箱体结构隧道及地铁运营安全”，此类工程在天津市乃至国内的市政基础设施建设中尚属首例，可以借鉴的经验非常少。
图1换填剖面图
1.2工程地质及水文地质
该场地位于天津市红桥区，子牙河与南运河之间，属冲积平原，地形平坦。地层主要为第四系全新统人工填土层（Qml），新近沉积层（Q43Nal），第Ⅰ陆相层（Q43al），第Ⅰ海相层（Q42m），第Ⅱ陆相层（Q41al），第Ⅲ陆相层（Q3eal），第Ⅱ海相层（Q3dm），第Ⅳ陆相层（Q3cal）。土性以杂填土、粉质粘土、粉土、粉砂为主，属软弱~中硬土，建筑场地类别为III类，属于建筑抗震不利地段。场地内地下水类型为潜水和微承压水。潜水层含水厚度为7.80～8.90m；微承压含水层主要为粉土层（⑥）和粉砂层（⑦2）。⑥1粉土、粉砂层含水层厚度为4.00～6.50m，⑥3粉土、粉砂层含水层厚度为1.20～3.50m，⑦2粉砂层微承压含水层厚度为1.50～4.50m。
2工程难点分析
2.1特殊工况下降水施工
地铁近接施工这一特性使得本工程降水施工具有特殊性。水文地质资料表明，滨海地区地下水丰富、水位高程大，且水层渗流水力联系密切，这些对于降水安全、基坑安全，乃至地铁结构安全都是极为不利的。
2.2地铁上部大体积覆土开挖施工
地铁1号线包含2004年新建结构及七、八十年代老箱体部分，未进行结构抗浮方面的设计。泡沫混凝土换填工程首先需将原状覆土挖除，开挖过程中，地铁结构顶板土压力逐渐卸载，直至消除。本工程基坑放坡开挖范围约8800m2，实体换填范围为8180m2，其余部分为放坡退挖需回填部位。开挖范围全部位于既有天津地铁1#线西站站结构箱体上部，如图2所示。
图2放坡开挖平面布置图图
如此程度的在运营中地铁结构上部的施工活动，使得工程实施的每一个阶段都有可能对地铁箱体结构造成扰动影响。
2.3大体积现浇泡沫混凝土换填施工
现浇泡沫混凝土是一种多孔轻质材料，表征其材料特性的有湿密度、泡沫密度、流值、抗压强度、干密度等项目。它的突出特点就是在混凝土内形成泡沫孔，使混凝土轻质化和保温隔热化。
但现浇泡沫混凝土施工时当总换填高度超过1m厚时，需分层施工。
本工程现浇泡沫混凝土工程量约为17000m3。依据现浇泡沫混凝土的材料特性：施工时当总换填高度超过1m厚时，需分层施工。而本工程局部区域设计填筑最大高度为3.65m，需采用多次分层浇筑施工。
3应对方案
3.1 特殊情况下降水
根据天津西站降水经验进行反算，由于地下水引起1cm沉降，地下水位需要降低10m左右，因此根据模型进行反复验算，需要在第⑥层微承压含水层布置降水井。降水井平面布置如图3所示。
图3降水井平面布置图图
由于本项目的难点以及地质情况复杂，为避免过早扰动第⑥层微承压含水层，因此在降水设计上分两步走。第一步，设计10口浅层降水井，其中2口备用井，井深为15m。第二步，设计10口深层降水井，其中2口备用井，井深30m。从而最大程度上满足对本区域的既有1号线结构的隆起控制，又能减少非控制区域的沉降过大问题。
3.2地铁上部大体积覆土开挖
基坑开挖方式多种多样，但无论何种开挖方式，都要遵循“时空效应”，以实现“安全、优质、高效”的目标，为基坑工程增稳增利。
由于西站重点工程的特性，工期、质量要求非常严格，为实现换填工程又快又好的完成，以确保地面配套工程的实施，通过合理配置，优化方案，采取“抽条开挖”结合“同步抽条”的方式，即依据抽条开挖方案，抽条开挖位置同步实施，减少堆载材料的倒运，为土方开挖施工缩减工期，开挖换填平面图如图4所示。
图41#线换填开挖平面图
3.3大体积现浇泡沫混凝土换填
本工程现浇泡沫混凝土工程量约为17000m3。工程局部区域设计填筑最大高度为3.65m，需采用多次分层浇筑施工。并且基坑开挖带工作面的不统一，需进行分块、分段、分层相结合的方式进行现浇泡沫混凝土浇筑施工。
3.4“平衡性”动态降水施工技术
降水施工在加固基坑内和坑底下的土体，提高坑内土体抗力，保持坑内干燥的同时，也会引起非控制区域的地表沉降及对非控制的构筑物产生不利影响。
但本工程将不利化为有利，将本工程的降水施工扩展为“平衡性”，即：通过降低微承压含水层水位，使地铁箱体结构形成沉降趋势，并使得这种主动效应沉降与地铁覆土开挖卸载、大型机械扰动等影响对地铁箱体结构造成的上浮形成关联平衡，找到两者之间的平衡点。
4工程实测及分析
4.1监测项目
为控制箱体隆起变形在允许范围内，确保地铁1号线的运营安全。确定箱体内主要监测：结构及轨道隆沉、结构位移和裂缝观测。地铁1号线监测布点情况见图6。
表1监测项目表
监测对象 监测项目 监测仪器
