泡沫混凝土在城市地下建（構）筑物處理中的應用

郭駿偉 李曉英

【摘 ? ?要】：針對建筑密布、管線復雜、場地狹窄的城市核心區老化或報廢的地下建（構）筑物處理問題，以實際工程為例，通過理論研究結合現場試驗，依據所處理地下建（構）筑物尺寸、場地荷載類型及后期破除要求，確定充填所需材料參數與配比，優化充填工藝流程；利用Midas GTS NX有限元軟件，對地鐵車站施工及破除地下建（構）筑物的過程進行數值模擬分析，將監測數據與數值模擬結果進行對比，根據監測信息調整現場施工部署，確保工程順利實施，減少了對周邊環境的影響。

【關鍵詞】：泡沫混凝土；地下建（構）筑物；人工破除；沉降變形

【中圖分類號】：U231.3【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-45-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.011

Application of Foam Concrete in City Underground Building（Structure）

GUO Junwei， LI Xiaoying

（China Railway Liuyuan Group Co. Ltd.， Tianjin 300308， China）

【Abstract】：Focused on the treatment issue of aging or scrapped underground buildings such as dense buildings， complex pipelines and narrow site， the paper uses the actual project as an example， according to the size of underground buildings， load type and later breaking requirements， determines the material parameters and ratio required for filling through theoretical research and field test， and optimizes the filling process. The software Midas GTS NX is used to simulated and analysed the process of subway station construction and underground buildings removal. The monitoring data are compared with the numerical simulation results， and the construction deployment is adjusted according to the monitoring information to ensure the smooth implementation of the project and reduce the impact on the surrounding environment.

【Key words】：foam concrete; underground building（structure）; manual breaking; settlement deformation

從地鐵交通工程、大型建筑物向地下的自然延伸（地下車庫等），發展到與地下快速軌道交通系統相結合的地下街、地下綜合管線廊道等復雜的地下綜合體[1]，城市地下空間已經成為社會經濟發展的重要資源[2]。城市核心區地下建（構）筑物處理主要是解決工程場地及其影響范圍內未探明或無法規避的地下空洞問題，在減小社會影響、保證工程安全的前提下，降低地下建（構）筑物處理的風險與難度，保證工程順利實施。本文結合實際工程，通過理論研究、現場試驗、數值模擬與監控量測等方法，分析研究泡沫混凝土充填處理地下建（構）筑物的工藝流程及關鍵技術。

1 工程概況

北京某新建地鐵車站位于城市中心商務區腹地，曾經是北京的老工業區，周邊地面交通車流量大、管線密集、環境敏感而復雜。

工程場地主要為一般第四紀沖洪積層，車站暗挖風道導洞結構所處地層由上至下依次為：粉細砂③3層、粉土③層、粉質黏土③1層、粉質黏土④層，卵石圓礫⑤層。車站范圍有兩層水，為潛水（二）和承壓水（四），需降水施工。

車站采用暗挖洞樁法施工，施工橫通道結合暗挖風道設置。橫通道開挖寬度4.7 m，覆土厚度約5.4 m，下穿燃氣、供水、雨污水等重要管線。在施工場地內施作車站降水井期間，發現不明地下建筑物與暗挖風道結構沖突。見圖1。

經調查，此廢棄的地下建筑物修建于20世紀80年代初，建筑面積約880 m2，位于現狀道路人行道及綠化帶下方；覆土厚度約2.5 m，底板埋深約8 m，為地下一層兩柱三跨鋼筋混凝土結構，其內部出入口、電梯井、通道等結構已被磚塊及雜填土回填；結構內頂板部分鋼筋裸露，底部有淤泥及滲水情況，靠近道路側已出現多處結構損壞，附近道路及地上物存在陷落風險。

地下建筑物修建年代久遠，內部破損嚴重，人員及機械內部施工存在安全風險； 綜合考慮此地下建筑物內部安全狀態、施工工期與投資及對周邊環境的影響，采用泡沫混凝土[3～6]充填的方式對地下建筑物進行處理。

2 現場試驗及施工

2.1 現場試驗

地下建筑物建造至今，周邊環境已發生巨大變化，內部結構嚴重破損且施工場地部分與地下建筑物平面投影重合，場地作業區點荷載較為集中；同時有重型運輸車輛進出，進一步加大結構內力，增大了結構垮塌風險，存在較大安全隱患。

泡沫混凝土充填后的地層強度需滿足現場機具吊裝施工、渣土車運輸等地層承載力強度要求。考慮施工機具荷載、地面堆載、吊裝荷載等情況；同時，填充物強度也應利于后期暗挖風道的開挖鑿除，經計算，建議泡沫混凝土充填后強度≮2.5 MPa。

對3組尺寸為40 cm×30 cm×15 cm的泡沫混凝土試塊進行試驗，水泥（PO42.5）∶發泡劑∶外加劑∶水=235∶1∶1.32∶135.3（質量比），測定其7、28 d的抗壓強度。見表1。

2.2 施工

2.2.1 充填

1）施作水泥罐基礎。需施作兩個臨時條形基礎作為水泥罐的底座，基礎尺寸根據水泥罐大小及質量驗算，兩基礎之間保持一定距離，填充施工完成后鑿除。

2）鉆孔施工。考慮此地下建筑物充填面積及泡沫砂漿的流動性，經測算每個下料孔可澆筑的范圍約為20 m2，需在地面每隔3 m設置一個下料口。下料口采用梅花形布置，整個區域共布置48個。

下料口鉆孔時要慢速運轉，掌握地層對鉆機的影響情況，及時調整鉆進參數。成孔后將UPVC管預埋至孔內，在地面對其進行固定， 然后將鉆機移至下一孔位進行循環施工。

3）澆筑泡沫砂漿。根據試驗確定的砂漿發泡劑的配比制備泡沫漿體。將預發泡沫倒入水泥漿體中攪拌，使水泥泡沫漿料達到均質化要求，攪拌好的泡沫砂漿通過泵送機泵至預鉆好的下料孔。由于地下建筑結構存在一定的坍塌風險，為確保施工安全，澆筑過程中不允許作業人員進入內部，提前在建筑物內加裝可360°旋轉攝像頭，澆筑過程中可在地面通過攝像頭觀測發泡砂漿的流動性，控制每層澆筑厚度。

因工作面較大、泡沫混凝土初凝前不能完成整層填筑時，須分塊填筑，每個灌注區域根據施工厚度分層澆筑，分層厚度一般控制在30～50 cm，太薄不利于單層泡沫混凝土的整體性，太厚容易引起下部泡沫混凝土中的氣泡壓縮，進而影響泡沫混凝土的重度，同時給施工操作帶來不便[7]。第一層澆筑完成以后，需達到一定的設計強度方可進行下一層澆筑。

填筑施工過程中要避免過度振動，泵送管出口應始終與填筑面保持水平，避免消泡和材料離析。

4）澆筑后處理。澆筑后應注意觀察漿體，如果有下沉要及時補平泡沫面高度，使其充填密實。

2.2.2 地下建筑物的破除

地下建筑物側墻破除按開挖面從左到右均分為3個區域：首先依次破除左右兩側區域，最后破除中間區域。各區域按從上至下的順序破除。采用?108 mm水鉆切割，切割分塊邊長≯0.5 m，切割應調整好長度及角度，避免與外部管線相碰。為便于運輸，切割分塊后用液壓鉗破碎。破除時，在洞口邊緣約0.1 m范圍內采用人工小振動破除，完成后及時架立格柵鋼架封閉成環并噴射混凝土。

地下建筑物底板破除采用人工風鎬鑿除的方式，隨挖隨鑿。

3 數值計算

3.1 數值模擬

采用Midas GTS NX仿真分析軟件進行車站施工三維數值模擬分析，模型范圍縱向取125 m，橫向取100 m，高度從地表下取45 m，考慮巖土與結構的共同作用、分步施工過程。圍巖本構模型采用修正摩爾-庫倫模型，以考慮圍巖的非線性變形。考慮周邊高層建筑附加荷載，車輛荷載等；車站豎井及暗挖風道導洞采用分部開挖施工，每步開挖后及時進行支護。見圖2。

根據土工試驗結果，各土層力學參數見表2。

為簡化計算，小導管超前支護通過改變圍巖參數的方式實現。按照等剛度原則，將初期支護格柵鋼架的彈性模量折算進噴射混凝土。簡化后的材料參數見表3。

3.2 數值計算分析

施工豎井破除地下建筑物頂板時，地表最大沉降為0.44 mm；破除其底板時，地表最大沉降為1.14 mm。當負一層橫通道開挖面破除地下建筑物側墻時，拱頂最大沉降達到2.35 mm。開挖過程中，地表最大沉降發生在橫通道上方對應地表位置；其中，負一層橫通道施工完成時，地面最大沉降為3.28 mm；負二層施工完成時，地面最大沉降為3.59 mm。建筑物最大豎向位移發生在靠近橫通道一側，為0.19 mm，差異沉降0.016 mm。見圖3。

3.3 監測數據與模擬值對比

選取此地下建筑物側墻地表投影點的實際監測數據，與該點導洞開挖過程的數值模擬結果對比分析，見圖4。

實測值和模擬值位移時程曲線的變化趨勢大體相近。在豎井施工階段，地表沉降較小；而在橫通道開挖過程中，由于土層開挖卸荷影響，變形速率逐漸增加，在橫通道負二層完成后變形逐漸收斂；其中，該點地表最大沉降實測值為5.86 mm，模擬值為3.59 mm。由于實際施工中，豎井及橫通道開挖若干循環后進行初期支護背后注漿，土體在漿液壓力作用下發生向上變形，因而實測值局部發生波動。

4 結論

1）泡沫混凝土充填后的結構強度滿足現場機具施工、渣土堆載等承載力要求；同時，填充物后期也易于開挖鑿除，尤其在狹窄空間、機械化鋪展困難的暗挖工程中也可實現人工鑿除。

2）泡沫混凝土充填處理地下建（構）筑物，避免了傳統回填材料夯實產生的震動與噪音，減少或者避免對周邊環境和管線的影響；降低了工程次生災害，如地下空洞坍塌、滲漏等造成地面沉陷的可能性。處理后的地下環境無污染、易開挖，不影響此場地范圍的后續地下空間的開發。

3）泡沫混凝土充填技術，避免了地下工程，尤其是在城市核心區的隧道工程，由于前期空洞普查范圍未全覆蓋、普查精度限制等原因，導致工程實施過程中發現與未探明的廢棄地下建（構）筑物沖突而難以解決的問題；與其他處理方案相比，泡沫混凝土充填處理技術，節約了工期，合理控制了投資，降低了處理難度，減少了地下隧道工程施工的風險，從而避免產生不良社會影響。

4）該技術可用于城市軌道交通、地下綜合管廊、地下空間開發等工程領域，能夠充填處理城市核心區的地下空洞、廢棄地下人防、廢棄管道井室等地下建（構）筑物，對設計與施工有一定的參考意義。

參考文獻：

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