泡沫混凝土在城市地下建（构）筑物处理中的应用

郭骏伟 李晓英

【摘    要】：针对建筑密布、管线复杂、场地狭窄的城市核心区老化或报废的地下建（构）筑物处理问题，以实际工程为例，通过理论研究结合现场试验，依据所处理地下建（构）筑物尺寸、场地荷载类型及后期破除要求，确定充填所需材料参数与配比，优化充填工艺流程；利用Midas GTS NX有限元软件，对地铁车站施工及破除地下建（构）筑物的过程进行数值模拟分析，将监测数据与数值模拟结果进行对比，根据监测信息调整现场施工部署，确保工程顺利实施，减少了对周边环境的影响。

【关键词】：泡沫混凝土；地下建（构）筑物；人工破除；沉降变形

【中图分类号】：U231.3【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-45-04

【DOI编码】：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

從地铁交通工程、大型建筑物向地下的自然延伸（地下车库等），发展到与地下快速轨道交通系统相结合的地下街、地下综合管线廊道等复杂的地下综合体[1]，城市地下空间已经成为社会经济发展的重要资源[2]。城市核心区地下建（构）筑物处理主要是解决工程场地及其影响范围内未探明或无法规避的地下空洞问题，在减小社会影响、保证工程安全的前提下，降低地下建（构）筑物处理的风险与难度，保证工程顺利实施。本文结合实际工程，通过理论研究、现场试验、数值模拟与监控量测等方法，分析研究泡沫混凝土充填处理地下建（构）筑物的工艺流程及关键技术。

1 工程概况

北京某新建地铁车站位于城市中心商务区腹地，曾经是北京的老工业区，周边地面交通车流量大、管线密集、环境敏感而复杂。

工程场地主要为一般第四纪冲洪积层，车站暗挖风道导洞结构所处地层由上至下依次为：粉细砂③3层、粉土③层、粉质黏土③1层、粉质黏土④层，卵石圆砾⑤层。车站范围有两层水，为潜水（二）和承压水（四），需降水施工。

车站采用暗挖洞桩法施工，施工横通道结合暗挖风道设置。横通道开挖宽度4.7 m，覆土厚度约5.4 m，下穿燃气、供水、雨污水等重要管线。在施工场地内施作车站降水井期间，发现不明地下建筑物与暗挖风道结构冲突。见图1。

经调查，此废弃的地下建筑物修建于20世纪80年代初，建筑面积约880 m2，位于现状道路人行道及绿化带下方；覆土厚度约2.5 m，底板埋深约8 m，为地下一层两柱三跨钢筋混凝土结构，其内部出入口、电梯井、通道等结构已被砖块及杂填土回填；结构内顶板部分钢筋裸露，底部有淤泥及渗水情况，靠近道路侧已出现多处结构损坏，附近道路及地上物存在陷落风险。

地下建筑物修建年代久远，内部破损严重，人员及机械内部施工存在安全风险； 综合考虑此地下建筑物内部安全状态、施工工期与投资及对周边环境的影响，采用泡沫混凝土[3～6]充填的方式对地下建筑物进行处理。

2 现场试验及施工

2.1 现场试验

地下建筑物建造至今，周边环境已发生巨大变化，内部结构严重破损且施工场地部分与地下建筑物平面投影重合，场地作业区点荷载较为集中；同时有重型运输车辆进出，进一步加大结构内力，增大了结构垮塌风险，存在较大安全隐患。

泡沫混凝土充填后的地层强度需满足现场机具吊装施工、渣土车运输等地层承载力强度要求。考虑施工机具荷载、地面堆载、吊装荷载等情况；同时，填充物强度也应利于后期暗挖风道的开挖凿除，经计算，建议泡沫混凝土充填后强度≮2.5 MPa。

对3组尺寸为40 cm×30 cm×15 cm的泡沫混凝土试块进行试验，水泥（PO42.5）∶发泡剂∶外加剂∶水=235∶1∶1.32∶135.3（质量比），测定其7、28 d的抗压强度。见表1。

2.2 施工

2.2.1 充填

1）施作水泥罐基础。需施作两个临时条形基础作为水泥罐的底座，基础尺寸根据水泥罐大小及质量验算，两基础之间保持一定距离，填充施工完成后凿除。

2）钻孔施工。考虑此地下建筑物充填面积及泡沫砂浆的流动性，经测算每个下料孔可浇筑的范围约为20 m2，需在地面每隔3 m设置一个下料口。下料口采用梅花形布置，整个区域共布置48个。

下料口钻孔时要慢速运转，掌握地层对钻机的影响情况，及时调整钻进参数。成孔后将UPVC管预埋至孔内，在地面对其进行固定， 然后将钻机移至下一孔位进行循环施工。

3）浇筑泡沫砂浆。根据试验确定的砂浆发泡剂的配比制备泡沫浆体。将预发泡沫倒入水泥浆体中搅拌，使水泥泡沫浆料达到均质化要求，搅拌好的泡沫砂浆通过泵送机泵至预钻好的下料孔。由于地下建筑结构存在一定的坍塌风险，为确保施工安全，浇筑过程中不允许作业人员进入内部，提前在建筑物内加装可360°旋转摄像头，浇筑过程中可在地面通过摄像头观测发泡砂浆的流动性，控制每层浇筑厚度。

因工作面较大、泡沫混凝土初凝前不能完成整层填筑时，须分块填筑，每个灌注区域根据施工厚度分层浇筑，分层厚度一般控制在30～50 cm，太薄不利于单层泡沫混凝土的整体性，太厚容易引起下部泡沫混凝土中的气泡压缩，进而影响泡沫混凝土的重度，同时给施工操作带来不便[7]。第一层浇筑完成以后，需达到一定的设计强度方可进行下一层浇筑。

填筑施工过程中要避免过度振动，泵送管出口应始终与填筑面保持水平，避免消泡和材料离析。

4）澆筑后处理。浇筑后应注意观察浆体，如果有下沉要及时补平泡沫面高度，使其充填密实。

2.2.2 地下建筑物的破除

地下建筑物侧墙破除按开挖面从左到右均分为3个区域：首先依次破除左右两侧区域，最后破除中间区域。各区域按从上至下的顺序破除。采用?108 mm水钻切割，切割分块边长≯0.5 m，切割应调整好长度及角度，避免与外部管线相碰。为便于运输，切割分块后用液压钳破碎。破除时，在洞口边缘约0.1 m范围内采用人工小振动破除，完成后及时架立格栅钢架封闭成环并喷射混凝土。

地下建筑物底板破除采用人工风镐凿除的方式，随挖随凿。

3 数值计算

3.1 数值模拟

采用Midas GTS NX仿真分析软件进行车站施工三维数值模拟分析，模型范围纵向取125 m，横向取100 m，高度从地表下取45 m，考虑岩土与结构的共同作用、分步施工过程。围岩本构模型采用修正摩尔-库伦模型，以考虑围岩的非线性变形。考虑周边高层建筑附加荷载，车辆荷载等；车站竖井及暗挖风道导洞采用分部开挖施工，每步开挖后及时进行支护。见图2。

根据土工试验结果，各土层力学参数见表2。

为简化计算，小导管超前支护通过改变围岩参数的方式实现。按照等刚度原则，将初期支护格栅钢架的弹性模量折算进喷射混凝土。简化后的材料参数见表3。

3.2 数值计算分析

施工竖井破除地下建筑物顶板时，地表最大沉降为0.44 mm；破除其底板时，地表最大沉降为1.14 mm。当负一层横通道开挖面破除地下建筑物侧墙时，拱顶最大沉降达到2.35 mm。开挖过程中，地表最大沉降发生在横通道上方对应地表位置；其中，负一层横通道施工完成时，地面最大沉降为3.28 mm；负二层施工完成时，地面最大沉降为3.59 mm。建筑物最大竖向位移发生在靠近横通道一侧，为0.19 mm，差异沉降0.016 mm。见图3。

3.3 监测数据与模拟值对比

选取此地下建筑物侧墙地表投影点的实际监测数据，与该点导洞开挖过程的数值模拟结果对比分析，见图4。

实测值和模拟值位移时程曲线的变化趋势大体相近。在竖井施工阶段，地表沉降较小；而在横通道开挖过程中，由于土层开挖卸荷影响，变形速率逐渐增加，在横通道负二层完成后变形逐渐收敛；其中，该点地表最大沉降实测值为5.86 mm，模拟值为3.59 mm。由于实际施工中，竖井及横通道开挖若干循环后进行初期支护背后注浆，土体在浆液压力作用下发生向上变形，因而实测值局部发生波动。

4 结论

1）泡沫混凝土充填后的结构强度满足现场机具施工、渣土堆载等承载力要求；同时，填充物后期也易于开挖凿除，尤其在狭窄空间、机械化铺展困难的暗挖工程中也可实现人工凿除。

2）泡沫混凝土充填处理地下建（构）筑物，避免了传统回填材料夯实产生的震动与噪音，减少或者避免对周边环境和管线的影响；降低了工程次生灾害，如地下空洞坍塌、渗漏等造成地面沉陷的可能性。处理后的地下环境无污染、易开挖，不影响此场地范围的后续地下空间的开发。

3）泡沫混凝土充填技术，避免了地下工程，尤其是在城市核心区的隧道工程，由于前期空洞普查范围未全覆盖、普查精度限制等原因，导致工程实施过程中发现与未探明的废弃地下建（构）筑物冲突而难以解决的问题；与其他处理方案相比，泡沫混凝土充填处理技术，节约了工期，合理控制了投资，降低了处理难度，减少了地下隧道工程施工的风险，从而避免产生不良社会影响。

4）该技术可用于城市轨道交通、地下综合管廊、地下空间开发等工程领域，能够充填处理城市核心区的地下空洞、废弃地下人防、废弃管道井室等地下建（构）筑物，对设计与施工有一定的参考意义。

参考文献：

[1]李鑫龙.城市地下空间工程对城市安全与社会经济的影响[J].防灾博览，2021，（1）：28-33.

[2]李思琪.城市地下空间开发利用：国内外实践与经验启示 [J].国家治理，2018，（14）：40-48.

[3]张磊，杨鼎宜.轻质泡沫混凝土的研究及应用现状1[J].混凝土，2005，（8）：44-48.

[4]周志敏.高强度泡沫混凝土的研究[D].长沙：湖南大学，2011.

[5]宋强，张鹏，鲍玖文，等.泡沫混凝土的研究进展与应用[J].硅酸盐学报，2021，49（2）：398-410.

[6]田国鑫，黄俊.浅谈国内外泡沫混凝土的发展与应用[J].  混凝土，2017，（3）：124-128.

[7]牛东.泡沫混凝土在道路建设中的应用[J].房地产导刊， 2017，（33）：193.