泡沫混凝土在城市地下建（構(gòu)）筑物處理中的應(yīng)用

郭駿偉 李曉英

【摘 ? ?要】：針對(duì)建筑密布、管線復(fù)雜、場(chǎng)地狹窄的城市核心區(qū)老化或報(bào)廢的地下建（構(gòu)）筑物處理問題，以實(shí)際工程為例，通過理論研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，依據(jù)所處理地下建（構(gòu)）筑物尺寸、場(chǎng)地荷載類型及后期破除要求，確定充填所需材料參數(shù)與配比，優(yōu)化充填工藝流程；利用Midas GTS NX有限元軟件，對(duì)地鐵車站施工及破除地下建（構(gòu)）筑物的過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)施工部署，確保工程順利實(shí)施，減少了對(duì)周邊環(huán)境的影響。

【關(guān)鍵詞】：泡沫混凝土；地下建（構(gòu)）筑物；人工破除；沉降變形

【中圖分類號(hào)】：U231.3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：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(kù)等），發(fā)展到與地下快速軌道交通系統(tǒng)相結(jié)合的地下街、地下綜合管線廊道等復(fù)雜的地下綜合體[1]，城市地下空間已經(jīng)成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源[2]。城市核心區(qū)地下建（構(gòu)）筑物處理主要是解決工程場(chǎng)地及其影響范圍內(nèi)未探明或無法規(guī)避的地下空洞問題，在減小社會(huì)影響、保證工程安全的前提下，降低地下建（構(gòu)）筑物處理的風(fēng)險(xiǎn)與難度，保證工程順利實(shí)施。本文結(jié)合實(shí)際工程，通過理論研究、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值模擬與監(jiān)控量測(cè)等方法，分析研究泡沫混凝土充填處理地下建（構(gòu)）筑物的工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

北京某新建地鐵車站位于城市中心商務(wù)區(qū)腹地，曾經(jīng)是北京的老工業(yè)區(qū)，周邊地面交通車流量大、管線密集、環(huán)境敏感而復(fù)雜。

工程場(chǎng)地主要為一般第四紀(jì)沖洪積層，車站暗挖風(fēng)道導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)所處地層由上至下依次為：粉細(xì)砂③3層、粉土③層、粉質(zhì)黏土③1層、粉質(zhì)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(jié)合暗挖風(fēng)道設(shè)置。橫通道開挖寬度4.7 m，覆土厚度約5.4 m，下穿燃?xì)狻⒐┧?、雨污水等重要管線。在施工場(chǎng)地內(nèi)施作車站降水井期間，發(fā)現(xiàn)不明地下建筑物與暗挖風(fēng)道結(jié)構(gòu)沖突。見圖1。

經(jīng)調(diào)查，此廢棄的地下建筑物修建于20世紀(jì)80年代初，建筑面積約880 m2，位于現(xiàn)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(jié)構(gòu)，其內(nèi)部出入口、電梯井、通道等結(jié)構(gòu)已被磚塊及雜填土回填；結(jié)構(gòu)內(nèi)頂板部分鋼筋裸露，底部有淤泥及滲水情況，靠近道路側(cè)已出現(xiàn)多處結(jié)構(gòu)損壞，附近道路及地上物存在陷落風(fēng)險(xiǎn)。

地下建筑物修建年代久遠(yuǎn)，內(nèi)部破損嚴(yán)重，人員及機(jī)械內(nèi)部施工存在安全風(fēng)險(xiǎn)； 綜合考慮此地下建筑物內(nèi)部安全狀態(tài)、施工工期與投資及對(duì)周邊環(huán)境的影響，采用泡沫混凝土[3～6]充填的方式對(duì)地下建筑物進(jìn)行處理。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及施工

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

地下建筑物建造至今，周邊環(huán)境已發(fā)生巨大變化，內(nèi)部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破損且施工場(chǎng)地部分與地下建筑物平面投影重合，場(chǎng)地作業(yè)區(qū)點(diǎn)荷載較為集中；同時(shí)有重型運(yùn)輸車輛進(jìn)出，進(jìn)一步加大結(jié)構(gòu)內(nèi)力，增大了結(jié)構(gòu)垮塌風(fēng)險(xiǎn)，存在較大安全隱患。

泡沫混凝土充填后的地層強(qiáng)度需滿足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具吊裝施工、渣土車運(yùn)輸?shù)鹊貙映休d力強(qiáng)度要求?？紤]施工機(jī)具荷載、地面堆載、吊裝荷載等情況；同時(shí)，填充物強(qiáng)度也應(yīng)利于后期暗挖風(fēng)道的開挖鑿除，經(jīng)計(jì)算，建議泡沫混凝土充填后強(qiáng)度≮2.5 MPa。

對(duì)3組尺寸為40 cm×30 cm×15 cm的泡沫混凝土試塊進(jìn)行試驗(yàn)，水泥（PO42.5）∶發(fā)泡劑∶外加劑∶水=235∶1∶1.32∶135.3（質(zhì)量比），測(cè)定其7、28 d的抗壓強(qiáng)度。見表1。

2.2 施工

2.2.1 充填

1）施作水泥罐基礎(chǔ)。需施作兩個(gè)臨時(shí)條形基礎(chǔ)作為水泥罐的底座，基礎(chǔ)尺寸根據(jù)水泥罐大小及質(zhì)量驗(yàn)算，兩基礎(chǔ)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(dòng)性，經(jīng)測(cè)算每個(gè)下料孔可澆筑的范圍約為20 m2，需在地面每隔3 m設(shè)置一個(gè)下料口。下料口采用梅花形布置，整個(gè)區(qū)域共布置48個(gè)。

下料口鉆孔時(shí)要慢速運(yùn)轉(zhuǎn)，掌握地層對(duì)鉆機(jī)的影響情況，及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。成孔后將UPVC管預(yù)埋至孔內(nèi)，在地面對(duì)其進(jìn)行固定， 然后將鉆機(jī)移至下一孔位進(jìn)行循環(huán)施工。

3）澆筑泡沫砂漿。根據(jù)試驗(yàn)確定的砂漿發(fā)泡劑的配比制備泡沫漿體。將預(yù)發(fā)泡沫倒入水泥漿體中攪拌，使水泥泡沫漿料達(dá)到均質(zhì)化要求，攪拌好的泡沫砂漿通過泵送機(jī)泵至預(yù)鉆好的下料孔。由于地下建筑結(jié)構(gòu)存在一定的坍塌風(fēng)險(xiǎn)，為確保施工安全，澆筑過程中不允許作業(yè)人員進(jìn)入內(nèi)部，提前在建筑物內(nèi)加裝可360°旋轉(zhuǎn)攝像頭，澆筑過程中可在地面通過攝像頭觀測(cè)發(fā)泡砂漿的流動(dòng)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(shí)，須分塊填筑，每個(gè)灌注區(qū)域根據(jù)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(jìn)而影響泡沫混凝土的重度，同時(shí)給施工操作帶來不便[7]。第一層澆筑完成以后，需達(dá)到一定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度方可進(jìn)行下一層澆筑。

填筑施工過程中要避免過度振動(dòng)，泵送管出口應(yīng)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(yīng)注意觀察漿體，如果有下沉要及時(shí)補(bǔ)平泡沫面高度，使其充填密實(shí)。

2.2.2 地下建筑物的破除

地下建筑物側(cè)墻破除按開挖面從左到右均分為3個(gè)區(qū)域：首先依次破除左右兩側(cè)區(qū)域，最后破除中間區(qū)域。各區(qū)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(zhǎng)≯0.5 m，切割應(yīng)調(diào)整好長(zhǎng)度及角度，避免與外部管線相碰。為便于運(yùn)輸，切割分塊后用液壓鉗破碎。破除時(shí)，在洞口邊緣約0.1 m范圍內(nèi)采用人工小振動(dòng)破除，完成后及時(shí)架立格柵鋼架封閉成環(huán)并噴射混凝土。

地下建筑物底板破除采用人工風(fēng)鎬鑿除的方式，隨挖隨鑿。

3 數(shù)值計(jì)算

3.1 數(shù)值模擬

采用Midas GTS NX仿真分析軟件進(jìn)行車站施工三維數(shù)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(jié)構(gòu)的共同作用、分步施工過程。圍巖本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫(kù)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(fēng)道導(dǎo)洞采用分部開挖施工，每步開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。見圖2。

根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，各土層力學(xué)參數(shù)見表2。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，小導(dǎo)管超前支護(hù)通過改變圍巖參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)。按照等剛度原則，將初期支護(hù)格柵鋼架的彈性模量折算進(jìn)噴射混凝土。簡(jiǎn)化后的材料參數(shù)見表3。

3.2 數(shù)值計(jì)算分析

施工豎井破除地下建筑物頂板時(shí)，地表最大沉降為0.44 mm；破除其底板時(shí)，地表最大沉降為1.14 mm。當(dāng)負(fù)一層橫通道開挖面破除地下建筑物側(cè)墻時(shí)，拱頂最大沉降達(dá)到2.35 mm。開挖過程中，地表最大沉降發(fā)生在橫通道上方對(duì)應(yīng)地表位置；其中，負(fù)一層橫通道施工完成時(shí)，地面最大沉降為3.28 mm；負(fù)二層施工完成時(shí)，地面最大沉降為3.59 mm。建筑物最大豎向位移發(fā)生在靠近橫通道一側(cè)，為0.19 mm，差異沉降0.016 mm。見圖3。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬值對(duì)比

選取此地下建筑物側(cè)墻地表投影點(diǎn)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與該點(diǎn)導(dǎo)洞開挖過程的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析，見圖4。

實(shí)測(cè)值和模擬值位移時(shí)程曲線的變化趨勢(shì)大體相近。在豎井施工階段，地表沉降較?。欢跈M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(fù)二層完成后變形逐漸收斂；其中，該點(diǎn)地表最大沉降實(shí)測(cè)值為5.86 mm，模擬值為3.59 mm。由于實(shí)際施工中，豎井及橫通道開挖若干循環(huán)后進(jìn)行初期支護(hù)背后注漿，土體在漿液壓力作用下發(fā)生向上變形，因而實(shí)測(cè)值局部發(fā)生波動(dòng)。

4 結(jié)論

1）泡沫混凝土充填后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具施工、渣土堆載等承載力要求；同時(shí)，填充物后期也易于開挖鑿除，尤其在狹窄空間、機(jī)械化鋪展困難的暗挖工程中也可實(shí)現(xiàn)人工鑿除。

2）泡沫混凝土充填處理地下建（構(gòu)）筑物，避免了傳統(tǒng)回填材料夯實(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)與噪音，減少或者避免對(duì)周邊環(huán)境和管線的影響；降低了工程次生災(zāi)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(huán)境無污染、易開挖，不影響此場(chǎng)地范圍的后續(xù)地下空間的開發(fā)。

3）泡沫混凝土充填技術(shù)，避免了地下工程，尤其是在城市核心區(qū)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(dǎo)致工程實(shí)施過程中發(fā)現(xiàn)與未探明的廢棄地下建（構(gòu)）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(shù)，節(jié)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(fēng)險(xiǎn)，從而避免產(chǎn)生不良社會(huì)影響。

4）該技術(shù)可用于城市軌道交通、地下綜合管廊、地下空間開發(fā)等工程領(lǐng)域，能夠充填處理城市核心區(qū)的地下空洞、廢棄地下人防、廢棄管道井室等地下建（構(gòu)）筑物，對(duì)設(shè)計(jì)與施工有一定的參考意義。

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