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什么是地下连续墙?如何施工有何要点?一篇就懂

323 2020-05-22 10:41:04

作为基坑围护结构,主要基于强度、变形和稳定性三个大的方面对地下连续墙进行设计和计算,强度主要指墙体的水平和竖向截面承载力、竖向地基承载力;变形主要指墙体的水平变形和作为竖向承重结构的竖向变形;稳定性主要指作为基坑围护结构的整体稳定性、抗倾覆稳定性、坑底抗隆起稳定性、抗渗流稳定性等,稳定性计算方法。以下针对地下连续墙设计的主要方面进行详述。


一、墙体厚度和槽段宽度

地下连续墙厚度一般为 0.5~1.2m,而随着挖槽设备大型化和施工工艺的改进,地下连续墙厚度可达 2.0m 以上。日本东京湾新丰洲地下变电站圆筒形地下连续墙的厚度达到了2.40m。上海世博 500kV 地下变电站基坑开挖深度 34m,围护结构采用直径 130m 圆筒形地下连续墙,地下连续墙厚度 1.2m,墙深 57.5m。在具体工程中地下连续墙的厚度应根据成槽机的规格、墙体的抗渗要求、墙体的受力和变形计算等综合确定。地下连续的常用墙厚为 0.6、0.8、1.0和 1.2m。

确定地下连续墙单元槽段的平面形状和成槽宽度时需考虑众多因素,如墙段的结构受力特性、槽壁稳定性、周边环境的保护要求和施工条件等,需结合各方面的因素综合确定。一般来说,壁板式一字形槽段宽度不宜大于 6m,T 形、折线形槽段等槽段各肢宽度总和不宜大于6m。



二、地下连续墙的入土深度

一般工程中地下连续墙入土深度在 10~50m 范围内,最大深度可达 150m。在基坑工程中,地下连续墙既作为承受侧向水土压力的受力结构,同时又兼有隔水的作用,因此地下连续墙的入土深度需考虑挡土和隔水两方面的要求。作为挡土结构,地下连续墙入土深度需满足各项稳定性和强度要求,作为隔水帷幕,地下连续墙入土深度需根据地下水控制要求确定。

1. 根据稳定性确定入土深度

作为挡土受力的围护体,地下连续墙底部需插入基底以下足够深度并进入较好的土层,以满足嵌固深度和基坑各项稳定性要求。在软土地层中,地下连续墙在基底以下的嵌固深度一般接近或大于开挖深度方能满足稳定性要求。在基底以下为密实的砂层或岩层等物理力学性质较好的土(岩)层时,地下连续墙在基底以下的嵌入深度可大大缩短。例如上海轨道交通七号线耀华路站综合开发项目开挖深度约 20.4m,基底以下主要以软塑的粘土层为主,采用地下连续墙作为围护结构,墙体嵌入基底以下 19m 方满足稳定性要求。南京绿地紫峰大厦开挖深度约 21.4m,基底以下均为中风化安山岩,地下连续墙嵌入基底以下 7m 即满足稳定性要求。

2. 考虑隔水作用确定入土深度

作为隔水帷幕,地下连续墙设计时需根据基底以下的水文地质条件和地下水控制确定入土深度,当根据地下水控制要求需隔断地下水或增加地下水绕流路径时,地下连续墙底部需进入隔水层隔断坑内外潜水及承压水的水力联系,或插入基底以下足够深度以确保形成可靠的隔水边界。如根据隔水要求确定的地下连续墙入土深度大于受力和稳定性要求确定的入土深度时,为了减少经济投入,地下连续墙为满足隔水要求加深的部分可采用素混凝土浇筑。

天津津塔基坑开挖深度 22.1m,采用 1.0m 厚的“两墙合一”地下连续墙作为围护体。其地面下约 40m 深分布有(8b)粉土层第二承压含水层,基坑不满足承压水突涌稳定性要求,根据基地周边环境保护要求需采取隔断措施。根据稳定性计算,地下连续墙插入基底以下17.2m 即可满足各项稳定性要求。而要隔断第二承压水,地下连续墙底部需进入(8c)粉质粘土层,插入基底以下的深度需达到 23.7m。因此综合考虑稳定性和隔承压水两方面的因素,地下连续墙插入基底以下 23.7m,并根据受力和稳定性要求在基底以下 17.2m 范围采用钢筋混凝土,在基底以下 17.2~23.7m 段采用素混凝土段作为隔水帷幕。该工程已经竣工,地下连续墙下部素混凝土段有效的隔断了第二承压水。


三、内力与变形计算及承载力验算

1. 内力和变形计算

地下连续墙作为基坑围护结构的内力和变形计算目前应用最多的是平面弹性地基梁法,该方法计算简便,可适用于绝大部分常规工程;而对于具有明显空间效应的 深基坑工程,可采用空间弹性地基板法进行地下连续墙的内力和变形计算;对于复杂的基坑工程需采用连续介质有限元法进行计算。

墙体内力和变形计算应按照主体工程地下结构的梁板布置,以及施工条件等因素,合理确定支撑标高和基坑分层开挖深度等计算工况,并按基坑内外实际状态选择计算模式,考虑基坑分层开挖与支撑进行分层设置,以及换撑拆撑等工况在时间上的先后顺序和空间上的位置不同,进行各种工况下的连续完整的设计计算。

2. 承载力验算

应根据各工况内力计算包络图对地下连续墙进行截面承载力验算和配筋计算。常规的壁板式地下连续墙需进行正截面受弯、斜截面受剪承载力验算,当需承受竖向荷载时,需进行竖向受压承载力验算。对于圆筒形地下连续墙除需进行正截面受弯、斜截面受剪和竖向受压承载力验算外,尚需进行环向受压承载力验算。

当地下连续墙仅用作基坑围护结构时,应按照承载能力极限状态对地下连续墙进行配筋计算,当地下连续墙在正常使用阶段又作为主体结构时,应按照正常使用极限状态根据裂缝控制要求进行配筋计算。

地下连续墙正截面受弯、受压、斜截面受剪承载力及配筋设计计算应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010)的相关规定。


四、地下连续墙设计构造

1. 墙身混凝土

地下连续墙混凝土设计强度等级不应低于 C30,水下浇筑时混凝土强度等级按相关规范要求提高。墙体和槽段接头应满足防渗设计要求,地下连续墙混凝土抗渗等级不宜小于 S6级。地下连续墙主筋保护层在基坑内侧不宜小于 50mm,基坑外侧不宜小于 70mm。

地下连续墙的混凝土浇筑面宜高出设计标高以上 300~500mm,凿去浮浆层后的墙顶标高和墙体混凝土强度应满足设计要求。

2. 钢筋笼

地下连续墙钢筋笼由纵向钢筋、水平钢筋、封口钢筋和构造加强钢筋构成。纵向钢筋沿墙身均匀配置,且可按受力大小沿墙体深度分段配置。纵向钢筋宜采用 HRB335 级或 HRB400级钢筋,直径不宜小于 16mm,钢筋的净距不宜小于 75mm, 当地下连续墙纵向钢筋配筋量较大,钢筋布置无法满足净距要求时,实际工程中常采用将相邻两根钢筋合并绑扎的方法调整钢筋净距,以确保混凝土浇筑密实。纵向钢筋应尽量减少钢筋接头,并应有一半以上通长配置。水平钢筋可采用 HPB235 级钢筋,直径不宜小于 12mm。封口钢筋直径同水平钢筋,竖向间距同水平钢筋或按水平钢筋间距间隔设置。地下连续墙宜根据吊装过程中钢筋笼的整体稳定性和变形要求配置架立桁架等构造加强钢筋。

钢筋笼两侧的端部与接头管(箱)或相邻墙段混凝土接头面之间应留有不大于 150mm的间隙,钢筋下端 500mm 长度范围内宜按 1:10 收成闭合状,且钢筋笼的下端与槽底之间宜留有不小于 500mm 的间隙。地下连续墙钢筋笼封头钢筋形状应与施工接头相匹配。封口钢筋与水平钢筋宜采用等强焊接。

单元槽段的钢筋笼宜在加工平台上装配成一个整体,一次性整体沉放入槽。当单元槽段的钢筋笼必须分段装配沉放时,上下段钢筋笼的连接宜采用机械连接,并采取地面预拼装措施,以便于上下段钢筋笼的快速连接,接头的位置宜选在受力较小处,并相互错开。

(1) 转角槽段钢筋笼

转角槽段小于 180 度角侧水平筋锚入对边墙体内应满足锚固长度,且宜与对边水平钢筋焊接,以加强转角槽段吊装过程中的整体刚度。转角宜设置斜向构造钢筋,以加强转角槽段吊装过程中的整体刚度。

(2) T 型槽段钢筋笼

T 形槽段外伸腹板宜设置在迎土面一侧,以防止影响主体结构施工。根据相关规范进行T 型槽段截面设计和配筋计算,翼板侧拉区钢筋可在腹板两侧各一倍墙厚范围内均匀布置。

3. 墙顶冠梁

地下连续墙顶部应设置封闭的钢筋混凝土冠梁。冠梁的高度和宽度由计算确定,且宽度不宜小于地下连续墙的厚度。地下连续墙采用分幅施工,墙顶设置通长的顶圈梁有利于增强地下连续墙的整体性。顶圈梁宜与地下连续墙迎土面平齐,以便保留导墙,对墙顶以上土体起到挡土护坡的作用,避免对周边环境产生不利影响。

地下连续墙墙顶嵌入圈梁的深度不宜小于 50mm,纵向钢筋锚入圈梁内的长度宜按受拉锚固要求确定。


五、地下连续墙施工接头

1. 类型与形式

施工接头是指地下连续墙单元槽段之间的连接接头。根据受力特性地下连续墙施工接头可分为柔性接头和刚性接头。能够承受弯矩、剪力和水平拉力的施工接头称为刚性接头,反之不能承受弯矩和水平拉力的接头称为柔性接头。

2. 柔性接头

工程中常用的柔性接头主要有圆形(或半圆形)锁口管接头、波形管(双波管、三波管)接头、楔形接头、钢筋混凝土预制接头和橡胶止水带接头。柔性接头抗剪、抗弯能力较差,一般适用于对槽段施工接头抗剪、抗弯能力要求不高的基坑工程中。

(1) 锁口管接头

圆形(或半圆形)锁口管接头、波形管(双波管、三波管)接头统称为锁口管接头,锁口管接头是地下连续墙中最常用的接头形式,锁口管在地下连续墙混凝土浇筑时作为侧模,可防止混凝土的绕流,同时在槽段端头形成半圆形或波形面,增加了槽段接缝位置地下水的渗流路径。锁口管接头构造简单,施工适应性较强,止水效果可满足一般工程的需要。

(2) 钢筋混凝土预制接头

钢筋混凝土预制接头可在工厂进行预制加工后运至现场,也可现场预制。预制接头一般采用近似工字型截面,在地下连续墙施工流程中取代锁口管的位置和作用,沉放后无需顶拔,作为地下连续墙的一部分。由于预制接头无需拔除,简化了施工流程,提高了效率,有常规锁口管接头不可比拟的优点。特别适用于顶拔锁口管困难的超深地下连续墙工程。当受到运输和吊放设备能力限制等因素限制时,预制接头一般在深度方向分节吊放,分节长度应根据基坑开挖深度确定,以确保分节接缝位置处于基坑底面以下一定深度为原则。上下节之间可采用预制钢筋混凝土方桩分节桩之间的钢板接头连接方式,并使接缝处于平整密实的连接状态。也可将预制接头上下节先采用螺栓与连接固定,再焊接。

(3) 工字形型钢接头

该接头形式是采用钢板拼接的工字形型钢作为施工接头,型钢翼缘钢板与先行槽段水平钢筋焊接,后续槽段可设置接头钢筋深入到接头的拼接钢板区。该接头不存在无筋区,形成的地下连续墙整体性好。先后浇筑的混凝土之间由钢板隔开,加长了地下水渗透的绕流路径,止水性能良好。工字形型钢接头的施工避免了常规槽段接头施工中锁口管或接头箱拔除的过程,大大降低了施工难度,提高了施工效率。该接头在直径 130m,挖深34m 的世博地下变电站圆筒形地下连续墙设计中得到成功应用。、

3. 刚性接头

刚性接头可传递槽段之间的竖向剪力,当槽段之间需要形成刚性连接时,常采用刚性接头。在工程中应用的刚性接头主要有一字或十字穿孔钢板接头、钢筋搭接接头和十字型钢插入式接头。

(1) 十字穿孔钢板接头

十字穿孔钢板接头是地下连续墙工程中最常用的刚性接头形式,是以开孔钢板作为相邻槽段间的连接构件,开孔钢板与两侧槽段混凝土形成嵌固咬合作用,可承受地下连续墙垂直接缝上的剪力,并使相邻地下连续墙槽段形成整体共同承担上部结构的竖向荷载,协调槽段的不均匀沉降;同时穿孔钢板接头亦具备较好的止水性能。十字钢板接头如图 11-11(a)所示。该刚性接头在地下连续墙设计中应用较为广泛,工艺较成熟。上海银行大厦、解放日报新闻中心、兰馨公寓、盛大中心等工程中均采用了十字钢板刚性接头。

采用十字穿孔钢板接头应注意以下几个问题:

a. 为了防止混凝土浇筑过程中出现从侧面绕流,影响相邻槽段施工,十字穿孔钢板应沿槽段深度通长设置,且应嵌入槽底沉渣内一定深度,彻底隔断混凝土的绕流路径。对于设计上需要地下连续墙加深隔断地下水的槽段,应将钢筋笼加深至槽底,以固定十字钢板。

b. 当采用十字穿孔钢板刚性接头时,如墙体钢筋笼超长,在钢筋笼吊装和沉放过程中用易出现十字穿孔钢板弯曲变形,而使十字钢板无法沿接头箱槽口顺利下行,影响钢筋笼沉放。因此在超过 40m 深的超深地下连续墙槽段中一般不宜采用十字穿孔钢板接头。

c. 当地下连续墙采用“两墙合一“时,为了确保地下连续墙的防渗性能,在满足受力的条件下,十字钢板穿孔应尽量设置在基底以下,以减少地下连续墙基底以上渗漏的可能性。

(2) 钢筋搭接接头

钢筋搭接接头采用相邻槽段水平钢筋凹凸搭接,先行施工槽段的钢筋笼两面伸出搭接部分,通过采取施工措施,浇灌混凝土时可留下钢筋搭接部分的空间,先行槽段形成后,后施工槽段的钢筋笼一部分与先行施工槽段伸出的钢筋搭接,然后浇灌后施工槽段的混凝土。这种连接形式在接头位置有地下连续墙钢筋通过(水平钢筋和纵向主筋),为完全的刚性连接。有关试验研究表明其结构连接刚度和接头抗剪能力均优于开孔钢板接头。日本道路协会《地下连续壁基础设计施工指针》中,依据不同的钢筋搭接长度及钢筋比以及钢筋的间隙所作的试验结果,建议接缝处的单位允许应力采用地下连续墙墙体允许应力的 80%来设计。

(3) 十字型钢插入式接头

十字型钢插入式接头是在工字形型钢接头上焊接两块 T 形型钢,并且 T 形型钢锚入相邻槽段中,进一步增加了地下水的绕流路径,在增强止水效果的同时,增加了墙段之间的抗剪性能,形成的地下连续墙整体性好。

4. 施工接头选用原则

由于地下连续墙施工接头种类和数量众多,在实际工程中在满足受力和止水要求的前提下,应结合地区经验尽量选用施工简便、工艺成熟的施工接头,以确保接头的施工质量:

(1) 由于锁口管柔性施工接头施工方便,构造简单,一般工程中在满足受力和止水要求的条件下地下连续墙槽段施工接头宜优先采用锁口管柔性接头;当地下连续墙超深顶拔锁口管困难时建议采用钢筋混凝土预制接头或工字形型钢接头。

(2) 当根据结构受力要求需形成整体或当多幅墙段共同承受竖向荷载,墙段间需传递竖向剪力时,槽段间宜采用刚性接头,并应根据实际受力状态验算槽段接头的承载力。