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锁扣型钢地下连续墙在深基坑工程中的应用

其他 2024年4月22日 项敏 282

摘 要:基坑围护结构多采用钢筋混凝土地下连续墙施工。但是钢筋混凝土地下连续墙工法施工时,钢筋的绑扎及繁琐的施工步骤需占用大量的施工场地,在工程占地面积较小的情况下需要开发一种新的工艺。文章以上海轨交19号线世博大道站施工为例,介绍采用了断面尺寸小、强度高、刚性大的以钢结构为主体的锁扣型钢地下连续墙。该工法基于传统的地下连续墙工法,采用新型钢制构件替代了传统的钢筋笼,同时减少了工程占地,极大改善了传统钢筋混凝土地下连续墙工法在城市工程建设中的用地问题。

1  工程概况

世博大道站为上海轨道交通19号线配合世博文化公园地下空间开发先期实施的车站,与既有车站采用通道换乘,换乘通道为地下2层框架结构,基坑开挖深度17m。锁扣型钢地下连续墙墙趾位于⑦2粉细砂层,换乘通道基坑坑底位于⑤2-1灰色砂质粉土层中。锁扣型钢参数如表1所示,锁扣型钢地下连续墙情况如表2所示,锁扣型钢地下连续墙位置如图1所示。

表1  锁扣型钢参数表

表2  锁扣型钢地下连续墙

图1  锁扣型钢地下连续墙位置示意图

2  工艺原理

锁扣型钢构件是由工厂加工的一种新型钢制构件,用以替代常规地下连续墙钢筋笼结构,采取现场拼装的施工工艺,实施锁扣型钢地下连续墙施工。锁扣型钢构件有3种形式:C型接头构件、T型接头构件和兼有C、T型2种接头构件。钢构件翼缘两端相互连接的接头有:C型和T型2种形式。其中,C型接头沿基坑深度方向通长布置,T型接头沿基坑深度方向间断布置。锁扣型钢构件类型如图2所示。

图2  锁扣型钢构件示意图

锁扣型钢构件依次拼装、吊装入槽后,浇筑大流动性混凝土,形成具有高强度、高刚度的锁扣型钢地下连续墙围护结构。锁扣型钢地下连续墙如图3所示。

图3  锁扣型钢地下连续墙示意图

3  工艺特点

1)锁扣型钢由工厂预制加工成型,由施工现场拼接完成,构件尺寸小,吊装容易,施工占用场地面积小,适合城市建筑物密集等狭小空间使用;

2)锁扣型钢经加工的钢制构件采用装配工法按顺序进行安装,施工省力、快速,安装时无需重型机械,并可省去钢筋笼制作场地等;

3)锁扣型钢钢制构件的质量可靠性高,施工时可形成精度高的墙体,精度可达到1/1000,可确保良好的止水性能。

4  施工工艺流程

工艺流程如图4所示。

图4  锁扣型钢地下连续墙施工示意图

5  施工方法

5.1  成槽

锁扣型钢地下连续墙成槽工艺同常规地下连续墙成槽,但精度要求更高,成槽精度需达到1/1000。

5.2  制作

锁扣型钢构件由工厂分节预制加工成型,在现场拼装完成。相邻锁扣型钢的接缝需上下错缝1m,同时在中间的锁扣型钢腹板上按800mm的间隔开设φ400mm的孔洞,使相邻隔仓内的混凝土能够流动,从而保证地下连续墙混凝土浇筑的质量。每根型钢由4节型钢构件组成(表3),单节型钢重量小于等于6t,单根型钢总量小于等于23t。锁扣型钢分节如图5所示,锁扣型钢下放安装如图6所示,制作控制要求如表4所示。

表3  锁扣型钢分节统计表

图5  锁扣型钢制作分节示意图

图6  锁扣型钢下放安装示意图

表4  锁扣型钢制作控制要求/mm

5.3  堆放

锁扣型钢构件拼装前应设置专门堆放的区域,并按照取出顺序摆放。每根型钢构件间采用砧木搁置,砧木按3~5m的间隔布置,避免碰到接头部位。

5.4  定位

为保证锁扣型钢下放过程中,锁扣型钢沿槽段水平和垂直方向的垂直度偏差满足小于等于1/1000的控制要求,现场加工了型钢定位架。该型钢定位架采用(200×200×12×12)mm的工字钢搭设,型钢定位架尺寸大小为2m×2m×1.4m,通过地脚螺栓固定在导墙上。型钢定位架示意图如图7所示。

图7  型钢定位架示意图

5.5  起吊及下放

在安装锁扣型钢过程中,考虑嵌合接头的形状决定其顺序,使不带T型接头先吊装,单根锁扣型钢分节吊装全部完成后再吊装相邻的锁扣型钢。锁扣型钢下放过程中,通过标尺注意位置和垂直度,轻轻地落入槽壁内,避免擦碰槽段,在现场用直角方向的经纬仪控制垂直精度。按次序从左往右依次下放,下放到位后应平行于槽段的误差小于等于±30mm,垂直于槽段边线的误差小于等于±10mm。锁扣型钢吊放顺序如图8所示。

5.6  机械连接

锁扣型钢之间采用机械连续形式,每个接头采用72个M30的高强度螺栓,每个螺栓的螺栓终拧扭矩控制在1254~1435.5N·m。机械连接接头如图9所示。

图9  锁扣型钢机械连接接头示意图

5.7  C口保护

由于一期槽段混凝土浇筑过程中成槽泥浆或者混凝土可能会将C-T接口中的C口堵塞,造成二期槽锁扣型钢的T头无法插入C口下放,从而引起一期槽与二期槽之间的接口出现断接的问题。针对这一工况,现场采用水囊充填C口的方法,C口为φ100mm的圆柱形结构,水囊在不充水的情况下直径为70mm,可以随一期槽锁扣型钢C口一起吊放入槽,型钢入槽到位后,对水囊进行压水操作,使水囊膨胀至100mm完全填满C口,二期槽成槽完成后,再将水囊泄压后取出。

5.8  固定

混凝土浇筑过程中,由于受到浇筑中混凝土的压力,锁扣型钢有可能会发生位移,应采取焊接钢围檩固定锁扣型钢头部。锁扣型钢头部宜高出地面300mm,钢围檩宜采用10号型钢。并浇筑固槽混凝土固定锁扣型钢底部,固槽混凝土需浇筑1m以上。

5.9  导管安放

锁扣型钢导管按照两端的隔间必须布置一根导管,中间的隔间按照“隔一放一”设置,保证每个锁扣型钢隔仓内混凝土的密实度。固槽混凝土终凝后,重新安放导管正式进行混凝土浇筑。导管布置如图10所示。

图10  导管布置示意图

5.10  大流动性混凝土浇筑

与常规混凝土地下连续墙相比,锁扣型钢地下连续墙要求混凝土应具有比常规地下连续墙混凝土更大的流动性能、更为良好的和易性和黏聚性,在锁扣型钢墙体内填充时需流淌性、密实性良好,其性能要求如表5所示。

表5  大流动性混凝土拌合物性能要求

5.11  施工效果

混凝土浇筑28天后,对锁扣型钢地下连续墙进行混凝土取芯和超声波检测,检测混凝土抗压强度和墙身完整性。根据抗压强度检测报告,抗压强度均大于设计强度40MPa,满足设计要求。根据超声波检测报告,显示墙身完整性良好,达到设计要求。基坑开挖到底后,地下连续墙墙身无渗漏、无夹泥,型钢无变形,墙体完整。锁扣型钢地下连续墙实施效果如图11所示。

图11  锁扣型钢地下连续墙实施效果

6  结果分析

对换乘通道1号基坑进行数值模拟,采用MIDAS-GTS有限元分析软件,建立三维有限元数值模型,对施工开挖过程中锁扣型钢地下连续墙受力及变形情况进行分析。

6.1  锁扣型钢地下连续墙结构受水土压力分析

基坑开挖完成后,围护结构受到外部土体卸载和地下水压力的作用,地下连续墙水土压力情况如图12所示,监测数据显示,围护结构受到侧向土压力随埋深增加而不断增加,土层重度约为18kN/m3,各类土层容重差异较小。孔隙水压力随深度近似线性变化,地下水赋存于上层填土,地下水位标高约10m,含水量较小。实测数据与数值模拟结果得出,锁扣型钢地下连续墙水土压力总体较小(水土压力实测值:0.01~0.90MPa,水土压力模拟值:0.01~0.23MPa),周边水土压力对锁扣型钢地下连续墙造成的影响较小。

图12  锁扣型钢地下连续墙水土压力情况

6.2  围护结构变形

基坑开挖完成后,实测与数值模拟运算得到的围护结构水平位移变形如图13所示,基坑分步开挖最大围护结构变形如图14所示,H为基坑开挖深度,δhm为围护结构最大水平位移。围护结构最大水平位移随着开挖深度的增大而增加,且呈线性变化。基坑开挖过程中,钢筋混凝土地下连续墙的围护结构最大水平位移约为1.14‰H(H为基坑开挖深度,H=17m),锁扣型钢地下连续墙的最大地表沉降约为0.81‰H,型钢地下连续墙明显小于钢筋混凝土地下连续墙,约为钢筋混凝土地下连续墙的71%。围护结构变形最大位置基本与基坑开挖深度同步,即基坑开挖最深处为围护结构变形最大区域。

图13  围护结构水平位移变形曲线

图14  最大围护结构水平位移与开挖深度的关系

围护结构的变形不仅使坑内外地层应力发生变化,而且还会使坑外土体产生地层损失而引起地面沉降,围护结构变形是引起地表变形的最主要因素之一。基坑最大地表沉降(δvm)与最大围护结构侧移(δhm)之间的关系如图15所示,地表沉降变形与围护结构水平位移变形基本同步,锁扣型钢地下连续墙与钢筋混凝土地下连续墙最大地表沉降介于(1.2~1.3)δhm。

图15  最大地表沉降与围护结构水平位移的关系

6.3  围护结构内力

将数值模拟数据与实测数据进行对比分析,对比地下连续墙所受应力值。通过数值模拟结果分析得到,基坑开挖施工引起的周边土层荷载,地下连续墙受到最大应力位置位于17m位置,即为基坑开挖最大深度处,最大应力值为2297kN。实测的应力计布设在15.8m的位置,最大应力值为2413kN,数值模拟得到地下连续墙受到最大应力值为实测最大应力值的95%。基坑开挖过程中,实测应力值受到基坑开挖土层施加给围护结构不均匀的影响,局部位置最大应力值略大于数值模拟结果,数值模拟与实测数据误差较小,在误差允许范围内。

总体来看,地下连续墙由C35混凝土和Q345型钢共同组成,C35混凝土所能承受的最大抗压强度为35MPa,因此,地下连续墙的强度完全可以承受住外部施加的荷载。3道支撑的数值模拟结果与实测值均未达到监测报警值,钢支撑与混凝土支撑也可承受周边土体施加给围护结构的荷载。

图16  围护结构内力实测数据与数值模拟对比分析

总体来看,锁扣型钢地下连续墙作为围护结构时,构件与地下连续墙安全性能高,且地表沉降与围护结构水平位移变化较小。地表沉降与围护结构水平位移随基坑开挖深度增加而增加且呈线性变化。锁扣型钢地下连续墙最大地表沉降仅有传统钢筋混凝土地下连续墙的74%,且最大沉降位置距离基坑更近,沉降影响范围更小。围护结构水平位移仅有传统钢筋混凝土地下连续墙的71%,与地表沉降变形基本同步。锁扣型钢地下连续墙对深基坑围护结构外侧地表沉降控制更好,对基坑周边土体扰动更小,围护结构变形更小,围护结构稳定性更高,适用于软土深基坑的狭小空间围护结构施工。

7  结语

与传统钢筋混凝土地下连续墙对比,它采用了新型钢制构件作为墙体的主要结构,代替钢筋混凝土地下连续墙的钢筋笼,最后在新型钢制构件形成的空间里成墙,极大地改善了传统钢筋混凝土地下连续墙工法在城市工程建设中的用地问题。锁扣型钢地下连续墙的成功应用可以丰富软土地区坑狭小空间围护结构施工的实施手段,为今后类似工程提供借鉴案例。

摘自《上海隧道》