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地下連續墻
來源:互聯網

地下連續墻是利用各種挖槽機械借助于泥漿護壁的作用在地下挖出窄而深的溝槽,清槽后,在槽內吊放鋼筋籠,然后用導管法灌筑水下混凝土筑成一個單元槽段,如此逐段進行,在地下筑成一道連續的鋼筋混凝土墻壁,作為截水、防滲、承重、擋水結構。

地下連續墻一般可分成四大類:按成墻方式、按墻的用途、按墻體材料、按開挖情況。地下連續墻誕生初始作為防滲墻在水利方面廣泛應用,后逐步應用到擋土圍護結構、防滲墻、承重墻,逐步演化到“二墻合一”、“三墻合一”。計算理論也從古典法發展到彈性抗力法與連續介質有限元法的結合,結構形式從最初單一的壁板式向復雜形式發展。

隨著新世紀地下空間更大規模的開發利用,地下連續墻得到更廣泛的應用,在建筑物的基坑、工業構筑物基坑、道橋工程、盾構及頂管隧道的工作井等。地下連續墻施工中的新材料也在不斷發展中:CFRP(carbon fiber reinforced plastic,碳纖維增強復合材料),可以減小出洞的困難及風險,并增加地下連續墻接頭的防水效果,同時也較經濟。

簡史

米蘭的工程師C.Veder在1950年首次開發出地下連續墻的施工技術,并首次在Santa Malia大壩深達40m的防滲墻進行應用。50年代以后,法國日本等國相繼引進該技術,60年代,推廣到英國美國蘇聯等國家。地下連續墻首先作為防滲墻(slurry wall)在水利水電基礎工程中得到應用,隨后,作為擋土、承重的連續墻(diaphragm wall)逐步推廣到建筑、市政、交通、鐵道等部門。地下連續墻在各國的發展側重點各不相同:日本是目前世界上地下連續墻技術最先進的國家,已經累計建成了地下連續墻1500萬m2以上;美國盛行將開挖料與水泥混合做成的臨時或永久的防滲墻;加拿大致力于在水電開發中大力使用防滲墻;英國則把預應力技術引入到地下連續墻中。

我國也是早期使用地下連續墻技術的國家之一,水電部門1958年在青島月子口水庫建造深達20m的樁排式防滲墻時首次應用該技術。國內以及整個東南亞地區首次在高層建筑中應用該技術是在1971年的臺北市中國國際銀行大樓,墻厚550mm,深達15m。進入新世紀,地下連續墻已經在我國得到廣泛應用,隨著土地資源越發緊張,城市轉向地下空間發展,地下工程逐步加深,水利大壩規模不斷擴大,超深基礎承重要求的增加,地下連續墻技術還將得到進一步的發展。

分類

按成墻方式

按其成墻方式,分為樁排式、壁板式、樁壁組合式。其中樁排式地下連續墻采用人工,控挖孔方法進行。在塔基外布置人工挖孔灌注樁,伸入基巖。樁柱之間澆注混凝十搭接防滲。樁頂澆注鋼筋混凝土圈梁,使樁柱連成整體。一般來說,壁板式一字形槽段寬度不宜大于 6m,T 形、折線形槽段等槽段各肢寬度總和不宜大于 6m。

按墻的用途

按其用途分為臨時擋土墻、防滲墻、用作主體結構兼作臨時擋土墻的地下連續墻、用作多邊形基礎兼作墻體的地下連續墻。在五六十年代,基本上都是用防滲墻或臨時擋土墻,通過開發使用許多新技術、新設備和新材料,現在已經越來越多地用它作為結構物的一部分或用作主體結構,最近十年更被用于大型的深基礎工程中。

按墻體材料

(1)鋼筋混凝土墻,(2)塑性混凝土墻,(3)固化砂漿墻,(4)自硬泥漿墻,(5)預制墻,(6)泥漿槽墻,(7)后張預應力墻,(8)鋼制墻。

中國建筑工程中應用最多的還是現澆鋼筋混凝土壁板式連續墻,壁板式地下墻既可作為臨時性的擋土結構,也可兼作地下工程永久性結構的一部分。

按開挖情況

(1)地下擋土墻(開挖),(2)地下防滲墻(不開挖)。

特點

優點

1.地下連續墻的主要優缺點施工時對周邊地基無擾動,可以有效地防止周圍建筑物沉降避免造成周圍建筑物的傾斜和開裂適用于對沉降量要求較高的區域。

2.墻體剛度大能承受較大的荷載。

3.防滲性能好,能起到阻水作用。

缺點

1.由于連續墻位于地下,修復比較困難。需要橫穿連續墻的管線必須事先考慮周全或提前預留洞口,否則在既有的墻體上增加地下穿墻管線是很難的。

2.地下連續墻作為道路擋墻及橋梁下部結構在一定程度上限制了橋梁結構的擴展空間。

3.地下連續墻造價比較高這也是制約其發展的一個重要因素。

生產工藝

設計方法

地下連續墻技術分三種:古典法、彈性抗力法、連續介質有限元法。

古典法

地下連續墻誕生初始,施工機具有限,地下連續墻的厚度較薄,深度較淺。受限于計算方法的不成熟,當時的地下連續墻結構只有壁板式這一種形式。f

這個階段的計算方法主要為:已知水、土壓力,且不考慮墻體、支撐變形的荷載結構法即古典法。

古典法主要包括:極限平衡法、等值梁法、1/2分割法等方法等。古典法對荷載大小和邊界條件的確定與實際情況有一定差距,因此計算出的內力也與墻體的實際受力情況有所出入,但古典法的計算公式、圖表均簡單明了,通過計算可直接求得結果,在工程上還是得到了廣泛的應用。

在日本,古典法得到了一定程度的修正,即修正古典法。修正古典法的主要代表為:“山肩邦男法”和《日本建筑結構基礎設計規范》中的彈性法和塑性法。“山肩邦男法”是日本學者山肩邦男提出的考慮了逐層開挖和逐層設置支撐的施工過程的修正等值梁法,在日本得到了廣泛地應用。

彈性抗力法

彈性抗力法又稱為桿系有限單元法,該方法實際上是矩陣位移法與彈性地基梁法的結合。該計算方法沿縱向取單位寬度的地下連續墻擋土結構,將其視為一個豎放的彈性地基梁。

連續墻墻體根據要求剖分為若干段梁單元,支撐可用二力桁架單元模擬,地層對地下連續墻的約束作用可用連續彈簧來模擬。彈簧的作用可按通常的彈性地基梁方法假定,既可采用彈性地基梁的局部變形理論即文克爾假定,也可考慮土體彈簧之間的相互影響,即采用所謂的整體變形理論,墻背作用的土壓力為理論恒定值。基于彈性抗力法的地下連續墻計算軟件很多,國內廣泛應用的有法國PAROI2、同濟大學地下連續墻計算軟件等。地下連續墻程序計算軟件的不斷發展使得計算時間大大減少,計算結果更加精確。此階段,連續墻結構形式也更加豐富,出現了T形,П形等多種形式。

連續介質有限元法

連續介質有限元法是一種更為合理的計算方法,它不僅可以從整體上分析支護結構及周圍土體的應力與變形性狀,而且可以進行動態模擬計算,古典法和彈性抗力法存在的問題在有限元方法中都可以得到不同程度地解決。連續介質有限元軟件ABAQUS、ansys、MIDAS、PLAXIS等可以模擬不同工況下的應力、變形,在工程設計中得到了廣泛的應用。從只可以模擬規則形狀的二維平面模型發展到可以模擬考慮空間效應的三維模型,連續介質有限元法更加符合實際工況。

連續介質有限元法可以定性地判斷變形的發展趨勢,定量地校核應力大小,已成為輔助工程設計的重要手段。在大型工程中設計中,更是起到了不可或缺的作用。

此階段,圓形、“∞”形、格柵形等受力更加合理的異形地下連續墻開始逐步應用在工程中:直徑130m,開挖深度34m的上海世博500kV全地下變電站基坑工程采用超深圓形基坑逆作法設計;內徑70m,開挖深度45m的武漢陽邏長江公路大橋南錨基礎采用厚1.5m的圓形地下連續墻加上厚度為1.5~2.5m的鋼筋混凝土內襯設計;南京長江四橋南錨碇基礎采用“∞”形的井筒式超深地下連續墻結構形式;南京青奧軸線基坑工程J匝道采用格柵形地下連續墻支護,均取得了很好的工程效果。

施工技術

成槽設備、工法

地下連續墻誕生初始,成槽施工機具主要為沖擊鉆,早期的沖擊鉆主要靠自重沖擊破碎巖石,隨后逐步進化到采用沖擊回轉或者回轉沖擊的方式。

成槽是整個地下連續墻施工過程中非常重要的一環,在導墻施工完成后,鋼筋籠下放和混凝土建筑完成前,如何維持槽壁穩定性顯得十分重要。

影響槽壁穩定性的外在因素包括:地面超載、開挖機械和施工工藝。

所以為防止地下連續墻的槽壁失穩導致影響周圍環境的安全,可采用以下方法。

1)減小槽幅長度,這最主要體現在設計階段。

2)加固槽壁土體,土體的黏聚力越大,越能有效阻止槽壁失穩。

3)適當提高泥漿密度,且不宜過大,一般不宜超過11kN/m3,否則不僅不經濟,而且施工上也是十分困難的。

4)設置高導墻、抬高泥漿液面或降水以加大槽內外的液面高差,這比單單提高泥漿重度效果好很多,特別在淺層范圍內,影響最顯著,在建筑物附近施工,應充分使用。

5)盡量縮短成槽至混凝土澆筑的時間間隔,充分利用時間效應,做到快速施工。

6)在保護對象和地下連續墻槽壁之間設置隔離樁。

7)在砂性地層中施工,由于失效穩定因素極易消失,加之泥漿向土層滲透難以形成泥皮和超高,槽壁容易失穩,應特別注意。

泥漿

在天然地基狀態下,若垂直向下挖掘,就會破壞土體的平衡狀態,槽壁往往會發生塌的風險,泥漿則有阻止槽壁坍塌的作用。

除此之外,泥漿還具有以下功能:懸浮土渣的功能,攜帶土渣出地面的功能,抗混凝土和地下水污染的能力,冷卻和潤滑鉆具的功能。

鋼筋籠吊裝技術

早期的地下連續墻深度較淺,鋼筋籠規模有限,傳統的吊裝技術即可滿足要求。隨著地下連續墻技術的不斷發展,連續墻的規模越來越大,深度越來越深,相應的墻體所需的鋼筋籠越來越大,吊裝難度也隨之增加。為了應對超大、超重、吊裝剛度差的巨型鋼筋籠,需對吊裝方案進行有效合理的計算和驗算,再結合三維有限元模擬吊裝的工況,才可以保證吊裝方案安全合理。雙機抬吊法的吊點布置更加合理、受力更均勻,在巨型鋼筋籠吊裝中,得到了廣泛的應用。

混凝土灌注防繞流技術

軟弱土層的自穩能力很差,極易造成較大的塌孔;澆筑混凝土時,混凝土對型鋼擠壓造成型鋼變形;預留的鋼筋保護層、鋼筋籠下放偏移;砂袋填塞不夠密實,留有空隙等原因都會造成灌注混凝土時產生繞流。預防繞流要以防為主,在施工時可采取以下措施。

1)在側板外焊接止漿鐵皮,沿著型鋼兩側通長布置,澆筑混凝土時,鐵皮在混凝土流動力的作用下移向兩側,起到阻止繞流的作用。

2)在側板外焊接等邊角鋼。將等邊角鋼焊接在止漿鐵皮的邊緣,沿著型鋼通長布置,減少型鋼與槽壁間的縫隙,輔助止漿鐵皮防止混凝土繞流。

3)充實填充砂袋。填充鋼筋籠端頭超挖部分的砂袋時,每填充5m,用重錘砸壓砂袋一次,直至砸壓密實,以此循環,直至砂袋填充到澆筑面以上為止。

此外,灌注混凝土對型鋼的擠壓變形需要計算,對于防繞流要求高的工程應進行有限元建模計算,并根據計算結果選擇合適的型鋼型號和尺寸,防止變形過大造成繞流。

接頭形式

傳統的地下連續墻的接頭包括:直接連接接頭、接頭管接頭、接頭箱接頭。近些年來發展的新型接頭包括:“王字形”接頭、雙管接頭管接頭、公母剛性接頭。相較于傳統接頭,新型接頭如“王字形”接頭具有抗彎剛度大、整體性好、防水性更好等特點,在重要的大型工程中得到廣泛應用。

當地下連續墻采用雙墻合一時,防滲性能就會顯得十分重要。接頭處是最容易產生滲漏的地方,為此,需要針對具體工程采用合理的接頭形式。此外,在接頭處采用旋噴樁加固、施工中干凈徹底地清刷接頭處的混凝土壁面等措施都可以提高接頭處的防滲性能。

預制地下連續墻技術

除了傳統方法施工的地下連續墻,預制地下連續墻也是國內外研究和發展的一個重要方向。相較于傳統地下連續墻,工廠統一制作的預制地下連續墻墻體的施工質量更好,平整度更高,可直接作為地下室的建筑內墻。而且,還可以控制預制連續墻與基礎底板、結構梁板連接處的預埋件位置,避免出現鋼筋連接器脫落現象。通過采取構造措施進行防水,抗滲性能更好。最重要的是泥漿護壁的時間被大大地節省了,槽壁穩定性也因此顯著增強,工程安全性、經濟性都相應提高了。

新工法

除了上述傳統工法外,TRD(trench-路塹&remixing deep wall method,水泥加固土地下連續墻)工法、TRUST(超薄型防水地下連續墻)工法、CRM(continuous wall using recycled mud,挖掘土再利用地下連續墻)工法等也在逐步推廣中。

工藝原理

在工程開挖前,先在地面按建筑物平面筑導墻,用特制挖槽機械在泥漿護壁的情況下,每次開挖一定長度(一個單元槽段)的溝槽,待開挖至設計深度并清除沉淀下來的泥渣后,將地面加工好的鋼筋骨架 (鋼筋籠)用起重機吊放入充滿泥漿的溝槽內,采用水下澆筑混凝土的方法,用導管向溝槽內筑混凝土,由于混凝土是由溝槽底部開始逐漸向上澆筑,所以隨著混凝土澆筑泥漿即被置換出來,待混凝土澆至設計標高后,一個單元槽段施工即完畢。各單元槽段之間用特制接頭連接成連續的地下鋼筋混凝土墻,呈封閉形狀,開工挖土方,地下連續墻既擋土又防水抗滲。如將地下連續墻作為建筑物的地下室外墻,則具有承重作用。

操作流程

以路段處地下連續墻施工為例。為了改善路段處的連續墻的受力條件從而達到減少墻厚的目的在開挖深度較大處,一般需要設置臨時支撐或地下支撐梁也可以把防滲底板看作是地下支撐梁。施工順序如下:

1.注導梁,分槽段開挖連續墻土方。

2.鋼筋籠,澆注連續墻混凝土,現澆混凝土墻帽。

3.直于墻帽加第一道臨時支撐。

4.挖槽內土方到指定高程處加第二道臨時支撐。

5.續開挖槽內土方到底板(或地下支撐梁)底面高程處現澆混凝土底板(或地下支撐梁)。

6.板(或地下支撐梁)與連續墻形成整體后,拆除臨時支撐。

應用領域

地下連續墻應用范圍有,建筑物的基坑,如地下室、地下商場、地下停車場等;市政工程的基坑如地下鐵道車站、地下汽車站、地下泵站、地下變電站、地下油庫等,以及工業構筑物基坑(例如鋼鐵廠的鐵皮沉淀池),盾構及頂管隧道的工作井、接收井等。由于地下連續墻的剛度較大、整體性較強,能作為永久結構用在道橋工程中。

發展趨勢

設計現狀

地下連續墻尚無全國統一的設計規范,只地方規程如廣東省在1995年編制的《地下連續墻結構設計規程》DBJ/T15—13—95。地下連續墻技術最為發達的日本則有《基礎連續壁基礎工法》《地下連續壁基礎設計施工指針》等規范規程。

國內的地下連續墻設計時主要采用現彈性抗力法進行就算,并結合有限元法進行驗證的方法。由于彈性地基梁法無法考慮空間的成拱效應,圓形地下連續墻采用三維彈性地基法計算更為合理。彈性抗力法、連續介質有限元法都有其自身的局限性:彈性抗力法不能很好地吻合實際的工況;連續介質有限元法還缺少普遍適用實用性的本構模型,參數的選取也會對結果產生很大的影響,如何合理地選取參數仍然是十分困難的。因此,在實際施工中都要和監測結合起來,信息化施工,確保工程安全。

在復雜的地質條件及場地地形條件下,受限于現有的計算理論,異形但受力更合理的結構形式不能很好地進行運用,很多情況需要結合工程師的工程經驗和智慧進行設計。

設計發展趨勢

地下連續墻的計算理論正在逐步發展完善:連續介質有限元法的實用本構模型以及更合理的參數選取方法正在逐步改善;異形地下連續墻結構的受力形式以及合理計算理論正在研究中;地下連續墻作為深基礎時的計算理論也在進一步完善中;巨型鋼筋籠的吊裝強度和剛度的驗算理論正在進一步地成熟。可以預見,更加完善的計算理論會使得設計更加高效、經濟、合理。

作為擋土結構的地下連續墻的結構形式將越來越豐富,更多異形的但受力更加合理的結構形式將得到廣泛地應用;作為深基礎的地下連續墻的斷面形式也將更加豐富,從而能夠承受更大的荷載。今后的設計會更加偏重于考量地下連續墻承受荷載和滲透性穩定性要求:等厚斷面的連續墻會越來越少,上厚下薄會越來越多;作為結構受力的連續墻厚度越來越厚,有大于3m的趨勢,實際工況中不同強度和剛度的連續墻會越來越多地采用上硬下軟、上軟下硬的結構形式;作為防滲結構的地下連續墻越來越薄,有往20cm發展的趨勢,滲透系數很小的塑性混凝土、自硬泥漿、固化灰漿、黏土等會廣泛使用。

整個地下連續墻的設計理念也在逐步升級中:作為擋土結構的連續墻與逆作法的結合、“二墻合一”“三墻合一”正在逐步得到廣泛應用。作為深基礎的連續墻正在深大基礎中扮演著越來越重要的角色,有逐步取代沉井和群樁的趨勢。

施工現狀

尚無全國統一性的地下連續墻施工規程,只有地方性的規程,如上海市的《地下連續墻施工規程》(DG/TJ08—2073—2010)。現階段,地下連續墻施工還停留在經驗階段,整個施工過程還有待進一步規范化。

施工機具設備如銑槽機往往價格高昂,缺少合適的施工機具設備會限制工程設計、施工,降低施工效率,延長整個工期。當前,大型施工機具主要靠進口,施工機具的國產化還有很長一段路要走。

施工操作不當極易造成槽壁失穩和灌注混凝土繞流等事故,現場工程地質條件往往十分復雜,在采取相應預防措施的基礎上,施工人員需要針對出現的實際情況對施工組織設計進行合理的調整。當前,國內的施工人員素質還需進一步的提高,這樣會避免因操作不當造成的事故,以及提升施工效率。施工噪聲、粉塵、具有污染性的工程泥漿使得污染問題依然十分嚴重,在環境保護問題日益突出的今天,施工污染需要進一步地得到控制。

施工發展趨勢

隨著工程要求的不斷提高,地下連續墻正在往超大超深方向發展,規模也越來越大,地下連續墻技術最發達的日本已經研究開發了壁厚達3.12m,深度達170m的超大型地下連續墻施工技術。地下連續墻使用用途的不斷開發也對地下連續墻施工提出了更高的要求:“二墻合一”時,地下連續墻垂直度要求比圍護地下連續墻高,墻面平整度要求也相應提高。

傳統施工工藝也正在不斷改進中:預制型地下連續墻、NS-Box鋼制地下連續墻正在逐步推廣;成槽施工機具將由現在主流的銑槽機等向更先進的設備發展,以滿足超薄、超深連續墻的施工要求;泥漿的生產、輸送、回收和凈化等技術和工藝將大大改進,連續墻施工將達到高效無污染,滿足環保的需求。

連續墻施工中的新材料也在不斷發展中:CFRP(carbon fiber reinforced plastic,碳纖維增強復合材料)筋在盾構隧道的連續墻中廣泛使用,可以減小出洞的困難及風險;新型墻裙泥漿材料NOVAGEL聚合物可以減少擴孔系數、防止砂性土塌孔;橡膠防水接插件(GXJ)既可防止接頭工具起拔時出現事故,并增加地下連續墻接頭的防水效果,同時也較經濟。

參考資料 >

地下連續墻的特點和適用條件和在基坑工程中的應用.江蘇東合南巖土科技股份有限公司.2023-12-08

地下連續墻的幾種分類與適用范圍.江蘇東合南巖土科技股份有限公司.2023-12-10

地下連續墻墻體與主體結構連接的構造形式.江蘇東合南巖土科技股份有限公司.2023-12-11

工程實例-地基水泥注漿加固.江蘇東合南巖土科技股份有限公司.2023-12-11

地下連續墻如何設計才合理?.江蘇東合南巖土科技股份有限公司.2023-12-11

地下連續墻的主要用途及技術要點.江蘇東合南巖土科技股份有限公司.2023-12-11

地下連續墻施工工藝原理及適用范圍.江蘇東合南巖土科技股份有限公司.2023-12-08

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