裝配式地下連續(xù)墻設計制造技術研究

白一凡

(中鐵十四局集團房橋有限公司 北京 102400)

1 引言

隨著社會和經(jīng)濟發(fā)展，地下空間開發(fā)的需求劇增，我國地下軌道交通建設工程量位居世界前列。地鐵施工采用明挖法時，地下連續(xù)墻是應用廣泛的基坑支護手段[1－2]。采用現(xiàn)澆工藝建設地下連續(xù)墻時常存在澆筑混凝土質(zhì)量不易控制、接頭夾泥、漏水、繞流、坍塌等問題[3]。此外，混凝土凝結(jié)時間長、對環(huán)境條件有一定要求，是影響工程進度的重要環(huán)節(jié)[4]。相比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，預制裝配式結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保、構(gòu)件質(zhì)量易控制等優(yōu)點，同時有利于國家建筑工業(yè)化的發(fā)展。在國家提倡綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的理念下，裝配式建筑得到廣泛推廣和應用。針對裝配式住宅的技術研究相對較早也較成熟[5－6]，而裝配式地下連續(xù)墻的研究和應用起步較晚發(fā)展空間大。與裝配式住宅相比，裝配式地下連續(xù)墻不僅受力狀態(tài)復雜而且防水要求高[7]。

裝配式地下連續(xù)墻技術相對傳統(tǒng)現(xiàn)澆地下連續(xù)墻而言不僅大大減小了工程風險，而且提高了施工速度。因此，它在設計和施工技術上的改進對城市地鐵超深基坑施工的安全性具有重大意義[8－9]。本文以深圳地鐵8號線的溪涌站為工程背景，對裝配式地下連續(xù)墻的設計及制造技術研究進行分析研究。

2 工程概況

深圳地鐵8號線溪涌站為位于鹽壩高速溪涌立交E匝道北側(cè)，為地下二層島式車站(局部地下一層)。車站總長度約372.6 m，標準段寬約20.8 m，埋深約16 m。

溪涌站自上而下地質(zhì)情況為:素填土、含有機質(zhì)砂、淤泥、粉質(zhì)黏土、礫砂、砂質(zhì)黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖。溪涌河河水及溪涌河支流河水對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性[10]。車站底板位于礫砂及砂質(zhì)黏性土層，圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度砂質(zhì)黏性土約9.3 m。車站標準段基坑寬約22.2 m，深約16 m，覆土厚度約為2 m。圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐體系為三道撐，第一道為800 mm×1 000 mm混凝土撐，第二、三道為φ800鋼支撐。

3 裝配式地下連續(xù)墻設計方案

3.1 總體設計

溪涌站設計方案中，從場平地面至墻底的基坑圍護結(jié)構(gòu)深度為25.3 m。根據(jù)溪涌站實際情況，設計裝配式地下連續(xù)墻豎向總高度為24.5 m，其中冠梁高800 mm。為方便施工分A、B兩塊，成槽方式為常規(guī)抓斗成槽，成槽寬度為800 mm，施工垂直度控制在3‰以內(nèi)。裝配式地下連續(xù)墻采用C50、P10防水混凝土，厚度750 mm。

3.2 分塊方案

裝配式地下連續(xù)墻在進行分塊時，應以基坑開挖范圍內(nèi)不存在水平橫縫，并盡可能地增大縱向分幅寬度為基礎，并結(jié)合輕量化設計以減小構(gòu)件重量。為保證拼裝質(zhì)量，裝配式地下連續(xù)墻分A型幅和B型幅，如圖1所示。A型幅上節(jié)長度20 m、重93.75 t；下節(jié)長度4.5 m，考慮輕量化重18.4 t。B型幅上節(jié)長度18 m、重84.38 t；下節(jié)長度6.5 m，考慮輕量化重26.4 t。通過兩種類型幅依次拼裝實現(xiàn)錯縫拼裝。單塊地下連續(xù)墻水平分幅寬度為2.5 m。A型幅和B型幅的下節(jié)墻，每幅墻上預留4個250 mm×290 mm的空腔，內(nèi)部填充輕質(zhì)聚苯泡沫填充體(見圖2)，以實現(xiàn)預制構(gòu)件輕量化施工。

圖1 裝配式地下連續(xù)墻立面分塊(單位:m)

圖2 輕量化設計(單位:mm)

3.3 連接方案

裝配式地下連續(xù)墻通過凹凸榫＋預埋角鋼焊接的形式進行連接，如圖3所示。具體設計形式為:幅內(nèi)上下塊之間設置凹凸榫抗剪，拼裝過程中對接縫處的角鋼進行焊接固定，角鋼焊接時采用坡口焊，以保證角鋼焊接質(zhì)量及強度[11]。

圖3 預制地下連續(xù)墻連接示意(單位:mm)

3.4 吊裝方案

吊裝施工工序為:

(1)采用泥漿護壁進行地連墻成槽施工，將墻段臨時固定設備和汽車吊定位。

(2)進行第一節(jié)地連墻插入槽體施工，將墻段利用臨時固定設備卡住，露出地面高度為1.0 m。

(3)吊裝第二節(jié)地連墻，定位準確后焊接上下兩個預制墻段間的預埋角鋼。

(4)將焊接后的整幅地連墻下放到設計標高，并利用預留注漿孔向墻底注漿。

(5)完成第一幅地連墻施工后，重復以上步驟，依次完成第2～4幅地連墻的施工。

(6)將預制冠梁吊裝到第1～4幅地連墻上，定位精確后，通過螺紋鋼跟套筒進行構(gòu)件連接。

4 裝配式地下連續(xù)墻設計方案驗算

首先進行基坑的安全性、地下連續(xù)墻的整體穩(wěn)定性、抗傾覆、坑底隆起等驗算。以上計算與傳統(tǒng)地下連續(xù)墻的類似，此處不贅述，而對于幅內(nèi)橫縫承載能力計算將重點說明。

根據(jù)溪涌站設計方案，基坑深度15.8 m，地下連續(xù)墻總長度為24.5 m，地下連續(xù)墻厚度為0.75 m，采用C50、P10混凝土。因此擬定預制構(gòu)件分塊尺寸:寬度為2.5 m、厚度為0.75 m、分節(jié)長度為20.0 m＋4.5 m和18.0 m＋6.5 m。以計算下部地下連續(xù)墻長6.5 m為例。

單塊預制塊重:

吊裝時，考慮動力系數(shù)1.5和荷載分項系數(shù)1.35，則吊裝荷載:

假設地下連續(xù)墻雙側(cè)預埋Q235角鋼對焊的厚度為he。則焊縫能承受的拉力為:

式中，ftw為角焊縫的抗剪強度設計值，取值215 kN；lw為焊縫長度，取值2 468 mm。

求得he＝0.58 mm。因此，考慮焊縫設計滿足豎向吊裝要求時，焊縫厚度大于0.58 mm即可。

5 裝配式地下連續(xù)墻生產(chǎn)及連接工藝

5.1 生產(chǎn)工藝

(1)鋼筋圖深化設計。根據(jù)預制墻段圖紙進行鋼筋大樣圖設計，計算鋼筋彎勾尺寸及下料長度，制作鋼筋下料大樣表。

(2)模具設計與制作。模具按照既要保證便于模具安裝和拆卸，又要保證模具剛度和尺寸精度的要求進行設計，且所有模具均采用鋼模板制作保證剛度。

(3)鋼筋焊接及預埋件安裝。為保證鋼筋安裝過程中的精度要求，安裝過程中及時進行檢查復核。安裝角鋼過程中，確定安裝位置符合要求后進行點焊作業(yè)，確定角鋼位置在混凝土澆筑過程中不移位。鋼筋焊接成型過程中應符合下列要求:

①普通鋼筋骨架須焊接成型，焊接強度與較小直徑鋼筋等強。

②鋼筋應確保平直且端面齊整；鋼筋焊點的確定根據(jù)設計要求，當設計未具體規(guī)定時，鋼筋交點均須焊接且采用對稱跳點焊接。鋼筋骨架應在符合要求的胎具上制作。

③主受力鋼筋兩端交接處應按等強度要求焊接交圈。

④焊絲進廠應檢查產(chǎn)品合格證書。焊接骨架鋼筋時應按下料表中規(guī)定嚴格核對鋼筋級別、規(guī)格、長度、根數(shù)及胎具型號等信息。

⑤鋼筋焊接前應檢查焊接處情況，保證不能有油漬、水銹等；還應根據(jù)鋼筋級別、直徑及焊機性能進行試焊工序，據(jù)此確定焊接參數(shù)后，可批量施焊；焊接完成后不應有焊接缺陷。

⑥鋼筋焊接須符合《鋼筋焊接及驗收規(guī)程》(JGJ 18—2012)[12]中的有關規(guī)定。

⑦鋼筋骨架入模前，綁扎牢靠保護層墊塊；鋼筋骨架入模后，確保保護層厚度符合設計要求。

(4)混凝土施工?；炷潦┕で皺z查模具拼接精度，依次檢查模具長度、厚度、寬度以及對角線方向尺寸，要求誤差不超過±2 mm?；炷潦┕げ捎肅50級混凝土，由于鋼筋間距小，混凝土粗骨料粒徑不大于20 mm。澆筑過程中采用分層澆筑方式，混凝土均勻下料，附著式振搗器配合振搗棒插入振搗，保證振搗效果，留存同條件試塊。

(5)養(yǎng)護。生產(chǎn)結(jié)束后，采用蒸汽養(yǎng)護加蓋養(yǎng)護棚罩的方式進行構(gòu)件養(yǎng)護。

5.2 連接工藝

構(gòu)件采用角鋼焊接和錨筋塞焊的方式，并結(jié)合不同錯縫焊接工藝實現(xiàn)接頭連接，如圖4所示。根據(jù)相關設計要求，上、下節(jié)段由通長坡口焊接的預埋角鋼實現(xiàn)連接，焊縫高度10 mm，焊縫等級為二級，并應滿足《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661—2011)[13]相關規(guī)定。

圖4 連接節(jié)點(單位:mm)

結(jié)合試驗研究方法對3種焊接情況進行研究。3種焊接情況指完全對齊焊接、在墻厚方向分別錯開1.5 mm和3 mm焊接，焊接細部圖如圖5所示。試驗構(gòu)件為6個，其中每種焊接情況含2個構(gòu)件。預制節(jié)段達到設計強度后進行焊接組裝，組裝后向接縫壓密注漿，注漿材料采用水泥漿料，注漿時在接縫兩側(cè)涂抹環(huán)氧樹脂膠防止?jié){液流出[14]。

圖5 焊接細部圖(單位:mm)

6 裝配式地下連續(xù)墻橫縫承載力試驗

試件制作完成后通過反力架及分配梁系統(tǒng)對試件連接部分施加集中荷載，并實現(xiàn)純彎曲受力狀態(tài)。加載力為油壓千斤頂提供的壓力，壓力數(shù)值由閾值為1 000 kN的壓力傳感器測定，試件的應力變化情況通過試件中部粘貼的應變片監(jiān)測。

由于錯開3 mm焊接試件的強度最低，此處僅對該方式的承載力進行說明。其中一個試件加載后的破壞情況如圖6所示。通過試驗結(jié)果可知，2個試件的混凝土開裂彎矩分別為156.3 kN·m和157.2 kN·m，跨中接頭的開裂彎矩分別為221.9 kN·m和223.0 kN·m，構(gòu)件的破壞彎矩分別為468.8 kN·m和471.1 kN·m，以上數(shù)值均大于由規(guī)范獲得的極限荷載。

圖6 試件破壞

此外，試驗中6個構(gòu)件均表現(xiàn)出節(jié)段混凝土出現(xiàn)裂紋時，接頭部位依然保持完好的現(xiàn)象。通過上述試驗分析可知，3種接頭連接方式均能提供足夠的強度，滿足設計承載力要求。

7 結(jié)論

本文以深圳地鐵8號線溪涌站為工程背景，開展了裝配式地下連續(xù)墻的設計及制造技術的研究，獲得研究結(jié)論如下:

(1)證明了裝配式地下連續(xù)墻的可行性，推進了建筑工業(yè)化進程。

(2)掌握了裝配式地下連續(xù)墻預制連接施工技術。所提地下連續(xù)墻的裝配式構(gòu)造節(jié)點滿足力學和耐久性要求，可推廣使用。

(3)將裝配式結(jié)構(gòu)的精度誤差從厘米級降至毫米級，進一步提高了裝配式結(jié)構(gòu)的完成質(zhì)量。

后續(xù)生產(chǎn)工程加入可循環(huán)模具，特別是模數(shù)化后的生產(chǎn)工藝，可以有效節(jié)約現(xiàn)場施工的模具使用量，降低現(xiàn)場施工造成的工業(yè)垃圾污染，達到生產(chǎn)過程環(huán)保低碳、節(jié)能低耗的可循環(huán)發(fā)展要求。