超深連續(xù)墻接頭管起拔技術(shù)研究

武岳彪

（中煤江南建設(shè)發(fā)展有限公司 廣東廣州 510170）

0 引言

地下連續(xù)墻在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中主要發(fā)揮擋土、防滲作用甚至兼作承重結(jié)構(gòu)，隨著我國工程建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，在眾多大型深基坑工程中采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)越來越廣泛。地下連續(xù)墻是分成若干個(gè)槽段分別施工后再連成整體的，各槽段之間的接頭就成為擋土擋水的薄弱部位，接頭質(zhì)量的好壞直接決定地下連續(xù)墻施工質(zhì)量。

為有效解決槽段接頭質(zhì)量控制難題，接頭工藝就顯得尤為重要。經(jīng)國內(nèi)外多年研究實(shí)踐，接頭管技術(shù)以眾多優(yōu)勢脫穎而出。接頭管就是在挖好的槽段端放下直徑等于或略小于槽段厚度的鋼管，然后在槽段中下放鋼筋籠，澆筑混凝土，待混凝土初凝前，將接頭管拔出，形成圓弧形端口，這樣可與相鄰槽段混凝土嵌接起來，形成整體。接頭管接頭屬于鉸接式非剛性接頭，由于采用弧線接觸方式進(jìn)行施工縫之間的連接，故其整體性好，弧線滲徑長，而且接頭經(jīng)二次處理易保證質(zhì)量，抗?jié)B性能好。

1 影響因素

決定接頭管起拔成敗的因素是多樣的，國內(nèi)外近年來做了大量研究，也奠定了一些理論基礎(chǔ)，但經(jīng)研究對象一般較淺，大多為16~30m，達(dá)到45m的屈指可數(shù)。隨著現(xiàn)代建筑向縱深發(fā)展的需求越來越迫切，而對此的研究卻較為缺乏，對實(shí)際施工也缺乏理論指導(dǎo)，為在超深連續(xù)墻接頭管起拔關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破，本文就影響連續(xù)墻主要因素進(jìn)行研究，分析出影響接頭管起拔的決定性因素，并對控制該決定性因素的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1.1 起拔設(shè)備選型

工程施工中應(yīng)用的拔管機(jī)大致可分為兩種類型，一種為穿管式液壓拔管機(jī)，另一種為抱箍式液壓拔管機(jī)。穿管式液壓拔管機(jī)是在接頭管上開鑿扁擔(dān)孔，孔內(nèi)穿鐵扁擔(dān)，然后采用液壓油缸頂升的一種拔管裝置，其拔管的整個(gè)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還常常因扁擔(dān)孔不夠而另需焊接牛腿。由于焊接牛腿時(shí)間長，容易造成混凝土初凝過度，從而錯(cuò)過起拔接頭管的最佳時(shí)機(jī)，因此應(yīng)用受到很大局限。

抱箍式液壓拔管機(jī)分為拔管機(jī)以及動(dòng)力站兩大部分，拔管機(jī)由4片弧形鋼板連接而成的抱箍和外側(cè)攜帶的4只提升油缸所組成，而抱箍則由抱緊油缸控制其抱緊及放松，提升油缸的活塞桿頭部球鉸形，使提升油缸以浮動(dòng)的方式連接于底座，底座橫跨在導(dǎo)墻上，具有足夠的剛度，液壓拔管機(jī)就是靠抱箍將接頭管抱緊，在頂升油缸的作用下，利用抱箍與接頭管之間所產(chǎn)生的摩擦力，將接頭管拔出來的，當(dāng)拔管所需起拔力較大時(shí)，就需要極大的抱緊力以形成足夠的摩擦力，而當(dāng)管壁受到較大的徑向擠壓時(shí)容易發(fā)生變形，或者出現(xiàn)“打滑”的現(xiàn)象，因此，在選擇接頭管時(shí)要使其具有足夠的剛度和抗撓曲能力，上端最好采用花紋鋼板，以增加摩擦阻力。

因此在設(shè)備選型前必須對最大起拔力進(jìn)行計(jì)算，并做好控制防范鑄管等造成粘結(jié)力增大的行為。

1.2 槽段導(dǎo)墻的承載力和平整度

混凝土導(dǎo)墻是拔管設(shè)備的承載基礎(chǔ)，無論拔管機(jī)施加的起拔力有多大，該起拔力最終都要反作用在導(dǎo)墻上，因此導(dǎo)墻的承載力對拔管工藝的成敗及避免設(shè)備傾覆確保拔管安全都至關(guān)重要。在工程策劃之初就要認(rèn)真謀劃起拔設(shè)備選型，并以此計(jì)算導(dǎo)墻承載力，做好導(dǎo)墻設(shè)計(jì)。在導(dǎo)墻施工時(shí)加強(qiáng)控制，保證平整，避免起拔器受力后發(fā)生傾斜而導(dǎo)致單邊受力增大，增加起拔摩擦力，增加起拔難度和風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 起拔力分析

從以上兩項(xiàng)分析可知，無論起拔設(shè)備選型還是導(dǎo)墻承載力設(shè)定都依賴于起拔力的確定。接頭管起拔受力較為復(fù)雜，受外界因素影響較大，在拔管初期，槽段內(nèi)混凝土基本上處于三種狀態(tài)，上部為流態(tài)，中部為塑性狀態(tài)，下部為穩(wěn)定固態(tài)，三種狀態(tài)的混凝土對起拔力均造成不同程度的影響。

接頭管的起拔阻力由多種力所組成，其機(jī)理非常復(fù)雜。在以往定性分析時(shí)，接頭管的起拔阻力F主要由接頭管浮重Q、水下混凝土側(cè)向擠壓形成接頭管起拔的摩擦阻力S（摩擦阻力包括其他附加阻力，如接頭管傾斜或彎曲變形時(shí)為克服徑向分力所需的起拔力）、混凝土與接頭管接觸面的粘結(jié)力N三部分組成。

在估算其大小時(shí)通?？捎靡幌鹿胶唵伪硎荆?/p>

其中：F——起拔力；

Q——接頭管浮重；

S——混凝土擠壓摩阻力；

N——混凝土粘結(jié)力。

王斌在《地下連續(xù)墻接頭管起拔時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究》中對接頭管起拔的受力做了進(jìn)一步研究分析，得出了：

式中：μ-摩擦系數(shù)；Pmax-混凝土最大側(cè)壓力；H-接頭管插入混凝土的深度；hg-混凝土最大側(cè)壓力時(shí)對應(yīng)的抱管深度。

式中：D-接頭管直徑；L-接頭管長度；γs-接頭管（材質(zhì)）重度；t-接頭管壁厚；γm-泥漿重度。

式中：v-粘結(jié)力系數(shù)。

綜上所述：F=Q+S+N=μπDPmax（H-1/3hg）+Dπ·t·L·（γs-γm）+1/2πDvH

上式表明，接頭管浮重（Q）隨著槽段深度增加而增大，與深度呈線性關(guān)系，混凝土摩阻力S為流體側(cè)向壓力所形成的摩擦阻力，主要產(chǎn)生于上部后澆混凝土中，與埋管深度以及混凝土澆筑速度有關(guān)。影響起拔力的各項(xiàng)因素中接頭管浮重Q和S在不同時(shí)刻變化不大，可以近似看成定量，而混凝土粘結(jié)力隨時(shí)間的變化極大，應(yīng)視為變量?；炷琳辰Y(jié)力是由混凝土拌合料中的水泥顆粒水化作用而產(chǎn)生的混凝土與管壁之間的膠結(jié)力，隨時(shí)間推移持續(xù)增加，尤其混凝土初凝后會(huì)急劇增加，當(dāng)混凝土初凝1h后，粘結(jié)力即可達(dá)到接頭管浮重及混凝土摩擦力之和的2～3倍，一舉發(fā)展為影響接頭管起拔的決定性因素。

通過以上分析可知，為提高連續(xù)墻接頭質(zhì)量及提升接頭管起拔成功率，起拔應(yīng)在膠結(jié)力產(chǎn)生之前進(jìn)行，但若槽內(nèi)混凝土尚未初凝就過早起拔接頭管，混凝土由于缺乏自穩(wěn)能力而外流，竄入接頭管與槽壁間隙，造成下一槽段開挖困難，亦增加混凝土墻體局部缺陷風(fēng)險(xiǎn)。故明確接頭管應(yīng)在混凝土初凝前起拔的基本要求后，如何選擇適當(dāng)?shù)钠鸢螘r(shí)機(jī)則顯得尤為重要。

2 工程實(shí)踐

2.1 工程概況

本工程項(xiàng)目用地面積約77000m2，地下室共三層。基坑開挖面積約78702m2，基坑開挖周長約1297m?，F(xiàn)地面標(biāo)高-0.500～-1.500m，基坑普挖坑底標(biāo)高-19.950～-21.950m，基坑開挖深度為18.450～20.450m，連續(xù)墻成槽深度40～55m，共計(jì)220幅。本次試驗(yàn)選取最深的3幅槽，深度55m，為后續(xù)施工提供參考。

2.2 地質(zhì)資料

本工程地質(zhì)概況如下：①雜填土c=10.0kPa，φ=12.0°，層厚約0.92m；②淤泥 c=6.0kPa，φ=3.0°，層厚約 1.5m；③粉質(zhì)粘土 c=23.0kPa，φ=11.0°層厚約7.7m；④粉土、粉砂 c=9.0kPa，φ=18.0°，層厚約2.6m；⑤-1粉砂夾粉土 c=0.0kPa，φ=32.0°，層厚約 7.2m；⑥-2 粉細(xì)砂 c=0.0kPa，φ=37.0°，層厚約 8.1m；⑦-3粉細(xì)砂 c=0.0kPa，φ=40.0°，層厚約7.8m；⑧-3a粉質(zhì)粘土，層厚約2.5m；⑨-3粉細(xì)砂c=0.0kPa，φ=40.0°，層厚約12.8m；⑩中粗砂夾礫石，層厚約1.2m。

2.3 地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)要求

（1）本基坑圍護(hù)體系采用落底式地下連續(xù)墻，墻厚1000mm，混凝土強(qiáng)度等級為C35（水下澆筑強(qiáng)度提高一級）；

（2）地下連續(xù)墻采用H890X450X10X10工字鋼，鋼材牌號Q235B；

（3）一期槽段接頭可采用接頭管（箱）封閉，底部3.0m高度應(yīng)采用袋裝碎石回填密實(shí)。

（4）鋼筋籠兩側(cè)的端部與接頭管（箱）或相鄰墻段混凝土界頭面之間應(yīng)留有150mm的間隙。

（5）接頭管（箱）的端面選型應(yīng)與接頭相符，使接頭管的剛度保證接頭鋼板不至于在混凝土澆筑過程中由于混凝土的側(cè)向壓力發(fā)生變形，影響后續(xù)槽段成槽和混凝土澆筑質(zhì)量。接頭管（箱）尺寸應(yīng)能防止混凝土繞流。

2.4 研究準(zhǔn)備工作

項(xiàng)目實(shí)施前對周邊混凝土供應(yīng)商做了細(xì)致的考察，選取了一家質(zhì)量穩(wěn)定、供應(yīng)可靠的供應(yīng)商，對混凝土質(zhì)量做了抽查，每間隔1h隨機(jī)抽樣一次，經(jīng)測定混凝土初凝時(shí)間約為4.4h。為準(zhǔn)確掌握混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，為起拔力計(jì)算提供參看，特委托了當(dāng)?shù)鼐哂匈Y質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室，對混凝土的內(nèi)摩擦角、粘結(jié)力、初凝前混凝土與接頭管的摩擦系數(shù)等做了測定。

2.4.1 初凝前混凝土與接頭管的摩擦系數(shù)的測定

為確定混凝土對接頭管的摩擦阻力，則必須測出初凝前的混凝土與接頭管的摩擦系數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)測試，在接近混凝土初凝前后1h，混凝土與接頭管之間的摩擦系數(shù)在0.40～0.60之間。經(jīng)試驗(yàn)測定混凝土產(chǎn)生的側(cè)壓力沿深度方向呈曲線變化，在最大側(cè)壓深度以下，由于混凝土失去了流動(dòng)性而自撐力增強(qiáng)，位移與變形逐步減少，從測壓即由主動(dòng)側(cè)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止側(cè)壓力，因此側(cè)壓會(huì)隨著深度的增加而減小，結(jié)合本工程概況和混凝土的特點(diǎn)，測定最大側(cè)壓力約為42kN/m2，hg=11m。

2.4.2 混凝土初凝前粘結(jié)力的測定

粘結(jié)力是因混凝土拌合料中水泥顆粒的水化作用而產(chǎn)生的混凝土與管壁之間的膠結(jié)力。通過試驗(yàn)測得了粘結(jié)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)測得混凝土初凝前粘結(jié)力都很小但是隨著時(shí)間的推移尤其是超過水泥的初凝時(shí)間以后粘結(jié)力會(huì)急劇增加。

2.5 混凝土初凝時(shí)起拔力的計(jì)算

該項(xiàng)目混凝土墻厚1000mm，墻身約55m，采用C35水下混凝土，其重度為24kN/m3，泥漿重度為12kN/m3，根據(jù)混凝土的測試性能，為減少接頭管自重及確保接頭管剛度，選擇壁厚為25cm，直徑為0.96m，長58m，混凝土的初凝時(shí)間經(jīng)現(xiàn)場預(yù)留試塊測定為T=4.4h，澆注混凝土?xí)r，混凝土面上升速度接近5m/h，混凝土初凝時(shí)接頭管在混凝土中埋入深度約22m?；炷僚c接頭管的摩擦系數(shù)為0.5。

接頭管在泥漿中的浮重為：

Q=Dπ·t·L·（γs-γm）=0.96×3.14×0.025×58×（78-12）=288.47kN，考慮接頭管之間的連接接頭，接頭管的浮重度按理論計(jì)算值的1.05倍估算，約為302.89kN。

側(cè)壓力取Pmax=42kN/m2，h=11m，考慮到混凝土不能完全把接頭管包裹住，所以提升接頭管的摩擦阻力應(yīng)適降低，取其為80%。

則摩擦阻力為：

總提升阻力為：Q+S=302.89+1106.89=1231.33kN

2.6 起拔設(shè)備配置

通過理論計(jì)算，若起拔時(shí)機(jī)控制得當(dāng)，在無混凝土粘結(jié)力及接頭管傾斜的側(cè)向壓力下，最大起拔壓力為1231.33kN，為防止混凝土質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)及其他意外情況，現(xiàn)場配備起拔額定功率為600T及800T的起拔設(shè)備各一臺，確保出現(xiàn)異常時(shí)可以隨時(shí)更換設(shè)備，增加起拔的可能性。

2.7 現(xiàn)場起拔操作

澆注混凝土?xí)r應(yīng)做好自然養(yǎng)護(hù)試塊，正式開始頂拔接頭管的時(shí)間，應(yīng)以自然養(yǎng)護(hù)試塊達(dá)到終凝狀態(tài)所經(jīng)歷的時(shí)間為依據(jù)，開始頂拔接頭管應(yīng)在混凝土初凝前進(jìn)行初次起拔，開始松動(dòng)時(shí)向上先提升15～30cm，以后每20min提升一次，每次50～100cm，若頂升壓力超過拔管機(jī)起拔能力的50%，則可相應(yīng)增加每次提升高度，縮短起拔時(shí)間，防止混凝土終凝固結(jié)接頭管，整個(gè)起拔過程必須在混凝凝土終凝前完成。

據(jù)理論計(jì)算起拔力為1231.33kN，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，總提升阻力平均約為1360kN，與實(shí)測相接近，接頭管起拔順利。按此方法，在后續(xù)的起拔中210幅較為順利，成功率達(dá)到96.8%。

有10幅地下連續(xù)墻接頭管起拔較為困難，經(jīng)分析主要原因是混凝土性能出現(xiàn)波動(dòng)以及孔壁垂直度出現(xiàn)偏差、防擾流措施效果不佳，造成混凝土側(cè)摩阻力甚至粘結(jié)力急劇增加，造成起拔設(shè)備工作壓力不足。

3 總結(jié)

影響地下連續(xù)墻起拔的因素是多方面的，通過廣泛調(diào)研、查閱資料，深入研究分析與試驗(yàn)可知，接頭管起拔時(shí)機(jī)的選擇對起拔成功率起決定作用，工程全面施工前必須就接頭管起拔時(shí)機(jī)上述各項(xiàng)檢測試驗(yàn)，并依據(jù)理論起拔力對起拔設(shè)備及輔助設(shè)備、接頭管合理選型，起拔成功率就可以充分的保障。除此之外，為進(jìn)一步提升起拔成功率做好以下工作。

（1）認(rèn)真研究地質(zhì)勘察資料，深入分析地層特性，選用適當(dāng)?shù)某刹墼O(shè)備，合理控制成槽進(jìn)度，施工中定期利用設(shè)備自身的測垂裝置及超聲波測斜儀探測槽壁垂直度，出現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)校正，嚴(yán)格控制接頭孔的垂直度ⅰ≤1‰。

（2）泥漿性能和儲量要有保證。泥漿必須有良好的護(hù)壁能力和懸浮渣屑的能力，可隨時(shí)保持孔壁穩(wěn)固和防止渣屑沉底?，F(xiàn)場應(yīng)充分考慮各種不利因素，確保在接頭管起拔中不因擾流失效或起拔過早時(shí)混凝土面快速下降等原因造成孔壁坍塌。

（3）重點(diǎn)工序要管控到位。吊裝鋼筋網(wǎng)片過程中一定要加強(qiáng)防繞流鐵皮檢查，接頭管必須自然下放到位，嚴(yán)禁懸空，在接頭管與槽壁的的空隙中用小塊粘土回填，確保回填密實(shí)，以阻斷堵混凝土的繞流通道。

（4）必須保持合理的澆筑速度。前期為防止埋管深度過大，混凝土靜止側(cè)壓力急劇增加，導(dǎo)致摩阻力上升過快，須主動(dòng)減慢澆筑速度，后期為確保起拔在終凝前完成，要有意加快澆筑速度，確保起拔在終凝前完成。