高速公路改擴(kuò)建工程裝配式擋墻成套技術(shù)研究

林高山

(中鐵二十五局集團(tuán)第一工程有限公司 廣東廣州 510405)

1 引言

在公路工程施工過程中，不可避免遇到大量路堤邊坡施工，為確保邊坡穩(wěn)定性，傳統(tǒng)做法有漿砌片石或片石混凝土重力式擋墻、加筋土擋墻、樁基立柱錨拉式擋墻等。張金安等[1]對重力式擋墻的穩(wěn)定性與地基承載力進(jìn)行了研究。相關(guān)學(xué)者也對加筋土擋墻、樁基立柱錨拉式擋墻受力特點和變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)性研究[2-6]。傳統(tǒng)擋墻施工周期長、材料消耗高、占地面積大，缺點顯著，尤其雨季施工時，還存在基坑坍塌的風(fēng)險。傳統(tǒng)的擋墻類型已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代交通建設(shè)發(fā)展的需求，迫切需要新型支擋結(jié)構(gòu)。

裝配式擋墻具備輕型化、標(biāo)準(zhǔn)化與裝配化的特性，能較好地解決傳統(tǒng)擋墻的缺陷，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也對裝配式擋墻的設(shè)計與施工開展了研究。焦曉兵[7]分析了裝配式建筑行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和前景探討。曾向榮[8]提出部分預(yù)制裝配式扶壁擋土方案，擋土墻基礎(chǔ)為現(xiàn)澆施工，墻面板和肋板采用預(yù)制安裝。紀(jì)文利等[9]提出采用全預(yù)制裝配式扶壁擋土墻，底板、墻面板以及肋板均提前預(yù)制，待地基處理完成之后直接進(jìn)行拼裝，有效縮短施工工期。段鐵錚[10]分析了裝配式擋土墻標(biāo)準(zhǔn)化存在的一系列問題，建議對已有擋土墻工程實例進(jìn)行分析、歸納，根據(jù)擋土墻所受荷載及截面尺寸劃分等級。方勇剛等[11]在3D打印新型裝配式擋土墻模型基礎(chǔ)上研究了結(jié)構(gòu)裝配方案，發(fā)現(xiàn)采用3D打印方式優(yōu)化裝配方案具有效率高且成本低的優(yōu)點。劉步景等[12]研究了裝配式擋墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計與布置原則，提出從標(biāo)準(zhǔn)長度與非標(biāo)準(zhǔn)長度結(jié)構(gòu)段的匹配角度降低裝配施工難度，提高裝配效率。

因裝配式擋墻相關(guān)研究還不夠成熟，特別是對于超高(6.25～8 m)裝配式擋墻的設(shè)計與施工尚在探索階段。本文以深汕西高速公路改擴(kuò)建工程為例，研究裝配式擋墻的設(shè)計選型和施工關(guān)鍵技術(shù)，以便對類似工程的設(shè)計與施工提供參考。

2 工程概況

深汕西高速公路改擴(kuò)建工程，施工范圍涉及生態(tài)保護(hù)區(qū)，水資源保護(hù)區(qū)且穿過城鄉(xiāng)密集區(qū)，地形復(fù)雜多變，農(nóng)保地資源貧乏，土地資源尤為珍貴。施工期間既要保證現(xiàn)有高速公路暢通運(yùn)營，又要快速完成擴(kuò)建任務(wù)，工期壓力極大。因此，擋墻設(shè)計選型和施工技術(shù)研究顯得尤為重要，經(jīng)多次研究，一期工程設(shè)計擬采用裝配式擋墻，擋墻總長度5 115 m，墻高2～8 m。

3 裝配式擋墻的設(shè)計選型及力學(xué)性能試驗

3.1 裝配式擋墻的設(shè)計選型

根據(jù)本改擴(kuò)建工程特點，需要選擇占地少、地基承載力要求低、構(gòu)件單元重量輕、便于運(yùn)輸和安裝的擋墻。經(jīng)綜合研究分析，最終選定懸臂式和扶壁式擋墻。結(jié)合現(xiàn)場地形變化情況，為便于標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化預(yù)制施工和提高模板使用周轉(zhuǎn)率，將裝配式擋墻高度設(shè)計為每0.25 m一個梯級。裝配式擋墻按照支擋高度，分為三種形式:

第一種為整體預(yù)制懸臂式擋墻(見圖1)，單件長度3 m，單件最大重量10.53 t，適用于支擋高度2～3 m低填方路堤。

圖1 懸臂式擋墻

第二種整體預(yù)制扶壁式擋墻(見圖2)，單件最大重量達(dá)20 t左右，有主副兩種扶壁，單件長度3 m，適用于支擋高度3.25～6 m路堤。

圖2 扶壁式擋墻

第三種為組合扶壁式擋墻(見圖3)，適用于支擋高度達(dá)到6.25～8 m路堤?？紤]若仍采用整體扶壁式，單件重量大，給預(yù)制和吊裝都帶來困難，運(yùn)輸也會帶來超高超寬的風(fēng)險，失去了輕型便捷的優(yōu)勢。經(jīng)研究優(yōu)化，單件長度采用2 m，面板與扶壁作為整體預(yù)制，重量約20 t左右，底板單獨預(yù)制，重量約16 t左右。

圖3 組合扶壁式擋墻

選定的三種裝配式擋墻結(jié)構(gòu)特點見表1。

表1 裝配式擋墻結(jié)構(gòu)對比

3.2 裝配式擋墻力學(xué)性能試驗

三種形式的裝配式擋墻設(shè)計采用C50鋼筋混凝土預(yù)制，組合扶壁式擋墻濕接縫采用C40混凝土。通過力學(xué)性能試驗(見圖4)驗證裝配式擋墻結(jié)構(gòu)承載力情況，結(jié)果如下:

圖4 裝配式擋墻力學(xué)性能試驗

(1)懸臂式擋墻在正常使用工況下，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)開裂，滿足正常使用要求；面板頂部水平位移不超過3.0 mm，結(jié)構(gòu)具有較好穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)承載能力極限為800 kN，安全系數(shù)800/110＝7.27。在破壞模式下，倒角處最先出現(xiàn)初裂縫，并從中間往四周端部發(fā)展；當(dāng)荷載逐漸增大，倒角內(nèi)主裂縫出現(xiàn)并迅速開展，倒角內(nèi)斜鋼筋和面板豎向受拉鋼筋應(yīng)力迅速增加，先后進(jìn)入屈服狀態(tài)；此時，混凝土壓應(yīng)變達(dá)到1 300，換算混凝土名義壓應(yīng)力為44.85 MPa，接近混凝土極限壓應(yīng)力，構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)。

(2)整體扶壁式擋墻在正常使用工況下，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)開裂，滿足正常使用要求；面板頂部水平位移不超過10.0 mm，結(jié)構(gòu)具有較好穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)承載能力極限為780 kN，安全系數(shù)780/310＝2.52。在破壞模式下，首裂縫從主肋板倒角出現(xiàn)，隨著荷載的增加，肋板轉(zhuǎn)角處裂縫迅速開展，并向底板延伸；肋板轉(zhuǎn)角處受拉鋼筋應(yīng)力迅速增加，進(jìn)入屈服狀態(tài)，構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)，此時面板混凝土名義壓應(yīng)力僅20.7 MPa，尚未達(dá)到混凝土極限壓應(yīng)力狀態(tài)。

(3)組合扶壁式擋墻在正常使用工況下，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)開裂，符合正常使用要求；面板頂部水平位移不超過2.0 mm，結(jié)構(gòu)具有較好穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)承載能力極限為1 642 kN，安全系數(shù)1 640/330＝4.97。在破壞模式下隨著外荷載的增加，底板與現(xiàn)澆塊之間的濕接縫不斷脫開，底板豎向連接鋼筋相繼進(jìn)入屈服狀態(tài)；肋板倒角處裂縫向面板方向延伸，肋板斜鋼筋和橫向連接鋼筋相繼進(jìn)入屈服狀態(tài)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入極限狀態(tài)，此時面板混凝土壓應(yīng)變僅800，換算混凝土名義壓應(yīng)力27.6 MPa，尚未達(dá)到混凝土極限壓應(yīng)力狀態(tài)。

4 裝配式擋墻施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 智能生產(chǎn)線設(shè)計

為提高智能化性能，參考了地鐵項目的管片生產(chǎn)基地，生產(chǎn)線整體按照1＋2線制布置，優(yōu)化了走行軌道設(shè)計，提高門吊的使用效率。節(jié)拍控制為30 min，作業(yè)線工位4個，即脫模＋清模涂油＋鋼筋安裝＋頂模安裝，澆筑工位1個，抹面工位1個。

模具使用鋼模，為方便脫模，合理設(shè)置了拔模角度。擋墻模板設(shè)置尺寸可調(diào)節(jié)，滿足多種高度擋墻共用一套模板，提高周轉(zhuǎn)使用率，減少模板投入。模板側(cè)?？煞D(zhuǎn)，減少模板安拆工序，提高施工效率。

鋼筋加工使用智能裁剪生產(chǎn)線下料，數(shù)控彎曲機(jī)折彎成型，在定型胎架上綁扎。

混凝土振搗采用大型振動平臺(見圖5)，振動頻率及幅度可無級調(diào)整，極大地提高了生產(chǎn)效率。橫向振動臺有3組共6個電機(jī)組成，每個電機(jī)激振力 30 kN；中間1組振動臺共6個電機(jī)，每個電機(jī)激振力15 kN。

圖5 大型振動平臺

通過設(shè)計規(guī)模化、工廠化、自動化的智能生產(chǎn)線，使生產(chǎn)效率提高了4倍。

4.2 預(yù)制施工

(1)確定構(gòu)件類型及數(shù)量

每段裝配式擋墻構(gòu)件預(yù)制前，對該段實際地形進(jìn)行勘測，根據(jù)實際地形確定預(yù)制構(gòu)件的類型和數(shù)量。

(2)構(gòu)件混凝土澆筑

混凝土振搗采用振動臺振動模式，且輔以振動棒和附著式振動儀器，振動器布置和振搗時間嚴(yán)格遵照首件工程總結(jié)參數(shù)執(zhí)行。

預(yù)埋件和預(yù)留鋼筋的外露部分采取套裝PVC管、刷水泥漿等防污染措施。

(3)構(gòu)件收面和養(yǎng)護(hù)

混凝土初凝、光面處理后帶模構(gòu)件轉(zhuǎn)入蒸汽養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。

(4)確定蒸汽房最優(yōu)指標(biāo)

在已定養(yǎng)護(hù)時間及濕度條件下，觀測不同溫度下的混凝土強(qiáng)度值；再通過已定溫度及濕度下，觀測不同時間下的混凝土強(qiáng)度值。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，綜合考慮工效和經(jīng)濟(jì)，最終確定蒸養(yǎng)時間5 h，蒸養(yǎng)溫度55℃，蒸養(yǎng)濕度90%RH。

4.3 構(gòu)件吊裝及運(yùn)輸

構(gòu)件采用吊環(huán)吊裝方式，吊繩與構(gòu)件的交角小于60°時，應(yīng)設(shè)置吊架或起吊扁擔(dān)，使吊環(huán)豎直受力。

預(yù)制構(gòu)件強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計值的90%以上，方可進(jìn)行吊裝施工，運(yùn)輸過程中采用有效緩沖手段，防止運(yùn)輸過程中構(gòu)件破壞。

4.4 構(gòu)件安裝及連接

裝配式擋墻安裝前先通過觸探試驗驗證地基承載力是否達(dá)到設(shè)計要求，當(dāng)承載力不滿足設(shè)計所需承載力時，必須先實施軟基處理。

懸臂式擋墻及整體扶壁式擋墻安裝時與抗滑塊一一對應(yīng)，縫隙對齊(見圖6)。組合扶壁式擋墻須先安裝底板，后吊裝墻身(見圖7)，在鋼筋未焊接完成以前，設(shè)備不允許脫鉤，根據(jù)現(xiàn)場情況可增加臨時支擋措施。

圖6 懸臂式安裝

圖7 組合扶壁式安裝

在裝配式擋墻連接方面，可采用焊接、螺栓角鋼連接、整體澆筑式和錨栓連接等多種方式。本項目采用預(yù)埋鋼件、螺栓連接。

5 沉降、位移監(jiān)控

監(jiān)控以擋墻沉降及整體穩(wěn)定性作為主要指標(biāo)，同時輔以局部穩(wěn)定性監(jiān)控手段。每路段至少設(shè)置前中后3個檢測斷面，超過100 m加密監(jiān)控斷面。

沉降計埋設(shè)在地基內(nèi)部，位移計一端錨固在墻后填土，另一端錨固在擋墻表面。擋墻發(fā)生錯位時，也可以通過測縫儀量測擋墻水平和豎直位移大小。

根據(jù)試驗段測量數(shù)據(jù)繪制累計沉降數(shù)據(jù)曲線，結(jié)果顯示監(jiān)控路段填土前后最大沉降4.4 mm，最大沉降速率1.75 mm/d，滿足要求。

6 結(jié)語

本文以深汕西高速公路改擴(kuò)建工程為例，針對不同墻高的受力特征，并結(jié)合生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝條件，研發(fā)了具有輕型化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化特點的三種裝配式擋墻的成套技術(shù)，環(huán)保高效，取得了良好的效果，可為其他類似工程提供參考。