地下连续墙是利用各种挖槽机械借助于泥浆护壁的作用在地下挖出窄而深的沟槽并在其内浇注钢筋混凝土而形成一道具有防渗、挡土和承重功能的连续的地下墙体。
地下连续墙一般可分成四大类:按成墙方式、按墙的用途、按墙体材料、按开挖情况。地下连续墙诞生初始作为防渗墙在水利方面广泛应用,后逐步应用到挡土围护结构、防渗墙、承重墙,逐步演化到“二墙合一”、“三墙合一”。计算理论也从古典法发展到弹性抗力法与连续介质有限元法的结合,结构形式从最初单一的壁板式向复杂形式发展。
随着新世纪地下空间更大规模的开发利用,地下连续墙得到更广泛的应用,在建筑物的基坑、工业构筑物基坑、道桥工程、盾构及顶管隧道的工作井等。地下连续墙施工中的新材料也在不断发展中:CFRP(carbon fiber reinforced plastic,碳纤维增强复合材料),可以减小出洞的困难及风险,并增加地下连续墙接头的防水效果,同时也较经济。
简史
米兰的工程师C.Veder在1950年首次开发出地下连续墙的施工技术,并首次在Santa Malia大坝深达40m的防渗墙进行应用。50年代以后,法国、日本等国相继引进该技术,60年代,推广到英国、美国、苏联等国家。地下连续墙首先作为防渗墙(slurry wall)在水利水电基础工程中得到应用,随后,作为挡土、承重的连续墙(diaphragm wall)逐步推广到建筑、市政、交通、铁道等部门。地下连续墙在各国的发展侧重点各不相同:日本是目前世界上地下连续墙技术最先进的国家,已经累计建成了地下连续墙1500万m2以上;美国盛行将开挖料与水泥混合做成的临时或永久的防渗墙;加拿大致力于在水电开发中大力使用防渗墙;英国则把预应力技术引入到地下连续墙中。
我国也是早期使用地下连续墙技术的国家之一,水电部门1958年在青岛月子口水库建造深达20m的桩排式防渗墙时首次应用该技术。国内以及整个东南亚地区首次在高层建筑中应用该技术是在1971年的台北市中国国际银行大楼,墙厚550mm,深达15m。进入新世纪,地下连续墙已经在我国得到广泛应用,随着土地资源越发紧张,城市转向地下空间发展,地下工程逐步加深,水利大坝规模不断扩大,超深基础承重要求的增加,地下连续墙技术还将得到进一步的发展。
分类
按成墙方式
按其成墙方式,分为桩排式、壁板式、桩壁组合式。其中桩排式地下连续墙采用人工,控挖孔方法进行。在塔基外布置人工挖孔灌注桩,伸入基岩。桩柱之间浇注混凝十搭接防渗。桩顶浇注钢筋混凝土圈梁,使桩柱连成整体。一般来说,壁板式一字形槽段宽度不宜大于 6m,T 形、折线形槽段等槽段各肢宽度总和不宜大于 6m。
按墙的用途
按其用途分为临时挡土墙、防渗墙、用作主体结构兼作临时挡土墙的地下连续墙、用作多边形基础兼作墙体的地下连续墙。在五六十年代,基本上都是用防渗墙或临时挡土墙,通过开发使用许多新技术、新设备和新材料,现在已经越来越多地用它作为结构物的一部分或用作主体结构,最近十年更被用于大型的深基础工程中。
按墙体材料
(1)钢筋混凝土墙,(2)塑性混凝土墙,(3)固化砂浆墙,(4)自硬泥浆墙,(5)预制墙,(6)泥浆槽墙,(7)后张预应力墙,(8)钢制墙。
中国建筑工程中应用最多的还是现浇钢筋混凝土壁板式连续墙,壁板式地下墙既可作为临时性的挡土结构,也可兼作地下工程永久性结构的一部分。
按开挖情况
(1)地下挡土墙(开挖),(2)地下防渗墙(不开挖)。
特点
优点
1.地下连续墙的主要优缺点施工时对周边地基无扰动,可以有效地防止周围建筑物沉降避免造成周围建筑物的倾斜和开裂适用于对沉降量要求较高的区域。
2.墙体刚度大能承受较大的荷载。
3.防渗性能好,能起到阻水作用。
缺点
1.由于连续墙位于地下,修复比较困难。需要横穿连续墙的管线必须事先考虑周全或提前预留洞口,否则在既有的墙体上增加地下穿墙管线是很难的。
2.地下连续墙作为道路挡墙及桥梁下部结构在一定程度上限制了桥梁结构的扩展空间。
3.地下连续墙造价比较高这也是制约其发展的一个重要因素。
生产工艺
设计方法
地下连续墙技术分三种:古典法、弹性抗力法、连续介质有限元法。
古典法
地下连续墙诞生初始,施工机具有限,地下连续墙的厚度较薄,深度较浅。受限于计算方法的不成熟,当时的地下连续墙结构只有壁板式这一种形式。f
这个阶段的计算方法主要为:已知水、土压力,且不考虑墙体、支撑变形的荷载结构法即古典法。
古典法主要包括:极限平衡法、等值梁法、1/2分割法等方法等。古典法对荷载大小和边界条件的确定与实际情况有一定差距,因此计算出的内力也与墙体的实际受力情况有所出入,但古典法的计算公式、图表均简单明了,通过计算可直接求得结果,在工程上还是得到了广泛的应用。
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为:“山肩邦男法”和《日本建筑结构基础设计规范》中的弹性法和塑性法。“山肩邦男法”是日本学者山肩邦男提出的考虑了逐层开挖和逐层设置支撑的施工过程的修正等值梁法,在日本得到了广泛地应用。
弹性抗力法
弹性抗力法又称为杆系有限单元法,该方法实际上是矩阵位移法与弹性地基梁法的结合。该计算方法沿纵向取单位宽度的地下连续墙挡土结构,将其视为一个竖放的弹性地基梁。
连续墙墙体根据要求剖分为若干段梁单元,支撑可用二力桁架单元模拟,地层对地下连续墙的约束作用可用连续弹簧来模拟。弹簧的作用可按通常的弹性地基梁方法假定,既可采用弹性地基梁的局部变形理论即文克尔假定,也可考虑土体弹簧之间的相互影响,即采用所谓的整体变形理论,墙背作用的土压力为理论恒定值。基于弹性抗力法的地下连续墙计算软件很多,国内广泛应用的有法国PAROI2、同济大学地下连续墙计算软件等。地下连续墙程序计算软件的不断发展使得计算时间大大减少,计算结果更加精确。此阶段,连续墙结构形式也更加丰富,出现了T形,П形等多种形式。
连续介质有限元法
连续介质有限元法是一种更为合理的计算方法,它不仅可以从整体上分析支护结构及周围土体的应力与变形性状,而且可以进行动态模拟计算,古典法和弹性抗力法存在的问题在有限元方法中都可以得到不同程度地解决。连续介质有限元软件ABAQUS、ansys、MIDAS、PLAXIS等可以模拟不同工况下的应力、变形,在工程设计中得到了广泛的应用。从只可以模拟规则形状的二维平面模型发展到可以模拟考虑空间效应的三维模型,连续介质有限元法更加符合实际工况。
连续介质有限元法可以定性地判断变形的发展趋势,定量地校核应力大小,已成为辅助工程设计的重要手段。在大型工程中设计中,更是起到了不可或缺的作用。
此阶段,圆形、“∞”形、格栅形等受力更加合理的异形地下连续墙开始逐步应用在工程中:直径130m,开挖深度34m的上海世博500kV全地下变电站基坑工程采用超深圆形基坑逆作法设计;内径70m,开挖深度45m的武汉阳逻长江公路大桥南锚基础采用厚1.5m的圆形地下连续墙加上厚度为1.5~2.5m的钢筋混凝土内衬设计;南京长江四桥南锚碇基础采用“∞”形的井筒式超深地下连续墙结构形式;南京青奥轴线基坑工程J匝道采用格栅形地下连续墙支护,均取得了很好的工程效果。
施工技术
成槽设备、工法
地下连续墙诞生初始,成槽施工机具主要为冲击钻,早期的冲击钻主要靠自重冲击破碎岩石,随后逐步进化到采用冲击回转或者回转冲击的方式。
成槽是整个地下连续墙施工过程中非常重要的一环,在导墙施工完成后,钢筋笼下放和混凝土建筑完成前,如何维持槽壁稳定性显得十分重要。
影响槽壁稳定性的外在因素包括:地面超载、开挖机械和施工工艺。
所以为防止地下连续墙的槽壁失稳导致影响周围环境的安全,可采用以下方法。
1)减小槽幅长度,这最主要体现在设计阶段。
2)加固槽壁土体,土体的黏聚力越大,越能有效阻止槽壁失稳。
3)适当提高泥浆密度,且不宜过大,一般不宜超过11kN/m3,否则不仅不经济,而且施工上也是十分困难的。
4)设置高导墙、抬高泥浆液面或降水以加大槽内外的液面高差,这比单单提高泥浆重度效果好很多,特别在浅层范围内,影响最显著,在建筑物附近施工,应充分使用。
5)尽量缩短成槽至混凝土浇筑的时间间隔,充分利用时间效应,做到快速施工。
6)在保护对象和地下连续墙槽壁之间设置隔离桩。
7)在砂性地层中施工,由于失效稳定因素极易消失,加之泥浆向土层渗透难以形成泥皮和超高,槽壁容易失稳,应特别注意。
泥浆
在天然地基状态下,若垂直向下挖掘,就会破坏土体的平衡状态,槽壁往往会发生塌的风险,泥浆则有阻止槽壁坍塌的作用。
除此之外,泥浆还具有以下功能:悬浮土渣的功能,携带土渣出地面的功能,抗混凝土和地下水污染的能力,冷却和润滑钻具的功能。
钢筋笼吊装技术
早期的地下连续墙深度较浅,钢筋笼规模有限,传统的吊装技术即可满足要求。随着地下连续墙技术的不断发展,连续墙的规模越来越大,深度越来越深,相应的墙体所需的钢筋笼越来越大,吊装难度也随之增加。为了应对超大、超重、吊装刚度差的巨型钢筋笼,需对吊装方案进行有效合理的计算和验算,再结合三维有限元模拟吊装的工况,才可以保证吊装方案安全合理。双机抬吊法的吊点布置更加合理、受力更均匀,在巨型钢筋笼吊装中,得到了广泛的应用。
混凝土灌注防绕流技术
软弱土层的自稳能力很差,极易造成较大的塌孔;浇筑混凝土时,混凝土对型钢挤压造成型钢变形;预留的钢筋保护层、钢筋笼下放偏移;砂袋填塞不够密实,留有空隙等原因都会造成灌注混凝土时产生绕流。预防绕流要以防为主,在施工时可采取以下措施。
1)在侧板外焊接止浆铁皮,沿着型钢两侧通长布置,浇筑混凝土时,铁皮在混凝土流动力的作用下移向两侧,起到阻止绕流的作用。
2)在侧板外焊接等边角钢。将等边角钢焊接在止浆铁皮的边缘,沿着型钢通长布置,减少型钢与槽壁间的缝隙,辅助止浆铁皮防止混凝土绕流。
3)充实填充砂袋。填充钢筋笼端头超挖部分的砂袋时,每填充5m,用重锤砸压砂袋一次,直至砸压密实,以此循环,直至砂袋填充到浇筑面以上为止。
此外,灌注混凝土对型钢的挤压变形需要计算,对于防绕流要求高的工程应进行有限元建模计算,并根据计算结果选择合适的型钢型号和尺寸,防止变形过大造成绕流。
接头形式
传统的地下连续墙的接头包括:直接连接接头、接头管接头、接头箱接头。近些年来发展的新型接头包括:“王字形”接头、双管接头管接头、公母刚性接头。相较于传统接头,新型接头如“王字形”接头具有抗弯刚度大、整体性好、防水性更好等特点,在重要的大型工程中得到广泛应用。
当地下连续墙采用双墙合一时,防渗性能就会显得十分重要。接头处是最容易产生渗漏的地方,为此,需要针对具体工程采用合理的接头形式。此外,在接头处采用旋喷桩加固、施工中干净彻底地清刷接头处的混凝土壁面等措施都可以提高接头处的防渗性能。
预制地下连续墙技术
除了传统方法施工的地下连续墙,预制地下连续墙也是国内外研究和发展的一个重要方向。相较于传统地下连续墙,工厂统一制作的预制地下连续墙墙体的施工质量更好,平整度更高,可直接作为地下室的建筑内墙。而且,还可以控制预制连续墙与基础底板、结构梁板连接处的预埋件位置,避免出现钢筋连接器脱落现象。通过采取构造措施进行防水,抗渗性能更好。最重要的是泥浆护壁的时间被大大地节省了,槽壁稳定性也因此显著增强,工程安全性、经济性都相应提高了。
新工法
除了上述传统工法外,TRD(trench-路堑&remixing deep wall method,水泥加固土地下连续墙)工法、TRUST(超薄型防水地下连续墙)工法、CRM(continuous wall using recycled mud,挖掘土再利用地下连续墙)工法等也在逐步推广中。
工艺原理
在工程开挖前,先在地面按建筑物平面筑导墙,用特制挖槽机械在泥浆护壁的情况下,每次开挖一定长度(一个单元槽段)的沟槽,待开挖至设计深度并清除沉淀下来的泥渣后,将地面加工好的钢筋骨架 (钢筋笼)用起重机吊放入充满泥浆的沟槽内,采用水下浇筑混凝土的方法,用导管向沟槽内筑混凝土,由于混凝土是由沟槽底部开始逐渐向上浇筑,所以随着混凝土浇筑泥浆即被置换出来,待混凝土浇至设计标高后,一个单元槽段施工即完毕。各单元槽段之间用特制接头连接成连续的地下钢筋混凝土墙,呈封闭形状,开工挖土方,地下连续墙既挡土又防水抗渗。如将地下连续墙作为建筑物的地下室外墙,则具有承重作用。
操作流程
以路段处地下连续墙施工为例。为了改善路段处的连续墙的受力条件从而达到减少墙厚的目的在开挖深度较大处,一般需要设置临时支撑或地下支撑梁也可以把防渗底板看作是地下支撑梁。施工顺序如下:
1.注导梁,分槽段开挖连续墙土方。
2.钢筋笼,浇注连续墙混凝土,现浇混凝土墙帽。
3.直于墙帽加第一道临时支撑。
4.挖槽内土方到指定高程处加第二道临时支撑。
5.续开挖槽内土方到底板(或地下支撑梁)底面高程处现浇混凝土底板(或地下支撑梁)。
6.板(或地下支撑梁)与连续墙形成整体后,拆除临时支撑。
应用领域
地下连续墙应用范围有,建筑物的基坑,如地下室、地下商场、地下停车场等;市政工程的基坑如地下铁道车站、地下汽车站、地下泵站、地下变电站、地下油库等,以及工业构筑物基坑(例如钢铁厂的铁皮沉淀池),盾构及顶管隧道的工作井、接收井等。由于地下连续墙的刚度较大、整体性较强,能作为永久结构用在道桥工程中。
发展趋势
设计现状
地下连续墙尚无全国统一的设计规范,只地方规程如广东省在1995年编制的《地下连续墙结构设计规程》DBJ/T15—13—95。地下连续墙技术最为发达的日本则有《基础连续壁基础工法》《地下连续壁基础设计施工指针》等规范规程。
国内的地下连续墙设计时主要采用现弹性抗力法进行就算,并结合有限元法进行验证的方法。由于弹性地基梁法无法考虑空间的成拱效应,圆形地下连续墙采用三维弹性地基法计算更为合理。弹性抗力法、连续介质有限元法都有其自身的局限性:弹性抗力法不能很好地吻合实际的工况;连续介质有限元法还缺少普遍适用实用性的本构模型,参数的选取也会对结果产生很大的影响,如何合理地选取参数仍然是十分困难的。因此,在实际施工中都要和监测结合起来,信息化施工,确保工程安全。
在复杂的地质条件及场地地形条件下,受限于现有的计算理论,异形但受力更合理的结构形式不能很好地进行运用,很多情况需要结合工程师的工程经验和智慧进行设计。
设计发展趋势
地下连续墙的计算理论正在逐步发展完善:连续介质有限元法的实用本构模型以及更合理的参数选取方法正在逐步改善;异形地下连续墙结构的受力形式以及合理计算理论正在研究中;地下连续墙作为深基础时的计算理论也在进一步完善中;巨型钢筋笼的吊装强度和刚度的验算理论正在进一步地成熟。可以预见,更加完善的计算理论会使得设计更加高效、经济、合理。
作为挡土结构的地下连续墙的结构形式将越来越丰富,更多异形的但受力更加合理的结构形式将得到广泛地应用;作为深基础的地下连续墙的断面形式也将更加丰富,从而能够承受更大的荷载。今后的设计会更加偏重于考量地下连续墙承受荷载和渗透性稳定性要求:等厚断面的连续墙会越来越少,上厚下薄会越来越多;作为结构受力的连续墙厚度越来越厚,有大于3m的趋势,实际工况中不同强度和刚度的连续墙会越来越多地采用上硬下软、上软下硬的结构形式;作为防渗结构的地下连续墙越来越薄,有往20cm发展的趋势,渗透系数很小的塑性混凝土、自硬泥浆、固化灰浆、黏土等会广泛使用。
整个地下连续墙的设计理念也在逐步升级中:作为挡土结构的连续墙与逆作法的结合、“二墙合一”“三墙合一”正在逐步得到广泛应用。作为深基础的连续墙正在深大基础中扮演着越来越重要的角色,有逐步取代沉井和群桩的趋势。
施工现状
尚无全国统一性的地下连续墙施工规程,只有地方性的规程,如上海市的《地下连续墙施工规程》(DG/TJ08—2073—2010)。现阶段,地下连续墙施工还停留在经验阶段,整个施工过程还有待进一步规范化。
施工机具设备如铣槽机往往价格高昂,缺少合适的施工机具设备会限制工程设计、施工,降低施工效率,延长整个工期。当前,大型施工机具主要靠进口,施工机具的国产化还有很长一段路要走。
施工操作不当极易造成槽壁失稳和灌注混凝土绕流等事故,现场工程地质条件往往十分复杂,在采取相应预防措施的基础上,施工人员需要针对出现的实际情况对施工组织设计进行合理的调整。当前,国内的施工人员素质还需进一步的提高,这样会避免因操作不当造成的事故,以及提升施工效率。施工噪声、粉尘、具有污染性的工程泥浆使得污染问题依然十分严重,在环境保护问题日益突出的今天,施工污染需要进一步地得到控制。
施工发展趋势
随着工程要求的不断提高,地下连续墙正在往超大超深方向发展,规模也越来越大,地下连续墙技术最发达的日本已经研究开发了壁厚达3.12m,深度达170m的超大型地下连续墙施工技术。地下连续墙使用用途的不断开发也对地下连续墙施工提出了更高的要求:“二墙合一”时,地下连续墙垂直度要求比围护地下连续墙高,墙面平整度要求也相应提高。
传统施工工艺也正在不断改进中:预制型地下连续墙、NS-Box钢制地下连续墙正在逐步推广;成槽施工机具将由现在主流的铣槽机等向更先进的设备发展,以满足超薄、超深连续墙的施工要求;泥浆的生产、输送、回收和净化等技术和工艺将大大改进,连续墙施工将达到高效无污染,满足环保的需求。
连续墙施工中的新材料也在不断发展中:CFRP(carbon fiber reinforced plastic,碳纤维增强复合材料)筋在盾构隧道的连续墙中广泛使用,可以减小出洞的困难及风险;新型墙裙泥浆材料NOVAGEL聚合物可以减少扩孔系数、防止砂性土塌孔;橡胶防水接插件(GXJ)既可防止接头工具起拔时出现事故,并增加地下连续墙接头的防水效果,同时也较经济。
参考资料地下连续墙的特点和适用条件和在基坑工程中的应用.江苏东合南岩土科技股份有限公司.2023-12-08
地下连续墙的几种分类与适用范围.江苏东合南岩土科技股份有限公司.2023-12-10
地下连续墙墙体与主体结构连接的构造形式.江苏东合南岩土科技股份有限公司.2023-12-11
工程实例-地基水泥注浆加固.江苏东合南岩土科技股份有限公司.2023-12-11
地下连续墙如何设计才合理?.江苏东合南岩土科技股份有限公司.2023-12-11
地下连续墙的主要用途及技术要点.江苏东合南岩土科技股份有限公司.2023-12-11
地下连续墙施工工艺原理及适用范围.江苏东合南岩土科技股份有限公司.2023-12-08