地下連續墻工字形型鋼接頭的設計與分析

沈 健

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002)

0 前言

工程中常利用鎖口管或接頭箱進行地下連續墻槽段接頭的處理。但是超深地下連續墻鎖口管或接頭箱的起拔難度大，在理想垂直狀態下頂拔鎖口管或接頭箱需克服其自重和側壁土摩阻力，其需要的頂拔力對鎖口管或接頭箱本身的承載力要求是非常高的。當地下連續墻超深時，因管身材料焊接加工質量和導墻后座強度不夠導致鎖口管或接頭箱拔斷或埋管的風險幾率將大為增加。

地下連續墻工字形型鋼接頭便于施工，并能克服現有超深地下連續墻采用鎖口管或接頭箱存在的施工難度大的技術難點，適用于各種形狀的超深地下連續墻接頭，同時相比常規的圓形鎖口管接頭，該接頭還增強了地下連續墻的槽段連接的結構整體性以及防滲可靠性。本文以上海世博500 kV地下變電站工程超深地下連續墻的設計與施工為背景，介紹工字形型鋼接頭在該工程中的設計與應用，并結合本工程圓形基坑的特點，對工字形型鋼接頭的受力進行分析。

1 工程概況

如圖1所示，上海世博500 kV地下變電站為全地下四層筒型結構，地下建筑直徑130 m, 基坑開挖深達34 m，采用“兩墻合一”地下連續墻作為基坑周邊圍護結構，墻厚1.2 m，入土深度23.8 m，地下連續墻底距離地面深度約為57.5 m。坑內利用四層地下結構梁板作為圍護結構的內支撐系統，并架設三道臨時環形內支撐，圍護結構剖面如圖2所示。

圖1 上海世博500 kV地下變電站示意圖Fig.1 Sketch of the Shanghai World Expo. 500 kV underground transmission and substation.

圖2 圍護結構剖面圖Fig.2 Sectional view of the supporting structure.

2 工字形型鋼槽段接頭的設計與施工

2.1 槽段接頭設計

針對超深地下連續墻采用常規接頭形式的技術難點，確定本工程地下連續墻接頭采用工字形型鋼接頭方式，該形式的地下連續墻分為一期槽段和二期槽段，一期槽段的地下連續墻鋼筋籠兩端為工字形型鋼，工字形型鋼與一期槽段鋼筋焊接形成整體，二期槽段設置封頭鋼筋深入一期槽段內。

該接頭形式工字形截面型鋼接頭一旦施工完畢后，不需要象鎖口管或接頭箱那樣拔出，將作為地下連續墻結構的一部分。采用該種接頭的地下連續墻整體性好，由于接頭部分是工字形狀，加長了地下水的滲透路徑，止水性能良好。

具體接頭形式如下圖3～圖5所示。

圖3 地下連續墻接頭示意圖Fig.3 Sketch of the joint between diaphragm wall panel.

圖4 一期槽段構造示意圖Fig.4 Sketch of pre-trench of diaphragm wall.

圖5 二期槽段構造示意圖Fig.5 Sketch of subsequent trench of diaphragm wall.

二期槽段鋼筋籠頂部設有折線形的封頭鋼筋，并且彎折角度根據現場放樣確定，可以使各墻段之間形成直線形連接或非直線形連接。從而使該接頭的使用范圍更廣，適用于各種形狀的基坑。

2.2 槽段施工

一期槽段成槽時，成槽寬度比地墻槽段寬度適當加大（圖4），一期槽段成槽施工后，鋼筋籠及工字形型鋼整體下放到位后，在型鋼與槽段邊之間的空擋內回填袋裝石子，用以防止混凝土澆筑時出現繞流進入工字形型鋼外側。

二期槽段成槽結束后，在下設鋼筋籠前必須對接頭作特別處理，具體是采用鋼絲刷子自上而下分段刷洗一期槽段工字形截面型鋼接頭。鋼絲刷子自身重量較輕，可用螺栓將其固定在抓斗的斗體或用汽車吊調掛，利用其較大自重使鋼絲刷子緊貼于工字形截面型鋼腹板，從而可對其進行較好刷洗。直至刷子鉆頭上基本不帶泥屑，槽底淤泥淤積不再增加。必要時還可采用專門鏟具清除。

具體施工流程如圖6所示。

圖6 工字形接頭地下連續墻施工流程圖Fig.6 Flow-chart of construction of the joints between diaphragm wall panels.

由于保護層的因素，鋼筋籠寬度比成槽寬度小，一期槽段混凝土澆筑過程中需采取有效措施確保混凝土繞流至二期槽段，因此，在一期槽段兩端工字形截面型鋼端部采用扁鐵固定止漿鐵皮來防止混凝土繞流（圖3）。

由于成槽深度可能超過原設計槽段深度，工字形截面型鋼與槽底很容易存在間隙。在混凝土澆注時，混凝土將從工字形截面型鋼底部流入相鄰槽幅處，由于砼澆注高度產生的壓力，流向鄰近槽幅的混凝土面將與混凝土澆注高度同步上升，將影響后期槽段的施工。所以，應把工字形截面型鋼插入槽底一定的深度，以阻擋砼從槽底流向相鄰槽幅。

3 工字形型鋼槽段接頭的計算分析

3.1 計算模型

由于本工程為圓形基坑，圓筒形地下連續墻通常采用“一”字形或“L”形槽段擬合而非理想的圓形結構。在實際工程中，考慮到土方并非理想狀態下對稱開挖、土層分布不均勻和施工荷載等因素的影響，圓筒形地下連續墻并非處于理想的均勻環向受壓狀態，槽段接頭可能同時存在彎、剪、扭復雜受力狀態，因此需要根據槽段接頭的實際受力狀態，對其進行專門的計算分析。

采用三維有限元法分析模型對圓形超深地下連續墻工字形型鋼接頭受力狀態進行計算分析。為了既能反映圓筒形地下連續墻以環向受壓為主的受力性能，又能充分利用計算資源，計算模型平面按圓筒形墻體的實際平面形狀取近似圓形，而豎向取1.5 m深度范圍內的地下連續墻作為分析模型，所取的深度為地墻整體計算結果中側向位移最大值所處位置，約為地面以下28 m深度位置。三維有限元模型包括全部槽段、以及一期與二期槽段之間的工形型鋼接頭。為反映一期槽段與二期槽段之間的素混凝土薄弱段，三維模型中同時考慮了槽段內的鋼筋籠。

計算模型如圖7所示。

圖7 三維有限元計算模型Fig.7 The model of 3D FEM method.

3.2 計算荷載

圓筒形結構所受到的水土壓力主要以環向壓力為主，而考慮到基坑施工階段土方并非理想狀態下對稱開挖、土層分布不均勻和施工荷載等因素的影響，圓筒形地下連續墻并非處于理想的均勻環向受壓狀態。因此為了模擬圓筒形地下連續墻的不均勻受荷狀態，進而分析槽段接頭的復雜受力狀態，考慮水平向水土壓力分4個區域分別施加，以模擬施工階段分區開挖等不均勻受荷對地墻的影響。

圖8 分區開挖計算示意圖Fig.8 Sketch of subzone excavation.

3.3 計算結果

表1為在環向荷載作用下地下連續墻最大水平位移、混凝土應力、型鋼應力數值。其中分區開挖下不均勻荷載對地墻的計算結果影響較小。表1為最終開挖完成后的計算結果。如圖9，由于圓形基坑以環向受壓為主，在型鋼接頭處由于存在較小范圍的素混凝土段，且素混凝土段與型鋼交點處存在剛度的突變，因此在型鋼接頭位置地墻槽段混凝土存在一定的應力集中現象，但總體計算結果仍滿足混凝土的受力許可范圍。型鋼應力根據計算結果完全滿足強度要求。

表1 計算結果匯總表

圖10為地墻水平位移實測曲線，最大實測變形約為37 mm，與計算最大變形較為接近。

因此，綜合以上分析，可認為工字形型鋼接頭可滿足本工程圓形超深地下連續墻受力要求。

4 結論

上海世博500 kV地下變電站基坑開挖深度約34 m，圓形地下連續墻直徑130 m，地墻深度約57.5 m。詳細介紹超深地下連續墻工字形型鋼接頭的設計與分析，得到如下結論與建議：

圖9 應力云圖Fig.9 Stress distribution.

圖10 地墻水平位移實測曲線Fig.10 Actual lateral displacement curve of diaphragm wall.

(1) 工字形型鋼接頭由于型鋼與一期槽段鋼筋籠焊接成為整體施工，并作為地下連續墻永久結構的一部分。因此可避免常規鎖口管或接頭箱的起拔工序，可有效解決超深地墻施工過程中的埋管問題。

(2) 采用工字形型鋼接頭的地下連續墻整體性好并加長了地下水的滲透路徑，止水性能良好。根據目前工程實施效果。采用工字形型鋼接頭的地下連續墻接縫處防水效果較好，可以滿足防水規范及地下變電站的運營要求。

(3) 通過三維有限元分析，地墻計算變形與實測值較為匹配。同時工字形型鋼接頭處混凝土存在一定的應力集中現象，但總體受力仍能滿足要求。表明該接頭型式是安全可靠的。

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