后張預應力地連墻的探討

趙明時，申立明，鄭建民

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津　300222）

后張預應力地連墻的探討

趙明時，申立明，鄭建民

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津300222）

摘要：針對地連墻建設風險和成本不斷上升的現狀，以傳統地連墻和預應力技術為基礎，首次提出后張預應力地連墻結構及實施方案。著重從施加初始預應力、換標號連續澆筑混凝土及孔道灌漿三方面解決傳統地連墻和預應力技術不融合的問題，確保地連墻施工的質量和效益，可為其它預應力地下空間結構的設計和施工提供借鑒。

關鍵詞：后張預應力；地連墻；結構；實施方案

中圖分類號：U655.54；TU378

文獻標志碼：A

文章編號：2095-7874（2015）03-0045-04

doi：10.7640/zggWjs201503009

收稿日期：2014-10-16修回日期：2014-11-25

作者簡介：趙明時（1983—），男，河北唐山市人，碩士，工程師，主要從事地基基礎與港口工程施工技術管理工作。E-mail：dushe004@163.com

Discussion on cast-in-p lace post-tensioned diaphragMwall

ZHAO Ming-shi，SHEN Li-ming，ZHENG Jian-min
（CCCC FirstHarbor ConsultantsCo.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Abstract：By now,the risks and costs of diaphragMwall construction keep rising.In this case,the structure and implement solution of cast-in-place post-tensioned diaphragMwall is proposed based on the traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.Applying the initial prestress,continuous pouring differentgrade concrete and ductgrouting are mainly introduced.These three aspects solve the incompatible contradictions between traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.The research willensure the quality and efficiency during the process of diaphragMwall construction,provide references for design and construction ofother cast-in-place underground space structure.

Keywords：post-tensioned prestress；diaphragMwall；structure；implement solution

1　研究背景

1.1設計背景

目前，地連墻結構一般應用在房建、市政及港口等地下工程和近岸工程領域，并作為主體或者圍護結構。隨著科技的快速進步和社會經濟的高速發展，大型基坑和深水板樁碼頭等工程對地連墻強度、剛度和耐久性提出了更高的要求，為了滿足地連墻承載力、變形和裂縫控制的要求，地連墻的截面尺寸、深度及鋼筋量不斷增加。帶來的問題是，一旦地連墻厚度、深度和用鋼量增大，其抗震性能將會削弱，同時地連墻成槽、鋼筋籠吊裝和混凝土澆筑等施工難度和風險也將會上升，隨之帶來的地連墻成本也會加大。

在港口工程建設中，單錨地連墻通常僅適用于3萬噸級以下的中小型碼頭，船舶大型化和碼頭深水化的發展趨勢對該種結構提出了更高的要求。當碼頭前沿水深達到一定深度，單純靠增加地連墻的厚度已經無法解決承載力的問題，因為厚度的增加也加劇了彎矩的增大。此時，為使地連墻能滿足深水碼頭的使用功能，往往需要在地連墻后增設遮簾樁或卸荷承臺等其他減小土壓力的結構措施，以達到減小前地連墻彎矩的目的，以上措施大大增加了碼頭水工建筑物的造價。而如果采用后張預應力地連墻結構，則可以考慮取消地連墻后的減壓構件。以唐山港曹妃甸港區某10萬噸級煤炭碼頭為例，如果按照常規結構設計，需要采用后面帶有遮簾樁的地連墻結構[1]，如圖1。此時，前墻彎矩為1 708 kN·m/m，地連墻含鋼量為μ非預應力＝180 kg/m3；如果采用后張預應力地連墻形式，則可以取消遮簾樁，此時前地連

墻彎矩為2 971 kN·m/m，地連墻所需含鋼量為μ預應力＝29 kg/m3，μ非預應力＝142 kg/m3。在以上斷面優化設計中，碼頭工程按照每單延米考慮，在前墻總含鋼量基本沒有增加的前提下，取消遮簾樁可以節省約30％鋼筋混凝土。傳統地連墻采用HRB400鋼筋作為抗拉材料，該鋼筋的抗拉強度設計值fy= 360 N/mm2。而后張預應力地連墻是采用鋼絞線作為抗拉材料，鋼絞線的抗拉強度設計值fpy=1 320 N/mm2。在同等的拉力作用下，采用鋼絞線能有效降低用鋼量，從而節約成本，減少資源的消耗。與傳統地連墻相比，在同樣受力條件下，后張預應力地連墻截面減少15％、抗震性增加20％、鋼筋節約30％，混凝土節約15％。由此可見后張預應力地連墻的開發應用帶來的經濟效益是非常顯著的。

圖1　遮簾式板樁碼頭Fig.1 Covered type of sheet pilewharf

另一方面，地連墻的組成主要為鋼筋和混凝土。理論上講，通過提高地連墻鋼筋和混凝土的強度可以提高地連墻的承載力。但是，從以往大型基坑和深水板樁碼頭的地連墻原型觀測來看，地連墻受力在遠沒達到設計值時，地連墻的變形和裂縫就已經達到了設計值，這說明對于使用高強鋼筋和混凝土的地連墻來說，承載力已經不是影響地連墻的主要因素，撓度和裂縫才是地連墻設計和施工的決定性因素，因此地連墻采用高強鋼筋和高強混凝土不能充分發揮它們的作用。另外，地連墻施工需要水下澆筑混凝土，混凝土必須具有良好的和易性和流動性，在地連墻施工中混凝土強度等級一般不會超過C40，而提高混凝土強度等級對提高地連墻的抗裂性和控制裂縫的寬度作用也是極其有限的[2]。

1.2施工背景

預應力技術在房建及橋梁等地上結構中已經得到廣泛應用，而在地連墻結構中之所以遲遲不采用預應力技術，很重要的原因就是其施工質量難以滿足設計及規范要求。如果地連墻繼續沿用房建及橋梁等預應力結構的工藝施工，會出現以下主要問題：

1）預應力鋼筋鋪設完成后，需要吊裝方能到達預定位置，預應力鋼筋在下放過程中可能發生局部變形或移位，影響受力效果。

2）水下澆筑混凝土，混凝土質量控制難度較陸上大，特別是預應力固定端和張拉端附近混凝土一旦強度不足，將嚴重影響后續施工，即施加預應力時固定端或張拉端混凝土破碎。

3）由于地連墻埋于地下，故孔道灌漿時無法像橋梁、房建等預應力結構一樣在側壁開排氣孔。

綜上，傳統的地連墻結構在面臨大型基坑和深水板樁碼頭等工程建設時，已經出現施工風險大、耗材多和成本高等弊病，地連墻的發展已經不再符合我國向節約型和科技創新型社會發展的趨勢，需要一種新的地連墻形式來實現其可靠性和經濟性的協調一致[3]。

2　后張預應力地連墻結構

2.1設計思路

利用預應力鋼筋張拉后的彈性回縮，對地連墻混凝土施加壓力，使后張預應力地連墻充分發揮預應力鋼筋抗拉強度高和混凝土抗壓能力強的特點，可以顯著提高地連墻的承載能力。另一方面，后張預應力地連墻在外荷載作用時，首先抵消預壓應力，然后隨著外荷載的增加，受拉區混凝土才開始受拉，從而延遲了地連墻裂縫的出現和開展，提高了地連墻的剛度和抗裂能力，設計思路如圖2。

圖2　設計思路Fig.2 Design idea

2.2后張預應力地連墻結構組成

后張預應力地連墻主要包括：固定端錨具、

張拉端錨具、預應力鋼筋、波紋管、鋼筋籠及混凝土[4]。

1）固定端錨具包括：固定端錨板、固定端錨墊板、固定端夾片、固定端螺旋筋，固定端錨板有錐孔，與固定端夾片配合，利用錐孔的楔緊將預應力鋼筋錨固，固定端錨墊板和固定端螺旋筋共同組成固定端錨板下受力構件，以滿足承載和傳遞預應力的要求。

2）張拉端錨具包括：張拉端錨板、張拉端錨墊板、張拉端夾片、張拉端螺旋筋，其連接方式與固定端錨具相同。

3）預應力鋼筋從波紋管中穿過，鋪設并固定在鋼筋籠上之后，預應力鋼筋兩端再分別固定到固定端錨具和張拉端錨具上。

3　后張預應力地連墻的實施方案

3.1預應力鋼筋的下料

預應力鋼筋一定要先按要求的下料長度，在下料場做出明顯下料長度標記，下料時要用輪片式砂輪機斷料，嚴禁采用電焊或風割斷料。

由于后張預應力地連墻施工的特殊性，張拉時必須采用一端張拉，一般情況下預應力鋼筋的下料長度按下式計算，并通過試用后進行修正，如圖3所示。

L= L1+ L2+ L3+ L4+ L5+ L6

式中：L為預應力鋼筋的下料長度；L1為預應力孔道長度；L2為固定端錨具厚度；L3為張拉端錨具厚度；L4為千斤頂工作長度；L5為固定端長度富余量；L6為張拉端長度富余量。

圖3　預應力鋼筋長度Fig.3 Length of prestressed steel

3.2地連墻鋼筋籠的制作與預應力鋼筋的穿束

預應力鋼筋由于其剛度不滿足起吊要求，因此要想將預應力鋼筋下放至地連墻指定位置，必須依附于地連墻鋼筋籠骨架，也就是說鋼筋籠的吊裝必須攜帶預應力鋼筋。

相比其它預應力結構，地連墻預應力鋼筋較長，因此地連墻預應力穿束時，宜采取整束拖拉法，即將卷揚機鋼絲繩套在鋼絞線束前端，人工將預應力鋼筋端頭抬高并放入管道口內，并拖帶一段距離，開動卷揚機拖拉，使整束預應力鋼筋緩緩進入孔道。預應力鋼筋的穿束必須對預應力鋼筋端頭加以保護，以防損傷波紋管。

地連墻鋼筋籠制作一般采用焊接，預應力鋼筋與鋼筋籠的連接與固定采用綁扎，同時在焊接和綁扎過程中注意保護錨具與波紋管。

3.3施加初始預應力

鋼筋籠下放完成后，預應力鋼筋往往存在一定的局部變形或者位移，如圖4所示，因此必須對預應力鋼筋進行調直，以保證預應力鋼筋在混凝土澆筑前能夠處于設計的位置上。

圖4　調直預應力鋼筋Fig.4 Straightening prestressed steel

將卷揚機等小型設備放置于導墻上對預應力鋼筋施加初始預應力，待預應力鋼筋伸直即可停止施加預應力，并將預應力鋼筋固定在相鄰加長主筋上。考慮到需要在導墻上施加初始預應力，預應力鋼筋一般要超出導墻不少于1 m；另外，為了將調直的預應力鋼筋固定住，需要將距離預應力鋼筋最近的主筋延伸出導墻不少于0.5 m，如圖4所示。

3.4換標號連續澆筑混凝土

水下換標號連續澆筑混凝土，固定端和張拉端至少2 m范圍內混凝土提高一個標號，同時在該范圍內降低混凝土澆筑速度，以保證固定端和張拉端受力范圍內混凝土的密實度，如圖5所示。特別是固定端混凝土澆筑加強區，根據地連墻的施工特點，預應力鋼筋固定端埋置較深，混凝土澆筑時探摸固定端混凝土面高度精確度不高，因此固定端混凝土澆筑加強區要大于張拉端混凝土澆筑加強區。另外，為了防止加強區混凝土出現開裂，可以在混凝土中摻入一定量的纖維。

圖5　換標號連續澆筑混凝土Fig.5 Continuous pouring differentgrade concrete

3.5樁頭鑿除

地連墻混凝土澆筑結束后，頂部混凝土存在一定的沉渣或者浮漿，因此地連墻澆筑高度一般要較實際地連墻面高，這部分高出的混凝土在澆筑完成后，需要鑿除后方可進行預應力鋼筋的張拉。因此，在混凝土澆筑前，需要對鑿除范圍內的預應力鋼筋用套筒保護起來，防止在樁頭鑿除過程中破壞預應力鋼筋。

3.6預應力鋼筋的張拉

預應力鋼筋張拉設備為千斤頂，千斤頂定位時，要保證千斤頂軸線、錨具軸線與預應力鋼筋軸線的“三軸同心”。

張拉前實施混凝土強度、彈性模量、混凝土齡期“三控”。張拉應在地連墻混凝土強度及彈性模量達到設計值后、齡期不少于20 d時進行。

張拉中實施張拉應力、應變、時間“三控”：即張拉時以油壓表讀數為主，以預應力鋼筋的伸長值作校核，在張拉力作用下維持一定的時間[5]。考慮到預應力鋼筋的制作偏差及應力損失（孔道摩擦損失、錨固損失、彈性壓縮損失、鋼材應力松弛損失及混凝土收縮形變損失等），張拉力宜采用預應力鋼筋破斷力的0.65～0.75倍，實際伸長值與計算伸長值的允許偏差為-5％ ～10％。

3.7孔道灌漿

后張預應力地連墻接觸介質為地下水或海水，這些介質中常含有對鋼筋腐蝕性較強的離子，一旦這些離子侵入混凝土內部破壞預應力鋼筋，地連墻結構的安全性將嚴重降低，因此后張預應力地連墻在預應力鋼筋張拉后，需進行灌漿處理。

根據后張預應力地連墻的施工特點，孔道灌漿不能像房建、橋梁等預應力結構一樣在側壁開排氣孔，為此需要預先安置一道通長的壓漿孔道，并在頂端預留幾道排氣孔道，以保證水泥漿能夠充分包裹預應力鋼筋。另外為了減少地下水或海水對預應力鋼筋的腐蝕，灌漿材料可適當添加阻銹劑；預應力鋼筋所在地連墻范圍內可適當加密鋼筋籠墊塊，以確保預應力鋼筋保護層厚度。

4　結語

1）后張預應力地連墻首次將預應力技術引入地連墻結構中，解決了傳統房建及橋梁等預應力技術應用于地連墻中的問題，為地連墻的發展探索了一條新的道路。

2）后張預應力地連墻能夠提高地連墻的強度、剛度、抗裂性，減少用鋼量。與傳統地連墻相比，在同樣受力條件下，后張預應力地連墻具有截面小、抗震性能好、材料省等優點。

3）后張預應力地連墻的出現，為預應力技術向地下空間結構發展提供了新的思路，為建筑結構中地下建筑與地上建筑的協調發展奠定了基礎，擁有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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[2] TIMOSHENKO SP.材料力學[M].蕭敬勛，劉文秀，譯.天津：天津科學技術出版社，1989. TIMOSHENKO SP.Strength ofmaterials[M].XIAO Jing-xun,LIU Wen-xiu,translation.Tianjin:Tianjin Science and Technology Press,1989.

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