超深連續墻接頭管起拔技術研究

武岳彪

（中煤江南建設發展有限公司 廣東廣州 510170）

0 引言

地下連續墻在圍護結構中主要發揮擋土、防滲作用甚至兼作承重結構，隨著我國工程建設事業的蓬勃發展，在眾多大型深基坑工程中采用地下連續墻作為圍護結構越來越廣泛。地下連續墻是分成若干個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，接頭質量的好壞直接決定地下連續墻施工質量。

為有效解決槽段接頭質量控制難題，接頭工藝就顯得尤為重要。經國內外多年研究實踐，接頭管技術以眾多優勢脫穎而出。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，而且接頭經二次處理易保證質量，抗滲性能好。

1 影響因素

決定接頭管起拔成敗的因素是多樣的，國內外近年來做了大量研究，也奠定了一些理論基礎，但經研究對象一般較淺，大多為16~30m，達到45m的屈指可數。隨著現代建筑向縱深發展的需求越來越迫切，而對此的研究卻較為缺乏，對實際施工也缺乏理論指導，為在超深連續墻接頭管起拔關鍵技術領域取得突破，本文就影響連續墻主要因素進行研究，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鍵技術進行研究。

1.1 起拔設備選型

工程施工中應用的拔管機大致可分為兩種類型，一種為穿管式液壓拔管機，另一種為抱箍式液壓拔管機。穿管式液壓拔管機是在接頭管上開鑿扁擔孔，孔內穿鐵扁擔，然后采用液壓油缸頂升的一種拔管裝置，其拔管的整個過程費時費力，還常常因扁擔孔不夠而另需焊接牛腿。由于焊接牛腿時間長，容易造成混凝土初凝過度，從而錯過起拔接頭管的最佳時機，因此應用受到很大局限。

抱箍式液壓拔管機分為拔管機以及動力站兩大部分，拔管機由4片弧形鋼板連接而成的抱箍和外側攜帶的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，使提升油缸以浮動的方式連接于底座，底座橫跨在導墻上，具有足夠的剛度，液壓拔管機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生的摩擦力，將接頭管拔出來的，當拔管所需起拔力較大時，就需要極大的抱緊力以形成足夠的摩擦力，而當管壁受到較大的徑向擠壓時容易發生變形，或者出現“打滑”的現象，因此，在選擇接頭管時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。

因此在設備選型前必須對最大起拔力進行計算，并做好控制防范鑄管等造成粘結力增大的行為。

1.2 槽段導墻的承載力和平整度

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

1.3 起拔力分析

從以上兩項分析可知，無論起拔設備選型還是導墻承載力設定都依賴于起拔力的確定。接頭管起拔受力較為復雜，受外界因素影響較大，在拔管初期，槽段內混凝土基本上處于三種狀態，上部為流態，中部為塑性狀態，下部為穩定固態，三種狀態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，其機理非常復雜。在以往定性分析時，接頭管的起拔阻力F主要由接頭管浮重Q、水下混凝土側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力N三部分組成。

在估算其大小時通常可用一下公式簡單表示：

其中：F——起拔力；

Q——接頭管浮重；

S——混凝土擠壓摩阻力；

N——混凝土粘結力。

王斌在《地下連續墻接頭管起拔時間的實驗研究》中對接頭管起拔的受力做了進一步研究分析，得出了：

式中：μ-摩擦系數；Pmax-混凝土最大側壓力；H-接頭管插入混凝土的深度；hg-混凝土最大側壓力時對應的抱管深度。

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

式中：v-粘結力系數。

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，與深度呈線性關系，混凝土摩阻力S為流體側向壓力所形成的摩擦阻力，主要產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。影響起拔力的各項因素中接頭管浮重Q和S在不同時刻變化不大，可以近似看成定量，而混凝土粘結力隨時間的變化極大，應視為變量。混凝土粘結力是由混凝土拌合料中的水泥顆粒水化作用而產生的混凝土與管壁之間的膠結力，隨時間推移持續增加，尤其混凝土初凝后會急劇增加，當混凝土初凝1h后，粘結力即可達到接頭管浮重及混凝土摩擦力之和的2～3倍，一舉發展為影響接頭管起拔的決定性因素。

通過以上分析可知，為提高連續墻接頭質量及提升接頭管起拔成功率，起拔應在膠結力產生之前進行，但若槽內混凝土尚未初凝就過早起拔接頭管，混凝土由于缺乏自穩能力而外流，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險。故明確接頭管應在混凝土初凝前起拔的基本要求后，如何選擇適當的起拔時機則顯得尤為重要。

2 工程實踐

2.1 工程概況

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

2.2 地質資料

本工程地質概況如下：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 粉細砂 c=0.0kPa，φ=37.0°，層厚約 8.1m；⑦-3粉細砂 c=0.0kPa，φ=40.0°，層厚約7.8m；⑧-3a粉質粘土，層厚約2.5m；⑨-3粉細砂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 地下連續墻設計要求

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

（2）地下連續墻采用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高度應采用袋裝碎石回填密實。

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

（5）接頭管（箱）的端面選型應與接頭相符，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向壓力發生變形，影響后續槽段成槽和混凝土澆筑質量。接頭管（箱）尺寸應能防止混凝土繞流。

2.4 研究準備工作

項目實施前對周邊混凝土供應商做了細致的考察，選取了一家質量穩定、供應可靠的供應商，對混凝土質量做了抽查，每間隔1h隨機抽樣一次，經測定混凝土初凝時間約為4.4h。為準確掌握混凝土的各項指標參數，為起拔力計算提供參看，特委托了當地具有資質的實驗室，對混凝土的內摩擦角、粘結力、初凝前混凝土與接頭管的摩擦系數等做了測定。

2.4.1 初凝前混凝土與接頭管的摩擦系數的測定

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，經試驗測試，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在0.40～0.60之間。經試驗測定混凝土產生的側壓力沿深度方向呈曲線變化，在最大側壓深度以下，由于混凝土失去了流動性而自撐力增強，位移與變形逐步減少，從測壓即由主動側壓力轉變為靜止側壓力，因此側壓會隨著深度的增加而減小，結合本工程概況和混凝土的特點，測定最大側壓力約為42kN/m2，hg=11m。

2.4.2 混凝土初凝前粘結力的測定

粘結力是因混凝土拌合料中水泥顆粒的水化作用而產生的混凝土與管壁之間的膠結力。通過試驗測得了粘結力隨時間的變化規律，實驗測得混凝土初凝前粘結力都很小但是隨著時間的推移尤其是超過水泥的初凝時間以后粘結力會急劇增加。

2.5 混凝土初凝時起拔力的計算

該項目混凝土墻厚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，混凝土的初凝時間經現場預留試塊測定為T=4.4h，澆注混凝土時，混凝土面上升速度接近5m/h，混凝土初凝時接頭管在混凝土中埋入深度約22m。混凝土與接頭管的摩擦系數為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算值的1.05倍估算，約為302.89kN。

側壓力取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 起拔設備配置

通過理論計算，若起拔時機控制得當，在無混凝土粘結力及接頭管傾斜的側向壓力下，最大起拔壓力為1231.33kN，為防止混凝土質量出現波動及其他意外情況，現場配備起拔額定功率為600T及800T的起拔設備各一臺，確保出現異常時可以隨時更換設備，增加起拔的可能性。

2.7 現場起拔操作

澆注混凝土時應做好自然養護試塊，正式開始頂拔接頭管的時間，應以自然養護試塊達到終凝狀態所經歷的時間為依據，開始頂拔接頭管應在混凝土初凝前進行初次起拔，開始松動時向上先提升15～30cm，以后每20min提升一次，每次50～100cm，若頂升壓力超過拔管機起拔能力的50%，則可相應增加每次提升高度，縮短起拔時間，防止混凝土終凝固結接頭管，整個起拔過程必須在混凝凝土終凝前完成。

據理論計算起拔力為1231.33kN，根據現場實測，總提升阻力平均約為1360kN，與實測相接近，接頭管起拔順利。按此方法，在后續的起拔中210幅較為順利，成功率達到96.8%。

有10幅地下連續墻接頭管起拔較為困難，經分析主要原因是混凝土性能出現波動以及孔壁垂直度出現偏差、防擾流措施效果不佳，造成混凝土側摩阻力甚至粘結力急劇增加，造成起拔設備工作壓力不足。

3 總結

影響地下連續墻起拔的因素是多方面的，通過廣泛調研、查閱資料，深入研究分析與試驗可知，接頭管起拔時機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機上述各項檢測試驗，并依據理論起拔力對起拔設備及輔助設備、接頭管合理選型，起拔成功率就可以充分的保障。除此之外，為進一步提升起拔成功率做好以下工作。

（1）認真研究地質勘察資料，深入分析地層特性，選用適當的成槽設備，合理控制成槽進度，施工中定期利用設備自身的測垂裝置及超聲波測斜儀探測槽壁垂直度，出現問題時及時校正，嚴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壁能力和懸浮渣屑的能力，可隨時保持孔壁穩固和防止渣屑沉底。現場應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混凝土面快速下降等原因造成孔壁坍塌。

（3）重點工序要管控到位。吊裝鋼筋網片過程中一定要加強防繞流鐵皮檢查，接頭管必須自然下放到位，嚴禁懸空，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，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，混凝土靜止側壓力急劇增加，導致摩阻力上升過快，須主動減慢澆筑速度，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。