地下连续墙工字形型钢接头的设计与分析

2011-01-27沈健

地震工程学报 2011年1期

沈健

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)

0 前言

工程中常利用锁口管或接头箱进行地下连续墙槽段接头的处理。但是超深地下连续墙锁口管或接头箱的起拔难度大，在理想垂直状态下顶拔锁口管或接头箱需克服其自重和侧壁土摩阻力，其需要的顶拔力对锁口管或接头箱本身的承载力要求是非常高的。当地下连续墙超深时，因管身材料焊接加工质量和导墙后座强度不够导致锁口管或接头箱拔断或埋管的风险几率将大为增加。

地下连续墙工字形型钢接头便于施工，并能克服现有超深地下连续墙采用锁口管或接头箱存在的施工难度大的技术难点，适用于各种形状的超深地下连续墙接头，同时相比常规的圆形锁口管接头，该接头还增强了地下连续墙的槽段连接的结构整体性以及防渗可靠性。本文以上海世博500 kV地下变电站工程超深地下连续墙的设计与施工为背景，介绍工字形型钢接头在该工程中的设计与应用，并结合本工程圆形基坑的特点，对工字形型钢接头的受力进行分析。

1 工程概况

如图1所示，上海世博500 kV地下变电站为全地下四层筒型结构，地下建筑直径130 m, 基坑开挖深达34 m，采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑周边围护结构，墙厚1.2 m，入土深度23.8 m，地下连续墙底距离地面深度约为57.5 m。坑内利用四层地下结构梁板作为围护结构的内支撑系统，并架设三道临时环形内支撑，围护结构剖面如图2所示。

图1 上海世博500 kV地下变电站示意图Fig.1 Sketch of the Shanghai World Expo. 500 kV underground transmission and substation.

图2 围护结构剖面图Fig.2 Sectional view of the supporting structure.

2 工字形型钢槽段接头的设计与施工

2.1 槽段接头设计

针对超深地下连续墙采用常规接头形式的技术难点，确定本工程地下连续墙接头采用工字形型钢接头方式，该形式的地下连续墙分为一期槽段和二期槽段，一期槽段的地下连续墙钢筋笼两端为工字形型钢，工字形型钢与一期槽段钢筋焊接形成整体，二期槽段设置封头钢筋深入一期槽段内。

该接头形式工字形截面型钢接头一旦施工完毕后，不需要象锁口管或接头箱那样拔出，将作为地下连续墙结构的一部分。采用该种接头的地下连续墙整体性好，由于接头部分是工字形状，加长了地下水的渗透路径，止水性能良好。

具体接头形式如下图3～图5所示。

图3 地下连续墙接头示意图Fig.3 Sketch of the joint between diaphragm wall panel.

图4 一期槽段构造示意图Fig.4 Sketch of pre-trench of diaphragm wall.

图5 二期槽段构造示意图Fig.5 Sketch of subsequent trench of diaphragm wall.

二期槽段钢筋笼顶部设有折线形的封头钢筋，并且弯折角度根据现场放样确定，可以使各墙段之间形成直线形连接或非直线形连接。从而使该接头的使用范围更广，适用于各种形状的基坑。

2.2 槽段施工

一期槽段成槽时，成槽宽度比地墙槽段宽度适当加大（图4），一期槽段成槽施工后，钢筋笼及工字形型钢整体下放到位后，在型钢与槽段边之间的空挡内回填袋装石子，用以防止混凝土浇筑时出现绕流进入工字形型钢外侧。

二期槽段成槽结束后，在下设钢筋笼前必须对接头作特别处理，具体是采用钢丝刷子自上而下分段刷洗一期槽段工字形截面型钢接头。钢丝刷子自身重量较轻，可用螺栓将其固定在抓斗的斗体或用汽车吊调挂，利用其较大自重使钢丝刷子紧贴于工字形截面型钢腹板，从而可对其进行较好刷洗。直至刷子钻头上基本不带泥屑，槽底淤泥淤积不再增加。必要时还可采用专门铲具清除。

具体施工流程如图6所示。

图6 工字形接头地下连续墙施工流程图Fig.6 Flow-chart of construction of the joints between diaphragm wall panels.

由于保护层的因素，钢筋笼宽度比成槽宽度小，一期槽段混凝土浇筑过程中需采取有效措施确保混凝土绕流至二期槽段，因此，在一期槽段两端工字形截面型钢端部采用扁铁固定止浆铁皮来防止混凝土绕流（图3）。

由于成槽深度可能超过原设计槽段深度，工字形截面型钢与槽底很容易存在间隙。在混凝土浇注时，混凝土将从工字形截面型钢底部流入相邻槽幅处，由于砼浇注高度产生的压力，流向邻近槽幅的混凝土面将与混凝土浇注高度同步上升，将影响后期槽段的施工。所以，应把工字形截面型钢插入槽底一定的深度，以阻挡砼从槽底流向相邻槽幅。

3 工字形型钢槽段接头的计算分析

3.1 计算模型

由于本工程为圆形基坑，圆筒形地下连续墙通常采用“一”字形或“L”形槽段拟合而非理想的圆形结构。在实际工程中，考虑到土方并非理想状态下对称开挖、土层分布不均匀和施工荷载等因素的影响，圆筒形地下连续墙并非处于理想的均匀环向受压状态，槽段接头可能同时存在弯、剪、扭复杂受力状态，因此需要根据槽段接头的实际受力状态，对其进行专门的计算分析。

采用三维有限元法分析模型对圆形超深地下连续墙工字形型钢接头受力状态进行计算分析。为了既能反映圆筒形地下连续墙以环向受压为主的受力性能，又能充分利用计算资源，计算模型平面按圆筒形墙体的实际平面形状取近似圆形，而竖向取1.5 m深度范围内的地下连续墙作为分析模型，所取的深度为地墙整体计算结果中侧向位移最大值所处位置，约为地面以下28 m深度位置。三维有限元模型包括全部槽段、以及一期与二期槽段之间的工形型钢接头。为反映一期槽段与二期槽段之间的素混凝土薄弱段，三维模型中同时考虑了槽段内的钢筋笼。

计算模型如图7所示。

图7 三维有限元计算模型Fig.7 The model of 3D FEM method.

3.2 计算荷载

圆筒形结构所受到的水土压力主要以环向压力为主，而考虑到基坑施工阶段土方并非理想状态下对称开挖、土层分布不均匀和施工荷载等因素的影响，圆筒形地下连续墙并非处于理想的均匀环向受压状态。因此为了模拟圆筒形地下连续墙的不均匀受荷状态，进而分析槽段接头的复杂受力状态，考虑水平向水土压力分4个区域分别施加，以模拟施工阶段分区开挖等不均匀受荷对地墙的影响。

图8 分区开挖计算示意图Fig.8 Sketch of subzone excavation.

3.3 计算结果

表1为在环向荷载作用下地下连续墙最大水平位移、混凝土应力、型钢应力数值。其中分区开挖下不均匀荷载对地墙的计算结果影响较小。表1为最终开挖完成后的计算结果。如图9，由于圆形基坑以环向受压为主，在型钢接头处由于存在较小范围的素混凝土段，且素混凝土段与型钢交点处存在刚度的突变，因此在型钢接头位置地墙槽段混凝土存在一定的应力集中现象，但总体计算结果仍满足混凝土的受力许可范围。型钢应力根据计算结果完全满足强度要求。