超深连续墙接头管起拔技术研究

武岳彪

（中煤江南建设发展有限公司 广东广州 510170）

0 引言

地下连续墙在围护结构中主要发挥挡土、防渗作用甚至兼作承重结构，随着我国工程建设事业的蓬勃发展，在众多大型深基坑工程中采用地下连续墙作为围护结构越来越广泛。地下连续墙是分成若干个槽段分别施工后再连成整体的，各槽段之间的接头就成为挡土挡水的薄弱部位，接头质量的好坏直接决定地下连续墙施工质量。

为有效解决槽段接头质量控制难题，接头工艺就显得尤为重要。经国内外多年研究实践，接头管技术以众多优势脱颖而出。接头管就是在挖好的槽段端放下直径等于或略小于槽段厚度的钢管，然后在槽段中下放钢筋笼，浇筑混凝土，待混凝土初凝前，将接头管拔出，形成圆弧形端口，这样可与相邻槽段混凝土嵌接起来，形成整体。接头管接头属于铰接式非刚性接头，由于采用弧线接触方式进行施工缝之间的连接，故其整体性好，弧线渗径长，而且接头经二次处理易保证质量，抗渗性能好。

1 影响因素

决定接头管起拔成败的因素是多样的，国内外近年来做了大量研究，也奠定了一些理论基础，但经研究对象一般较浅，大多为16~30m，达到45m的屈指可数。随着现代建筑向纵深发展的需求越来越迫切，而对此的研究却较为缺乏，对实际施工也缺乏理论指导，为在超深连续墙接头管起拔关键技术领域取得突破，本文就影响连续墙主要因素进行研究，分析出影响接头管起拔的决定性因素，并对控制该决定性因素的关键技术进行研究。

1.1 起拔设备选型

工程施工中应用的拔管机大致可分为两种类型，一种为穿管式液压拔管机，另一种为抱箍式液压拔管机。穿管式液压拔管机是在接头管上开凿扁担孔，孔内穿铁扁担，然后采用液压油缸顶升的一种拔管装置，其拔管的整个过程费时费力，还常常因扁担孔不够而另需焊接牛腿。由于焊接牛腿时间长，容易造成混凝土初凝过度，从而错过起拔接头管的最佳时机，因此应用受到很大局限。

抱箍式液压拔管机分为拔管机以及动力站两大部分，拔管机由4片弧形钢板连接而成的抱箍和外侧携带的4只提升油缸所组成，而抱箍则由抱紧油缸控制其抱紧及放松，提升油缸的活塞杆头部球铰形，使提升油缸以浮动的方式连接于底座，底座横跨在导墙上，具有足够的刚度，液压拔管机就是靠抱箍将接头管抱紧，在顶升油缸的作用下，利用抱箍与接头管之间所产生的摩擦力，将接头管拔出来的，当拔管所需起拔力较大时，就需要极大的抱紧力以形成足够的摩擦力，而当管壁受到较大的径向挤压时容易发生变形，或者出现“打滑”的现象，因此，在选择接头管时要使其具有足够的刚度和抗挠曲能力，上端最好采用花纹钢板，以增加摩擦阻力。

因此在设备选型前必须对最大起拔力进行计算，并做好控制防范铸管等造成粘结力增大的行为。

1.2 槽段导墙的承载力和平整度

混凝土导墙是拔管设备的承载基础，无论拔管机施加的起拔力有多大，该起拔力最终都要反作用在导墙上，因此导墙的承载力对拔管工艺的成败及避免设备倾覆确保拔管安全都至关重要。在工程策划之初就要认真谋划起拔设备选型，并以此计算导墙承载力，做好导墙设计。在导墙施工时加强控制，保证平整，避免起拔器受力后发生倾斜而导致单边受力增大，增加起拔摩擦力，增加起拔难度和风险。

1.3 起拔力分析

从以上两项分析可知，无论起拔设备选型还是导墙承载力设定都依赖于起拔力的确定。接头管起拔受力较为复杂，受外界因素影响较大，在拔管初期，槽段内混凝土基本上处于三种状态，上部为流态，中部为塑性状态，下部为稳定固态，三种状态的混凝土对起拔力均造成不同程度的影响。

接头管的起拔阻力由多种力所组成，其机理非常复杂。在以往定性分析时，接头管的起拔阻力F主要由接头管浮重Q、水下混凝土侧向挤压形成接头管起拔的摩擦阻力S（摩擦阻力包括其他附加阻力，如接头管倾斜或弯曲变形时为克服径向分力所需的起拔力）、混凝土与接头管接触面的粘结力N三部分组成。

在估算其大小时通常可用一下公式简单表示：

其中：F——起拔力；

Q——接头管浮重；

S——混凝土挤压摩阻力；

N——混凝土粘结力。

王斌在《地下连续墙接头管起拔时间的实验研究》中对接头管起拔的受力做了进一步研究分析，得出了：

式中：μ-摩擦系数；Pmax-混凝土最大侧压力；H-接头管插入混凝土的深度；hg-混凝土最大侧压力时对应的抱管深度。

式中：D-接头管直径；L-接头管长度；γs-接头管（材质）重度；t-接头管壁厚；γm-泥浆重度。

式中：v-粘结力系数。

综上所述：F=Q+S+N=μπDPmax（H-1/3hg）+Dπ·t·L·（γs-γm）+1/2πDvH

上式表明，接头管浮重（Q）随着槽段深度增加而增大，与深度呈线性关系，混凝土摩阻力S为流体侧向压力所形成的摩擦阻力，主要产生于上部后浇混凝土中，与埋管深度以及混凝土浇筑速度有关。影响起拔力的各项因素中接头管浮重Q和S在不同时刻变化不大，可以近似看成定量，而混凝土粘结力随时间的变化极大，应视为变量。混凝土粘结力是由混凝土拌合料中的水泥颗粒水化作用而产生的混凝土与管壁之间的胶结力，随时间推移持续增加，尤其混凝土初凝后会急剧增加，当混凝土初凝1h后，粘结力即可达到接头管浮重及混凝土摩擦力之和的2～3倍，一举发展为影响接头管起拔的决定性因素。

通过以上分析可知，为提高连续墙接头质量及提升接头管起拔成功率，起拔应在胶结力产生之前进行，但若槽内混凝土尚未初凝就过早起拔接头管，混凝土由于缺乏自稳能力而外流，窜入接头管与槽壁间隙，造成下一槽段开挖困难，亦增加混凝土墙体局部缺陷风险。故明确接头管应在混凝土初凝前起拔的基本要求后，如何选择适当的起拔时机则显得尤为重要。

2 工程实践

2.1 工程概况

本工程项目用地面积约77000m2，地下室共三层。基坑开挖面积约78702m2，基坑开挖周长约1297m。现地面标高-0.500～-1.500m，基坑普挖坑底标高-19.950～-21.950m，基坑开挖深度为18.450～20.450m，连续墙成槽深度40～55m，共计220幅。本次试验选取最深的3幅槽，深度55m，为后续施工提供参考。

2.2 地质资料

本工程地质概况如下：①杂填土c=10.0kPa，φ=12.0°，层厚约0.92m；②淤泥 c=6.0kPa，φ=3.0°，层厚约 1.5m；③粉质粘土 c=23.0kPa，φ=11.0°层厚约7.7m；④粉土、粉砂 c=9.0kPa，φ=18.0°，层厚约2.6m；⑤-1粉砂夹粉土 c=0.0kPa，φ=32.0°，层厚约 7.2m；⑥-2 粉细砂 c=0.0kPa，φ=37.0°，层厚约 8.1m；⑦-3粉细砂 c=0.0kPa，φ=40.0°，层厚约7.8m；⑧-3a粉质粘土，层厚约2.5m；⑨-3粉细砂c=0.0kPa，φ=40.0°，层厚约12.8m；⑩中粗砂夹砾石，层厚约1.2m。

2.3 地下连续墙设计要求

（1）本基坑围护体系采用落底式地下连续墙，墙厚1000mm，混凝土强度等级为C35（水下浇筑强度提高一级）；

（2）地下连续墙采用H890X450X10X10工字钢，钢材牌号Q235B；

（3）一期槽段接头可采用接头管（箱）封闭，底部3.0m高度应采用袋装碎石回填密实。

（4）钢筋笼两侧的端部与接头管（箱）或相邻墙段混凝土界头面之间应留有150mm的间隙。

（5）接头管（箱）的端面选型应与接头相符，使接头管的刚度保证接头钢板不至于在混凝土浇筑过程中由于混凝土的侧向压力发生变形，影响后续槽段成槽和混凝土浇筑质量。接头管（箱）尺寸应能防止混凝土绕流。

2.4 研究准备工作

项目实施前对周边混凝土供应商做了细致的考察，选取了一家质量稳定、供应可靠的供应商，对混凝土质量做了抽查，每间隔1h随机抽样一次，经测定混凝土初凝时间约为4.4h。为准确掌握混凝土的各项指标参数，为起拔力计算提供参看，特委托了当地具有资质的实验室，对混凝土的内摩擦角、粘结力、初凝前混凝土与接头管的摩擦系数等做了测定。

2.4.1 初凝前混凝土与接头管的摩擦系数的测定

为确定混凝土对接头管的摩擦阻力，则必须测出初凝前的混凝土与接头管的摩擦系数，经试验测试，在接近混凝土初凝前后1h，混凝土与接头管之间的摩擦系数在0.40～0.60之间。经试验测定混凝土产生的侧压力沿深度方向呈曲线变化，在最大侧压深度以下，由于混凝土失去了流动性而自撑力增强，位移与变形逐步减少，从测压即由主动侧压力转变为静止侧压力，因此侧压会随着深度的增加而减小，结合本工程概况和混凝土的特点，测定最大侧压力约为42kN/m2，hg=11m。

2.4.2 混凝土初凝前粘结力的测定

粘结力是因混凝土拌合料中水泥颗粒的水化作用而产生的混凝土与管壁之间的胶结力。通过试验测得了粘结力随时间的变化规律，实验测得混凝土初凝前粘结力都很小但是随着时间的推移尤其是超过水泥的初凝时间以后粘结力会急剧增加。

2.5 混凝土初凝时起拔力的计算

该项目混凝土墙厚1000mm，墙身约55m，采用C35水下混凝土，其重度为24kN/m3，泥浆重度为12kN/m3，根据混凝土的测试性能，为减少接头管自重及确保接头管刚度，选择壁厚为25cm，直径为0.96m，长58m，混凝土的初凝时间经现场预留试块测定为T=4.4h，浇注混凝土时，混凝土面上升速度接近5m/h，混凝土初凝时接头管在混凝土中埋入深度约22m。混凝土与接头管的摩擦系数为0.5。

接头管在泥浆中的浮重为：

Q=Dπ·t·L·（γs-γm）=0.96×3.14×0.025×58×（78-12）=288.47kN，考虑接头管之间的连接接头，接头管的浮重度按理论计算值的1.05倍估算，约为302.89kN。

侧压力取Pmax=42kN/m2，h=11m，考虑到混凝土不能完全把接头管包裹住，所以提升接头管的摩擦阻力应适降低，取其为80%。

则摩擦阻力为：

总提升阻力为：Q+S=302.89+1106.89=1231.33kN

2.6 起拔设备配置

通过理论计算，若起拔时机控制得当，在无混凝土粘结力及接头管倾斜的侧向压力下，最大起拔压力为1231.33kN，为防止混凝土质量出现波动及其他意外情况，现场配备起拔额定功率为600T及800T的起拔设备各一台，确保出现异常时可以随时更换设备，增加起拔的可能性。

2.7 现场起拔操作

浇注混凝土时应做好自然养护试块，正式开始顶拔接头管的时间，应以自然养护试块达到终凝状态所经历的时间为依据，开始顶拔接头管应在混凝土初凝前进行初次起拔，开始松动时向上先提升15～30cm，以后每20min提升一次，每次50～100cm，若顶升压力超过拔管机起拔能力的50%，则可相应增加每次提升高度，缩短起拔时间，防止混凝土终凝固结接头管，整个起拔过程必须在混凝凝土终凝前完成。

据理论计算起拔力为1231.33kN，根据现场实测，总提升阻力平均约为1360kN，与实测相接近，接头管起拔顺利。按此方法，在后续的起拔中210幅较为顺利，成功率达到96.8%。

有10幅地下连续墙接头管起拔较为困难，经分析主要原因是混凝土性能出现波动以及孔壁垂直度出现偏差、防扰流措施效果不佳，造成混凝土侧摩阻力甚至粘结力急剧增加，造成起拔设备工作压力不足。

3 总结

影响地下连续墙起拔的因素是多方面的，通过广泛调研、查阅资料，深入研究分析与试验可知，接头管起拔时机的选择对起拔成功率起决定作用，工程全面施工前必须就接头管起拔时机上述各项检测试验，并依据理论起拔力对起拔设备及辅助设备、接头管合理选型，起拔成功率就可以充分的保障。除此之外，为进一步提升起拔成功率做好以下工作。

（1）认真研究地质勘察资料，深入分析地层特性，选用适当的成槽设备，合理控制成槽进度，施工中定期利用设备自身的测垂装置及超声波测斜仪探测槽壁垂直度，出现问题时及时校正，严格控制接头孔的垂直度ⅰ≤1‰。

（2）泥浆性能和储量要有保证。泥浆必须有良好的护壁能力和悬浮渣屑的能力，可随时保持孔壁稳固和防止渣屑沉底。现场应充分考虑各种不利因素，确保在接头管起拔中不因扰流失效或起拔过早时混凝土面快速下降等原因造成孔壁坍塌。

（3）重点工序要管控到位。吊装钢筋网片过程中一定要加强防绕流铁皮检查，接头管必须自然下放到位，严禁悬空，在接头管与槽壁的的空隙中用小块粘土回填，确保回填密实，以阻断堵混凝土的绕流通道。

（4）必须保持合理的浇筑速度。前期为防止埋管深度过大，混凝土静止侧压力急剧增加，导致摩阻力上升过快，须主动减慢浇筑速度，后期为确保起拔在终凝前完成，要有意加快浇筑速度，确保起拔在终凝前完成。