十几年前, 上海地区曾研究和发展了一种预制地下连续墙技术, 并在上海明天广场、达安城单建式地下车库和瑞金医院单建式地下车库等工程中得到实施和应用。华东建筑设计研究院的王卫东等对预制地下连续墙的设计方法、施工方法及相关配套措施进行了较为系统的研究, 但该预制地下连续墙并未得到推广, 导致十几年来预制地下连续墙的发展一直停滞不前。此后, 赵启嘉在深圳某地铁车站科研及试验的基础上, 通过对比常规地铁车站围护结构设计、施工, 探讨了预制地下连续墙的成本和应用前景。胡坚尉选取上海地区典型地质, 通过有限元模拟分析对比了常规地下连续墙、先张法预制预应力地下连续墙及后张法预制预应力地下连续墙的受力和变形。日本在1992年发展了一套名为钢制地下连续墙 (NS-BOX diaphragm wall) 的工法, 利用高强度的预制钢构件增加自身墙体刚度, 并减小地下连续墙的强度, 从而实现大幅节约人力和空间, 该技术得到了日本30多家企业的大力推动。近年来, 国内在预制地下连续墙方面的发展一直停滞不前, 在工程中的应用实例几乎没有。

本文介绍了一种新型预制地下连续墙的设计方法和施工工艺, 该新型预制地下连续墙具有很好的质量保障, 在施工工法上具有传统现浇施工工法所不具备的诸多创新点和优点, 能在理论上根本性地解决地下连续墙施工过程中出现的技术质量问题。

由于在城市中, 基坑工程常在闹市区施工, 不仅要保证基坑自身的稳定安全, 而且要控制基坑周边的地面沉降, 确保周边地层的沉降不影响到周边建筑管线及构筑物的正常使用。目前常用的地下围护结构形式有:地下连续墙、灌注桩、型钢水泥土搅拌墙 (如SMW工法桩、TRD工法连续墙) 等, 而地下连续墙以其施工中振动小、噪声低、墙体的刚度大、可用作刚性基础、适用于多种地层条件等优点, 在地铁工程及其他深基坑工程中得到广泛的应用。

地下连续墙作为基坑的围护结构大致经历了作为单一的止水围护结构阶段和作为主体结构一部分的“两墙合一”阶段。

1) 单一的止水围护结构阶段

目前施工过程中普遍采用的复合墙围护体系就是一种单一的止水围护体系, 复合墙是指围护结构与主体内衬之间设置防水隔离层, 与结构的顶、底板防水层形成整体密封形式。复合式地下连续墙在施工过程中地下连续墙接缝处容易渗漏水, 且由于在复合结构体系中, 围护作为基坑支护的主体, 是临时结构, 不作为主体结构的一部分, 成本相对较高。

2) 叠合墙围护结构阶段, 即“两墙合一”阶段

叠合墙体系是指围护结构与内衬主体结构之间有钢筋接驳器连接, 叠合后两者视为整体墙, 形成“两墙合一”的整体结构, 在结构的合理性方面是一种技术进步。叠合式地下连续墙目前常用的连接方式为“预埋钢筋连接器法”, 即先加工一个连接器, 常称之为接驳器, 内表面车有反向螺纹, 被连接的地下连续墙中的钢筋端部及地下工程内部构件的钢筋端部也车有螺纹, 当接驳器按某方向拧紧时, 就可将两者钢筋连接起来。

叠合结构是鉴于复合结构围护体系不能作为永久结构的一部分, 导致结构成本较高而创新发展的一种工艺方法。“两墙合一”叠合墙的优点是:不论是在经济上还是总体结构的受力、变形及防水方面, 叠合结构都要优于复合墙结构。

地下连续墙的发展第2阶段相对于第1阶段最大的创新, 是解决了“围护结构不能成为永久结构的一部分”成本高的问题。但是叠合墙对作业公司施工管理要求高、控制环节多, 实际施工又带来上述普遍存在的问题, 影响成品的使用寿命, 使得设计和施工单位又心存疑虑。目前首选“两墙合一”的设计单位和能进行“两墙合一”的施工单位并不多。国内普遍采用的“单墙结构”还是主导地位。

在地下连续墙的两个发展历程中, 随着地下连续墙的不断应用, 其中在设计、施工过程中不断暴露出一些长期难以解决的质量通病及技术难题, 主要包括以下内容。

1) 槽壁坍塌

当墙体槽壁失稳发生坍塌时, 通常会造成槽内泥浆大量流失, 导墙及周边地面沉降, 地下连续墙表面不平等。对于不平整的混凝土界面需凿除, 凿除过程中容易对接驳器等破坏, 影响“两墙合一”的施工质量。

2) 施工工艺对泥浆护壁要求高

泥浆的作用为固壁、携砂、冷却和润滑, 其中以固壁作用最为重要。挖槽筑墙所用的泥浆不仅要有良好的固壁性能, 而且要便于浇筑混凝土, 需要严格控制泥浆的浓度、密度、黏度, 太大或太小都将影响地下连续墙的施工质量, 施工过程中往往出现因泥浆性能控制不佳而影响地下连续墙的整体质量。

3) 地下连续墙渗漏水

地下连续墙接缝处的渗漏水现象成为司空见惯的通病, 而围护结构渗漏水对永久结构的施工质量、工程的使用寿命都有严重的影响。

4) “两墙合一”的质量问题

从现场施工的调查结果显示, “两墙合一”普遍存在的质量问题有: (1) 钢筋接驳器的安装普遍存在问题, 如定位高低不齐、偏斜以及丝牙破坏、丝牙锈蚀、混凝土凿除过程中破坏接驳器等产生连接质量问题; (2) 由于在地下连续墙的钢筋笼内设有大量与主体结构相连接的接驳器, 并且布置的间距较小, 多是集中在一个层面上, 混凝土的骨料很难填充到两层接驳器间, 导致混凝土不密实而产生渗漏水现象较为普遍; (3) 由于叠合施工过程复杂, 对作业施工队伍要求高, 施工管理要求精细化。

作为围护结构体系, 不同的工法有其不同的适用范围及优缺点。比如, SMW工法具有适用土层范围广、工序简单、成本低、工期短、止水防渗性能好、对周边环境影响范围小的优点, 该工法内插型钢在地下室施工完成后可以拔除, 不仅可以避免形成地下永久障碍物, 而且拔除的型钢可以回收利用;TRD工法除吸收了SMW工法的优点外, 还对其三轴水泥土搅拌桩桩架过高、稳定性较差、成墙垂直度偏低和成墙深度较浅等缺点进行了改进, 由于切割箱连续横向搅拌混合, 具有成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好、无接口、芯材 (H型钢) 间距可任意设定等优点。但是与地下连续墙、钻孔灌注桩相比, 型钢水泥土墙刚度较低, 常会产生较大的变形。在周边环境保护要求高及搅拌桩身范围内大部分为透水性较强的土层时, 一旦搅拌桩桩身产生裂缝并造成渗漏, 后果较为严重, 此时应慎重选择型钢水泥土墙作为围护结构。

面对地下连续墙所存在的技术质量问题, 若能吸收融合SWM和TRD工法的的优点, 扬长避短, 把各工法的优点集于一身, 同时减少施工过程中工序控制方面的不确定因素, 则能从根本上保证围护结构的施工质量。于是, 本文提出了一种新型预制地下连续墙的工法, 这种工法要同时满足如下几个方面的要求:

1) 预制墙体工厂化、标准化, 成品质量有保障。

2) 开挖阶段, 预制地下连续墙段采用工字钢定位和确保施工时的受力满足要求。

3) 地下连续墙预制泥浆配合比不受地质因素和现场施工中不确定因素的影响。

4) 墙面平整、接缝处无渗漏水, 具有很好的纵向止水效果。

5) 预制地下连续墙可从根本上解决“两墙合一”施工中接驳器施工所出现的问题, 对接精度高。

6) 工字钢的精确定位, 确保预制地下连续墙纵缝控制在50mm以内, 两墙接缝间隙小、确保地下连续墙的整体刚度。

7) 地下连续墙纵向缝不渗水 (当纵缝间距控制在50mm以下时, 在预制墙的一侧预留孔洞, 采用分层注浆工艺, 可有效地防止纵向渗水) 。

8) 工程效率高, 能缩短工期 (减少清孔、刷壁、现浇等工序) 。

但是, 要满足以上条件, 须有标准化的生产作业环境, 正如地下区间隧道盾构推进中所使用的管片拼装, 其采用工厂化作业条件, 从根本上控制管片的质量, 保证管片拼装的高效率、高精度、高智能的施工特点。

新型预制地下连续墙采用立方体结构, 墙段的截面为空心截面, 墙段长边一侧伸出台锥型凸台, 另一侧凹进去台锥型凹槽, 如图1所示。

墙段与墙段在竖向多幅拼装通过墙段上预留的螺栓孔采用螺栓对接拼装, 竖向拼装完成的地下连续墙在吊入成槽前, 先在成槽内按照设计要求的间距预先插入型钢, 然后利用型钢定位吊入预制地下连续墙。预制墙段的正面及侧面如图2所示。

新型地下连续墙的具体规格尺寸可参考表1所示数据。

结合前面提出的8个方面要求, 新型地下连续墙的设计考虑的因素包括: (1) 设计过程中明确工厂标准化制作的精度以满足现场对接拼装的要求。 (2) 设计过程中应充分考虑预制地下连续墙上下对接的刚度。 (3) 预制地下连续墙上下对接的止水要求。 (4) 预制墙上下对接形成一整幅地下连续墙的定位, 可采用工字钢导向定位。 (5) 双幅预制墙横向对接, 可采用凹凸槽相嵌定位技术。 (6) 双幅地下连续墙凹凸对接后的止水要求, 可采用袖阀管注浆止水工艺。 (7) 预制地下连续墙须考虑现场安装安全可靠和经济优化的因素, 应将预制地下连续墙的质量控制在40±5t。 (8) 预制地下连续墙要考虑到永久结构完成后, 定位型钢回收的可能, 即要把握孔内二次注浆的材料或措施。

新型预制地下连续墙的施工工艺分为导墙的施工、成槽、型钢定位、吊装预制地下连续墙、竖向多幅地下连续墙的拼接、地下连续墙纵向拼接、接缝处袖阀管分层注浆、预制地下连续墙孔内浇筑混凝土等工艺。下面将重点介绍预制地下连续墙的定位和吊装、拼装、袖阀管注浆的施工工艺。

预制地下连续墙的定位是施工的关键环节, 定位是否准确直接影响地下连续墙的施工质量, 定位误差可能会引起地下连续墙渗漏水、影响地下连续墙的垂直度及整体施工质量。因此, 在成槽工序完成后, 采用匹配的“工”字钢定位。采用在地下连续墙的成槽内按照设计要求的间距预先插入型钢 (借鉴SMW工法桩插入型钢的施工工艺) , 然后利用型钢定位吊入预制地下连续墙。利用型钢不仅方便下层墙的定位, 而更易控制上层墙的定位。

通过计算显示预制地下连续墙的最大质量在45t以下, 因此其吊装拼接也不具有很大的难度, 相对于深基坑地下连续墙钢筋笼吊装反而简单很多。预制地下连续墙生产时已预留4个吊装定位孔 (见图2a) , 利用定位孔通过拼装固定架上螺杆的旋转, 顶入固定孔内, 使其临时搭在导槽上, 便于上下预制地下连续墙的拼接。并利用[30B焊接一吊装架 (见图3, 4) , 预制地下连续墙与吊装架采用40螺杆旋转对接, 其中螺栓连接和吊装定位采用同一定位孔。

在预制地下连续墙吊装前, 类似于地下区间盾构管片的拼装, 预先在预制地下连续墙的环面及预制墙的纵面粘贴传力衬垫, 防止拼接时混凝土与混凝土的直接接触而破损, 使上下拼接时受力均匀, 并起到一定的隔水、防渗功能。

每幅地下连续墙的上下对接拼装施工工序 (以3节拼装为例说明) 。

1) 首节预制地下连续墙吊起, 将孔对准“工”字钢导向轴, 沿工字钢下放至安装架上, 利用安装架上的固定螺栓固定首节墙。

2) 起吊中节预制地下连续墙, 按首节要求下放和首节预制地下连续墙对齐。利用对穿螺栓拼装中节、首节地下连续墙 (原理同地下盾构管片拼装) 。拼装完成后对中节、首节继续下吊, 使中节地下连续墙的拼装固定孔固定在安装架上。

3) 第3节地下连续墙按上述方法进行对接, 完成整幅地下连续墙的拼装施工, 最后将整幅地下连续墙按设计标高要求固定。

4) 整幅地下连续墙拼接时注意单幅地下连续墙竖向接缝按30~50mm间距设置。

为了防止预制地下连续墙接缝的渗水, 需要充填地下连续墙施工面下的空隙, 保证地下连续墙的整体性、连续性及均匀性。当完成2~3组地下连续墙混凝土浇筑后, 进行预制地下连续墙内的袖阀管注浆。如图2b所示, 在预制地下连续墙的凸槽处预留有注浆孔, 注浆孔的外侧要有30mm的混凝土保护层, 保护层上也要分层预留注浆孔。

在预制好的地下连续墙吊装拼接完成以后, 在预留好的注浆孔内利用挤压式注浆机灌入套壳料, 在套壳料置换结束以后立即插入袖阀管, 由于每节袖阀管的长度为40cm, 在插入相邻两节袖阀管用长度为10cm的PVC套管连接。在预制好的地下连续墙的预留注浆孔封口处应预先使用橡胶塞封孔, 防止泥浆等杂物灌入, 在上下两幅地下连续墙连接时采用如图5所示的套管连接。安装好袖阀管以后可以分层、分段、定量、间歇式注浆。

袖阀管注浆工法的原理是在浆液经过注浆泵加压后, 通过连通管进入注浆管, 聚集到袖阀管注浆管段, 然后通过钻有直径6mm泄浆孔的PVC管 (即袖阀管) , 在内压力的作用下, 将包裹在PVC外的套壳料挤碎。当压力逐渐增大到一定程度, 被加压的浆液就会沿着地层结构产生充填、渗透、压密、劈裂流动, 续后的浆液在压力作用下, 使得劈裂裂缝不断向外延伸。逐次提升或降低注浆内管即可实现分段注浆, 袖阀管注浆原理如图6所示。

1) 地下连续墙成品质量保障

预制地下连续墙采用工厂标准化的生产工艺, 既能保障地下连续墙的成品质量, 又能保证接驳器的安装定位精度、地下连续墙面的平整精度、注浆管的预埋精度等。

2) 成槽质量保障

配备的泥浆只考虑成槽过程的护壁质量, 因没有现浇混凝土工序, 不存在清孔工序、刷壁工序, 成槽质量的保障率高。

3) 地下连续墙刚度保障

借鉴SMW工法原理, 工字钢发挥两个作用: (1) 吊装预制地下连续墙的定位作用; (2) 预制地下连续墙拼装就位以后, 在预制地下连续墙内注浆, 通过注浆使其地下连续墙、工字钢形成一个整体, 保障地下连续墙的整体刚度。

4) 地下连续墙止水保障

预制地下连续墙依次定位吊装拼接完成以后, 通过预制地下连续墙内的袖阀管分层注浆来防止地下连续墙竖向接缝的渗水。

5) 永久结构施工保障

由于预制地下连续墙的质量保障, 永久结构施工的“两墙合一”接驳器连接质量得到了保障, 缩短了结构施工的时间。

6) 吊装安全保障

由于不同尺寸的预制地下连续墙的重量基本保证在 (45±5) t, 吊装难度降低, 从而保障了吊装安全。

预制地下连续墙工法相对于其他工法, 可实现地下连续墙工厂化生产和标准化施工, 融合了地下区间盾构管片拼装及SMW工法桩原理, 接缝采用袖阀工艺的保障措施, 理论上能根本性地解决地下连续墙施工过程中出现的技术质量问题, 具有广阔的应用前景。预制地下连续墙、现场拼接围护结构的设想, 是通过对地下连续墙发展过程存在的一些问题的综合分析和总结现阶段地下连续墙优缺点后的大胆设想与创新, 是地下连续墙的发展进入第3阶段的起点。