分節預制地下連續墻在軌道交通工程中的應用

譚 斌

中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司 上海 201300

在軌道交通工程中存在大量地下工程，且大多數涉及深基坑施工。從止水效果和變形控制等多方面考慮，這些基坑的圍護結構較多情況下采用了地下連續墻結合內支撐的方案[1]。然而，在成槽與水下混凝土澆筑環節質量問題頻發，增加了后期處理難度，并給結構安全帶來一定的風險[2]。對于軌道交通工程來說，設計使用壽命一般都達到了100 a，如果地下連續墻還兼作永久結構的話，那對地下連續墻的質量要求更高。

為了解決上述問題，一個較為可靠的方案就是采用預制地下連續墻，近年來國內外有關學者都對此開展了相關研究。

日本在20世紀90年代，通過在水泥土攪拌墻中插入型鋼骨架的方式，開發了鋼制地下連續墻工法，大幅節約人力和空間，得到了較多應用。2008年，吉斯塔株式會社通過使用型鋼與預制混凝土組合的結構，結合TRD工法來成槽，開發了淺層地下構造物的快速建造技術，極大地提高了地下工程施工速度[3-4]。

20世紀末，上海地區在明天廣場[5]、瑞金醫院單建式地下車庫[6]等工程中就嘗試對預制地下連續墻技術進行了應用，雖取得了一定效果，但并未得到推廣。2017年，上海城地集團通過將預制鋼筋混凝土H型樁插入水泥土攪拌墻中形成地下連續墻，該技術在國家機器人中心等多個基坑工程中得到了應用[7]。此外，廣州地鐵設計院、中國建筑股份有限公司等也提出了不同的預制地下連續墻方案，但都沒進行大規模應用[8-12]。

2018年，由上海申通地鐵集團牽頭，聯合設計、預制、施工等單位，在上海軌道交通某車站附屬圍護結構施工中，采用了分節預制地下連續墻技術。本文通過對分節預制地下連續墻設計方案、施工方案、應用效果進行介紹，以供類似工程參考。

1 分節預制地下連續墻設計方案

本基坑開挖深度10 m，圍護結構采用地下連續墻，墻厚59 cm。共設置3道支撐，除上面1道采用鋼筋混凝土支撐外，其余2道為鋼支撐。坑底以上土質主要為粉質黏土，坑底則為淤泥質黏土層，墻趾位于黏土層。根據圍護結構計算結果，地下連續墻在基坑開挖以及結構回筑期間將承受較大的彎矩和剪力，其最大設計值分別達到了320 kN·m/m和361 kN/m。預制地下連續墻采用上、下兩節連接而成，分節接頭擬設置于坑底以下3.0～4.5 m的位置，墻幅間間隔交錯布置。

1.1 構造設計方案

預制構件上節設計采用實心構件，下節設計采用空心構件（空心率20%）。為了減少構件質量，對坑底下部分預制連續墻設置中部孔芯。為避免空心截面變化影響橫向連接接頭與混凝土連接性能，實心與空心分割線設計為連續墻橫向接頭下3 m處。混凝土強度等級為C40，抗滲等級為P10。考慮預制、運輸、吊裝等限制，構件寬度設計為3 950 mm，如圖1所示。

圖1 分節預制地下連續墻構造示意

1.2 豎向接頭設計方案

預制地下連續墻墻幅間的豎向接頭主要作用在于協調墻幅間受力及保證墻幅間防水效果。現有豎向接頭主要分為兩大類，一種是企口插卡類，另一種為現澆接頭。現澆接頭對施工工藝要求相對較低，并有較好防水效果，在工程中得到廣泛應用。結合對已有工程實例豎向接頭的分析，在已有現澆豎向接頭基礎上進行改進，作為本次預制地下連續墻豎向接頭。主要改進思路如下：

1）結合地鐵附屬結構特點，取消外突結構扶壁柱，結構扶壁柱內嵌。

2）內嵌扶壁柱兩側預埋角鋼，并利用鋼板與預埋角鋼焊接進行防水封閉。

豎向接頭設計如圖2所示。

圖2 分節預制地下連續墻豎向接頭示意

1.3 橫向接頭設計方案

受起吊能力限制，預制地下連續墻構件長度超過一定值后需對墻幅進行分段預制，上下預制墻之間接頭即為預制地下連續墻的橫向接頭。為保證結構安全，橫向接頭設置于基坑下方，橫向接頭必須滿足基坑開挖過程中所在位置的承載力要求，同時橫向接頭的存在不宜過多削弱地下連續墻的剛度，避免對基坑穩定性產生影響。預制裝配式地下連續墻橫向分節連接接頭設計必須滿足以下要求：

1）達到基坑圍護結構安全等級要求。

2）滿足基坑圍護結構防水設計要求。

3）保證構件“保證強度相等”“減少剛度損失”設計要求。

4）符合結構耐久性設計要求。

為此在對5種不同接頭形式進行理論計算和試驗驗證的基礎上，采用了型鋼拼接式接頭[13]。為滿足荷載傳遞的要求，在上、下幅墻身構件中均預埋了H型鋼，還在型鋼上設置了栓釘來進一步加強型鋼與墻身的連接強度。現場拼裝過程中，先將下節墻幅起吊后臨時置于導墻上，隨后吊裝上節墻幅構件與下節墻幅對接，使用拼接鋼板與高強螺栓快速連接上、下節墻幅。為滿足耐久性要求，還采用臨時鋼板將橫向接頭范圍外側進行封閉，并以自密實混凝土進行填充。連接好上、下節墻幅后，整幅墻身在泥漿護壁條件下下沉至設計標高，墻身與槽壁空隙采用注漿填充。橫向型鋼接頭具體做法如圖3所示。

圖3 分節預制地下連續墻橫向接頭示意

1.4 防水設計方案

1.4.1 豎向接頭防水設計方案

預制地下連續墻存在豎向接頭，且預制構件與現澆構件之間存在施工冷縫，需采取針對性的防水措施，保證結構防水效果。對豎向接頭采取的防水措施如下：

1）相鄰墻幅間采用現澆鉆孔灌注樁填充。

2）墻縫間靠結構側設置凹槽，凹槽中預埋角鋼，并在角鋼間焊接鋼板封閉豎向墻縫。

3）結構凹槽設置鋼筋網片，并后澆混凝土填充。

1.4.2 橫向接頭防水設計方案

本次選用的型鋼拼接式接頭采用金屬連接構件。為確保其防腐性能，在上、下墻幅吊裝拼接完成后，利用厚10 mm鋼板對接頭范圍進行封閉，向密閉空腔內注入自密實混凝土進行填充。

1.4.3 預制構件與現澆結構連接處防水設計方案

對預制構件與現澆頂底板接口采取的防水措施如下：

1）預制地下連續墻設置凹槽，在槽內預埋鋼板，頂底板現澆前，在鋼板上焊接鋼板止水帶。

2）接口凹槽內設置遇水膨脹止水膠，并埋設注漿管。

對預制構件與現澆地面結構接口采取的防水措施為：設置剪力槽，同時槽內布置止水鋼板。

2 分節預制地下連續墻施工方案與質量控制要點

2.1 工廠預制

本次預制地下連續墻采用非預應力結構，其預制工藝與其他非預應力構件生產工藝相同。因本次實施數量較少，綜合考慮模板系統采用了定型木模，空心采用氣囊鑄模。為減少吊裝過程對鋼筋籠、預制連續墻帶來的影響，采用原位鋼筋籠綁扎、原位模板安裝、原位混凝土澆筑、原位蒸汽養護的方式進行生產。

因后續現場安裝的需要，對上、下節接頭預埋精度有較高要求，該項為預制階段控制的重難點。為解決這一問題，在綁扎鋼筋籠與組立模板時，將同幅連續墻上、下節構件接頭鎖定，并同時澆筑上、下節預制連續墻，如圖4所示。達到強度后解除接頭鎖定螺栓，以便于分別吊裝。

圖4 預制現場

2.2 吊裝與運輸

本次預制地下連續墻寬厚比、長細比均較大，屬于典型薄壁受彎構件。平面外剛度較弱，構件吊裝裝卸及運輸振動均易產生有害裂縫，進而影響構件安全性和耐久性。為解決這一問題，一是通過計算選擇合理起吊、支撐位置，二是制作了專用吊裝桁架，保證各吊點均勻受力。

運輸采用了多軸液壓平板運輸車，有效降低軸重，滿足市政道路運輸條件，并具備自動平衡功能，避免運輸過程中受力不平衡造成構件損傷。

2.3 現場安裝

因采用了橫向接頭，分節預制地下連續墻現場施工相較于以往預制地下連續墻施工一個主要不同點在于增加了上、下節連續墻連接等工序，其具體工藝流程為：施工準備→槽壁加固→場地布置→測量放樣→導墻施工→泥漿制備及泥漿回收與再生處理→成槽→清孔置換→砂石回填→預制構件制作與運輸→上節吊裝→下節吊裝→快速拼裝→吊裝入槽→墻底注漿→墻縫處理→接頭澆筑→墻側注漿→墻頂焊接→擱置拆除。

現場安裝階段的質量控制主要體現在裝配精確度控制、墻底承載力恢復、墻側土體變形控制等方面。

2.3.1 裝配精確度控制

預制地下連續墻構件與現澆地下連續墻構件最大區別在于現澆地下連續墻混凝土充填槽段，混凝土填充作用可確保相鄰墻縫有效連接，而預制地下連續墻墻縫連接質量直接取決于構件裝配精度，若裝配精度誤差較大極易造成墻體平面、墻縫錯位，影響墻體整體外觀質量及整體止水性能。

另外，現澆地下連續墻墻體質量由墻側土體摩阻力及墻底土體承載力共同承擔，墻體岀現沉降且沉降值較小；而預制地下連續墻安裝入槽后，墻體與槽壁之間的間隙未填充前墻身自重由導墻、導墻持力層及墻底持力層承擔，預制構件間會出現較大差異沉降。因此預制地下連續墻構件裝配質量直接影響預制裝配式圍護結構的力學性能和止水性能，為確保其裝配質量主要采取以下幾方面措施：

1）設計專用導向架，利用導向架限制預制墻構件平面安裝精度。另外，墻體安裝到位后可以利用預埋于墻身的測斜管檢測墻身垂直度，并復核墻頂對角線標高，以判斷墻身定位及垂直度狀況。

2）成槽槽壁厚度適當大于預制墻墻身厚度，防止槽壁垂直度影響預制墻構件安裝垂直度，預制墻墻身與槽壁間間隙采用厚漿填充以恢復墻身與槽壁間的摩擦力。

3）單幅槽段成槽深度適當較槽底設計標高超挖10～20 cm，然后采用砂石混合料槽底回填至槽底標高上400 cm處，待預制墻構件安裝到位后由墻身自重壓實至設計標高。

4）導墻均按預制地下連續墻荷載進行設計配筋，預制墻構件安裝到位后采用橫擔臨時擱置在導墻上，待墻底砂石混凝土注漿固化后及墻側厚漿凝固，相鄰墻體間采用連接板連接固定后抽出橫擔，由墻底承載力和墻側摩阻力共同承擔預制墻構件自重荷載。

2.3.2 墻底承載力恢復

本次預制地下連續墻持力層為軟塑狀態⑤1-1灰色黏土層，其壓縮性能高，為提高槽底承載力，根據上海市地下連續墻施工規范及相關工程經驗，一般是在槽底回填50 cm碎石料。由于碎石料需依靠自重自由沉至槽底，其平整度較難控制。為解決此問題，保證回填料有一定壓縮性能，將碎石料改為配合比為1∶1的砂石混合料。砂石混合料浸泡泥漿后其自重加大，可有效避免砂石混合料在泥漿中漂浮。另外采用砂石混合料能夠確保預制地下連續墻墻底注漿管有效插入，不損壞注漿閥，保證了后續注漿效果。

2.3.3 墻側土體變形控制

由于預制裝配式地下連續墻墻體與槽壁間因工藝特征存有間隙，若間隙不采取有效措施予以填充易引起結構摩擦力損失及坑外土體沉降，影響周邊環境安全。為有效填充工藝間隙，及時恢復預制墻體與土體間的摩擦力，防止土體松動變形導致地層損失，確保結構及周邊環境安全，借鑒盾構法隧道拼裝管片同步注漿工藝，墻身與土體間間隙采用厚漿填充。

為避免槽壁失穩及影響周邊環境，同時確保注漿填充質量，預制地下連續墻采用“分段成槽、分段安裝、分段填充”的施工流程。即每完成2～3幅成槽后及時安裝預制墻構件，2～3幅預制墻安裝完成后作為一填充單元填充厚漿，以及時恢復預制墻體與土體間摩阻力，抑制周邊環境變形。

3 應用效果

為驗證分節預制地下連續墻應用效果，實施過程中及工后對預制墻體及周邊環境進行了監測，主要監測內容包括墻體應力、墻體沉降、墻體水平位移、坑外土體沉降、坑外土體水平位移、坑外地表沉降、坑外管線沉降、坑外建筑沉降等。監測結果顯示各項指標均符合二級基坑安全等級及二級環境保護等級相關要求，周邊環境及建（構）筑物處于安全狀態[14]。

通過本次應用統計，每幅預制地下連續墻安裝平均用時約9.5 h，在操作熟練與形成流水作業后還可進一步提高工效。

4 結語

本文以上海軌道交通某車站附屬圍護結構為例，介紹了分節預制地下連續墻的設計、施工方案，以及其應用效果，主要結論有：

1）工程的監測數據表明，本項目實施的分節預制地下連續墻具有較強的剛度，在地鐵附屬工程中的應用獲得了成功。

2）經現場實測驗證，本次選用的型鋼接頭其承載力與剛度滿足要求。

3）對墻幅間豎向接頭、預制墻與現澆結構的接頭進行特殊防水處理，能夠保證分節預制地下連續墻結構滿足防水要求。

本次應用的基坑開挖深度約10 m，各項指標按二級基坑安全等級進行控制，下一步將通過對分節預制地下連續墻的抗震性能、接頭防水技術、模塊化設計等方面進一步開展研究，以將預制地下連續墻技術向地鐵車站主體基坑進行推廣。

[1] 王衛東,邸國恩,黃紹銘.預制地下連續墻技術的研究與應用[J].地下空間與工程學報,2005,1(4):569-573.

[2] 吳祥祖,朱小龍,王慧康.地下連續墻施工中常見問題及控制措施[J].施工技術,2005,34(6):51-53.

[3] 鋼製地中連続壁協會.鋼製地中連続壁工法I(コンクリート等充填 鋼製地中連続壁工法):設計施工指針(案)[S].2009.

[4] 淺野均,請川誠.開削地下構造物の急速構築技術「さくさく SLIT工法」の開発[J].電力土木,2012(359):81-83.

[5] 王瓊.預制地下連續墻在高層建筑中的應用[J].施工技術,2000,29(1):43.

[6] 張福龍,梁瀟文.上海瑞金醫院地下車庫預制 地下連續墻施工技術研究[J].四川水泥,2017(10):234.

[7] 王洪新,班笑.國內建筑工業化發展現狀及在地下工程中的應用[J].隧道與軌道交通,2019(增刊2):10-17.

[8] 許國光,油新華,耿冬青,等.自卡式預制地下連續墻接頭工藝研究[J].施工技術,2018,47(3):135-136.

[9] 楊毅秋,周慧超,楊貴生,等.裝配式地下連續墻設計施工技術研究[J].鐵道工程學報,2020,37(2):91-97.

[10] 劉興旺,潘黎芳,李瑛,等.渠式切割裝配式地下連續墻設計與施工技術[J].地基處理,2019,1(3):53-57.

[11] 葛欣銘.預制地下連續墻技術在地下綜合管廊工程中的應用[J].建筑施工,2018,40(8):1304-1307.

[12] 趙啟嘉.預制地下連續墻在地鐵工程中的應用研究探討[J].科技創新導報,2015,12(21):96-97.

[13] 陸晨,宋衛華,朱蕾.預制裝配式地下連續墻橫向連接接頭分析與設計[J].安徽建筑,2020,27(12):59-62.

[14] 王坤為,黃栩,黃大明,等.分節預制地下連續墻型鋼拼接式接頭技術研究[J].建筑結構,2020,50(增刊1):1075-1079.