可切削地连墙可行性研究

地下连续墙的施工接头一般分为两种：一种是柔性接头，特点是抗剪、抗弯能力较差，而且具有较为通畅的渗水通道，如锁口管接头、钢筋混凝土预制接头、V形钢板接头；另一种是刚性接头，特点是可以传递槽段之间的竖向剪力，而且具备良好的止水性能，如工字钢接头、十字钢板接头等。传统的十字钢板接头是用10mm左右厚的钢板，在现场焊接成十字形，与先期槽段钢筋笼端部的水平筋焊接成为一体，整体吊装下放到已经开挖好的槽段中。由于地下连续墙部分位于盾构穿越范围内，如果采用此种接头，盾构机掘进时要采用人工凿除的方法将盾构穿越范围内地下连续墙混凝土和钢筋、十字钢板全部割除，一般采用乙炔-氧气切割，但这种方法费时、费力、不经济，而且可能导致土砂、地下水从凿除位置涌出。

本工程为正二十四边形壁厚1200mm的地下连续墙，采用C35水下混凝土，抗渗等级P10，导墙采用C25混凝土。钢筋采用HPB235、HPB335，盾构穿越区采用玻璃纤维筋（GFRP筋），共24个槽段，接头为径向。其中，标准幅BZF -1～BZF -14共计14幅，特殊幅TSF -1～TSF -10共计10幅，盾构穿越区全部位于特殊幅内，特殊幅包括由若干依次相连接的单元槽段，每个单元槽段包括由若干玻璃纤维筋连接形成的玻璃纤维筋笼、灌注在玻璃纤维筋笼上的混凝土墙体，相邻两个单元槽段内的玻璃纤维筋笼之间通过十字钢板接头相连接，玻璃纤维板中的树脂为环氧树脂。图2-15为玻璃纤维筋接头立体示意图。

图2-15　玻璃纤维筋接头立体示意图

采用玻璃纤维筋笼结构的地连墙满足施工接头的受力和止水要求。同时在盾构掘进时不用人工拆除，盾构机刀盘可以直接将其破碎、切削，通过环流系统排出。

考虑到风井处地层分布较为复杂，且基坑平面呈圆形，具有良好的空间力学效应，采用基坑工程计算常用的平面杆系有限元法难以反映其真实的受力状态；而复杂的工程地质及水文地质条件使得连续介质有限元法所需本构模型及相关参数难以确定，计算结果与实际情况存在较大出入。因此，在计算时采用基于规范的三维板壳-弹簧有限元法，结构构件为板壳和梁组成的空间结构，将维护结构和支撑视为一体，对挡土结构进行整体计算，假定主动侧土压力已知，被动土压力用土弹簧体现。通过在外侧迎土面施加不同的外力边界和逐次移除内侧开挖面各土层土弹簧单元实现开挖过程的模拟。地下连续墙采用S4壳单元，支撑、围檩、冠梁均采用B31梁单元，内衬墙及地板也采用S4壳单元，连续墙分幅之间采用连接单元连接。

根据实际情况，连续墙底部采用竖向约束，地连墙外部施加主动水土压力，根据土层的渗透性分级分别采用水土分算或水土核算，内部有水荷载时施加径向水压力。基坑内部采用法相弹簧约束，根据勘察报告提供的地基抗力系数确定，当模拟地连墙内部土体开挖时，采用释放弹簧的方式实现。

1）地连墙变形

梅子洲风井的地下连续墙在开挖完成和坑内排水后的变形如图2-16所示。左图是连续墙开挖完成后的径向变形计算结果，由于开挖过程中风井内部水面比坑外地下水位要高，抵消了坑外的水压力，且由于梅子洲风井连续墙由24幅组成，整体性很好。因此，风井连续墙在开挖完成后的变形值很小，最大变形值不足1mm，开挖地面附近的变形最大。右图是连续墙在坑内排水后的径向变形计算结果，待水下浇筑的地板和C20素混凝土达到设计强度后，将坑内水体排出，这时连续墙的变形增大，最大变形值为1.3mm，出现在第三道环梁的深度。

图2-16　连续墙径向变形(www.xing528.com)

2）地连墙受力

地下连续墙在开挖完成和坑内排水后的竖向弯矩如图2-17所示。左图是开挖完成后地下连续墙的竖向弯矩计算结果，其中正弯矩表示连续墙外侧受拉，负弯矩表示连续墙内侧受拉，最大正弯矩为489kN·m，出现在基坑开挖底面附近；最大负弯矩为-200kN·m，出现在开挖底面上下一定高度范围。右图是坑内排水后地下连续墙的竖向弯矩计算结果，由于底板浇筑后与地连墙形成共同支护体系，连续墙的最大正弯矩有所减小，为465kN·m，仍出现在基坑开挖底面附近；而随着坑内水的排出，上部连续墙承受在外部水压力作用下变形增大，负弯矩也相应增大，最大为-333kN·m，出现在连续墙上部第三道环梁的位置。

3）地连墙厚度

地连墙的厚度决定了支护体系的刚度，是影响支护结构稳定的最主要因素。同时地连墙的厚度也决定了施工用料的多少，地连墙开槽的速度和机械的选用。为了研究地连墙厚度对支护结构的影响采用控制变量法，在其他因素不变的情况下只改变墙体厚度，分别取600mm、800mm、1000mm、1200mm、1400mm、1600mm、1800mm一共7种不同厚度的墙体进行数值模拟计算，绘制地连墙最大位移与厚度关系曲线如图2-18所示。

图2-17　连续墙竖向弯矩

图2-18　地连墙最大位移与厚度关系曲线

由图2-18可以看出，地连墙厚度变化对地连墙的水平位移量有显著的影响，地连墙的水平位移随着其厚度的增大而减小。结果表明在地连墙厚度在600mm到1000mm之间变化时，地连墙的水平位移最显著。这个区间地连墙厚度增大0.4m，地连墙最大水平位移量减小12.4mm。随着地连墙厚度的继续增大，地连墙位移继续保持减小的趋势，但是其速率在不断减小。当地连墙厚度从1000mm增加到1400mm时，地连墙厚度增加0.4m，地连墙最大水平位移减少了3.2mm。当地连墙厚度从1400mm增加到1800mm时，同样是加厚0.4m，地连墙最大水平位移却只减少了2.2mm。另外在地连墙厚度较小时，其支护刚度相应减小，在支撑处其变形曲率较大，会产生较大的应力集中，不利于地连墙的结构稳定。

因此，在深基坑地连墙设计中，保持一定的地连墙厚度有利于控制变形，但是利用增大厚度来控制变形也有一个限度，当厚度达到一定条件下，地连墙的位移减小非常有限，反而会增加施工难度，增加工程预算。