预应力异形地下连续墙及其施工方法与流程

1.本发明属于施工领域，具体涉及一种预应力异形地下连续墙及其施工方法。


背景技术：

2.地下连续墙强度较高、刚度较大、是软土地区常用的围护结构形式。对于地下连续墙结合一道内支撑的围护体系，常规设计流程是先计算弯矩包络图并将弯矩包络图简化为矩形，再设计墙体厚度及配筋。这种方法虽然能较为简便地设计出地下连续墙，但墙顶和墙底的厚度明显大于所需厚度，造成材料浪费。
3.此外，软土地区地下连续墙结合一道内支撑的围护体系，墙体水平位移较大，最大水平位移往往出现在坑底。过大的墙体变形可能会诱发墙体开裂、墙体渗漏、坑底隆起等问题，影响坑内正常施工。甚至可能导致坑外地铁、建筑物、道路、管线等设施发生破坏，造成严重的后果。因此，有必要对传统的地下连续墙体系进行改进。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中地下连续墙体系存在的上述问题，并提供一种预应力异形地下连续墙及其施工方法。
5.本发明所采用的具体技术方案如下：
6.第一方面，本发明提供了一种预应力异形地下连续墙，其包括异形地下连续墙、预应力钢筋、压顶梁和内支撑梁；所述异形地下连续墙的纵剖面为墙体厚度由中间向两端渐缩的异形剖面，且异形剖面的朝向坑内一侧为平面，朝向坑外一侧为非平面，墙体厚度最大位置与坑底的标高平齐；
7.所述压顶梁和内支撑梁浇筑固定于异形地下连续墙的顶部，与异形地下连续墙共同形成一体的基坑围护结构；
8.所述预应力钢筋内置于异形地下连续墙中且沿异形地下连续墙走向间隔布置；每条预应力钢筋内置于竖向贯通墙体且管内充满注浆的注浆管道中，两端分别通过锚固装置锚固于异形地下连续墙的墙底和所述压顶梁中，且预应力钢筋预先通过张拉形成预应力；在所述异形剖面中，预应力钢筋的束型呈曲线形式，其在墙体厚度最大位置处贴近靠坑内一侧，而在墙顶和墙底位置处均贴近靠坑外一侧。
9.作为优选，所述异形剖面中，墙体两端厚度为墙体最大厚度的一半。
10.作为优选，所述异形地下连续墙中，注浆管道每隔一定间距通过钢丝绑扎固定于墙内钢筋笼上，以保持预应力钢筋具有曲线形式的束型，且注浆管道的每一个绑扎位置与对应的墙内钢筋笼之间均通过夹持垫块保持间隔。
11.作为优选，所述预应力钢筋的底部通过底端锚固装置固定于位于异形地下连续墙底面的止水端板上，且所述注浆管道的底部与止水端板之间保持密闭。
12.作为优选，所述预应力钢筋的顶部通过顶端锚固装置固定于所述压顶梁顶面的凹槽中，且所述凹槽通过细石混凝土填充封闭。
13.作为优选，所述注浆管道为pvc管道。
14.第二方面，本发明还提供了一种如第一方面任一所述预应力异形地下连续墙的施工方法，其包括：
15.s1、沿基坑的外围按照设计深度机械开挖地下连续墙沟槽，并在基坑的坑底位置向坑外对沟槽进行扩孔，使沟槽的跨度由中间向两端渐缩，形成满足所述异形剖面的异形沟槽；
16.s2、对所述异形沟槽按照设计要求绑扎钢筋形成墙内钢筋笼，并在所述异形沟槽不同位置放置预应力钢筋；每一条预应力钢筋外套注浆管道后在两端分别安装底端锚固装置和顶端锚固装置，其中底端锚固装置固定在止水端板上并对所述注浆管道底部与止水端板之间进行防水密封处理，然后将止水端板固定于异形沟槽的底部，而顶端锚固装置则安装于所述压顶梁顶面预留的凹槽的设计标高处，注浆管道每隔一定间距通过钢丝绑扎固定于墙内的墙内钢筋笼上使其束型呈曲线形式，每一条预应力钢筋在墙体厚度最大位置处贴近靠坑内一侧，而在墙顶和墙底位置处均贴近靠坑外一侧；
17.s3、在所述异形沟槽中浇筑混凝土并养护成型，形成异形地下连续墙，所述预应力钢筋、墙内钢筋笼和注浆管道均需要伸出异形地下连续墙的顶面；
18.s4、按照设计要求搭设所述压顶梁和内支撑梁的模板，在模板内绑扎压顶梁和内支撑梁的梁内钢筋笼，并将墙内钢筋笼与压顶梁的梁内钢筋笼联结，浇筑混凝土并养护成型，形成所述压顶梁和内支撑梁；且在所述压顶梁浇筑过程中，每一条所述预应力钢筋的顶端锚固装置位置上方需要预留连通外部的凹槽，使所述压顶梁成型后预应力钢筋能够通过该凹槽伸出压顶梁顶面；
19.s5、采用后张法对伸出压顶梁顶面的每一条预应力钢筋进行张拉，并在张拉完毕后通过顶端锚固装置进行限位固定，使预应力钢筋在自身预应力作用下对异形地下连续墙持续施加压应力，使异形地下连续墙在预应力钢筋作用下形成朝向坑外的位移趋势；
20.s6、对完成张拉后的注浆管道进行注浆，使注浆管道内充满浆液，注浆完成后采用细石混凝土封堵所述凹槽，完成预应力异形地下连续墙的施工。
21.作为优选，所述预应力钢筋的张拉应当在异形地下连续墙和压顶梁的混凝土强度达到张拉所需的最低强度后进行。
22.作为优选，所述异形沟槽采用机械成槽方式开挖。
23.作为优选，所述预应力钢筋和注浆管道在墙内钢筋笼上的绑扎采用高强钢丝实现，且注浆管道与墙内钢筋笼之间需要插入垫块进行间隔。
24.相比于传统地下连续墙体系，本发明提供的预应力异形地下连续墙体系有以下优点：
25.(1)本发明通过采用异性剖面的地下连续墙，在保证墙体结构强度的情况下，能够节约材料用量，特别是混凝土材料用量。理论上本发明能够相对于传统矩形剖面的地下连续墙节约25％的混凝土用量。
26.(2)本发明通过设置束型呈曲线形式的预应力钢筋，能够有效减小墙体的水平位移，保证坑内正常施工，避免坑外设施破坏，保护周边环境。理论上，相对于传统矩形剖面的地下连续墙，本发明能减小墙体在坑底位置70％的水平位移。
附图说明
27.图1为地下连续墙变形性状示意图；其中(a)为真实弯矩包络图，(b)为简化的弯矩包络图，(c)为传统地下连续墙，(d)为本发明的异形地下连续墙；
28.图2为两种不同地下连续墙变形性状示意图；其中(a)无预应力钢筋的异形地下连续墙，(b)本发明有预应力钢筋的预应力异形地下连续墙；
29.图3为本发明中预应力异形地下连续墙的平面布置图；
30.图4为本发明中预应力异形地下连续墙的关键节点示意图；其中(a)为剖面图，(b)为立面图，(c)为立面图中的1-1和2-2断面图；
31.图5为图4的剖面图中a、b、c三个位置的放大示意图；
32.图6为预应力异形地下连续墙工艺流程示意图；其中(a)为机械成槽后的状态，(b)为绑扎钢筋后的状态，(c)为浇筑地下连续墙后的状态，(d)为张拉预应力钢筋并填充凹槽后的状态。
33.图中附图标记为：坑外w、坑内n、坑底d、内支撑轴线z、标准幅s、异形地下连续墙1、预应力钢筋2、墙内钢筋笼3、压顶梁4、内支撑梁5、注浆管道6、细石混凝土7、钢丝8、垫块9、止水端板10。
具体实施方式
34.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”或“固定”另一个元件，可以是直接连接或“固定”到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。
36.如图1(a)所示，对地下连续墙真实的弯矩包络图进行分析可见，地下连续墙在坑底d位置弯矩最大，在墙顶和墙底最小。如图1(b)所示，常规设计方法是取坑底d位置的弯矩最大值，并将弯矩包络图简化为矩形。如图1(c) 所示，为根据简化后的弯矩包络图设计出剖面呈矩形的传统地下连续墙。但是对比真实的弯矩包络图可知，该矩形剖面的地下连续墙除了坑底d位置部分之外，其余的部分的厚度均明显大于实际所需厚度，因此存在大量的混凝土浪费。
37.如图1(d)所示，本发明中首先对传统地下连续墙的矩形剖面进行改进，设计了采用异形剖面的异形地下连续墙，在该异形剖面中墙体厚度由中间向两端渐缩，与图1(a)所示的真实弯矩包络图类似。由此，该墙体在保证地下连续墙的正常功能的同时，与真实弯矩包络图更为吻合，有效避免了材料的浪费。
38.另外，软土地区地下连续墙中墙体往往在坑底d位置收到坑外土体的压力，从而产生朝向坑内的水平位移。为了进一步控制地下连续墙的此类水平位移，在墙内设置预应力钢筋。地下连续墙的压顶梁成形后可张拉预应力钢筋，对墙体施加一个向坑外的位移。最终，整个预应力异形地下连续墙体系包括异形地下连续墙1、预应力钢筋2、压顶梁4和内支撑梁5，预应力钢筋张拉前后的位移包络图如图2(a)和图2(b)所示，由此可见在本发明的异
形地下连续墙中张拉预应力钢筋，可以抵消墙体朝向坑内的部分总位移，从而减小墙体的水平位移，避免出现墙体开裂、墙体渗漏、坑底隆起等问题。
39.如图3所示，为本发明的一个较佳实施例中所展示的一种预应力异形地下连续墙的平面图，其中预应力异形地下连续墙围绕基坑的外周设置，地下连续墙顶部具有压顶梁和内支撑梁，其中压顶梁也环绕着基坑的外周设置，而内支撑梁则设置于压顶梁的围合区域内侧，图中标记z表示内支撑轴线。但需要注意的是，图3仅仅为一个示例性的平面布置形式，其他实施例中亦可根据基坑的实际情况对平面布置进行调整。
40.下面选择预应力异形地下连续墙的一个标准幅s对其具体结构进行详细阐述。
41.如图4(a)所示，整个预应力异形地下连续墙体系包括异形地下连续墙1、预应力钢筋2、压顶梁4和内支撑梁5。其中，异形地下连续墙1的纵剖面为墙体厚度由中间向两端渐缩的异形剖面，但需要说明的是此处的中间仅仅用于代表与两端具有一定间距的中部位置，并不一定完全是异形地下连续墙1标高的1/2 位置。该异形剖面呈五边形形状，异形地下连续墙1的顶面和底面均保持水平，而异形地下连续墙1朝向坑内n一侧为平面，朝向坑外w一侧为两个斜面组成的非平面，两个斜面的交界位置为墙体厚度最大的中间位置，该中间位置与基坑坑底d的标高平齐。压顶梁4和内支撑梁5浇筑固定于异形地下连续墙1的顶部，其中压顶梁4环绕着异形地下连续墙1的顶部，而内支撑梁5则水平支撑于压顶梁4的内侧，以提高压顶梁4的整体稳定性。压顶梁4、内支撑梁5与异形地下连续墙1均可通过钢筋混凝土构筑，共同形成一体的基坑围护结构。
42.如图4(b)所示，为预应力异形地下连续墙的立面图，可见一系列预应力钢筋2均内置于异形地下连续墙1中，且沿异形地下连续墙1走向间隔布置。每条预应力钢筋2内置于竖向贯通墙体且管内充满注浆的注浆管道6中，预应力钢筋2的底端通过锚固装置锚固于异形地下连续墙1的墙底，而预应力钢筋2的顶端则通过锚固装置锚固于压顶梁4中。而且，在施工过程中，预应力钢筋2预先通过张拉形成预应力，在两端锚固装置的固定和传导下，预应力钢筋2的张拉力能够施加到异形地下连续墙1上，对异形地下连续墙1形成压应力。本发明中，设置预应力钢筋2的目的是部分抵消坑外软土地基对异形地下连续墙1造成的水平推力，因此为了使预应力钢筋2能够实现该功能，预应力钢筋2的束型应当呈曲线形式。如图4(c)所示，在异形地下连续墙1的异形剖面中，预应力钢筋2 的束型与墙体变形性状一致，在墙体厚度最大位置处贴近靠坑内n一侧，而在墙顶和墙底位置处均贴近靠坑外w一侧。在该曲线形式的束型下，预应力钢筋 2被张拉并锚固后，其钢筋的张拉力会通过锚固装置作用在异形地下连续墙1的混凝土上，整体对墙体施加一个向坑外的作用力，进而使异形地下连续墙1在预应力钢筋2作用下形成朝向坑外的位移趋势，这种位移趋势可以部分抵消墙体在坑外土体作用下朝向坑内的位移趋势，最终整体减小墙体的水平位移。经过理论计算，通过合理设计，该预应力异形地下连续墙最多能减小坑底位置墙体70％的水平位移，从而大大提高墙体的稳定性。
43.另外，在上述异形剖面中，墙体两端厚度优选设置为墙体最大厚度的一半，该做法能够保证墙体满足与矩形剖面地下连续墙的基本功能相似，但更符合真实弯矩包络图。如图1(c)和图1(d)所示，异形剖面中墙体中间位置的最大厚度与矩形剖面的厚度一致，均为2b，但两端厚度仅为b，是矩形剖面厚度的一半后。这种做法下，通过理论计算，该预应力异形地下连续墙仙姑低于矩形剖面的地下连续墙能节省约25％的混凝土用量。
44.另外，由于上述异形地下连续墙1中，预应力钢筋2是以曲线形式的束型固定于异形剖面中的。因此，如图5中b所示，为了保证异形地下连续墙1在混凝土浇筑前预应力钢筋2能够保持该束型，预应力钢筋2外部套设的注浆管道6 在厚度最大的中间位置需通过钢丝8绑扎固定于墙内钢筋笼3上；而且，由于预应力钢筋2是通过后张法进行张拉的，为了保证预应力钢筋2能够被顺利张拉，注浆管道6的钢丝8绑扎位置与对应的墙内钢筋笼3之间均通过夹持垫块9保持间隔。墙内钢筋笼3采用普通钢筋，钢丝8绑扎完毕后，垫块9受压，而钢丝8 受拉。为了保证绑扎可靠性，钢丝8可采用高强钢丝。另外，除了厚度最大的中间位置之外，注浆管道6的其余位置每个一定间距也可采用同样的方法用钢丝8 和垫块9与墙内钢筋笼3绑扎固定，从而以保证后续混凝土浇筑时依然能够保持曲线形式的束型。
45.需说明的是，注浆管道6所采用的材质不限，考虑成本和使用便捷性，注浆管道6可选择为pvc管道。
46.另外，为了满足后张法施加预应力的要求，预应力钢筋2的底部和顶部均需要通过锚固装置进行固定。而且预应力钢筋2是在张拉完毕后才进行注浆的，在此之前其外部的注浆管道6内是空的。但异形地下连续墙1底部往往需要打入地基深处，为了防止张拉前墙底地下水沿孔道流入墙内，需要考虑对注浆管道6 底部进行防水密封。在本发明中，可在实际施工时在预应力钢筋2和注浆管道6 的底部增设同时用于防渗水和作为锚固端的止水端板10。具体如图5中c所示，可将预应力钢筋2的底部通过底端锚固装置固定于位于异形地下连续墙1底面的止水端板10上，且注浆管道6的底部与止水端板10之间需要进行密封处理，保持密闭不透水。止水端板10一般采用钢板，因此pvc材质的注浆管道6与钢板之间需要通过防水的结构胶或者其他防水封堵材料进行密封，使地下水无法通过注浆管道6底部开口渗入管内。
47.另外，预应力钢筋2的底部锚固装置可以直接焊接在止水端板10上，在异形地下连续墙1浇筑混凝土之前就放置在异形地下连续墙1的底部，当异形地下连续墙1的混凝土浇筑养护完毕后即可型线底部锚固端。但预应力钢筋2的顶部不能直接固定，后续需要等压顶梁4浇筑并养护至具有一定强度后，通过后张法张拉至所需的应力值，然后再进行锚固。因此，如图5中a所示，压顶梁4在浇筑时，可以在顶面上预留凹槽，预应力钢筋2的顶部可通过该凹槽穿出压顶梁 4顶面，以便于千斤顶等张拉机械对其进行张拉，张拉完毕后再通过调整顶端锚固装置将其端部进行锚固。最终预应力钢筋2的顶部通过顶端锚固装置被固定于压顶梁4顶面的凹槽中，而凹槽则可通过细石混凝土7填充封闭。
48.需要说明的是，本发明中预应力钢筋2所采用的底端锚固装置和顶端锚固装置可采用现有技术中的锚固装置来实现。在本发明的优选实施例中，底端锚固装置和顶端锚固装置均包括锚具、锚垫板和螺旋筋。
49.由此可见，上述预应力异形地下连续墙通过结合异形剖面和预应力钢筋，既可以提高墙体抵抗坑外土体的水平荷载，还能够节省所需的混凝土用量，节省工程造价成本。
50.该预应力异形地下连续墙可采用以下施工工艺流程来实现：机械成槽
→
绑扎钢筋、设置预应力钢筋
→
浇筑异形地下连续墙
→
浇筑压顶梁、内支撑
→
张拉预应力钢筋
→
孔道内注浆、封闭上端头。
51.下面具体对于上述预应力异形地下连续墙的施工方法进行详细描述，如图6 所示，该施工方法包括如下施工步骤：
52.s1、沿基坑的外围按照设计深度机械开挖地下连续墙沟槽，并在基坑的坑底 d位置向坑外对沟槽进行扩孔，使沟槽的跨度由中间向两端渐缩，形成满足所述异形剖面的异形沟槽，如图6(a)所示。异形沟槽采用机械成槽方式开挖，具体的开挖机械可以根据实际需要选择，对此不作限定。
53.s2、对所述异形沟槽按照设计要求绑扎钢筋形成墙内钢筋笼3，并在所述异形沟槽不同位置放置预应力钢筋2；每一条预应力钢筋2外套注浆管道6后在两端分别安装底端锚固装置和顶端锚固装置，其中底端锚固装置固定在止水端板 10上并对所述注浆管道6底部与止水端板10之间进行防水密封处理，然后将止水端板10固定于异形沟槽的底部，而顶端锚固装置则安装于所述压顶梁4顶面预留的凹槽的设计标高处，注浆管道6每隔一定间距通过钢丝8绑扎固定于墙内的墙内钢筋笼3上使其束型呈曲线形式，每一条预应力钢筋2在墙体厚度最大位置处贴近靠坑内n一侧，而在墙顶和墙底位置处均贴近靠坑外w一侧。最终绑扎完毕后的预应力钢筋2如图6(b)所示。
54.在该步骤中，在将预应力钢筋2和注浆管道6在墙内钢筋笼3上进行固定时，可采用高强钢丝进行绑扎，且注浆管道6与墙内钢筋笼3之间需要插入垫块9 进行间隔。
55.s3、在所述异形沟槽中浇筑混凝土并养护成型，形成异形地下连续墙，且预应力钢筋2、墙内钢筋笼3和注浆管道6均需要伸出异形地下连续墙的顶面，如图6(c)所示。
56.s4、按照设计要求搭设所述压顶梁4和内支撑梁5的模板，在模板内绑扎压顶梁4和内支撑梁5的梁内钢筋笼，并将墙内钢筋笼3与压顶梁4的梁内钢筋笼联结，浇筑混凝土并养护成型，形成所述压顶梁4和内支撑梁5；且在所述压顶梁4浇筑过程中，每一条所述预应力钢筋2的顶端锚固装置位置上方需要预留连通外部的凹槽，使所述压顶梁4成型后预应力钢筋2能够通过该凹槽伸出压顶梁 4顶面。
57.s5、采用后张法对伸出压顶梁4顶面的每一条预应力钢筋2进行张拉，并在张拉完毕后通过顶端锚固装置进行限位固定，使预应力钢筋2在自身预应力作用下对异形地下连续墙1持续施加压应力，使异形地下连续墙1在预应力钢筋2 作用下形成朝向坑外的位移趋势。
58.s6、对完成张拉后的注浆管道6进行注浆，使注浆管道6内充满浆液，注浆完成后采用细石混凝土7封堵所述凹槽，完成预应力异形地下连续墙的施工，如图6d所示。
59.需要注意的是，上述预应力钢筋2的张拉应当在异形地下连续墙1的混凝土强度达到张拉所需的最低强度后进行。
60.另外，需要说明的是，本发明中预应力异形地下连续墙中各结构以及材料的尺寸、参数均需要根据相关规范要求通过设计计算来确定，以满足相应的结构强度为准。上述施工过程中，异形地下连续墙1的具体尺寸，墙内钢筋笼3和梁内钢筋笼的具体钢筋选型和布置形式、预应力钢筋2的型号、直径、数量、位置和张拉力等信息，均需设计单位根据具体计算结果确定。整个施工过程中的具体施工组织亦可根据实际进行优化调整，对此不作限定。
61.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。