后张预应力地连墙的探讨

赵明时，申立明，郑建民

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津　300222）

后张预应力地连墙的探讨

赵明时，申立明，郑建民

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津300222）

摘要：针对地连墙建设风险和成本不断上升的现状，以传统地连墙和预应力技术为基础，首次提出后张预应力地连墙结构及实施方案。着重从施加初始预应力、换标号连续浇筑混凝土及孔道灌浆三方面解决传统地连墙和预应力技术不融合的问题，确保地连墙施工的质量和效益，可为其它预应力地下空间结构的设计和施工提供借鉴。

关键词：后张预应力；地连墙；结构；实施方案

中图分类号：U655.54；TU378

文献标志码：A

文章编号：2095-7874（2015）03-0045-04

doi：10.7640/zggWjs201503009

收稿日期：2014-10-16修回日期：2014-11-25

作者简介：赵明时（1983—），男，河北唐山市人，硕士，工程师，主要从事地基基础与港口工程施工技术管理工作。E-mail：dushe004@163.com

Discussion on cast-in-p lace post-tensioned diaphragMwall

ZHAO Ming-shi，SHEN Li-ming，ZHENG Jian-min
（CCCC FirstHarbor ConsultantsCo.,Ltd.,Tianjin 300222,China）

Abstract：By now,the risks and costs of diaphragMwall construction keep rising.In this case,the structure and implement solution of cast-in-place post-tensioned diaphragMwall is proposed based on the traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.Applying the initial prestress,continuous pouring differentgrade concrete and ductgrouting are mainly introduced.These three aspects solve the incompatible contradictions between traditional cast-in-place diaphragMwall technology and prestress technology.The research willensure the quality and efficiency during the process of diaphragMwall construction,provide references for design and construction ofother cast-in-place underground space structure.

Keywords：post-tensioned prestress；diaphragMwall；structure；implement solution

1　研究背景

1.1设计背景

目前，地连墙结构一般应用在房建、市政及港口等地下工程和近岸工程领域，并作为主体或者围护结构。随着科技的快速进步和社会经济的高速发展，大型基坑和深水板桩码头等工程对地连墙强度、刚度和耐久性提出了更高的要求，为了满足地连墙承载力、变形和裂缝控制的要求，地连墙的截面尺寸、深度及钢筋量不断增加。带来的问题是，一旦地连墙厚度、深度和用钢量增大，其抗震性能将会削弱，同时地连墙成槽、钢筋笼吊装和混凝土浇筑等施工难度和风险也将会上升，随之带来的地连墙成本也会加大。

在港口工程建设中，单锚地连墙通常仅适用于3万吨级以下的中小型码头，船舶大型化和码头深水化的发展趋势对该种结构提出了更高的要求。当码头前沿水深达到一定深度，单纯靠增加地连墙的厚度已经无法解决承载力的问题，因为厚度的增加也加剧了弯矩的增大。此时，为使地连墙能满足深水码头的使用功能，往往需要在地连墙后增设遮帘桩或卸荷承台等其他减小土压力的结构措施，以达到减小前地连墙弯矩的目的，以上措施大大增加了码头水工建筑物的造价。而如果采用后张预应力地连墙结构，则可以考虑取消地连墙后的减压构件。以唐山港曹妃甸港区某10万吨级煤炭码头为例，如果按照常规结构设计，需要采用后面带有遮帘桩的地连墙结构[1]，如图1。此时，前墙弯矩为1 708 kN·m/m，地连墙含钢量为μ非预应力＝180 kg/m3；如果采用后张预应力地连墙形式，则可以取消遮帘桩，此时前地连

墙弯矩为2 971 kN·m/m，地连墙所需含钢量为μ预应力＝29 kg/m3，μ非预应力＝142 kg/m3。在以上断面优化设计中，码头工程按照每单延米考虑，在前墙总含钢量基本没有增加的前提下，取消遮帘桩可以节省约30％钢筋混凝土。传统地连墙采用HRB400钢筋作为抗拉材料，该钢筋的抗拉强度设计值fy= 360 N/mm2。而后张预应力地连墙是采用钢绞线作为抗拉材料，钢绞线的抗拉强度设计值fpy=1 320 N/mm2。在同等的拉力作用下，采用钢绞线能有效降低用钢量，从而节约成本，减少资源的消耗。与传统地连墙相比，在同样受力条件下，后张预应力地连墙截面减少15％、抗震性增加20％、钢筋节约30％，混凝土节约15％。由此可见后张预应力地连墙的开发应用带来的经济效益是非常显著的。

图1　遮帘式板桩码头Fig.1 Covered type of sheet pilewharf

另一方面，地连墙的组成主要为钢筋和混凝土。理论上讲，通过提高地连墙钢筋和混凝土的强度可以提高地连墙的承载力。但是，从以往大型基坑和深水板桩码头的地连墙原型观测来看，地连墙受力在远没达到设计值时，地连墙的变形和裂缝就已经达到了设计值，这说明对于使用高强钢筋和混凝土的地连墙来说，承载力已经不是影响地连墙的主要因素，挠度和裂缝才是地连墙设计和施工的决定性因素，因此地连墙采用高强钢筋和高强混凝土不能充分发挥它们的作用。另外，地连墙施工需要水下浇筑混凝土，混凝土必须具有良好的和易性和流动性，在地连墙施工中混凝土强度等级一般不会超过C40，而提高混凝土强度等级对提高地连墙的抗裂性和控制裂缝的宽度作用也是极其有限的[2]。

1.2施工背景

预应力技术在房建及桥梁等地上结构中已经得到广泛应用，而在地连墙结构中之所以迟迟不采用预应力技术，很重要的原因就是其施工质量难以满足设计及规范要求。如果地连墙继续沿用房建及桥梁等预应力结构的工艺施工，会出现以下主要问题：

1）预应力钢筋铺设完成后，需要吊装方能到达预定位置，预应力钢筋在下放过程中可能发生局部变形或移位，影响受力效果。

2）水下浇筑混凝土，混凝土质量控制难度较陆上大，特别是预应力固定端和张拉端附近混凝土一旦强度不足，将严重影响后续施工，即施加预应力时固定端或张拉端混凝土破碎。

3）由于地连墙埋于地下，故孔道灌浆时无法像桥梁、房建等预应力结构一样在侧壁开排气孔。

综上，传统的地连墙结构在面临大型基坑和深水板桩码头等工程建设时，已经出现施工风险大、耗材多和成本高等弊病，地连墙的发展已经不再符合我国向节约型和科技创新型社会发展的趋势，需要一种新的地连墙形式来实现其可靠性和经济性的协调一致[3]。

2　后张预应力地连墙结构

2.1设计思路

利用预应力钢筋张拉后的弹性回缩，对地连墙混凝土施加压力，使后张预应力地连墙充分发挥预应力钢筋抗拉强度高和混凝土抗压能力强的特点，可以显著提高地连墙的承载能力。另一方面，后张预应力地连墙在外荷载作用时，首先抵消预压应力，然后随着外荷载的增加，受拉区混凝土才开始受拉，从而延迟了地连墙裂缝的出现和开展，提高了地连墙的刚度和抗裂能力，设计思路如图2。

图2　设计思路Fig.2 Design idea

2.2后张预应力地连墙结构组成

后张预应力地连墙主要包括：固定端锚具、

张拉端锚具、预应力钢筋、波纹管、钢筋笼及混凝土[4]。

1）固定端锚具包括：固定端锚板、固定端锚垫板、固定端夹片、固定端螺旋筋，固定端锚板有锥孔，与固定端夹片配合，利用锥孔的楔紧将预应力钢筋锚固，固定端锚垫板和固定端螺旋筋共同组成固定端锚板下受力构件，以满足承载和传递预应力的要求。

2）张拉端锚具包括：张拉端锚板、张拉端锚垫板、张拉端夹片、张拉端螺旋筋，其连接方式与固定端锚具相同。

3）预应力钢筋从波纹管中穿过，铺设并固定在钢筋笼上之后，预应力钢筋两端再分别固定到固定端锚具和张拉端锚具上。

3　后张预应力地连墙的实施方案

3.1预应力钢筋的下料

预应力钢筋一定要先按要求的下料长度，在下料场做出明显下料长度标记，下料时要用轮片式砂轮机断料，严禁采用电焊或风割断料。

由于后张预应力地连墙施工的特殊性，张拉时必须采用一端张拉，一般情况下预应力钢筋的下料长度按下式计算，并通过试用后进行修正，如图3所示。

L= L1+ L2+ L3+ L4+ L5+ L6

式中：L为预应力钢筋的下料长度；L1为预应力孔道长度；L2为固定端锚具厚度；L3为张拉端锚具厚度；L4为千斤顶工作长度；L5为固定端长度富余量；L6为张拉端长度富余量。

图3　预应力钢筋长度Fig.3 Length of prestressed steel

3.2地连墙钢筋笼的制作与预应力钢筋的穿束

预应力钢筋由于其刚度不满足起吊要求，因此要想将预应力钢筋下放至地连墙指定位置，必须依附于地连墙钢筋笼骨架，也就是说钢筋笼的吊装必须携带预应力钢筋。

相比其它预应力结构，地连墙预应力钢筋较长，因此地连墙预应力穿束时，宜采取整束拖拉法，即将卷扬机钢丝绳套在钢绞线束前端，人工将预应力钢筋端头抬高并放入管道口内，并拖带一段距离，开动卷扬机拖拉，使整束预应力钢筋缓缓进入孔道。预应力钢筋的穿束必须对预应力钢筋端头加以保护，以防损伤波纹管。

地连墙钢筋笼制作一般采用焊接，预应力钢筋与钢筋笼的连接与固定采用绑扎，同时在焊接和绑扎过程中注意保护锚具与波纹管。

3.3施加初始预应力

钢筋笼下放完成后，预应力钢筋往往存在一定的局部变形或者位移，如图4所示，因此必须对预应力钢筋进行调直，以保证预应力钢筋在混凝土浇筑前能够处于设计的位置上。

图4　调直预应力钢筋Fig.4 Straightening prestressed steel

将卷扬机等小型设备放置于导墙上对预应力钢筋施加初始预应力，待预应力钢筋伸直即可停止施加预应力，并将预应力钢筋固定在相邻加长主筋上。考虑到需要在导墙上施加初始预应力，预应力钢筋一般要超出导墙不少于1 m；另外，为了将调直的预应力钢筋固定住，需要将距离预应力钢筋最近的主筋延伸出导墙不少于0.5 m，如图4所示。

3.4换标号连续浇筑混凝土

水下换标号连续浇筑混凝土，固定端和张拉端至少2 m范围内混凝土提高一个标号，同时在该范围内降低混凝土浇筑速度，以保证固定端和张拉端受力范围内混凝土的密实度，如图5所示。特别是固定端混凝土浇筑加强区，根据地连墙的施工特点，预应力钢筋固定端埋置较深，混凝土浇筑时探摸固定端混凝土面高度精确度不高，因此固定端混凝土浇筑加强区要大于张拉端混凝土浇筑加强区。另外，为了防止加强区混凝土出现开裂，可以在混凝土中掺入一定量的纤维。

图5　换标号连续浇筑混凝土Fig.5 Continuous pouring differentgrade concrete

3.5桩头凿除

地连墙混凝土浇筑结束后，顶部混凝土存在一定的沉渣或者浮浆，因此地连墙浇筑高度一般要较实际地连墙面高，这部分高出的混凝土在浇筑完成后，需要凿除后方可进行预应力钢筋的张拉。因此，在混凝土浇筑前，需要对凿除范围内的预应力钢筋用套筒保护起来，防止在桩头凿除过程中破坏预应力钢筋。

3.6预应力钢筋的张拉

预应力钢筋张拉设备为千斤顶，千斤顶定位时，要保证千斤顶轴线、锚具轴线与预应力钢筋轴线的“三轴同心”。

张拉前实施混凝土强度、弹性模量、混凝土龄期“三控”。张拉应在地连墙混凝土强度及弹性模量达到设计值后、龄期不少于20 d时进行。

张拉中实施张拉应力、应变、时间“三控”：即张拉时以油压表读数为主，以预应力钢筋的伸长值作校核，在张拉力作用下维持一定的时间[5]。考虑到预应力钢筋的制作偏差及应力损失（孔道摩擦损失、锚固损失、弹性压缩损失、钢材应力松弛损失及混凝土收缩形变损失等），张拉力宜采用预应力钢筋破断力的0.65～0.75倍，实际伸长值与计算伸长值的允许偏差为-5％ ～10％。

3.7孔道灌浆

后张预应力地连墙接触介质为地下水或海水，这些介质中常含有对钢筋腐蚀性较强的离子，一旦这些离子侵入混凝土内部破坏预应力钢筋，地连墙结构的安全性将严重降低，因此后张预应力地连墙在预应力钢筋张拉后，需进行灌浆处理。

根据后张预应力地连墙的施工特点，孔道灌浆不能像房建、桥梁等预应力结构一样在侧壁开排气孔，为此需要预先安置一道通长的压浆孔道，并在顶端预留几道排气孔道，以保证水泥浆能够充分包裹预应力钢筋。另外为了减少地下水或海水对预应力钢筋的腐蚀，灌浆材料可适当添加阻锈剂；预应力钢筋所在地连墙范围内可适当加密钢筋笼垫块，以确保预应力钢筋保护层厚度。

4　结语

1）后张预应力地连墙首次将预应力技术引入地连墙结构中，解决了传统房建及桥梁等预应力技术应用于地连墙中的问题，为地连墙的发展探索了一条新的道路。

2）后张预应力地连墙能够提高地连墙的强度、刚度、抗裂性，减少用钢量。与传统地连墙相比，在同样受力条件下，后张预应力地连墙具有截面小、抗震性能好、材料省等优点。

3）后张预应力地连墙的出现，为预应力技术向地下空间结构发展提供了新的思路，为建筑结构中地下建筑与地上建筑的协调发展奠定了基础，拥有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]刘永绣.板桩码头和地下连续墙码头的设计理论和方法[M].北京：人民交通出版社，2006. LIU Yong-xiu.Designing theory and method for sheet pile wharfs and diaphragMwall wharfs[M]. Beijing：China Communication Press,2006.

[2] TIMOSHENKO SP.材料力学[M].萧敬勋，刘文秀，译.天津：天津科学技术出版社，1989. TIMOSHENKO SP.Strength ofmaterials[M].XIAO Jing-xun,LIU Wen-xiu,translation.Tianjin:Tianjin Science and Technology Press,1989.

[3]肖桂元，郭维君，陈学军.特殊地质条件深基础地下连续墙施工应用研究[J].地下空间与工程学报，2012，8（3）：615-620. XIAO Gui-yuan,GUO Wei-jun,CHEN Xue-jun.Research of diaphragMwall construction in deep foundation under special geological conditions[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2012,8(3):615-620.

[4]李彦林.预应力混凝土结构关键技术与施工管理[D].西安：长安大学，2012. LI Yan-lin.Prestressed concrete structure key technology and constructionmanagement[D].Xi'an:Chang'an University,2012.

[5]吕李清，杨意安，仝为民，等.大跨度预应力张弦梁施工控制技术研究[J].施工技术，2008，37（4）：61-63. LYU Li-qing,YANG Yi-an,TONG Wei-min,et al.Construction technology of large-span internalprestressed beam-string structure [J].Construction Technology,2008,37(4):61-63.