富水砂层超深地下连续墙工字钢接头止水适用方法比选

刘 伟 赵亚军 赵保森 吕 朋 韩志强

中建一局集团第五建筑有限公司 北京 100024

地下连续墙作为深大基坑工程的挡土结构，以其刚度大、变形小、整体性好、抗渗性能良好等特点，被广泛运用于地铁基坑工程。在地下连续墙两幅之间连接形式上，较多采用止水质量易于控制的工字钢接头，但施工地下连续墙接头时，也常出现因地下连续墙浇筑时绕流使工字钢内夹杂混凝土、泥砂等杂物，增加接头渗漏水的风险。在本工程高水头、砂层地质情况下，基坑开挖导致内外水位压力差增加，加之地下连续墙接缝形成的涌水通道，基坑开挖时易发生涌水涌砂的险情。

正是由于上述原因，本文基于高水头、富水砂层，对超深地下连续墙工字钢接头止水控制开展关键技术研究，通过2种防绕流施工方法对比，选择可保证接头止水质量的方法[1]，为今后地下连续墙工字钢接头止水质量控制提供参考。

1 工程简介

1.1 项目概况

福州地铁4号线鳌峰洲站，为地下3层岛式车站，车站全长145 m，基坑面积3 409.22 m2。基坑挖深25 m，基底地层位于③1粉质黏土层；车站距闽江450 m，距光明港二支河15 m，施工场地的地下水动态变化，与闽江水系联系紧密。场地承压水稳定水位埋深1.75～4.32 m，标高为2.30～4.30 m。

基坑围护结构采用厚1 000 mm的地下连续墙，深度64 m，地下连续墙接头采用工字钢连接形式。本基坑采用明挖法开挖，基坑内共设置6道内支撑。

1.2 地下连续墙工字钢接头概况

工字钢接头采用厚10 mm钢板工厂加工焊接成12 m一节的半成品运至现场。工字钢接头高880 mm，翼板宽350 mm，翼板一侧偏出150 mm，一侧偏出200 mm（图1）。

图1 地下连续墙工字钢接头断面

因槽壁与钢筋笼间保护层的间距有70 mm，混凝土浇筑时，大坍落度的混凝土向两侧流动至钢筋笼工字钢背面，使背侧的混凝土很难清除，从而在薄弱面形成渗漏水通道，基坑开挖时在内外水压差的作用下，出现接缝渗漏水。

2 施工前安全评估

2.1 混凝土绕流检测

首开幅浇筑完成，相邻幅成槽、刷壁后，采用超声波检测仪，对工字钢接头夹泥或绕流混凝土进行检测。

在水平距离工字钢接头800 mm处，固定检测仪，将方形传感器按一定速度下放入槽，通过超声波反射信号的强弱生成的图像分析成槽质量（图2），深色代表密实的介质，浅色代表悬浮物质。在图像中深色介质突起与浅黄色存在重叠，此处为混凝土绕流块体，或表现为突出体由深色逐渐向浅色过渡也是这种情况[2]。

图2 工字钢附着杂物示意

超声波检测工字钢的另一个目的是得到该侧工字钢倾斜的趋势和倾斜的最大值，然后再检测槽段另一端开挖面一侧垂直度，两者的净尺寸需大于钢筋笼长度以满足钢筋笼入槽的要求，施工中预超挖出400 mm移动量，吊车提升钢筋笼入槽过程中通过水平尺找平工字钢，摆动大臂来微调钢筋笼位置。

2.2 隔水帷幕内外水头差

以隔水帷幕隔断基坑内外水力联系，基坑内降低承压含水层，承压水位下降，承压水位为地表下3 m至基坑底，所产生的内外水头差见表1。

表1 隔水帷幕内外水头差

2.3 锁口管起拔验算

锁口管直径980 mm，总长43 m，槽内41 m，外露2 m，锁口管质量约为0.9 t/m，使用800 t引拔机起拔。

在槽底混凝土浇筑2 h后开始松动锁口管，向上起拔，锁口管起拔阻力主要为2个分力，即锁口管自重G、土体与锁口管之间的摩阻力S，因起拔锁口管时，混凝土未初凝，所以未考虑混凝土与锁口管之间的黏结力C与摩阻力f，锁口管顶拔受力见图3。

图3 锁口管顶拔受力分解示意

锁口管外壁与土体间的摩阻力，按锁口管周圈与土体接触面阻力计算，各土体摩阻力取值见表2。

表2 土体与锁口管外壁间的单位面积摩阻力

经计算，锁口管与土体间的摩阻力S为4 028.84 kN，锁口管自重计算G为387 kN，锁口管外壁摩阻力总和为4 415.84 kN，小于引拔机的顶拔力8 000 kN，故引拔机能将锁口管拔出。

3 工字钢接头止水适用方法

3.1 接头砂袋填充防绕流

1）接头砂袋填充工序：首开幅浇筑完成→连接幅槽段成槽→槽底及接头清渣→槽壁超声波检测→钢筋笼入槽→工字钢背侧填充砂袋→槽段二次清孔→浇筑混凝土。

2）连接幅开挖6 m宽槽段，水平超挖出槽段400 mm作为调整钢筋笼摆放位置和填充砂袋的空间，砂袋填充防绕流与浇筑导管安装同时进行，砂袋填充采用挖机和人工配合推入槽内，人工测绳测量孔深，每3 m锤击密实一次，方锤尺寸为0.45 m×0.20 m×2.00 m，由履带吊提升从地面向下自由落下，将砂袋夯实，循环反复以上工序（图4）。工字钢背侧填筑砂袋需6～8 h，其间将槽顶泥浆通过浇筑导管向槽底输送，槽底泥浆上浮携渣，泥浆泵抽排至泥浆净化装置除砂后，再返回槽段，其间泥浆液位下降，向槽段补充新浆，直至砂袋填筑完成，槽底深度满足设计要求，然后浇筑混凝土至设计顶标高。反压→槽段二次清孔→浇筑混凝土。

图4 连接幅槽段开挖示意

2）锁口管直径980 mm，壁厚40 mm，管节长10 m，重9 t；工字钢宽880 mm，将锁口管垂直卡入工字钢凹槽内并在底部嵌入砂袋1 m深度，在成槽时再超挖出锁口管一侧270 mm，反压碎石，固定锁口管；为减少混凝土绕流，在工字钢翼板两侧固定0.6 m宽、0.3 mm厚镀锌铁皮（图7）。

图7 锁口管防绕流平面

3）砂袋填充防绕流缺陷与不足。从基坑开挖裸露墙面外观看，第1道至第2道支撑间7.15 m高范围墙面基本无渗漏，质量缺陷主要为表层8 m深度内的垃圾土、软弱砂层坍塌产生的墙面鼓包严重，墙体外观质量差（图5）。从第2道支撑以下至基底17.85 m深，质量缺陷主要表现为墙体接缝夹杂砂袋、泥土，清除砂袋等黏结物的凹陷形成水流通道，接缝渗漏水明显，可见明水外流（图6）；经统计，车站63幅地下连续墙接缝共有渗漏28处，占总幅数44%。

图5 第2道支撑以上墙体外观质量

图6 工字钢接头凹陷及渗漏水

4）施工工效。超深地下连续墙成槽需用时39～42 h，钢筋笼吊装3～4 h，接头填充砂袋6～8 h，浇筑混凝土用时约8 h。从地下连续墙成槽开始至浇筑完成，平均用时为4 d/幅。

3.2 接头锁口管防绕流

1）接头锁口管填充施工工序：首开幅浇筑完成→连接幅成槽→槽底及接头清渣→槽壁超声波检测→钢筋笼入槽→槽底砂袋回填→安放锁口管→锁口管背面碎石

3）采用锁口管与砂袋配合填充的方法，其中43 m长锁口管，进入地下连续墙有效长度41 m，管底为圆锥形，嵌入砂袋1 m，锁口管以下24 m填充砂袋，锁口管露出导墙面2 m。

4）槽段开挖。连接幅成槽，第1抓开挖原土一侧并超挖出锁口管直径980 mm和270 mm填充碎石的空间。然后第2抓开挖工字钢翼板一侧，因工字钢宽880 mm，小于成槽机抓斗1 m厚度，所以工字钢内侧待成槽完成后，采用铲壁器紧贴工字钢，将杂物削落槽底，最后采用刷壁器清刷工字钢腹板（图8）。

图8 连接幅开挖

5）槽底砂袋回填。成槽完成并将钢筋笼吊装入槽后，进行槽底砂袋回填，砂袋回填宽度1 250 mm，高度约24 m至锁口管底标高。底部3 m人工均匀回填砂袋，3 m以上采用铲车将砂袋一次推入槽内，每回填10 m高，锁口管压实一次。

6）安放锁口管及碎石反压。采用履带吊提升43 m长锁口管下放槽段，锁口管伸出导墙顶面2 m，将引拔机穿入锁口管，摆放于导墙顶面，引拔机均布有4个千斤顶，总顶拔力8 000 kN，一次提升行程1 000 mm，引拔机抱住锁口管循环静压至槽底设计标高，自卸车装载碎石回填锁口管背面270 mm空隙。

7）混凝土浇筑与锁口管起拔[3]。锁口管与浇筑导管安装完成，槽深满足设计要求，开始浇筑混凝土，在浇筑底部混凝土1～2 h后，启动引拔机，提升100～200 mm，松动锁口管，之后每10～20 min提升一次，再复位锁口管，反复以上工序，至浇筑至地下连续墙顶标高4 h后，分节提升锁口管，履带吊配合拆卸节管，放至导墙旁空地上，场地需4 m×10 m空间放置管节。

8）实施效果。工字钢接头锁口管防绕流技术，可有效阻挡水泥浆或混凝土进入工字钢背侧，起到良好的隔断作用；基坑开挖后，地下连续墙渗漏水点主要集中在异形幅拐角处，局部几幅地下连续墙渗漏点出现在站台层，表现为工字钢接头湿泽，表明锁口管防绕流技术达到了工字钢止水的目的。

9）施工工效。锁口管防绕流技术，槽底回填砂袋约2 h，安放锁口管需40 min，可在钢筋笼下放4 h左右浇筑混凝土，减少了槽段暴露的时间，有利于保证浇筑混凝土质量。

4 结语

1）砂袋填充工字钢是目前普遍采用的防绕流方法，此方法施工简单，操作方便，但砂袋填充的工字钢接头质量缺陷主要在于整体填充砂袋后会造成钢筋笼倾斜，且回填砂袋压实过程向两侧外挤，使接头混凝土间夹杂砂袋的问题尤为突出，基坑开挖后接缝渗漏水点多且成渗流状态，现场采取基坑内聚氨酯止水堵漏，坑外补注水泥-水玻璃双液浆方式加强止水。

2）工字钢锁口管防绕流技术，较适用于上部黏土为主地层，成槽时不易造成坍孔，后期槽段浇筑混凝土，坍孔处混凝土绕流至锁口管周围，结硬将锁口管抱住，造成起拔困难。

3）对于高水位、上部软弱砂层的地基，则需要对表层的杂填土采用单管旋喷桩固化处理，以提供足够的导墙地基承载力。锁口管安放时必须紧贴工字钢下放，锁口管后背填实，防止大的混凝土绕流情况发生；对于上部软弱砂层，在浇筑混凝土过程中，必须严格按起拔时间规定对锁口管进行松动，防止混凝土黏结锁口管，造成后期埋管事故。

4）锁口管防绕流技术在任何土层均可采用，既能有效控制工字钢止水质量，又节约了浇筑混凝土前准备时间，但锁口管与引拔机进场后需有一定的放置场地，尺寸约为8 m×10 m，对施工场地狭小的地下连续墙施工，造成阻碍，工效降低。在场地允许时，应优先考虑工字钢锁口管防绕流方法。