地下连续工字钢接头混凝土绕流机理研究

孙松岭

（广州地铁集团有限公司）

1 工程概况

广州市某地铁车站全长172.8m，标准段宽度21.5m，基坑深度27m，顶板设计厚度800mm，采用C35P8抗渗混凝土，侧墙设计厚度900～1100mm，采用C35P8～P10混凝土（负三层侧墙为P10，其余为P8）。

本站的不良地质主要为淤泥质粉细砂层及淤泥质中粗砂层。其松散、遇水崩解软化的特性将对地下连续墙的施工[1-3]质量带来较大影响。可能造成连续墙成槽塌孔，连续墙接缝处夹砂造成开挖后涌水。同时，地连墙在施工过程容易发生混凝土绕流[4-6]，从而影响施工质量。

2 地下连续墙工字钢接头绕流分析

2.1有限元模型建立

本节以广州市轨道交通七号线二期工程某地铁车站为依托，进行地连墙混凝土灌注模拟。本工程中车站主体围护结构采用1000mm 厚地下连续墙，挖深30m，结合土体工程勘察概况，本次模拟土体物理参数见表1。

表1 土层物理参数信息

根据工程概况,对地连墙沟槽混凝土灌注进行有限元模拟分析，在本构模型的选择中，土体采用摩尔库伦模型，混凝土、工字钢采用弹性模型。在单元的选择中，土体、混凝土采用实体单元，工字钢采用板单元，因边界条件对模型会产生影响，在本模型中，土体的尺寸选取长度X 为18m，宽度Y 为3m，模型的深度Z 为40m，边界约束为底座固定，四周设置水平约束；工字钢约束为内侧固定约束。本模型节点共有23459个，22316个单元，有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

2.2工字钢与接头箱应力分析

2.2.1工字钢应力分析

在混凝土灌注后处理中，工字钢在混凝土灌注前和灌注后的应力大小如图2 所示。由图可知，在混凝土灌注前，工字钢应力较小，混凝土灌注后，工字钢所受应力明显增大，工字钢最大主应力为2.09325e+003kPa，且应力分布随深度增加应力加大，符合实际规律。采用三维有限元方法建立地下连续墙工字钢接头的数值模型，通过模拟计算得到工字钢接头应力最大应力为2091kN/m2。采用推导出的工字钢接头压力表达式[7]，算得接头压力为2101kN/m2。两个计算结果基本一致，说明该表达式具有参考意义。

图2 混凝土灌注前后工字钢主应力图

2.2.2接头箱应力分析

在混凝土灌注后处理中，接头箱在混凝土灌注前和灌注后的应力大小及分布规律如图3 所示。由图分析可知，在混凝土灌注前，接头箱应力较小，混凝土灌注后，接头箱所受应力明显增大，且应力分布随深度增加应力加大，符合实际规律。

图3 混凝土灌注前后接头箱应力图

2.3不同接头箱防绕流规律分析

通过Midas 建立三种防绕流模型，分别位无接头箱模型、无翼缘接头箱模型、含翼缘接头箱模型。

由图4 可看出，无接头箱模型中，灌注施工后，混凝土由工字钢两侧绕流至地连墙工字钢接头内部，而安装有接头箱的模型则能够防止混凝土绕流至工字钢内，其中，在无翼缘接头箱模型中，混凝土在工字钢两侧的绕流量基本一致，而在本方法的含翼缘接头箱模型中，由于翼缘的作用，阻挡了部分混凝土的绕流。综上分析可知，在接头箱的作用下，能够明显阻挡混凝土绕流至地连墙接头内部，同时，采用含翼缘接头箱能更有效的防止混凝土绕流，减少混凝土的绕流量，降低施工成本。通过对接头箱模型的模拟分析，验证了本方法的有效性。为实际施工提供理论指导。

图4 不同接头箱防绕流情况

3 含翼缘接头箱工程应用

在地连墙施工过程中，通常采用接头箱[8-10]安装作为地连墙接头工字钢位置的防绕流施工措施。通过对地连墙工字钢接头防绕流机理的研究，采用如图5 所示的含翼缘接头箱，能有效防止混凝土绕流，因此将含翼缘接头箱进行工程应用。

图5 含翼缘接头箱

在地连墙钢筋笼安装完成后，于接头箱表面涂抹润滑剂，减小下放过程接头箱与工字钢之间的摩擦力。采用吊车吊放含翼缘接头箱至地连墙两侧工字钢接头位置，将接头箱插打入接头中，在接头箱背面回填沙袋，挤压接头箱，使接头箱与工字钢接头紧密贴合，接头箱安装完成后浇筑混凝土。重复上述操作至地连墙施工完成。施工完成后，在68 幅地连墙中选取14 幅进行声波透射法试验，检测地连墙墙体的完整性，验证地连墙的施工质量。在14 幅地下连续墙中进行声波透射法试验检测，结果全部合格，均为Ⅰ类墙体，证明了含翼缘接头箱的可靠性。

4 结论

本文通过对工字钢机头混凝土绕流危害及机理分析，采用有限元软件MIDAS/GTS 模拟工字钢应力及不同接头箱防绕流规律，采用含翼缘接头箱能更有效的防止混凝土绕流，减少混凝土的绕流量，降低施工成本。