地下連續工字鋼接頭混凝土繞流機理研究

孫松嶺

（廣州地鐵集團有限公司）

1 工程概況

廣州市某地鐵車站全長172.8m，標準段寬度21.5m，基坑深度27m，頂板設計厚度800mm，采用C35P8抗滲混凝土，側墻設計厚度900～1100mm，采用C35P8～P10混凝土（負三層側墻為P10，其余為P8）。

本站的不良地質主要為淤泥質粉細砂層及淤泥質中粗砂層。其松散、遇水崩解軟化的特性將對地下連續墻的施工[1-3]質量帶來較大影響?？赡茉斐蛇B續墻成槽塌孔，連續墻接縫處夾砂造成開挖后涌水。同時，地連墻在施工過程容易發生混凝土繞流[4-6]，從而影響施工質量。

2 地下連續墻工字鋼接頭繞流分析

2.1有限元模型建立

本節以廣州市軌道交通七號線二期工程某地鐵車站為依托，進行地連墻混凝土灌注模擬。本工程中車站主體圍護結構采用1000mm 厚地下連續墻，挖深30m，結合土體工程勘察概況，本次模擬土體物理參數見表1。

表1 土層物理參數信息

根據工程概況,對地連墻溝槽混凝土灌注進行有限元模擬分析，在本構模型的選擇中，土體采用摩爾庫倫模型，混凝土、工字鋼采用彈性模型。在單元的選擇中，土體、混凝土采用實體單元，工字鋼采用板單元，因邊界條件對模型會產生影響，在本模型中，土體的尺寸選取長度X 為18m，寬度Y 為3m，模型的深度Z 為40m，邊界約束為底座固定，四周設置水平約束；工字鋼約束為內側固定約束。本模型節點共有23459個，22316個單元，有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

2.2工字鋼與接頭箱應力分析

2.2.1工字鋼應力分析

在混凝土灌注后處理中，工字鋼在混凝土灌注前和灌注后的應力大小如圖2 所示。由圖可知，在混凝土灌注前，工字鋼應力較小，混凝土灌注后，工字鋼所受應力明顯增大，工字鋼最大主應力為2.09325e+003kPa，且應力分布隨深度增加應力加大，符合實際規律。采用三維有限元方法建立地下連續墻工字鋼接頭的數值模型，通過模擬計算得到工字鋼接頭應力最大應力為2091kN/m2。采用推導出的工字鋼接頭壓力表達式[7]，算得接頭壓力為2101kN/m2。兩個計算結果基本一致，說明該表達式具有參考意義。

圖2 混凝土灌注前后工字鋼主應力圖

2.2.2接頭箱應力分析

在混凝土灌注后處理中，接頭箱在混凝土灌注前和灌注后的應力大小及分布規律如圖3 所示。由圖分析可知，在混凝土灌注前，接頭箱應力較小，混凝土灌注后，接頭箱所受應力明顯增大，且應力分布隨深度增加應力加大，符合實際規律。

圖3 混凝土灌注前后接頭箱應力圖

2.3不同接頭箱防繞流規律分析

通過Midas 建立三種防繞流模型，分別位無接頭箱模型、無翼緣接頭箱模型、含翼緣接頭箱模型。

由圖4 可看出，無接頭箱模型中，灌注施工后，混凝土由工字鋼兩側繞流至地連墻工字鋼接頭內部，而安裝有接頭箱的模型則能夠防止混凝土繞流至工字鋼內，其中，在無翼緣接頭箱模型中，混凝土在工字鋼兩側的繞流量基本一致，而在本方法的含翼緣接頭箱模型中，由于翼緣的作用，阻擋了部分混凝土的繞流。綜上分析可知，在接頭箱的作用下，能夠明顯阻擋混凝土繞流至地連墻接頭內部，同時，采用含翼緣接頭箱能更有效的防止混凝土繞流，減少混凝土的繞流量，降低施工成本。通過對接頭箱模型的模擬分析，驗證了本方法的有效性。為實際施工提供理論指導。

圖4 不同接頭箱防繞流情況

3 含翼緣接頭箱工程應用

在地連墻施工過程中，通常采用接頭箱[8-10]安裝作為地連墻接頭工字鋼位置的防繞流施工措施。通過對地連墻工字鋼接頭防繞流機理的研究，采用如圖5 所示的含翼緣接頭箱，能有效防止混凝土繞流，因此將含翼緣接頭箱進行工程應用。

圖5 含翼緣接頭箱

在地連墻鋼筋籠安裝完成后，于接頭箱表面涂抹潤滑劑，減小下放過程接頭箱與工字鋼之間的摩擦力。采用吊車吊放含翼緣接頭箱至地連墻兩側工字鋼接頭位置，將接頭箱插打入接頭中，在接頭箱背面回填沙袋，擠壓接頭箱，使接頭箱與工字鋼接頭緊密貼合，接頭箱安裝完成后澆筑混凝土。重復上述操作至地連墻施工完成。施工完成后，在68 幅地連墻中選取14 幅進行聲波透射法試驗，檢測地連墻墻體的完整性，驗證地連墻的施工質量。在14 幅地下連續墻中進行聲波透射法試驗檢測，結果全部合格，均為Ⅰ類墻體，證明了含翼緣接頭箱的可靠性。

4 結論

本文通過對工字鋼機頭混凝土繞流危害及機理分析，采用有限元軟件MIDAS/GTS 模擬工字鋼應力及不同接頭箱防繞流規律，采用含翼緣接頭箱能更有效的防止混凝土繞流，減少混凝土的繞流量，降低施工成本。