后张预应力地下连续墙及施工方法
【专利摘要】本发明提供一种后张预应力地下连续墙，该地下连续墙的固定端锚具的固定端锚板有锥孔，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，张拉端锚具包括有张拉端锚板、张拉端锚垫板、张拉端夹片、张拉端螺旋筋；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，钢筋笼和波纹管外周填充有混凝土而形成后张预应力地下连续墙。同时提供一种后张预应力地下连续墙的施工方法。有益效果是后张预应力地下连续墙的截面减少15%、抗震性增加20%、钢筋节约30%，混凝土节约15%，符合了现代建筑结构的发展趋势。
【专利说明】后张预应力地下连续墙及施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种承载能力高、刚度大、抗裂能力强且用钢量少的地连墙结构，特别是一种后张预应力地下连续墙及施工方法。
【背景技术】
[0002]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。传统地连墙主要施工步骤:1)采用专业地连墙成槽设备开挖槽段；2)制作钢筋笼；3)起吊并下放钢筋笼；4)水下浇注混凝土 ；5)桩头凿除。按此步骤一幅地连墙施工完成，每幅地连墙循环往复以上步骤。
[0003]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、深度及钢筋量不断地增加。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注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。
[0004]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下连续墙结构，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下连续墙结构，此时，前地连墙弯矩为1708KN.m/m,地连墙含钢量为μ mmjj= 180kg/m3 ;如果采用后张预应力地下连续墙形式，则可以取消遮帘桩，此时前地连墙弯矩为2971KN.m/m，地连墙所需含钢量为μ预财=29kg/m3，μ _应力=142kg/m3。在以上断面优化设计中，码头工程按照每单延米考虑，在前地连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，故可见后张预应力地下连续墙的开发应用带来的经济性是非常显著的。
[0005]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注混凝土，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。
[0006]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=360N/mm2。而后张预应力地下连续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=1320N/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。
[0007]如果地连墙继续沿用桥梁、房建等预应力结构的工艺施工时，会出现一些问题:1)预应力钢筋铺设完成后，需要吊装方能达到预定位置，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)水下浇注混凝土，混凝土质量控制难度较陆上浇筑混凝土大，特别是预应力固定端和张拉端混凝土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。
[0008]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、耗材多和施工成本高等弊病，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、耐久性和经济性的协调一致。
【发明内容】
[0009]为了解决上述地连墙发展过程中的存在的问题，本发明的目的是提供一种后张预应力地下连续墙及施工方法，以提高地连墙的承载力、刚度和抗裂能力；另外，后张预应力地下连续墙有效地减少了地连墙的钢筋量，从而降低了地连墙钢筋笼吊装的难度和风险。
[0010]为实现上述目的，本发明提供一种后张预应力地下连续墙，其中:该地下连续墙包括有固定端锚具、张拉端锚具、预应力钢筋、波纹管、钢筋笼及混凝土；所述固定端锚具包括有固定端锚板、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；所述张拉端锚具包括有张拉端锚板、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；所述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，钢筋笼和波纹管外周填充有混凝土，这样就形成后张预应力地下连续
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[0011]同时提供一种后张预应力地下连续墙的施工方法。
[0012]本发明的效果是后张预应力地下连续墙在外荷载作用于地连墙之前，利用设预应力钢筋张拉后的弹性回缩，对地连墙受拉区的混凝土预先施加压力，产生预压应力，使后张预应力地下连续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，后张预应力地下连续墙在外荷载作用时，首先抵消预应力，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。另外，后张预应力地下连续墙有效地减少了地连墙的钢筋量，从而降低了地连墙钢筋笼吊装的难度和风险。也就是说，后张预应力地下连续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，在同样条件下，后张预应力地下连续墙截面减少15%、抗震性增加20%、钢筋节约30%，混凝土节约15%等优势，符合了现代建筑结构的发展趋势。【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的后张预应力地下连续墙示意图；
[0014]图2为本发明的施加预应力时地连墙受力示意图；
[0015]图3-1、3_2为本发明的施加预应力后地连墙工作受力和传统地连墙工作受力比较示意图；
[0016]图4为本发明的预应力钢筋下料示意图；
[0017]图5为本发明的带预应力钢筋的地连墙钢筋笼起吊示意图；
[0018]图6为本发明的施加初始预应力前预应力筋位置示意图；
[0019]图7为本发明的施加初始预应力后预应力筋位置示意图；
[0020]图8为本发明的混凝土浇注示意图；
[0021]图9为传统桥梁、房建等预应力结构的孔道灌浆示意图；
[0022]图10为本发明的孔道灌浆示意图。
[0023]图中:
[0024]1、地连墙混凝土 2、固定端锚板 3、固定端锚垫板
[0025]4、固定端夹片 5、固定端螺旋筋6、张拉端锚板
[0026]7、张拉端锚垫板8、张拉端夹片 9、张拉端螺旋筋
[0027]10、波纹管11、预应力钢筋 12、压浆孔道
[0028]13、封锚混凝土 14、地连墙钢筋笼15、排气孔道
[0029]16、加长主筋 17、套管18、千斤顶
[0030]19、卷扬机20、导墙
[0031]L1、预应力孔道长度 L2、固定端锚具厚度
[0032]L3、张拉端锚具厚度 L4、千斤顶工作长度
[0033]L5、固定端长度富余量L6、张拉端长度富余量
[0034]L7、预应力钢筋超出导墙长度L8、加长钢筋超出导墙长度
[0035]L9、张拉端混凝土浇注加强区L10、固定端混凝土浇注加强区
[0036]Hl、导墙顶标高H2、地连墙顶标高
[0037]H3、地连墙底标高 H4、实际浇注标高
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图对本发明的后张预应力地下连续墙及施工方法进一步说明。
[0039]本发明的应力地连墙的设计思路是在地连墙受拉区域，通过对预应力钢筋进行张拉后将预应力钢筋的回弹反力施加给地连墙混凝土，使混凝土受到一个预压应力，产生一定的压缩变形，如图2所示。当该构件受力后，受拉区混凝土的首先要抵消先前的压缩变形，然后随着外力的增加，混凝土才逐渐被拉伸，从而有效提高了地连墙的强度和刚度，同时推迟了地连墙裂缝出现的时间，如图3-1、3-2所示。
[0040]本发明的后张预应力地下连续墙结构是，该地下连续墙包括有固定端锚具、张拉端锚具、预应力钢筋11、波纹管10、钢筋笼14及混凝土 I ;
[0041]所述固定端锚具包括有固定端锚板2、固定端锚垫板3、固定端夹片4、固定端螺旋筋5，固定端锚板2有锥孔，与固定端夹片4配合，利用锥孔的楔紧将预应力钢筋11锚固，固定端锚垫板3和固定端螺旋筋5共同组成固定端锚板2下受力构件，以满足承载和传递预应力的要求；
[0042]所述张拉端锚具包括有张拉端锚板6、张拉端锚垫板7、张拉端夹片8、张拉端螺旋筋9，其连接方式与固定端锚具相同；
[0043]所述预应力钢筋11从波纹管10中穿过，铺设并固定在钢筋笼14上之后，预应力钢筋11两端再分别固定到固定端锚具和张拉端锚具上，钢筋笼14和波纹管10外周填充有混凝土 1，这样就形成后张预应力地下连续墙。
[0044]本发明的后张预应力地下连续墙的施工方法包括以下步骤:
[0045]I)采用专业地连墙成槽设备开挖槽段；
[0046]2)在钢筋笼平台上加工钢筋骨架，安装固定端锚具、张拉端锚具，同时铺设并固定预应力钢筋11及波纹管10;
[0047]3)起吊并下放钢筋笼14，此时预应力钢筋11也会随着钢筋笼14下放到槽段内；
[0048]4)使用卷扬机19在导墙20上方对预应力钢筋11施加初始预应力，待预应力钢筋11伸直即可停止施加预应力，并将预应力钢筋11固定在距离其最近的相邻主筋16上，以保证预应力钢筋11在混凝土浇注前处于设计的位置上；
[0049]5)在所述槽段内进行水下浇注混凝土 1，对固定端和张拉端至少2m范围内浇注的混凝土较混凝土 I提高一个标号，同时在所述固定端和张拉端至少2m范围内浇注混凝土的速度小于水下浇注混凝土I的速度，以保证固定端和张拉端受力范围内混凝土的质量，此步骤即完成了地连墙混凝土的浇注施工；
[0050]6)所述地连墙的顶部超灌混凝土部分凿除，以剔除顶部混凝土存在的沉渣或浮浆；
[0051]7)通过千斤顶18向预应力钢筋11施加预应力，预应力钢筋11的张拉只能在一端实施；
[0052]8)通过压浆孔道12内进行孔道灌浆，孔道灌浆预先安置一道通长的压浆孔道12，并在顶端预留几道排气孔道15，以保证水泥浆能够充分包裹预应力钢筋11 ；
[0053]9)封闭封锚混凝土 13锚头，此时完成一幅后张预应力地连墙的施工。
[0054]本发明的后张预应力地下连续墙具体施工工艺如下:
[0055]I)预应力钢筋11的下料
[0056]预应力钢筋11 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。
[0057]由于后张预应力地下连续墙施工的特殊性，张拉时必须采用一端张拉，一般情况下预应力钢筋11的下料长度按下式计算，并通过试用后进行修正，如图4所示:
[0058]L=L1+L2+L3+L4+L5+L6
[0059]式中:L一预应力钢筋11的下料长度(米)；
[0060]2)地连墙钢筋笼14的制作与预应力钢筋11的穿束
[0061]预应力钢筋11由于其刚度不满足起吊要求，因此要想将预应力钢筋11下放至地连墙指定位置，必须依附于地连墙钢筋笼14骨架，也就是说钢筋笼14的吊装必须携带预应力钢筋11。
[0062]相比其它预应力结构，地连墙预应力钢筋11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11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11缓缓进入孔道。预应力钢筋11的穿束必须对预应力钢筋11端头加以保护，以防损伤波纹管10。
[0063]地连墙钢筋笼14制作一般采用焊接，预应力钢筋11与钢筋笼14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10。
[0064]3)锚具的安装
[0065]锚具安装前必须彻底清理预应力钢筋11、锚板的夹片孔和夹片外椎及内牙，除去油污、浮锈及灰尘等，然后进行清孔、吹孔，使孔内清洁无杂物，并且量一下两端头悬出的预应力富余长度是否与设计值一样，最后再安装锚具，锚具必须与预应力钢筋11的轴线垂直。
[0066]4)钢筋笼14吊装
[0067]钢筋笼14起吊与普通钢筋笼起吊方式一样，注意的是吊装过程中不要破坏波纹管10及锚具,如图5所示。
[0068]5)施加初始预应力
[0069]钢筋笼14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6所示，因此必须对预应力钢筋11进行调直，以保证预应力钢筋11在混凝土 I浇注前能够处于设计的位置上。
[0070]使用卷扬机等小型设备对预应力钢筋11施加初始预应力，待预应力钢筋11伸直即可停止施加预应力，并将预应力钢筋11固定在相邻加长主筋16上。考虑到本发明需要在导墙上施加初始预应力，预应力钢筋11 一般要超出导墙不少于Im;另外，为了将调直的预应力钢筋11固定住，需要将距离预应力钢筋11最近的主筋延伸出导墙不少于0.5m，如图7所示。
[0071]6)混凝土浇注
[0072]水下浇注混凝土 1，固定端和张拉端至少2m范围内混凝土提高一个标号，同时在该范围内，降低混凝土浇注速度，以保证固定端和张拉端受力范围内混凝土的质量。一般情况下，预应力钢筋11固定端埋置较深，混凝土浇注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注加强区LlO要大于张拉端混凝土浇注加强区L9，如图8所示。
[0073]7)桩头凿除
[0074]地连墙混凝土 I浇注结束后，顶部混凝土存在一定的沉渣或者浮浆，因此地连墙浇注高度一般要较实际地连墙面高，这部分高出的混凝土在浇注完成后，需要凿除后方可进行预应力钢筋11的张拉。因此，在混凝土浇注I前，需要对凿除范围内的预应力钢筋11用套筒17保护起来，防止在桩头凿除过程中破坏预应力钢筋11，如图8所示。
[0075]8)预应力钢筋的张拉
[0076]预应力钢筋张拉设备为千斤顶18，千斤顶18定位时，要保证千斤顶18轴线、锚具轴线与预应力钢筋11轴线的“三轴同心”。
[0077]张拉前实施混凝土强度、弹性模量、混凝土龄期“三控”。
[0078]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18的伸长值作校核，在张拉力作用下持一定的时间。
[0079]考虑到预应力钢筋11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11破断力的0.65-0.75。当然张拉力还要根据现场情况确定，但是由于地连墙施工的特殊性，张拉力的确定宜偏于保守。
[0080]9)孔道灌浆
[0081]地连墙施工区别于桥梁、房建等工程，其接触介质为地下水或者海水，这些介质中常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11，地连墙结构的安全性将严重降低，因此后张预应力地下连续墙在预应力钢筋11张拉结束后，需要进行灌浆处理，这样不但能包裹预应力钢筋11，防止其腐蚀受损，还能有效的提升地连墙的整体强度，延缓裂缝的出现。
[0082]后张预应力地下连续墙施工属于隐蔽工程，基坑或航道开挖前必须完成孔道灌浆，因此孔道灌浆不能像桥梁、房建等预应力结构一样在侧壁开排气孔，如图9所示。本发明的后张预应力地下连续墙的孔道灌浆预先安置一道通长的压浆孔道12，并在顶端预留几道排气孔道15，以保证水泥浆能够充分包裹预应力钢筋11，如图10所示。
【权利要求】
1.一种后张预应力地下连续墙，其特征是:该地下连续墙包括有固定端锚具、张拉端锚具、预应力钢筋(11)、波纹管(10)、钢筋笼(14)及混凝土(I)； 所述固定端锚具包括有固定端锚板(2)、固定端锚垫板(3)、固定端夹片(4)、固定端螺旋筋(5)，固定端锚板(2)有锥孔，与固定端夹片(4)配合，利用锥孔的楔紧将预应力钢筋(11)锚固，固定端锚垫板(3)和固定端螺旋筋(5)共同组成固定端锚板(2)下受力构件，以满足承载和传递预应力的要求； 所述张拉端锚具包括有张拉端锚板(6)、张拉端锚垫板(7)、张拉端夹片(8)、张拉端螺旋筋(9)，其连接方式与固定端锚具相同； 所述预应力钢筋(11)从波纹管(10)中穿过，铺设并固定在钢筋笼(14)上之后，预应力钢筋(11)两端再分别固定到固定端锚具和张拉端锚具上，钢筋笼(14)和波纹管(10)外周填充有混凝土( I )，这样就形成后张预应力地下连续墙。
2.—种后张预应力地下连续墙的施工方法，该方法包括以下步骤: 1)采用专业地连墙成槽设备开挖槽段； 2)在钢筋笼平台上加工钢筋骨架，安装固定端锚具、张拉端锚具，同时铺设并固定预应力钢筋(11)及波纹管(10); 3)起吊并下放钢筋笼(14)，此时预应力钢筋(11)也会随着钢筋笼(14)下放到槽段内； 4)使用卷扬机(19)在导墙(20)上方对预应力钢筋(11)施加初始预应力，待预应力钢筋(11)伸直即可停止施加预应力，并将预应力钢筋(11)固定在距离其最近的相邻主筋(16)上，以保证预应力钢筋(11)在混凝土浇注前处于设计的位置上； 5)在所述槽段内进行水下浇注混凝土(1)，对固定端和张拉端至少2m范围内浇注的混凝土较混凝土(I)提高一个标号，同时在所述固定端和张拉端至少2m范围内浇注混凝土的速度小于水下浇注混凝土( I)的速度，以保证固定端和张拉端受力范围内混凝土的质量，此步骤即完成了地连墙混凝土的浇注施工； 6)所述地连墙的顶部超灌混凝土部分凿除，以剔除顶部混凝土存在的沉渣或浮浆； 7)通过千斤顶(18)向预应力钢筋(11)施加预应力，预应力钢筋(11)的张拉只能在一端实施； 8)通过压浆孔道(12)内进行孔道灌浆，孔道灌浆预先安置一道通长的压浆孔道(12)，并在顶端预留几道排气孔道(15)，以保证水泥浆能够充分包裹预应力钢筋(11)； 9)封闭封锚混凝土(13)锚头，此时完成一幅后张预应力地连墙的施工。
【文档编号】E02D29/02GK103835311SQ201410064101
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】柴信众, 刘进生, 申立明, 王玉红, 郑建民, 林恒彦, 舒宁, 田自民, 赵明时, 王怀, 魏方平, 凌平, 徐德生 申请人:中交第一航务工程勘察设计院有限公司, 天津深基工程有限公司