基于SMW工法圍護系統在深基坑中的應用

楊曉楠

SMW(Soil Mixing Wall)工法是以水泥土攪拌樁體作為基坑圍護的一種施工方法。該法通過多軸深層攪拌機在施工現場按設計深度將土體切散,同時從其鉆頭前端將水泥漿強化劑注入土體,并使之與原位土體反復混合攪拌,然后在水泥土未硬化之前插入H型鋼作為應力加強材料,直至水泥土硬結。在施工平面上,樁與樁之間重疊搭接,在地下形成一個抗滲性好、剛度大,同時又由于H型鋼的強度,能承受較大水平土壓力的地下壁體。在地下結構施工結束后拔出H型鋼回收再利用。這種結構系統具有構造簡單、止水性能好、工期短、造價低、環境污染小等優點,近些年得到廣泛應用,具有廣闊的市場前景[2-4]。

1 SMW工法設計要點

水泥土配合比的確定是SMW工法樁設計的重要內容之一,若水泥土配合比不當,可能導致水泥土強度不夠,或者浪費水泥材料且施工困難。水泥摻量必須由現場試驗確定,一般取泥土質量的7%,9%,11%,13%,15%做試驗。型鋼的入土深度可比水泥土攪拌樁入土深度稍小,主要由基坑抗隆起穩定性、擋土墻的內力、變形、型鋼拔出等條件決定;而水泥攪拌樁的入土深度要確保坑內降水不影響基坑外環境,管涌及防止墻底隆起發生。

SMW工法的內力計算主要是驗算壁式地下墻折算厚度,推算出每延米墻的內力與位移,然后換算得到每根型鋼承受的內力和位移。同時需要驗算彎矩全部由型鋼承擔驗算強度及型鋼抗剪驗算和水泥土局部抗剪驗算。為保證擋墻的防水功能,應對擋墻進行抗彎變形驗算。為保證型鋼順利回收,需進行抗拔驗算,進行現場試驗確定型鋼最大抗拔力。由于型鋼底端截面為一變剛度截面,還須校核水泥土的抗剪切強度。

2 施工工藝

2.1 施工工藝流程

SMW工法樁的施工工藝流程見圖1。其中主要的節點是型鋼的插入,型鋼在插入時必須保證水泥土的攪拌均勻,否則對基坑開挖后的降水將造成不利影響。另外型鋼插入過程中的連續性也必須得到保證,若連續性不足,造成圍護系統的冷縫過多,坑外積水不能有效的阻止,會造成坑內積水難以排除,給地下室施工帶來很大的困難。

2.2 施工要點

1)需開挖溝槽接收返流漿液,設置固定架固定H型鋼。2)需合理確定下行鉆進時和上行提升時水泥漿的灌入量。3)需根據現場條件合理確定攪拌下沉和提升速度,合理確定水泥漿液的配合比。4)控制水泥土攪拌樁和H型鋼的垂直度。5)需采取合理措施保證H型鋼能夠順利回收。

3 SMW工法實例分析

3.1 工程及地質概況

華潤置地9-1地塊項目位于上海市中心區域,瀕臨外灘黃浦江,為6棟地下2層、地上 22層～25層住宅,占地32 935 m2。本工程場地屬長江三角洲入海口東南前緣的濱海平原地貌類型,微地貌上屬吳淞江古河道沉積區。場地地形平坦,圍護呈復雜多邊形,地面標高一般5.05 m,基坑地下水屬潛水類型,穩定水位在地表以下0.5 m～1.0 m。工程基坑周長約717 m,面積約22 036 m2,采用φ 850三軸SMW工法加兩道支撐(局部設第三道鋼支撐)的圍護形式。

3.2 基坑圍護結構設計

1)圍護方案。該基坑圍護采用SMW工法,開挖深度為7.5 m～9.1 m,采用進口φ 850三軸勁性水泥土攪拌樁作圍護結構,內插H700×300×13×24型鋼(插一跳一),水泥摻量不小于20%,H型鋼間距1 200 mm。設兩道直徑609 mm鋼管和混凝土組合支撐,轉角處采用鋼筋混凝土和H型鋼混合支撐,支撐間距一般為4.5 m。樁頂用鋼筋混凝土圈梁兼作首道支撐圍檁,其余選用2H400×400×13×21雙拼型鋼作鋼圍檁。為減少圍護樁在基坑開挖時的位移,對鋼支撐施加預應力,其值為40 t。根據該工程基坑坑底土層為③層砂質粉土,透水性較強,對坑底采用降水加固方案。為降低造價,SMW樁中插入的H型鋼在結構出±0.000后拔除。坑內采用水泥攪拌樁和壓密注漿加固。

2)雙頭水泥土攪拌樁。雙頭水泥攪拌樁采用P32.5普通硅酸鹽水泥,水灰比0.5～0.55,水泥摻入比13%。攪拌樁樁體施工為兩噴三攪工藝。防滲用水泥土攪拌樁應連續施工,相鄰樁間歇不得超過10 h,且噴漿攪拌時鉆頭提升(下沉)速度不宜大于0.5 m/min。鉆頭每轉一周提升(下沉)1.0 cm～1.5 cm為宜,確保有效樁長范圍內樁體強度的均勻性。

3.3 基坑監測

為了指導施工,確保工程的順利進行和鄰近管線及重要建筑物的安全,本工程進行了施工監測,實行信息化施工,隨時預報,及時處理。監測內容有:樁頂的垂直與水平位移;樁身的變形—測斜;地下管線的水平位移及沉降;臨近地面建筑物的沉降;坑內外地下水位;支撐軸力;立柱的水平及垂直位移。

報警值:一般區域最大變形大于40 mm;變形速率大于3 mm/d,并持續3 d以上。

1)SMW圍護結構水平位移的變化。基坑自2008年7月開挖,第一道支撐前期已經完成,9月11日形成第二道支撐,11月17日大底板澆筑完畢。在圍護結構的攪拌樁體內布設有測斜管,獲得了不同開挖階段水平位移變化情況。由表1可看出,基坑的最大水平位移發生在距坑頂約1.5 m的位置,最大值為67.25 mm,超過報警值40 mm。在不同的開挖階段,隨著基坑開挖深度的增加,圍護結構的水平位移亦逐漸增加。主要因為場地狹窄,基坑頂部放置了大量的建筑材料,造成變形過大。在移除這些材料后變形趨于緩和。而變形過大處在最后的型鋼拔出過程中有兩根樁未能拔出,主要是變形造成型鋼與土體摩擦過大,難以拔出。

表1 基坑變形監測數據 mm

2)型鋼應力變化。沿H型鋼深度方向9 m,13 m,16 m,19 m等處布置了型鋼應力測點,并獲得了型鋼應力變化情況。型鋼在基坑開挖過程中的應力變化有三個方面的特點:a.在三層板形成以前,型鋼總的應變較小,約占總應變的1/5;b.在底板部位土方開挖過程中,型鋼應變發展最快,約占總應變的80%,在接近坑底深度位置,型鋼應力應變達到最大值,由底板向下,應力迅速降低;c.所有點應力持續不斷地增加。

3)建筑物沉降監測。盡管基坑距附近的住宅樓最近處僅20 m,但因為采用了SMW圍護技術,有效地抑制了坑周土體的沉降變形,該結構地面最大沉降僅3 mm,取得了較好的環境效益。

4 結語

通過華潤置地9-1號地塊的深基坑工程實踐,SMW工法施工對江邊地下水位較高及市中心場地狹窄的工程能產生良好的經濟和社會效益。選SMW工法施工方案可以同時起到擋土和防滲的作用,基坑支護結構穩定,沉降量和側移均較小,不會產生鄰近地面下沉、房屋傾斜、道路裂損及地下設施移位等危害,型鋼又可回收,造價明顯降低,加快了工程進度,與鉆孔樁、地下連續墻等傳統工法相比較,有廣泛的發展和應用前景。

[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1992.

[2]程 驍,張鳳祥.土建注漿施工與效果檢測[M].上海:同濟大學出版社,1998.

[3]夏明耀,曾進倫.地下工程設計施工手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[4]李宏男,李東升.土木工程結構安全性評估、健康監測及診斷述評[J].地震工程與工程振動,2002,22(3):82-89.

[5]王曉飛.SMW工法在南京某深基坑中的應用[J].山西建 筑,2009,35(11):81-82.