SMW 工法樁在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)與實(shí)施過(guò)程中監(jiān)測(cè)反分析的工程應(yīng)用

周東升，趙永洪

ZHOU Dongsheng，ZHAO Yonghong

(浙江中材工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州310022)

自20 世紀(jì)70年代SMW 工法樁在日本出現(xiàn)以來(lái)，由于其良好的止水性能和施工便捷性，在基坑支護(hù)中得以迅速推廣［1］;特別是21 世紀(jì)前十年，關(guān)于工法樁的施工技術(shù)應(yīng)用研究已趨成熟，多次成功運(yùn)用于深基坑支護(hù)，使用深度已近三十米［2］，特別是在東南沿海粉砂土場(chǎng)地和軟土地區(qū)得以廣泛運(yùn)用。

進(jìn)入20 世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)在基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用［3］，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷基坑的結(jié)構(gòu)安全和對(duì)周圍環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)可控的信息化設(shè)計(jì)，特別是在開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行變形預(yù)測(cè)，預(yù)判其后續(xù)工況的安全性和對(duì)周圍環(huán)境的影響成為設(shè)計(jì)人員追求的目標(biāo)。但目前這方面的實(shí)踐，見(jiàn)諸論文的并不多，所以本文在這方面進(jìn)行了嘗試。

本文通過(guò)對(duì)某基坑工程的實(shí)例介紹，對(duì)SMW工法樁在粉土地區(qū)的設(shè)計(jì)選型過(guò)程與實(shí)施效果進(jìn)行討論和介紹，并通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性及與工程的符合性，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制的信息化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

該工程位于杭州市余杭區(qū)臨平鎮(zhèn)，擬建建筑物為4 幢17～23 層辦公樓，為框剪結(jié)構(gòu)，下設(shè)3 層地下室，周邊局部為2 層地下室，地下總建筑面積為37750 m2。

其3 層地下室，代表性斷面(①-1)開(kāi)挖深度為13.65 m。周邊有在建建筑、道路和管線若干，環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)變形控制要求較為嚴(yán)格，不具備放坡開(kāi)挖條件，根據(jù)本工程基坑開(kāi)挖深度，為一級(jí)基坑。

2 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察報(bào)告，從上至下各土層的分布及物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 各土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)

本場(chǎng)地地下水埋藏較淺，勘察期間，測(cè)得鉆孔內(nèi)地下水穩(wěn)定水位在地表下1.40～3.00 m 之間，淺部主要為接受大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給的孔隙潛水，水位受季節(jié)性影響，枯水期水位略有下降，豐水期水位略有抬高，水位年變化幅度為0. 50～1.00 m。

3 圍護(hù)選型與設(shè)計(jì)

3.1 圍護(hù)型式的選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，要求地面位移控制在30 mm以內(nèi)，沉降控制在25 mm 以內(nèi)，深層位移控制在45 mm以內(nèi)，可采用的支護(hù)形式有鉆孔樁加內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐和SMW 工法樁加內(nèi)支撐支護(hù)形式。

結(jié)合地質(zhì)情況，分析比較各方案的優(yōu)缺點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性后，決定采用SMW 工法樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，工法樁主要具有以下特點(diǎn):

采用在攪拌樁內(nèi)插加勁型鋼的方式，使得止水與造墻相統(tǒng)一，加插型鋼后，墻體強(qiáng)度、剛度大為提高，形成坑壁支撐體，起到類似連續(xù)墻的作用。適用于軟土、黏土、粉土、砂土地質(zhì)區(qū)。由于其將止水和插槽鋼同步完成，所以施工周期短;由于型鋼插入后即形成墻體，所以基本無(wú)須特別養(yǎng)護(hù)，即可承受外力;由于型鋼可以拔除重復(fù)使用，所以費(fèi)用較低;由于原位攪拌形成樁體，施工時(shí)不產(chǎn)生大量泥漿，所以環(huán)保節(jié)能。故近年來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，適用基坑開(kāi)挖深度已經(jīng)達(dá)到近三十米。一般可以用于開(kāi)挖深度10～20 m 的基坑支護(hù)。

本工程采用SMW 工法結(jié)合二道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的圍護(hù)體系。SMW 工法采用850@600 三軸水泥攪拌樁內(nèi)插型鋼，內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。開(kāi)挖深度內(nèi)有較厚的粉土、粉砂層，土層的滲水性較好，為防止地下水滲透引起管涌和大范圍超深降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，坑外另設(shè)管井進(jìn)行控制性降水。降水深度5.0～6.6 m(至地表下8 m)。

3.2 圍護(hù)工況設(shè)計(jì)

工況1:1：0.8 放坡開(kāi)挖3 m，坡面分步設(shè)2 道8 m 長(zhǎng)度的攪拌式土釘，設(shè)2 m 寬度卸載平臺(tái)，下部施工SMW 工法樁。

工況2:開(kāi)挖至第一道支撐底面(地面下-3.80 m)，施工第一道鋼筋混凝土(C30)支撐(支撐中心高度地面下-3.40 m，支撐規(guī)格800 mm ×1000 mm)。

工況3:待第一道支撐強(qiáng)度達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)挖至第二道支撐底面(地面下-9.50 m)，施工第二道鋼筋混凝土(C30)支撐(支撐中心高度地面下-9.05 m，支撐規(guī)格900 mm×1000 mm)。

工況4:待第二道支撐強(qiáng)度達(dá)到80%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開(kāi)挖至坑底。

工況5:施工建筑結(jié)構(gòu)底板，施工換撐帶(地面下-12.20 m)，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后拆除第二道支撐體系。

工況6:施工建筑地下室結(jié)構(gòu)，在地面下-8.10 m、-4.50 m 處設(shè)置換撐。拆除第一道支撐體系。

3.3 圍護(hù)體內(nèi)力計(jì)算

采用同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件(FRW7.2 版)進(jìn)行計(jì)算分析，以1-1 剖面為典型剖面分析如下:

1-1 剖面:基坑開(kāi)挖深度為13.65 m，采用厚度為0.85 m 的攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長(zhǎng)23.5 m，樁頂標(biāo)高為-3.85 m(地表標(biāo)高-0.85 m)，采用SMW 工法，在D850 攪拌樁中加型鋼，型鋼采用H700 ×300 ×13 ×24，慣性矩為2.01 ×109mm4，型鋼間中心距為900 mm(插二隔一)。計(jì)算時(shí)考慮地面超載20 kPa(圖1)。

圖1 1 -1 剖面圖

計(jì)算顯示(圖2)，其第一道支撐軸力為261 kN/m，第二道支撐軸力為579.3 kN/m;水平位移約38.1 mm。發(fā)生在地表下約6 m 的位置。按上述對(duì)平面支撐進(jìn)行計(jì)算，第二道支撐計(jì)算段軸力設(shè)計(jì)值為6249 kN。

圖2 計(jì)算抗力及位移圖

4 工程實(shí)施過(guò)程反分析情況

工程于2012年7月開(kāi)始實(shí)施，至2013年8月基坑工程結(jié)束，根據(jù)長(zhǎng)邊中點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(CX13#測(cè)孔深層位移數(shù)據(jù))對(duì)工程進(jìn)行適時(shí)反分析，情況如下。

4.1 根據(jù)開(kāi)挖至第一道支撐梁高程實(shí)測(cè)位移情況預(yù)測(cè)

4.1.1 位移監(jiān)測(cè)

位移監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)表2。

表2 位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4.1.2 預(yù)測(cè)情況

預(yù)測(cè)包括四部分，

(1)開(kāi)挖到第二道支撐面(圖3)。

圖3 開(kāi)挖至第二道支撐面時(shí)的抗力圖和位移圖

預(yù)測(cè)第一道支撐軸力為187.9 kN/m，位移最大值為16.5 mm。

(2)開(kāi)挖到坑底(圖4)。

圖4 開(kāi)挖至坑底時(shí)的抗力圖和位移圖

預(yù)測(cè)第二道支撐軸力為551.7 kN/m，位移最大值約為27.8 mm。

(3)坑底換撐完成拆除第二道支撐時(shí)(圖5)。

圖5 坑底換撐完成拆除第二道支撐時(shí)的抗力圖和位移圖

預(yù)測(cè)第一道支撐軸力為257.4 kN/m，位移最大值為33.7 mm。

(4)所有換撐完成，拆除第一道支撐時(shí)(圖6)。

圖6 所有換撐完成后拆除第一道支撐時(shí)的抗力圖和位移圖

預(yù)測(cè)位移最大值為33.7 mm。

4.2 根據(jù)開(kāi)挖到第二道支撐高程的實(shí)測(cè)值預(yù)測(cè)

4.2.1 位移監(jiān)測(cè)

位移監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)表3。

表3 位移監(jiān)測(cè)情況

4.2.2 預(yù)測(cè)情況

在三個(gè)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(1)開(kāi)挖到坑底時(shí)(圖7)。

圖7 預(yù)測(cè)情況一

預(yù)測(cè)位移最大值為36.3 mm，第二道支撐軸力為583.0 kN/m。

(2)坑底換撐完成拆除第二道支撐時(shí)(圖8)。

圖8 預(yù)測(cè)情況二

預(yù)測(cè)第一道支撐軸力為269.5 kN/m，位移最大值為42.2 mm。

(3)所有換撐完成，拆除第一道支撐時(shí)(圖9)。

圖9 預(yù)測(cè)情況三

預(yù)測(cè)位移最大值為42.4 mm。

由于后續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基坑工程預(yù)測(cè)主要是換撐工況下內(nèi)力、變形，其大小主要與結(jié)構(gòu)體情況(如支點(diǎn)剛度)、施工質(zhì)量(如換撐帶設(shè)置)、施工環(huán)境(如施工超載)等因素相關(guān)，與巖土體性質(zhì)關(guān)系很小;另一方面，當(dāng)基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)，變形已經(jīng)完成90%以上［4］，故不再對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析驗(yàn)證。

5 工程監(jiān)測(cè)情況

至2013年8月完成，CX13#孔的最終監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)表4。

表4 最終監(jiān)測(cè)成果

監(jiān)測(cè)的最大值為36.2 mm，位于地表下5～6 m 處。

就基坑整體而言，監(jiān)測(cè)情況如下:

(1)深層土體水平位移監(jiān)測(cè)。最大值:36.21 mm，最小值:23.90 mm，平均值:30.18 mm。

(2)水位監(jiān)測(cè)。最大值:- 3. 90 m，最小值:-0.40 m，平均值:-2.50 m。

(3)鋼筋混凝土支撐軸力監(jiān)測(cè)。計(jì)算點(diǎn)監(jiān)測(cè)值:4843 kN，達(dá)到設(shè)計(jì)值的77.5%。

(4)地表沉降監(jiān)測(cè)。最大值:-10.27 mm，最小值-2.28 mm，平均值:6.37 mm。

6 監(jiān)測(cè)結(jié)果

基坑支撐軸力及深層位移的計(jì)算值、預(yù)測(cè)值及實(shí)測(cè)值見(jiàn)表5。

表5 監(jiān)測(cè)反分析成果表

可見(jiàn)，根據(jù)開(kāi)挖到第一道支撐時(shí)的實(shí)測(cè)位移值，進(jìn)行工程反分析的結(jié)果與設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的結(jié)果很接近，主要表現(xiàn)在支撐力計(jì)算值第一道為261.0 kN/m，預(yù)測(cè)值為257.4 kN/m;第二道為579.3 kN/m，預(yù)測(cè)值為551.7 kN/m。最大變形計(jì)算值為38.1 mm，預(yù)測(cè)值為33.9 mm。

根據(jù)開(kāi)挖到第二道支撐時(shí)的實(shí)測(cè)位移值，進(jìn)行工程反分析的結(jié)果與設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的結(jié)果也很接近，主要表現(xiàn)在支撐力計(jì)算值第一道為261.0 kN/m，預(yù)測(cè)值為269.5 kN/m;第二道為579.3 kN/m，預(yù)測(cè)值為583.0 kN/m。最大變形計(jì)算值為38.1 mm，預(yù)測(cè)值為42.4 mm。

7 結(jié) 語(yǔ)

(1)以上分析表明，基坑變形和內(nèi)力正向分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合度很好，能夠較好地指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作。

(2)就具體計(jì)算分析情況看，支撐軸力、樁體位移計(jì)算值略大于實(shí)測(cè)值，但相差不大。本例支撐軸力達(dá)到設(shè)計(jì)值的77.5%，位移差值更在5%以內(nèi)，均較好地符合施工實(shí)際。由于實(shí)際施工中地下水位、坑邊超載均略低于設(shè)計(jì)值，所以計(jì)算在具有應(yīng)有的安全度的同時(shí)也具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

(3)應(yīng)用施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)后續(xù)工況下基坑變形與內(nèi)力進(jìn)行實(shí)時(shí)反分析預(yù)測(cè)，反分析與實(shí)測(cè)誤差一般在20%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了信息化過(guò)程控制的施工要求，對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

(4)變形預(yù)測(cè)的方法有有限單元法和監(jiān)測(cè)值反分析預(yù)測(cè)法，有限單元法需要正確模擬巖土體的本構(gòu)關(guān)系和物理力學(xué)性質(zhì)，參數(shù)多、誤差大，而反分析法通過(guò)實(shí)時(shí)的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在后續(xù)工況下的變形，所依據(jù)的參數(shù)較少，在結(jié)構(gòu)體受力明確、剛度準(zhǔn)確的情況下，其預(yù)測(cè)值顯然足夠精確，計(jì)算量也較小，能夠達(dá)到指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工實(shí)現(xiàn)信息化過(guò)程控制的意圖。

(5)實(shí)踐表明，采用SMW 工法樁結(jié)合內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，在深厚粉砂土地區(qū)和軟土地區(qū)作為基坑支護(hù)體是適宜的，且其工藝已經(jīng)趨于成熟，具有良好的適應(yīng)性和可靠度。

(6)工程采用了控制性降水(降深5～6 m)，總體而言所引起的地面沉降變形并不大，但有效地降低了水壓力，圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮。

［1]陳琦.SMW 工法樁施工工藝及技術(shù)要點(diǎn)［J］. 福建建筑，2011(7):75 -77.

［2]任剛，唐黎明.30 m 深SMW 工法樁在基坑圍護(hù)中的應(yīng)用［J］.建筑施工，2005，27(2):4 -5.

［3]朱輝.尹正貴基坑監(jiān)測(cè)在深基坑工程中的應(yīng)用［J］.河南科技，2012(12):88 -89.

［4]譚儒嬌，李明生.天津?yàn)I海新區(qū)SMW 工法樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑安全監(jiān)測(cè)分析［J］.工程勘察，2011(3):27 -30.