富水軟弱地層綜合管廊SMW工法樁力學特性與優化設計

王艷明，張 敏，劉東明，梁 斌

(1. 中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471013；2.河南科技大學 土木工程學院, 河南 洛陽 471023)

0 引言

“十三五”期間國內PPP(Public-Private-Partnership)項目投放加速，地下綜合管道走廊進入高速發展期[1]。地下綜合管廊是一條公共隧道，將市政、電力、天然氣、供水和排水等各種管道整合在一起。國內地下綜合管廊基本采用明挖法施工，在富水軟弱地層中，地下水位高，地質條件差，基坑開挖安全性更難以保證[2-3]。SMW工法樁由于其建設工期短、止水性能好、工程造價低等特點在地下空間建設中得到廣泛應用[4-10]。在當前國內外環境下對SMW工法樁支護力學特性及優化設計進行研究有重要科研和實用價值。

有關水泥土攪拌樁施工工藝方面已經取得較多研究成果。文獻[11]在同一場地進行了五軸水泥土攪拌樁和二軸、三軸水泥土攪拌樁取芯檢測和室內無側限抗壓強度試驗，研究表明：五軸水泥土攪拌樁的強度值最高，離散性也較小，具有良好的應用前景。文獻[12]在現場進行三軸水泥土攪拌樁強度取值問題進行試驗，提出在設計計算和強度控制中水泥土攪拌樁的強度不小于0.5 MPa，三軸水泥土攪拌樁取漿強度值與取芯強度值的比值在1.3～1.6之間較為適宜。文獻[13]在現場進行SMW工法樁試樁，對比不同水灰比、不同下鉆速度SMW工法樁的成樁質量， 研究表明水灰比1.2、下鉆速度50 mm/min 比較適用。而型鋼水泥攪拌樁在富水軟弱地下綜合管廊狹長深基坑施工領域相關研究不多。文獻[14]利用有限元方法對不同尺寸樁墻厚度與樁長進行數值模擬，分析變形參數下的深基坑支護樁應變及變形特性，進而對SMW工法樁進行優化。文獻[15]以北京某地鐵基坑為依托，提出SMW圍護結構適用于含砂礫地層，而且其剛度和變形優于鉆孔灌注樁圍護結構。文獻[16]以杭州某窄長深基坑工程為基礎，分析了SMW施工方法和鋼筋混凝土內部支護的側向位移實測數據。研究表明，SMW圍護結構的最大橫向變形與基坑開挖深度之比約為0.005。由于工程地質條件高度的復雜性、差異性及特殊性，型鋼水泥土攪拌樁變形特征及設計參數選取仍需進一步深入研究。

以福州市萬新路地下綜合管廊工程K0+080-K0+275標段為研究背景，通過現場試樁，確定施工工藝參數；并采用MIDAS-GTS NX建立綜合管廊基坑力學模型，分析不支護樁徑、不同型鋼布置形式、不同型鋼尺寸以及不同鋼支撐預加軸力對SMW工法樁結構水平位移變形的影響；對SMW工法樁樁徑、型鋼布置形式、型鋼尺寸以及鋼支撐預加軸力設計參數進行合理選取，提出SMW工法樁最優設計，指導后續工程施工。

1 工程概況

1.1 工程地質及水文條件

綜合管廊工程位于福建省福州市濱海新城，城市綜合管廊的建設，將成為衡量一座城市市政基礎設施建設水平的重要標志之一。萬新路城市綜合管廊里程樁號為K0+080-K2+000，總長度為1 972.4 m，管廊全部為現澆鋼筋混凝土結構形式，采用C45防水混凝土，抗滲等級P8，采用明挖法施工。管廊全部為雙艙斷面，分為綜合艙和電力艙，綜合艙斷面凈寬高尺寸為3.40 m×3.85 m，電力艙斷面凈寬高尺寸為2.80 m×3.85 m。綜合管廊效果圖如圖1所示。綜合管廊填土中的上層滯水，水量小，受大氣降水及生活用水的影響大，隨季節影響變化較大，雨季時對基坑開挖影響比較大，易產生流砂、流泥現象。萬新路地下綜合管廊標頭段K0+080-K0+275，場地地基主要為耕植土、淤泥質土、淤泥質土夾砂和全風化碎石花崗巖，坑底地基土質較好但滲透系數較大。基坑開挖時邊坡土體的穩定性較差，因此要求支護結構必須具有擋土和止水功能。

圖1 地下綜合管廊效果Fig.1 Effect of underground comprehensive pipe gallery

1.2 SMW工法圍護結構設計

根據臨海富水軟弱地層地質特征以及水文地質條件，K0+080-K1+275標段支護方案可考慮采用排樁+內支撐進行支護，并設置排水溝和集水井進行集水明排。SMW工法以多軸型(常為三軸型或五軸型)攪拌樁在施工場地進行水泥強化劑與地基土反復鉆掘攪拌，在水泥土混合體結硬前插入H型鋼或鋼板作為應力補強材料，形成連續完整地下墻體。SMW工法基坑支護加鋼管角撐或水平支撐體系，不僅能加快施工速度，還能有效地節省工程費用[17]，經專家討論以及經濟效益對比分析，K0+080-K1+275標段最終確定采用SMW五軸攪拌樁機進行支護樁施工。

2 SMW工法試樁試驗

2.1 SMW

工法樁試樁方案2.1.1試樁目的

為比較不同工藝參數下的成樁質量，確定成樁步驟、五軸攪拌頭下沉和提升速度、水泥漿液的水灰比等各項工藝參數，為后續SMW工法樁施工以及力學特性分析提供有效水泥土物理力學參數，需進行五軸攪拌樁試樁試驗。

2.1.2試樁位置及要求

SMW工法樁工藝性試樁試驗位置選取在萬新路綜合管廊K0+080-K0+275段基坑支護，選取其中4組五軸攪拌樁作為試樁。試樁處地質從上到下依次為：表層耕土厚0.6 m，淤泥質土厚4.9 m，淤泥質土夾砂厚5.5 m， 全風化花崗巖厚4 m，樁底進入全風化花崗巖1 m。此處樁具有代表性，SMW五軸攪拌樁機試樁現場如圖2所示。

圖2 SMW五軸攪拌樁機試樁現場Fig.2 Test site of SMW 5-axle mixing pile machine

SMW五軸水泥土攪拌樁的樁身強度采用試塊試驗確定，取剛攪拌完成還未凝固的水泥土漿液制成標準試塊，要求淤泥中水泥土無側限抗壓強度不得小于0.8 MPa，砂層中水泥土無側限抗壓強度不得小于1.5 MPa。

2.2 SMW工法樁施工工藝參數確定

根據現場實際情況，試驗樁采用水泥摻量20%，22%進行試驗，每一摻量水泥打設2組，樁深12 m。根據試驗要求配備相應的原材、人員、機械設備,采用如表1所示SMW工法五軸攪拌樁試樁參數在場地K0+080-K0+275標段進行五軸攪拌樁試樁。配置的灰漿應具有較好的流動性，要求不離析，施工過程中便于泵送、噴攪。在試樁施工結束后，對樁體強度、防滲效果等指標進行檢查。根據實驗室五軸攪拌樁試驗配比和設計圖紙要求，后續施工將采用表2五軸攪拌樁施工工藝參數。

表1 SMW工法五軸攪拌樁試樁參數Tab.1 Test parameters of 5-axle mixing pile using SMW construction method

表2 五軸攪拌樁施工工藝參數Tab.2 Construction process parameters of 5-axle mixing pile

3 SMW工法樁力學特性及優化設計

3.1 SMW

工法樁力學特性分析3.1.1有限元參數選取

土體本構模型選用修正-摩爾庫倫模型，選取基坑開挖范圍內分布較廣的土層為代表，簡化其他較少的土層[18-19]，根據地質勘察報告，在萬新路地下綜合管廊場地內的開挖深度內，土體自上而下為：耕植土、淤泥質土、淤泥質土夾砂、全風化碎石花崗巖。各結構材料力學性能參數如表3所示，水泥土的物理力學參數采用上述SMW工法試樁試驗數據，各土層的物理力學性質計算值見表4。

表3 各結構材料力學性能參數Tab.3 Mechanical performance parameters of different structural materials

表4 土體主要物理力學性能指標Tab.4 Main physical and mechanical performance indicators of soil

3.1.2力學模型建立

萬新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標段地勢平坦，地層分布均勻一致，為方便施工現場監測結果與數值模擬值比較分析，現選取監測點CX-C-5所在樁號K0+180剖面處建立有限元模型。建模分析時，計算模型邊界取到對綜合管廊基坑開挖影響較小的地方，Y軸方向取基坑開挖深度的2～4倍，X軸方向取基坑開挖深度的3～4倍。綜合管廊基坑K0+080-K0+275標段模型深度為6 m，基坑寬為9.8 m，取一個40 m×25 m的二維模型(不考慮鋼支撐水平間隔)。水泥土樁與型鋼長度取開挖深度的2倍，即為12 m。地下綜合管廊K0+080-K0+275標段周圍沒有固定超載，將一切荷載統一化為均布荷載，取值20 kN/m，綜合管廊樁號K0+180剖面模型圖如圖3所示。

圖3 綜合管廊基坑各開挖步下模型Fig.3 Models of excavation steps of foundation pit of comprehensive pipe gallery

3.1.3計算結果分析

在綜合管廊基坑開挖過程中，基坑變形現象主要有樁身變形、基地隆起、地表沉降等，現主要對綜合管廊基坑開挖過程中樁身水平位移變化規律進行分析。各開挖步下樁身水平方向位移云圖如圖4所示，在開挖的第1步中，樁體的水平位移隨著開挖深度的增加而連續增加，并且最大位移在基坑底部產生。在開挖的第2步中，將水平鋼支撐設置在樁的頂部，以限制樁的水平位移。開挖之后，在土壤的側向壓力下，支護樁向坑中移動以產生最大位移。

圖4 各開挖步下水平方向位移云圖Fig.4 Horizontal displacement nephograms at excavation steps

3.2 SMW工法樁優化設計

利用初步設計中SMW工法樁所建立的力學模型模擬不同支護樁樁徑、型鋼布置形式、型鋼尺寸、鋼支撐預加軸力4項設計參數下SMW圍護結構的變形，對SMW工法設計參數合理選取，提出萬新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標段SMW工法樁支護最優設計。

3.2.1水泥土攪拌樁樁徑選取

為研究不同樁徑時支護樁水平位移的變化，在不改變其他幾何參數下，分別對樁徑為0.55，0.65，0.75，0.85 m進行數值模擬，分析不同樁徑下SMW工法樁力學性能，最終得到不同攪拌樁徑下樁身水平位移如圖5所示。

圖5 不同攪拌樁徑下樁身水平位移Fig.5 Horizontal displacement of pile body with different mixing pile diameters

由圖5可知，樁徑分別為0.55，0.65，0.75，0.85 m時，基坑開挖過程中樁身位移不同變化規律較為一致，當增大SMW工法樁樁徑時，樁身最大位移在逐漸減小，當樁徑由0.55 m增加至0.85 m時，樁身最大位移由3.98 mm降低至2.83 mm，降低幅度大約為28.9%，由此可見，SMW工法樁樁徑增加可有效減小樁身位移。從SMW工法樁樁徑為0.55 m和樁徑為0.85 m的兩條樁身水平位移的變化趨勢分析得出，樁徑較大時，SMW水泥攪拌樁剛性較大，樁身變形減小，但樁頂變形卻增大。但當樁徑較小時，SMW水泥攪拌樁柔性較大，支護結構的受力以樁頂橫向鋼支撐為主，所以樁頂位移較小。

采用“百分率”優化法[20]，計算樁徑為0.55，0.65，0.75，0.85 m時，樁身最大水平位移和彎矩，然后將樁身水平位移增加量和彎矩的減小量轉化為百分率。最大水平位移及彎矩計算結果如表5所示，令樁身水平位移增加量和彎矩減小量下降率的值域為[0,1]。將兩條曲線繪制于同一坐標系，如圖6 SMW工法樁剛度百分率優化圖所示，兩曲線的交點橫坐標即為樁徑的優化值。

表5 最大水平位移及彎矩計算結果Tab.5 Calculation result of maximum horizontal displacement and bending moment

圖6 SMW工法樁剛度百分率優化圖Fig.6 Optimized curves of stiffness percentage using SMW construction method

優化結果如圖6所示，優化結果樁徑為0.7 m左右。目前，五軸攪拌樁機多采用0.65 m和0.85 m，秉承節約成本的原則，對樁徑0.65 m的型鋼水泥攪拌樁進行抗傾覆驗算、支護內力變形計算，整體穩定性驗算等均滿足安全系數要求，驗算過程不一一列舉。由圖5不同樁徑下樁身水平位移可知，采用樁徑0.65 m時，最大水平位移為3.65 mm，遠小于報警值25 mm。因此0.65 m和0.75 m在同時滿足安全性要求時，0.65 m更滿足經濟要求與施工要求。最終選定綜合管廊K0+080-K0+275標段選用樁徑為0.65 m較合理。

3.2.2型鋼布置形式選取

在綜合管廊K0+080-K0+275標段初步建立力學型分析力學特性時，型鋼采用插一跳一的形式進行模擬，此外型鋼布置形式還有插二跳一型和密插型，3種型鋼布置形式如圖7所示。分別對3種型鋼布置形式進行數值模擬，研究不同型鋼布置形式對支護結構位移的變化規律，不同型鋼布置形式下樁身水平位移如圖8所示。

圖7 SMW工法樁型鋼布置形式Fig.7 Layout form of section steel in SMW construction method

圖8 不同型鋼布置形式下樁身水平位移Fig.8 Horizontal displacement of pile body under different of section steel layouts

由圖8可知，3種型鋼布置形式樁身水平位移曲線變化規律較為一致。密插型布置最大水平位移要比插一跳一型布置情況下減小18.4%。結合考慮萬新路地下綜合管廊施工環境以及水平位移模擬計算結果，當采用插一跳一布置形式時，數值模擬結果顯示其樁身最大水平位移為3.65 mm，滿足風險控制值，當型鋼布置越密集時，不僅會增加成本，現場施工也會增加難度，因此，K0+080-K0+275標段采用插一跳一的布置形式滿足變形及成本控制要求。

3.2.3型鋼尺寸選取

在型鋼尺寸優化過程中，先分析型鋼腹板厚度變化對于樁身水平位移的影響，在不改變其他因素的情況下，將型鋼的腹板厚度分別設置為9，11，13，15 mm，計算結果曲線如圖9所示。然后同樣在不改變其他幾何參數的條件下將模型中翼緣厚度分別設置16，18，20， 22 mm，分析型鋼翼緣厚度變化對于樁身水平位移的影響，計算結果如圖10所示。

圖9 型鋼不同腹板厚度樁身水平位移Fig.9 Horizontal displacements of pile body with different web thicknesses of section steel

圖10 型鋼不同翼緣厚度樁身水平位移Fig.10 Horizontal displacement of pile body with different flange thicknesses of section steel

由圖9，圖10計算結果可知，型鋼翼緣和腹板厚度的改變在樁身不同位置的變化趨勢是一樣的。型鋼腹板厚度由9 mm增加到15 mm，樁身水平位移相應減小，型鋼翼緣厚度由16 mm增加到22 mm，樁身水平位移也相應減小，但樁身水平位移減小幅度都很小。而對比圖9和圖10可知，當型鋼腹板和型鋼翼緣分別以2 mm/頻次增加時，型鋼翼緣尺寸增加對樁身水平位移影響比型鋼腹板產生的影響要明顯，由于型鋼翼緣位于基坑開挖側且型鋼翼緣剛度比腹板小，因此對于變形就更為敏感。故在設計中型鋼翼緣厚度要比腹板厚度更大一些，根據有限元模擬分析4種不同翼緣及腹板厚度現列出常用的4種型鋼尺寸對比分析，型鋼規格如表6所示。

根據表6中型鋼規格尺寸，結合考慮上述選定最優樁徑為0.65 m，H型鋼腹板長度為600 mm時則不能滿足，且截面慣性矩越大抵抗外力能力越強，因此在本次優化選取型鋼腹板和翼緣厚度分別為11 mm和18 mm，型鋼規格選取500 mm×300 mm×11 mm×18 mm。萬新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標段支護設計中設置冠梁，將所有型鋼和水泥土樁固定在一起，使支護結構形成一個整體且冠梁可以保護型鋼翼緣一側，降低翼緣破壞的可能性。

表6 H型鋼規格表Tab.6 Specifications of H-section steel

3.2.4鋼支撐預加軸力選取

在對樁號K0+180剖面數值模型上分別取鋼支撐預加軸力設計值10%，50%，80%，100%這4種情況，通過改變基坑支撐不同預加軸力情況進行計算分析。

圖11所示為不同支撐預加軸力時樁身水平位移曲線，支撐的軸力由設計值的10%增加到100%時，支護結構的樁頂水平位移減小2 mm，深層土體水平位移減少1.6 mm。

圖11 不同支撐預加軸力下樁身水平位移Fig.11 Horizontal displacement of pile body under different support pre-added axial forces

由圖11可知，增加鋼支撐預加軸力可以減小支護結構變形，鋼支撐預加軸力逐漸加大時，綜合管廊基坑SMW工法樁身頂部位移向基坑外側移動，但當開挖到基坑6 m時，預加軸力的增加對樁身位移影響逐漸減小。因此，通過加大鋼支撐的預加軸力來減小SMW工法樁身變形是可行的，但也要相應地加大SMW工法樁截面尺寸以提高彎矩，在萬新路地下綜合管廊基坑開挖過程中樁頂橫向鋼支撐預加軸力按照設計軸力80%取值。

3.3 SMW工法樁最優方案確定

通過不同樁徑、不同型鋼布置形式、不同型鋼尺寸、不同鋼支撐預加軸力4項設計參數對綜合管廊基坑水平位移的影響考慮，SMW工法樁樁徑取0.65～0.75 mm較合理，根據五軸攪拌樁機施工特點以及成本控制等方面，選取支護樁徑為0.65 mm。型鋼布置形式越密集，支護水平位移越小，基坑穩定性越高，但型鋼布置密集將帶來工程造價高及施工困難問題，地下綜合管廊K0+080-K0+275標段選取插一跳一的布置形式。通過改變型鋼翼緣以及腹板厚度，分析其對樁身水平位移的變化規律，型鋼尺寸的改變對樁身位移影響不大，無需增大型鋼尺寸，選取型鋼尺寸500 mm×300 mm×11 mm×18 mm 最優，SMW工法樁最優設計如圖12所示。SMW工法樁圍護結構體系中鋼支撐的變形對基坑開挖穩定性的影響非常重要，而過分加大鋼支撐預加軸力將會導致支護樁后移。因此，鋼支撐預加軸力按照50%～80%取值，綜合管廊K0+080-K0+275標段中鋼支撐預加軸力按照設計軸力的80%取值。

圖12 SMW工法樁截面設計圖(單位:mm)Fig.12 Design section of SMW construction method pile (unit:mm)

4 監測結果對比分析

在綜合管廊K0+080-K0+275標段基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位設置8個監測點，本研究選取監測點CX-C-5所在樁號K0+180剖面進行分析，因此使用CX-C-5測點數據來和有限元模擬數據進行對比研究。

圖13 SMW工法樁水平位移模擬值與實測值對比Fig.13 Comparison of simulated and measured values of horizontal displacement obtained by SMW construction method

由圖13 SMW圍護結構水平位移模擬值與實測值對比可知，模擬結果與實測值存在一定誤差。具體分析其原因是在開挖過程中會出現開挖后放置，基坑空間效應較明顯，基坑暴露時間對基坑變形有影響，使得模擬結果變化較為平緩，而實測結果變化趨勢相比大一些，但誤差均小于1 mm，位移最大值所在位置都在基坑開挖4 m處且變化趨勢一致，因此模擬結果與實測值是相對吻合的，有限元分析結果合理。

綜合SMW工法樁現場施工，優選出的SMW工法樁施工方案在福州市萬新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標段施工中運用，并取得理想效果。

5 結論

(1)通過現場試樁比較不同工藝參數下的成樁質量，確定主要工藝參數水灰比為1.3，水泥摻量為20%。

(2)增加SMW工法樁樁徑可有效減小樁身水平位移，由0.55 m增加至0.85 m時，樁身水平位移降低幅度大約為28.9%。

(3)型鋼的尺寸增加對基坑變形影響較小，但型鋼不同布置形式對基坑變形影響較大，密插型布置樁身最大水平位移要比插一跳一型布置減小18.4%。

(4)分析不同支護樁樁徑、不同型鋼布置形式、不同支撐軸力、不同型鋼尺寸對綜合管廊基坑中SMW圍護結構水平位移的影響，確定最優方案為采用φ650@450水泥土五軸攪拌樁內插HM500×300×11×18型鋼，型鋼布置形式采用插一跳一。

(5)通過數值分析得到的最優方案與現場實測數據進行對比分析，監測值和理論值變化規律較為契合，驗證了計算模型的合理性和結果可靠性，可為同類工程提供參考。