超深SMW工法樁在地鐵深基坑中的應(yīng)用及變形控制

【摘要】SMW工法樁作為一項(xiàng)城市地鐵施工常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，具有成樁速度快、止水效果好、地層擾動(dòng)小、型鋼可回收、施工成本低等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)施工特點(diǎn)，對(duì)超深SMW工法樁在地鐵深基坑中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)開(kāi)挖各階段的實(shí)際變形與計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，解決了超深SMW工法樁在地鐵深基坑開(kāi)挖過(guò)程中的變形問(wèn)題，對(duì)類(lèi)似超深圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工提供借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】地鐵隧道;SMW工法樁;深基坑;圍護(hù)結(jié)構(gòu)

【Abstract】As a common form of retaining structure for urban subway construction， SMW construction method pile has the advantages of fast pile-forming speed， good waterproof effect， small stratum disturbance， recyclable steel， and low construction cost. Therefore， according to the construction characteristics， the application of ultra-deep SMW pile in deep foundation pit of subway is studied. Through the comparative analysis of the actual deformation and calculation results in each stage of excavation， the deformation problem of ultra-deep SMW pile in deep foundation pit excavation of subway is solved， which provides reference for the construction of similar ultra-deep retaining structure.

【Keywords】Subway tunnel; SMW construction method pile; Deep foundation pit; Building envelope

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.07.029

1、工程實(shí)例

1.1工程背景

蘇州S1號(hào)線花橋區(qū)間南側(cè)明挖段，位于沿滬大道東側(cè)綠地內(nèi)，其基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為11.42至15.91m，開(kāi)挖深度約為14.1至15.1m，長(zhǎng)度為204m，施工工藝采用SMW工法樁，其樁身規(guī)格為φ850@600，工法樁內(nèi)采用H700×300×13×24型鋼密插。該工法樁樁身30m，相比于常規(guī)工法，按深度分類(lèi)屬于超深工法樁。

本工程中所涉深基坑共設(shè)置4道支撐，第一道為混凝土支撐，尺寸為800×900，水平間距9.0m;第二、三、四道為φ609×16mm鋼支撐+雙拼HN500×300鋼圍檁，橫向間距3.0m。

1.2水文地質(zhì)情況

基坑內(nèi)土層分布如圖1所示：①1雜填土、②1粉質(zhì)黏土、②y淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③1粘土、③2粉質(zhì)粘土、③3粉土夾粉砂。其中②y淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土作為典型的軟土層，呈灰色，流塑，含水率42%，稍具層理，夾少量薄層狀粉土，稍有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性低，無(wú)搖振反應(yīng)，壓縮性高，靈敏度高。工法樁底成樁范圍還有④2粉土夾粉砂，底部嵌入至⑤1粉質(zhì)黏土中。場(chǎng)地潛水主要賦存于①1、①3、②y層，水位埋深約1.0m;微承壓水主要賦存于第③3、③31、④2中，隔水頂板為③1、③2，隔水底板為⑤1。主要巖土物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2、SMW工法樁施工過(guò)程控制

2.1.施工工藝控制

SMW工法樁采用P.O 42.5水泥，為保證超深樁體成樁效果，水泥摻量由20%提高至25%。成樁時(shí)鉆桿下沉速度0.8m/min，提升速度0.4m/min，采用“二噴二攪”、套接一孔施工工藝，型鋼密插，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制各項(xiàng)施工參數(shù)。

（1）測(cè)量定位。根據(jù)基坑圍護(hù)邊線開(kāi)挖溝槽（尺寸為1000（寬）×1200（深）mm），為保證攪拌樁正常施工，同時(shí)清除地下障礙物。由于本工程開(kāi)挖深度較深，考慮到L/200垂直度要求及后期圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量，需對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)外放10cm，沿長(zhǎng)邊方向設(shè)置定位型鋼。

（2）成樁。泥漿配置采用自動(dòng)稱(chēng)量攪拌系統(tǒng)，使用前進(jìn)行校準(zhǔn)，保證泥漿比重。在樁底部分重復(fù)攪拌注漿，停留1分鐘左右;提升至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，樁頭應(yīng)原位攪拌0.5分鐘，消除樁頂因水泥漿析出造成的凹穴。水泥漿配制好后，停滯時(shí)間不得超過(guò)2小時(shí)，搭接施工的相鄰攪拌樁施工間隔不得超過(guò)24小時(shí)。按照“二噴二攪”的工藝要求，保證注入的水泥漿液與土體攪拌均勻。

然后進(jìn)行型鋼的插入，型鋼定位卡必須牢固、水平，為保證型鋼吊放垂直度，型鋼使用前，在腹板上距其頂端30cm 處開(kāi)一個(gè)中心圓形吊裝孔，孔徑約8cm，型鋼起吊后用全站器校核垂直度及插入偏差，垂直度不大于L/400，插入后誤差不得大于50mm，且宜插在遠(yuǎn)離基坑一側(cè);最后，進(jìn)行型鋼拔除工作，結(jié)構(gòu)施工完成并完成頂板回填后，采用專(zhuān)用起拔設(shè)備以冠梁提供反力，25t汽車(chē)吊配合進(jìn)行型鋼的拔除工作，拔除過(guò)程中應(yīng)沿已有焊縫進(jìn)行分割，保證吊裝安全。拔除型鋼后，用6%～10%的水泥漿填充型鋼拔除后的空隙。

2.2 深基坑開(kāi)挖控制

基坑開(kāi)挖前二十天采用降水井對(duì)基坑進(jìn)行預(yù)降水、疏干。待圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，材料設(shè)備檢測(cè)合格并完成相應(yīng)條件驗(yàn)收后可按照方案進(jìn)行深基坑開(kāi)挖施工，具體如下：

（1）基坑開(kāi)挖主要控制措施

①基坑開(kāi)挖分層、分段、分單元實(shí)施，基坑分段以設(shè)計(jì)分段為準(zhǔn)，每段開(kāi)挖完成后立即澆筑素砼墊層并加快底板施工。分層開(kāi)挖深度宜以上道支撐底至下層支撐底部以下50cm，開(kāi)挖以6m～8m寬（2根支撐）為一個(gè)小單元。每一小單元應(yīng)在16h內(nèi)開(kāi)挖完成，并在8小時(shí)內(nèi)完成支撐架設(shè)。土方開(kāi)挖與支撐施工相互交替進(jìn)行，遵循“隨挖隨撐，分層開(kāi)挖，嚴(yán)禁超挖”的原則。

②分層開(kāi)挖掏槽過(guò)程中，中部槽寬應(yīng)以挖機(jī)正常作業(yè)為宜（6m～8m），基坑兩側(cè)應(yīng)預(yù)留土堤護(hù)壁寬度不得少于3m，盡量減少因開(kāi)挖卸載而引起的基坑變形。開(kāi)挖過(guò)程中機(jī)械距離基坑邊緣距離不得小于1m，樁體后超載≤20kPa，所有機(jī)械設(shè)備在不作業(yè)時(shí)均須遠(yuǎn)離基坑。工法樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)做到樁體基面平整，便于后續(xù)支撐架設(shè)及防水施工。

③開(kāi)挖過(guò)程中，密切關(guān)注監(jiān)測(cè)及滲漏水情況，一旦發(fā)現(xiàn)滲漏需及時(shí)封堵。嚴(yán)防小漏變大漏。其控制措施主要為，對(duì)滲漏水較小且主要為清水的滲漏點(diǎn)，可直接設(shè)置引流管。對(duì)于大的滲漏部位，可先在基坑內(nèi)采用沙袋錯(cuò)層反壓，平衡坑外土體壓力，然后在坑外采用后退式注漿機(jī)進(jìn)行雙液漿（水泥漿+水玻璃）封堵，雙液漿出口處漿液固結(jié)速度宜控制在30s～40s。

為減少注漿壓力過(guò)大導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，注漿范圍宜為滲漏點(diǎn)以下3m至滲漏點(diǎn)以上2m，滲漏點(diǎn)下部注漿壓力控制0.5～1.0MPa，滲漏點(diǎn)上部可減小至0.4MPa，注漿過(guò)程中需對(duì)滲漏水位置觀察，待漿液流出后可緩慢上提鉆桿，提速可控制在20cm/min左右，待提升至滲漏點(diǎn)以上時(shí)注漿過(guò)程中若出現(xiàn)壓力突變，需及時(shí)停注并查明原因。

④土方開(kāi)挖過(guò)程中確保基坑內(nèi)降排水系統(tǒng)正常，避免開(kāi)挖面或基底被水浸泡擾動(dòng)。

（2）支撐系統(tǒng)控制措施

鋼支撐系統(tǒng)架設(shè)的時(shí)效性和架設(shè)質(zhì)量是基坑變形控制的重中之重，鋼支撐架設(shè)主要注意以下幾點(diǎn)：

①做好進(jìn)場(chǎng)材料驗(yàn)收和檢測(cè)，外觀尺寸、規(guī)格型號(hào)及材料性能符合設(shè)計(jì)要求，并做好加壓設(shè)備的標(biāo)定。加快工序轉(zhuǎn)換與銜接，確保8小時(shí)之內(nèi)完成架設(shè)及施壓工作。

②鋼圍檁后填充應(yīng)做到密實(shí)有效，宜采用早強(qiáng)細(xì)石混凝土，鋼支撐軸力施加前達(dá)到初凝效果，確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力。支撐活絡(luò)端上下、左右錯(cuò)開(kāi)布置，活絡(luò)頭鋼楔不小于40cm，采用數(shù)控機(jī)床切割保證精度，減少敲緊后的形變和軸力損失，施加軸力后活絡(luò)頭伸出長(zhǎng)度部不大于15cm。

③預(yù)加軸力按照設(shè)計(jì)軸力的120%施加，共分5個(gè)階段，分別為預(yù)加軸力的40%、60%、80%、100%、120%。軸力計(jì)兩端應(yīng)設(shè)置不小于400×400×50mm鋼板，避免加壓后鋼支撐固定端及圍檁受力變形，出現(xiàn)無(wú)法有效加壓的情況，一旦發(fā)生鋼支撐端部變形，應(yīng)對(duì)固定端節(jié)段進(jìn)行更換。

④每根鋼支撐架設(shè)完成后，應(yīng)及時(shí)設(shè)置上掛下托裝置，并在12～14小時(shí)內(nèi)觀察軸力損失及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移情況，當(dāng)晝夜溫差過(guò)大或基坑開(kāi)挖后導(dǎo)致支撐軸力損失時(shí)，應(yīng)及時(shí)復(fù)加軸力并滿足設(shè)計(jì)值要求。

3、數(shù)據(jù)對(duì)比

結(jié)合本站地質(zhì)情況及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，按照本站點(diǎn)工法樁部位圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大開(kāi)挖處工況進(jìn)行模擬，根據(jù)啟明星FRWS V9.0計(jì)算結(jié)果可知：

（1）如圖2所示，在基坑開(kāi)挖至坑底，底板未澆筑前，為正彎矩最大工況，單根工法樁承受最大彎矩445.9knm。理論最大水平位移為15.5mm，深度為14m。

（2）如圖3可知，底板澆筑后，拆除最下道支撐，為負(fù)彎矩和工法樁水平位移最大工況。單根工法樁承受最大彎矩379.4knm。理論最大水平位移15.8mm，深度為13m。

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，對(duì)開(kāi)挖各階段及支撐架設(shè)工作進(jìn)行了系統(tǒng)性的策劃，并按照方案要求對(duì)基坑進(jìn)行各項(xiàng)監(jiān)測(cè)工作，本文主要對(duì)基坑開(kāi)挖及鋼支撐架設(shè)各階段實(shí)際樁體水平位移變化與理論值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)分析，判斷出施工過(guò)程中的不足和后期改正措施，實(shí)際開(kāi)挖監(jiān)測(cè)情況如下所示：

（1）開(kāi)挖至第一道鋼支撐底部。第一道支撐底部距地面約為4.2m，按照方案第一層土開(kāi)挖至支撐底部50cm，即開(kāi)挖面深度約4.7m，在未架設(shè)支撐時(shí)累計(jì)最大樁體水平位移量為+3.92mm，深度為6m。

（2）開(kāi)挖至第二道鋼支撐底部。第二道支撐底部距地面約為7.2m，即開(kāi)挖面深度為7.7m，在完成第一道支撐架設(shè)，第二道支撐未架設(shè)時(shí)的最大樁體水平位移量為+3.5mm，深度為8.5m。

（3）開(kāi)挖至第三道支撐底部。第三道支撐底部距地面約為12.2m，即開(kāi)挖面深度為12.7m，在完成第二道支撐架設(shè)，第三道支撐未架設(shè)時(shí)的最大樁體水平位移量為+12.48mm，深度為14.5m。

（4）開(kāi)挖至基底。設(shè)計(jì)至基底開(kāi)挖面深度為15.1m，在完成第三道支撐架設(shè)，最大樁體水平位移量為+15.11mm，深度為13m。

（5）底板施工完成拆除第三層鋼支撐。底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度并拆除第三道鋼支撐，監(jiān)測(cè)最大樁體水平位移量為+14.1mm，深度為12.5m。

通過(guò)上述實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及圖4-5，并結(jié)合理論計(jì)算數(shù)據(jù)，在開(kāi)挖各個(gè)階段實(shí)際樁體水平位移值與開(kāi)挖至基底的內(nèi)力包絡(luò)圖中位移變化基本相符。

在最后一層土方開(kāi)挖完成后，實(shí)際累計(jì)變化數(shù)據(jù)最大值為+15.11mm，深度位于13m位置與理論計(jì)算稍有偏差，經(jīng)分析主要是施工過(guò)程中為滿足最后一層機(jī)械施工高度，與設(shè)計(jì)院核定后將支撐中心標(biāo)高上抬70cm所致。在拆除第三道支撐后，累計(jì)水平位移變化值為+14.1mm與理論值+15.8mm相比稍小，基本符合計(jì)算結(jié)果。表明基坑開(kāi)挖各工序銜接良好，同時(shí)反映超深工法樁在地鐵深基坑中有較好、較安全的應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)：

（1）在開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)對(duì)開(kāi)挖深度、開(kāi)挖長(zhǎng)度、降水、及支撐系統(tǒng)等施工各方面的協(xié)調(diào)控制，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所采集的最大變形量與理論計(jì)算值所對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基坑各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論值吻合度較好，未出現(xiàn)預(yù)警情況。

（2）通過(guò)結(jié)合SMW工法樁具備工期短、擾動(dòng)小、造價(jià)低、止水性能好等優(yōu)點(diǎn)，并且在對(duì)超深SMW工法樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工全過(guò)程的質(zhì)量控制過(guò)程來(lái)看，超深工法樁在類(lèi)似地鐵工程能中有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：

徐萬(wàn)春（1982-），男，漢族，高級(jí)工程師。