杨晓楠

SMW(Soil Mixing Wall)工法是以水泥土搅拌桩体作为基坑围护的一种施工方法。该法通过多轴深层搅拌机在施工现场按设计深度将土体切散,同时从其钻头前端将水泥浆强化剂注入土体,并使之与原位土体反复混合搅拌,然后在水泥土未硬化之前插入H型钢作为应力加强材料,直至水泥土硬结。在施工平面上,桩与桩之间重叠搭接,在地下形成一个抗渗性好、刚度大,同时又由于H型钢的强度,能承受较大水平土压力的地下壁体。在地下结构施工结束后拔出H型钢回收再利用。这种结构系统具有构造简单、止水性能好、工期短、造价低、环境污染小等优点,近些年得到广泛应用,具有广阔的市场前景[2-4]。

1 SMW工法设计要点

水泥土配合比的确定是SMW工法桩设计的重要内容之一,若水泥土配合比不当,可能导致水泥土强度不够,或者浪费水泥材料且施工困难。水泥掺量必须由现场试验确定,一般取泥土质量的7%,9%,11%,13%,15%做试验。型钢的入土深度可比水泥土搅拌桩入土深度稍小,主要由基坑抗隆起稳定性、挡土墙的内力、变形、型钢拔出等条件决定;而水泥搅拌桩的入土深度要确保坑内降水不影响基坑外环境,管涌及防止墙底隆起发生。

SMW工法的内力计算主要是验算壁式地下墙折算厚度,推算出每延米墙的内力与位移,然后换算得到每根型钢承受的内力和位移。同时需要验算弯矩全部由型钢承担验算强度及型钢抗剪验算和水泥土局部抗剪验算。为保证挡墙的防水功能,应对挡墙进行抗弯变形验算。为保证型钢顺利回收,需进行抗拔验算,进行现场试验确定型钢最大抗拔力。由于型钢底端截面为一变刚度截面,还须校核水泥土的抗剪切强度。

2 施工工艺

2.1 施工工艺流程

SMW工法桩的施工工艺流程见图1。其中主要的节点是型钢的插入,型钢在插入时必须保证水泥土的搅拌均匀,否则对基坑开挖后的降水将造成不利影响。另外型钢插入过程中的连续性也必须得到保证,若连续性不足,造成围护系统的冷缝过多,坑外积水不能有效的阻止,会造成坑内积水难以排除,给地下室施工带来很大的困难。

2.2 施工要点

1)需开挖沟槽接收返流浆液,设置固定架固定H型钢。2)需合理确定下行钻进时和上行提升时水泥浆的灌入量。3)需根据现场条件合理确定搅拌下沉和提升速度,合理确定水泥浆液的配合比。4)控制水泥土搅拌桩和H型钢的垂直度。5)需采取合理措施保证H型钢能够顺利回收。

3 SMW工法实例分析

3.1 工程及地质概况

华润置地9-1地块项目位于上海市中心区域,濒临外滩黄浦江,为6栋地下2层、地上 22层～25层住宅,占地32 935 m2。本工程场地属长江三角洲入海口东南前缘的滨海平原地貌类型,微地貌上属吴淞江古河道沉积区。场地地形平坦,围护呈复杂多边形,地面标高一般5.05 m,基坑地下水属潜水类型,稳定水位在地表以下0.5 m～1.0 m。工程基坑周长约717 m,面积约22 036 m2,采用φ 850三轴SMW工法加两道支撑(局部设第三道钢支撑)的围护形式。

3.2 基坑围护结构设计

1)围护方案。该基坑围护采用SMW工法,开挖深度为7.5 m～9.1 m,采用进口φ 850三轴劲性水泥土搅拌桩作围护结构,内插H700×300×13×24型钢(插一跳一),水泥掺量不小于20%,H型钢间距1 200 mm。设两道直径609 mm钢管和混凝土组合支撑,转角处采用钢筋混凝土和H型钢混合支撑,支撑间距一般为4.5 m。桩顶用钢筋混凝土圈梁兼作首道支撑围檩,其余选用2H400×400×13×21双拼型钢作钢围檩。为减少围护桩在基坑开挖时的位移,对钢支撑施加预应力,其值为40 t。根据该工程基坑坑底土层为③层砂质粉土,透水性较强,对坑底采用降水加固方案。为降低造价,SMW桩中插入的H型钢在结构出±0.000后拔除。坑内采用水泥搅拌桩和压密注浆加固。

2)双头水泥土搅拌桩。双头水泥搅拌桩采用P32.5普通硅酸盐水泥,水灰比0.5～0.55,水泥掺入比13%。搅拌桩桩体施工为两喷三搅工艺。防渗用水泥土搅拌桩应连续施工,相邻桩间歇不得超过10 h,且喷浆搅拌时钻头提升(下沉)速度不宜大于0.5 m/min。钻头每转一周提升(下沉)1.0 cm～1.5 cm为宜,确保有效桩长范围内桩体强度的均匀性。

3.3 基坑监测

为了指导施工,确保工程的顺利进行和邻近管线及重要建筑物的安全,本工程进行了施工监测,实行信息化施工,随时预报,及时处理。监测内容有:桩顶的垂直与水平位移;桩身的变形—测斜;地下管线的水平位移及沉降;临近地面建筑物的沉降;坑内外地下水位;支撑轴力;立柱的水平及垂直位移。

报警值:一般区域最大变形大于40 mm;变形速率大于3 mm/d,并持续3 d以上。

1)SMW围护结构水平位移的变化。基坑自2008年7月开挖,第一道支撑前期已经完成,9月11日形成第二道支撑,11月17日大底板浇筑完毕。在围护结构的搅拌桩体内布设有测斜管,获得了不同开挖阶段水平位移变化情况。由表1可看出,基坑的最大水平位移发生在距坑顶约1.5 m的位置,最大值为67.25 mm,超过报警值40 mm。在不同的开挖阶段,随着基坑开挖深度的增加,围护结构的水平位移亦逐渐增加。主要因为场地狭窄,基坑顶部放置了大量的建筑材料,造成变形过大。在移除这些材料后变形趋于缓和。而变形过大处在最后的型钢拔出过程中有两根桩未能拔出,主要是变形造成型钢与土体摩擦过大,难以拔出。

表1 基坑变形监测数据 mm

2)型钢应力变化。沿H型钢深度方向9 m,13 m,16 m,19 m等处布置了型钢应力测点,并获得了型钢应力变化情况。型钢在基坑开挖过程中的应力变化有三个方面的特点:a.在三层板形成以前,型钢总的应变较小,约占总应变的1/5;b.在底板部位土方开挖过程中,型钢应变发展最快,约占总应变的80%,在接近坑底深度位置,型钢应力应变达到最大值,由底板向下,应力迅速降低;c.所有点应力持续不断地增加。

3)建筑物沉降监测。尽管基坑距附近的住宅楼最近处仅20 m,但因为采用了SMW围护技术,有效地抑制了坑周土体的沉降变形,该结构地面最大沉降仅3 mm,取得了较好的环境效益。

4 结语

通过华润置地9-1号地块的深基坑工程实践,SMW工法施工对江边地下水位较高及市中心场地狭窄的工程能产生良好的经济和社会效益。选SMW工法施工方案可以同时起到挡土和防渗的作用,基坑支护结构稳定,沉降量和侧移均较小,不会产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损及地下设施移位等危害,型钢又可回收,造价明显降低,加快了工程进度,与钻孔桩、地下连续墙等传统工法相比较,有广泛的发展和应用前景。

[1]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.

[2]程 骁,张凤祥.土建注浆施工与效果检测[M].上海:同济大学出版社,1998.

[3]夏明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[4]李宏男,李东升.土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评[J].地震工程与工程振动,2002,22(3):82-89.

[5]王晓飞.SMW工法在南京某深基坑中的应用[J].山西建 筑,2009,35(11):81-82.