SMW工法在德大鐵路下穿京滬高鐵U形槽基坑支護中的應用

段慶普,葉長允

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,濟南 250022)

SMW工法是一種連續套接的三軸水泥土攪拌樁內插入型鋼形成的復合擋土隔水結構的施工方法。SMW工法構造簡單,止水性能好,工期短,環境污染小,造價低,適用土層范圍較廣,且型鋼可回收重復利用,具有良好的經濟效益和社會效益[1]。作為基坑圍護和防水帷幕的一種新工藝,SMW工法已逐步在我國得到推廣。

結合SMW工法在德大鐵路下穿京滬高鐵U形槽基坑支護中的應用,對SMW工法設計理論、計算方法以及施工工藝進行介紹和分析,探討該工法在基坑支護工程中的應用前景, 并為類似相關工程提供實踐經驗。

1 工程概況

德大線在DK21+070處與京滬高速鐵路交叉,線路在京滬高鐵DK343+007處C107與C108號橋墩間穿過,與京滬高鐵法向夾角22°。為了滿足內澇洪水位要求及減少德大線施工、運營期間對京滬高鐵的影響,自DK20+320～DK21+870段采用鋼筋混凝土U形槽結構。

為減少德大線U形槽基坑開挖時對既有京滬高鐵墩臺的影響,在京滬高鐵兩側200 m范圍,基坑采用鉆孔樁及SMW樁支護,旋噴樁及攪拌樁作為止水帷幕,形成全封閉止水基坑。

根據場地條件和基坑周邊環境,經過方案對比分析,其中德大線DK20+845～DK21+045與DK21+095～DK21+295段基坑采用SMW法支護,基坑深3.48～4.26 m、寬13.96 m。支護樁采用φ650@450 mm水泥攪拌樁,隔樁插入H50型鋼,樁長9.0 m；基坑范圍內基底采用4.0 m深水泥攪拌樁加固、止水,樁徑為700 m m,間距500 m,矩形布置。支護樁頂設1.0 m×0.8 m的鋼筋混凝土冠梁。基坑采用φ600 mm、t=16 mm鋼管支撐,每3.0 m設1道。基坑支護平面、SMW工法樁施工平面和SMW工法樁基坑支護與地基加固斷面分別如圖1～圖3所示。

圖1 基坑支護平面

圖2 SMW工法樁施工平面(單位：mm)

圖3 SMW工法樁基坑支護與地基加固斷面(冠梁頂橫撐未示)(單位：cm)

2 地質概況

本工程勘察深度范圍內地層為第四系全新統沖積層及第四系上更新統沖積層,巖性包括黏土、粉質黏土、粉土及粉砂。

基坑開挖范圍內地下水為第四系孔隙潛水,含水層主要為粉土、粉砂層,水量豐富。勘探期間地下水埋深1.60～7.10 m,地下水補、逕、排條件較好,地下水補給主要以大氣降水及河流的側向補給為主,排泄條件以地面蒸發為主。地下水年變化幅度一般2～3 m。

3 SMW工法設計理論和計算方法

SMW工法作為基坑圍護結構,主要基于強度、變形和穩定性3個方面進行設計和計算。其中內力和變形計算目前主要采用平面彈性地基梁法[1]。為考慮設置支撐和開挖的實際施工過程,采用增量法進行各種工況下的設計計算。

3.1 整體穩定性驗算

對于厚度較小SMW工法的計算可采用和其他板樁式結構相同的計算方法,根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007—2002)[2]對支護樁進行抗傾覆驗算、抗滑動驗算、抗隆起穩定性和抗滲流穩定性驗算,并利用圓弧滑動法進行邊坡整體穩定驗算。

3.2 截面強度驗算

SMW工法樁設計計算首先要求等效混凝土壁式地下連續墻轉換,將工法樁折算為等剛度厚h的混凝土壁式地下連續墻,然后計算其內力和位移,并驗算水泥土、型鋼的強度[3]。

設型鋼寬度為W,型鋼凈間距為t,可將加筋水泥土擋墻按剛度相等的原則折算為一定厚度的鋼筋混凝土壁式地下連續墻,每根型鋼可等價為寬(W+t)、厚度為h的混凝土壁式地下連續墻,二者剛度相等，得

式中：Es為型鋼彈性模量；Is為型鋼慣性矩；Ec為混凝土彈性模量。

工程實踐和試驗研究發現,在小變形條件下,水泥土對型鋼水泥土攪拌墻的剛度貢獻是不容忽視的[1]。但由于試驗數據及工程經驗的限制,還不能準確地確定水泥土對型鋼剛度的提高程度,在圍護結構的設計計算中,不考慮水泥土的剛度貢獻,只作為安全儲備加以考慮[1]。型鋼水泥土攪拌墻的截面設計主要是確定型鋼截面和型鋼間距。

4 支護結構計算和分析

4.1 支護結構抗浮計算

在施工階段,SMW工法支護樁與水泥攪拌樁地基止水帷幕施工完成后,主體結構尚未施工時,形成整體封閉基坑。由于地下水位較高,需進行封閉止水基坑的抗浮檢算。對DK20+845～DK21+045與DK21+095～DK21+295段3.48～4.26 m深基坑進行計算,結果均滿足結構自重/水浮力≥1.0,圍護結構滿足抗浮要求。

4.2 支護結構計算

本工程SMW工法樁采用φ650 mm@450 mm水泥土攪拌樁內插H型鋼組成,臨時支撐系統采用φ600 mm(t=12 mm)鋼管支撐,沿基坑水平每3 m設置1道。工法樁結構采用荷載-結構模式,按施工順序逐階段進行計算。

4.2.1 計算荷載

側向水、土壓力：施工階段水、土壓力按朗金主動土壓力水土分算計算；施工期間地面超載按10 kPa考慮；鋼管內支撐預加軸力15 kN。

4.2.2 設計原則

本基坑側壁安全等級為一級；根據基坑側壁安全等級,確定以下控制參數：圍護墻最大水平位移不大于40 mm,地面最大沉降≤0.2%H(H為基坑開挖深度)[5]。

4.2.3 計算

本基坑圍護結構計算采用同濟啟明星FRWS《深基坑支擋結構分析軟件》進行計算。基坑開挖分工況1(加撐)、工況2(開挖)2種工況進行，各施工工況及基坑開挖完成后計算結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 基坑圍護結構施工工況簡圖(單位：m)

圖5 內力包絡圖(水土分算,矩形荷載)

根據以上計算結果進行H型鋼、鋼管內支撐及冠梁、鋼腰梁的設計。經計算該基坑圍護結構選用的SMW工法樁徑、H型鋼規格、內支撐鋼管管徑及鋼腰梁規格均滿足要求。

按規范的條分法進行整體穩定性驗算,結果顯示整體穩定安全系數Ks=3.289>1.2；按Terzaghi(太沙基)公式驗算,基坑抗隆起穩定性結果Ks=5.788>1.6；基坑抗管涌穩定性驗算K=6.793>1.1。由此可知基坑是安全穩定的。

4.3 SMW工法支護結構變形分析

4.3.1 基坑開挖

SMW工法基坑施工按一級基坑標準控制,樁體最大水平位移為3.1 mm,地面沉降最大為6 mm。為保證開挖安全和基坑穩定,基坑土采用縱向分段、豎向分層、橫向先挖中間土、留樁腳土的方法施工[1]。

4.3.2 SMW樁體變形

SMW樁體變形與內支撐的設置和開挖深度密切相關[1]。鋼支撐應及時架設,確保支護結構穩定,以減小支護結構變形。本設計還對各鋼管內支撐預先加設軸力,計算結果證明預加軸力對于減小墻體先期水平變形非常有利。經過施工監測,SMW樁體變形隨開挖深度增加而增大,而樁體變形因內支撐設置后得到有效控制。

本次施工中,為減少水泥土墻的整體變形,采用坑底設置水泥攪拌樁,不僅可以有效封閉地下水,還能起到加固坑底土體和支護周邊水泥土墻的作用,使東西向、南北向的水泥土墻形成一體,進而限制其坑內水平位移的發展。根據施工過程中的監測結果,這種設計方法是成功有效的。

4.3.3 地表沉降

造成基坑邊緣地表發生沉降變形的因素主要有支護結構的變形,邊緣土層中地下水位的變化,以及邊緣土層中發生管涌和流土等[6]。因本工程基坑施工時未降低地下水位,基坑邊緣的地表沉降量計算只需要考慮支護結構的變形。本文分別采用三角形法、指數法和拋物線法對基坑邊緣地表沉降進行模擬計算,計算結果見圖6。

圖6 地表沉降

模擬計算結果顯示,由指數法計算地表最大沉降量為6 mm,三角形法和拋物線法計算地表最大沉降量分別為4 mm、3 mm。基坑邊緣地表沉降計算除受圍護體系本身及周圍土體特性影響外,更較多的受施工因素的影響[6]。施工監測結果較離散,大致與拋物線法趨勢一致,實測基坑邊緣地表最大沉降為6 mm,發生于圍護墻外側2 m左右。

通過以上分析可知,施工過程中,基坑支護結構變形和周邊地表沉降均控制在允許值范圍內。基坑開挖方法、支護結構支撐安裝和監控量測手段有效的配合,保證了基坑的順利施工和周邊環境的安全。

5 支護結構施工工藝

5.1 工藝流程

SMW工法加水平鋼管內支撐圍護方案的施工工藝流程主要包括水泥攪拌樁施工、插拔型鋼、水平鋼管安(拆)裝三大過程。具體可分為導溝開挖、置放導軌、標定孔位、鉆進、噴漿攪拌、插入型鋼、漿土硬化、圍檁安裝、水平鋼管安裝(預加軸力)、拔(拆)型鋼、清理現場等工序[7]。

5.2 施工要點

為確保SMW工法樁的施工質量,達到要求的止水效果和強度,特對樁的施工提出如下要求。

(1)水泥土攪拌樁應按施工組織設計要求進行試成樁,確定相關施工工藝及參數。

(2)攪拌樁需采用三軸攪拌機施工,施工時應準確定位。相鄰樁施工間隔不超過12h,施工過程中一旦出現冷縫,必須在外側補做攪拌樁,以保證隔水效果。

(3)型鋼在插入水泥攪拌樁之前應涂刷減摩劑,以便拔出型鋼。型鋼拔出后在攪拌樁中留下的孔隙需采取注漿等措施進行回填,以減小對鄰近建筑物及地下管線的影響。

(4)SMW工法樁施工質量控制措施、水泥土攪拌樁及插入型鋼的質量檢查與驗收參照《基坑工程手冊》(第2版)有關要求執行。

6 結語

由德大鐵路下穿京滬高鐵U形槽SMW工法基坑支護結構的設計、計算及施工結果可知,SMW工法樁滿足本工程的基坑支護要求,并達到了預期支護、止水的目標。合理地選擇基坑開挖方案、有效地設置鋼管內支撐預加軸力以及采用坑底設置水泥攪拌樁,均有利于減小墻體的水平變形。施工過程中對圍護結構進行實時監控、量測、分析,保證了基坑的順利施工和周邊環境的安全。目前本工程已按設計完成施工,工程中沒有出現險情和事故,攪拌樁防滲效果很好,對京滬高鐵未造成任何影響,各項監測數據也比較平穩。隨著城市的發展和社會的進步,發展地下空間已成為一種必然,基坑工程的設計和施工日趨重要，作為國內常規支護結構形式之一,SMW工法有著廣闊的應用前景。

[1] 劉國彬,王衛東.基坑工程手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社,2009.

[2] GB50007—2002 建筑地基基礎設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2002.

[3] 朱祥山,閆強剛.SMW工法在支護工程中的應用[J].城市勘測,2009(6)：152-154,157.

[4] JGJ 120—99 建筑基坑支護技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社,1999.

[5] 趙春艷.SMW工法在武漢地鐵二號線常青花園站基坑圍護中的應用[J].交通科技,2008(3)：44-46．

[6] 馬秉務,姚愛國.基坑邊緣地面沉降計算方法分析[J].西部探礦工程,2004(1)：12-14.

[7] 胡治濤.改良的SMW工法加鋼管支撐在深基坑支護工程的實踐[J].福建建設科技,2008(5)：12-13．

[8] 姚愛國,湯鳳林.基坑支護結構設計方法討論[J].工業建筑,2008(3)．

[9] 俞建霖,龔曉南.基坑工程變形性狀研究[J].土木工程學報,2002(8)．

[10] 陳忠漢,黃書秩,程麗萍.深基坑工程[M].北京：機械工業出版社,1990.