富水軟弱地層綜合管廊SMW工法樁力學(xué)特性與優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(yáng) 471013；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

“十三五”期間國(guó)內(nèi)PPP(Public-Private-Partnership)項(xiàng)目投放加速，地下綜合管道走廊進(jìn)入高速發(fā)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(guó)內(nèi)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(zhì)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(shè)工期短、止水性能好、工程造價(jià)低等特點(diǎn)在地下空間建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[4-10]。在當(dāng)前國(guó)內(nèi)外環(huán)境下對(duì)SMW工法樁支護(hù)力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究有重要科研和實(shí)用價(jià)值。

有關(guān)水泥土攪拌樁施工工藝方面已經(jīng)取得較多研究成果。文獻(xiàn)[11]在同一場(chǎng)地進(jìn)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(cè)和室內(nèi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究表明：五軸水泥土攪拌樁的強(qiáng)度值最高，離散性也較小，具有良好的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[12]在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三軸水泥土攪拌樁強(qiáng)度取值問題進(jìn)行試驗(yàn)，提出在設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度控制中水泥土攪拌樁的強(qiáng)度不小于0.5 MPa，三軸水泥土攪拌樁取漿強(qiáng)度值與取芯強(qiáng)度值的比值在1.3～1.6之間較為適宜。文獻(xiàn)[13]在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行SMW工法樁試樁，對(duì)比不同水灰比、不同下鉆速度SMW工法樁的成樁質(zhì)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(zhǎng)深基坑施工領(lǐng)域相關(guān)研究不多。文獻(xiàn)[14]利用有限元方法對(duì)不同尺寸樁墻厚度與樁長(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析變形參數(shù)下的深基坑支護(hù)樁應(yīng)變及變形特性，進(jìn)而對(duì)SMW工法樁進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)[15]以北京某地鐵基坑為依托，提出SMW圍護(hù)結(jié)構(gòu)適用于含砂礫地層，而且其剛度和變形優(yōu)于鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[16]以杭州某窄長(zhǎng)深基坑工程為基礎(chǔ)，分析了SMW施工方法和鋼筋混凝土內(nèi)部支護(hù)的側(cè)向位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。研究表明，SMW圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(zhì)條件高度的復(fù)雜性、差異性及特殊性，型鋼水泥土攪拌樁變形特征及設(shè)計(jì)參數(shù)選取仍需進(jìn)一步深入研究。

以福州市萬(wàn)新路地下綜合管廊工程K0+080-K0+275標(biāo)段為研究背景，通過現(xiàn)場(chǎng)試樁，確定施工工藝參數(shù)；并采用MIDAS-GTS NX建立綜合管廊基坑力學(xué)模型，分析不支護(hù)樁徑、不同型鋼布置形式、不同型鋼尺寸以及不同鋼支撐預(yù)加軸力對(duì)SMW工法樁結(jié)構(gòu)水平位移變形的影響；對(duì)SMW工法樁樁徑、型鋼布置形式、型鋼尺寸以及鋼支撐預(yù)加軸力設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行合理選取，提出SMW工法樁最優(yōu)設(shè)計(jì)，指導(dǎo)后續(xù)工程施工。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)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(shè)，將成為衡量一座城市市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平的重要標(biāo)志之一。萬(wàn)新路城市綜合管廊里程樁號(hào)為K0+080-K2+000，總長(zhǎng)度為1 972.4 m，管廊全部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，采用C45防水混凝土，抗?jié)B等級(jí)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(jié)影響變化較大，雨季時(shí)對(duì)基坑開挖影響比較大，易產(chǎn)生流砂、流泥現(xiàn)象。萬(wàn)新路地下綜合管廊標(biāo)頭段K0+080-K0+275，場(chǎng)地地基主要為耕植土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)土夾砂和全風(fēng)化碎石花崗巖，坑底地基土質(zhì)較好但滲透系數(shù)較大?；娱_挖時(shí)邊坡土體的穩(wěn)定性較差，因此要求支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)臨海富水軟弱地層地質(zhì)特征以及水文地質(zhì)條件，K0+080-K1+275標(biāo)段支護(hù)方案可考慮采用排樁+內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，并設(shè)置排水溝和集水井進(jìn)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(chǎng)地進(jìn)行水泥強(qiáng)化劑與地基土反復(fù)鉆掘攪拌，在水泥土混合體結(jié)硬前插入H型鋼或鋼板作為應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)材料，形成連續(xù)完整地下墻體。SMW工法基坑支護(hù)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(jié)省工程費(fèi)用[17]，經(jīng)專家討論以及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比分析，K0+080-K1+275標(biāo)段最終確定采用SMW五軸攪拌樁機(jī)進(jìn)行支護(hù)樁施工。

2 SMW工法試樁試驗(yàn)

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(shù)下的成樁質(zhì)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(xiàng)工藝參數(shù)，為后續(xù)SMW工法樁施工以及力學(xué)特性分析提供有效水泥土物理力學(xué)參數(shù)，需進(jìn)行五軸攪拌樁試樁試驗(yàn)。

2.1.2試樁位置及要求

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

圖2 SMW五軸攪拌樁機(jī)試樁現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Test site of SMW 5-axle mixing pile machine

SMW五軸水泥土攪拌樁的樁身強(qiáng)度采用試塊試驗(yàn)確定，取剛攪拌完成還未凝固的水泥土漿液制成標(biāo)準(zhǔn)試塊，要求淤泥中水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得小于0.8 MPa，砂層中水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得小于1.5 MPa。

2.2 SMW工法樁施工工藝參數(shù)確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，試驗(yàn)樁采用水泥摻量20%，22%進(jìn)行試驗(yàn)，每一摻量水泥打設(shè)2組，樁深12 m。根據(jù)試驗(yàn)要求配備相應(yīng)的原材、人員、機(jī)械設(shè)備,采用如表1所示SMW工法五軸攪拌樁試樁參數(shù)在場(chǎng)地K0+080-K0+275標(biāo)段進(jìn)行五軸攪拌樁試樁。配置的灰漿應(yīng)具有較好的流動(dòng)性，要求不離析，施工過程中便于泵送、噴攪。在試樁施工結(jié)束后，對(duì)樁體強(qiáng)度、防滲效果等指標(biāo)進(jìn)行檢查。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室五軸攪拌樁試驗(yàn)配比和設(shè)計(jì)圖紙要求，后續(xù)施工將采用表2五軸攪拌樁施工工藝參數(shù)。

表1 SMW工法五軸攪拌樁試樁參數(shù)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(shù)Tab.2 Construction process parameters of 5-axle mixing pile

3 SMW工法樁力學(xué)特性及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 SMW

工法樁力學(xué)特性分析3.1.1有限元參數(shù)選取

土體本構(gòu)模型選用修正-摩爾庫(kù)倫模型，選取基坑開挖范圍內(nèi)分布較廣的土層為代表，簡(jiǎn)化其他較少的土層[18-19]，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，在萬(wàn)新路地下綜合管廊場(chǎng)地內(nèi)的開挖深度內(nèi)，土體自上而下為：耕植土、淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)土夾砂、全風(fēng)化碎石花崗巖。各結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)如表3所示，水泥土的物理力學(xué)參數(shù)采用上述SMW工法試樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)計(jì)算值見表4。

表3 各結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能參數(shù)Tab.3 Mechanical performance parameters of different structural materials

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

3.1.2力學(xué)模型建立

萬(wàn)新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)段地勢(shì)平坦，地層分布均勻一致，為方便施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬值比較分析，現(xiàn)選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX-C-5所在樁號(hào)K0+180剖面處建立有限元模型。建模分析時(shí)，計(jì)算模型邊界取到對(duì)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(biāo)段模型深度為6 m，基坑寬為9.8 m，取一個(gè)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(zhǎng)度取開挖深度的2倍，即為12 m。地下綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)段周圍沒有固定超載，將一切荷載統(tǒng)一化為均布荷載，取值20 kN/m，綜合管廊樁號(hào)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(jì)算結(jié)果分析

在綜合管廊基坑開挖過程中，基坑變形現(xiàn)象主要有樁身變形、基地隆起、地表沉降等，現(xiàn)主要對(duì)綜合管廊基坑開挖過程中樁身水平位移變化規(guī)律進(jìn)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(xù)增加，并且最大位移在基坑底部產(chǎn)生。在開挖的第2步中，將水平鋼支撐設(shè)置在樁的頂部，以限制樁的水平位移。開挖之后，在土壤的側(cè)向壓力下，支護(hù)樁向坑中移動(dòng)以產(chǎn)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(yōu)化設(shè)計(jì)

利用初步設(shè)計(jì)中SMW工法樁所建立的力學(xué)模型模擬不同支護(hù)樁樁徑、型鋼布置形式、型鋼尺寸、鋼支撐預(yù)加軸力4項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)下SMW圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)SMW工法設(shè)計(jì)參數(shù)合理選取，提出萬(wàn)新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)段SMW工法樁支護(hù)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

3.2.1水泥土攪拌樁樁徑選取

為研究不同樁徑時(shí)支護(hù)樁水平位移的變化，在不改變其他幾何參數(shù)下，分別對(duì)樁徑為0.55，0.65，0.75，0.85 m進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同樁徑下SMW工法樁力學(xué)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(shí)，基坑開挖過程中樁身位移不同變化規(guī)律較為一致，當(dāng)增大SMW工法樁樁徑時(shí)，樁身最大位移在逐漸減小，當(dāng)樁徑由0.55 m增加至0.85 m時(shí)，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(shì)分析得出，樁徑較大時(shí)，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(dāng)樁徑較小時(shí)，SMW水泥攪拌樁柔性較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yōu)化法[20]，計(jì)算樁徑為0.55，0.65，0.75，0.85 m時(shí)，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(zhuǎn)化為百分率。最大水平位移及彎矩計(jì)算結(jié)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?yàn)閇0,1]。將兩條曲線繪制于同一坐標(biāo)系，如圖6 SMW工法樁剛度百分率優(yōu)化圖所示，兩曲線的交點(diǎn)橫坐標(biāo)即為樁徑的優(yōu)化值。

表5 最大水平位移及彎矩計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation result of maximum horizontal displacement and bending moment

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

優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化結(jié)果樁徑為0.7 m左右。目前，五軸攪拌樁機(jī)多采用0.65 m和0.85 m，秉承節(jié)約成本的原則，對(duì)樁徑0.65 m的型鋼水泥攪拌樁進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算、支護(hù)內(nèi)力變形計(jì)算，整體穩(wěn)定性驗(yàn)算等均滿足安全系數(shù)要求，驗(yàn)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(shí)，最大水平位移為3.65 mm，遠(yuǎn)小于報(bào)警值25 mm。因此0.65 m和0.75 m在同時(shí)滿足安全性要求時(shí)，0.65 m更滿足經(jīng)濟(jì)要求與施工要求。最終選定綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)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(biāo)段初步建立力學(xué)型分析力學(xué)特性時(shí)，型鋼采用插一跳一的形式進(jìn)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(duì)3種型鋼布置形式進(jìn)行數(shù)值模擬，研究不同型鋼布置形式對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移的變化規(guī)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(guī)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(jié)合考慮萬(wàn)新路地下綜合管廊施工環(huán)境以及水平位移模擬計(jì)算結(jié)果，當(dāng)采用插一跳一布置形式時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果顯示其樁身最大水平位移為3.65 mm，滿足風(fēng)險(xiǎn)控制值，當(dāng)型鋼布置越密集時(shí)，不僅會(huì)增加成本，現(xiàn)場(chǎng)施工也會(huì)增加難度，因此，K0+080-K0+275標(biāo)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(yōu)化過程中，先分析型鋼腹板厚度變化對(duì)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(shè)置為9，11，13，15 mm，計(jì)算結(jié)果曲線如圖9所示。然后同樣在不改變其他幾何參數(shù)的條件下將模型中翼緣厚度分別設(shè)置16，18，20， 22 mm，分析型鋼翼緣厚度變化對(duì)于樁身水平位移的影響，計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果可知，型鋼翼緣和腹板厚度的改變?cè)跇渡聿煌恢玫淖兓厔?shì)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(yīng)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(yīng)減小，但樁身水平位移減小幅度都很小。而對(duì)比圖9和圖10可知，當(dāng)型鋼腹板和型鋼翼緣分別以2 mm/頻次增加時(shí)，型鋼翼緣尺寸增加對(duì)樁身水平位移影響比型鋼腹板產(chǎn)生的影響要明顯，由于型鋼翼緣位于基坑開挖側(cè)且型鋼翼緣剛度比腹板小，因此對(duì)于變形就更為敏感。故在設(shè)計(jì)中型鋼翼緣厚度要比腹板厚度更大一些，根據(jù)有限元模擬分析4種不同翼緣及腹板厚度現(xiàn)列出常用的4種型鋼尺寸對(duì)比分析，型鋼規(guī)格如表6所示。

根據(jù)表6中型鋼規(guī)格尺寸，結(jié)合考慮上述選定最優(yōu)樁徑為0.65 m，H型鋼腹板長(zhǎng)度為600 mm時(shí)則不能滿足，且截面慣性矩越大抵抗外力能力越強(qiáng)，因此在本次優(yōu)化選取型鋼腹板和翼緣厚度分別為11 mm和18 mm，型鋼規(guī)格選取500 mm×300 mm×11 mm×18 mm。萬(wàn)新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)段支護(hù)設(shè)計(jì)中設(shè)置冠梁，將所有型鋼和水泥土樁固定在一起，使支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體且冠梁可以保護(hù)型鋼翼緣一側(cè)，降低翼緣破壞的可能性。

表6 H型鋼規(guī)格表Tab.6 Specifications of H-section steel

3.2.4鋼支撐預(yù)加軸力選取

在對(duì)樁號(hào)K0+180剖面數(shù)值模型上分別取鋼支撐預(yù)加軸力設(shè)計(jì)值10%，50%，80%，100%這4種情況，通過改變基坑支撐不同預(yù)加軸力情況進(jìn)行計(jì)算分析。

圖11所示為不同支撐預(yù)加軸力時(shí)樁身水平位移曲線，支撐的軸力由設(shè)計(jì)值的10%增加到100%時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yù)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(yù)加軸力可以減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，鋼支撐預(yù)加軸力逐漸加大時(shí)，綜合管廊基坑SMW工法樁身頂部位移向基坑外側(cè)移動(dòng)，但當(dāng)開挖到基坑6 m時(shí)，預(yù)加軸力的增加對(duì)樁身位移影響逐漸減小。因此，通過加大鋼支撐的預(yù)加軸力來(lái)減小SMW工法樁身變形是可行的，但也要相應(yīng)地加大SMW工法樁截面尺寸以提高彎矩，在萬(wàn)新路地下綜合管廊基坑開挖過程中樁頂橫向鋼支撐預(yù)加軸力按照設(shè)計(jì)軸力80%取值。

3.3 SMW工法樁最優(yōu)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(yù)加軸力4項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)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(jù)五軸攪拌樁機(jī)施工特點(diǎn)以及成本控制等方面，選取支護(hù)樁徑為0.65 mm。型鋼布置形式越密集，支護(hù)水平位移越小，基坑穩(wěn)定性越高，但型鋼布置密集將帶來(lái)工程造價(jià)高及施工困難問題，地下綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)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(duì)樁身水平位移的變化規(guī)律，型鋼尺寸的改變對(duì)樁身位移影響不大，無(wú)需增大型鋼尺寸，選取型鋼尺寸500 mm×300 mm×11 mm×18 mm 最優(yōu)，SMW工法樁最優(yōu)設(shè)計(jì)如圖12所示。SMW工法樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系中鋼支撐的變形對(duì)基坑開挖穩(wěn)定性的影響非常重要，而過分加大鋼支撐預(yù)加軸力將會(huì)導(dǎo)致支護(hù)樁后移。因此，鋼支撐預(yù)加軸力按照50%～80%取值，綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)段中鋼支撐預(yù)加軸力按照設(shè)計(jì)軸力的80%取值。

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

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

在綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)段基坑周邊的中部、陽(yáng)角處及有代表性的部位設(shè)置8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，本研究選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX-C-5所在樁號(hào)K0+180剖面進(jìn)行分析，因此使用CX-C-5測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)和有限元模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。

圖13 SMW工法樁水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.13 Comparison of simulated and measured values of horizontal displacement obtained by SMW construction method

由圖13 SMW圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比可知，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在一定誤差。具體分析其原因是在開挖過程中會(huì)出現(xiàn)開挖后放置，基坑空間效應(yīng)較明顯，基坑暴露時(shí)間對(duì)基坑變形有影響，使得模擬結(jié)果變化較為平緩，而實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)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(shì)一致，因此模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值是相對(duì)吻合的，有限元分析結(jié)果合理。

綜合SMW工法樁現(xiàn)場(chǎng)施工，優(yōu)選出的SMW工法樁施工方案在福州市萬(wàn)新路地下綜合管廊K0+080-K0+275標(biāo)段施工中運(yùn)用，并取得理想效果。

5 結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場(chǎng)試樁比較不同工藝參數(shù)下的成樁質(zhì)量，確定主要工藝參數(shù)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(shí)，樁身水平位移降低幅度大約為28.9%。

(3)型鋼的尺寸增加對(duì)基坑變形影響較小，但型鋼不同布置形式對(duì)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(hù)樁樁徑、不同型鋼布置形式、不同支撐軸力、不同型鋼尺寸對(duì)綜合管廊基坑中SMW圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響，確定最優(yōu)方案為采用φ650@450水泥土五軸攪拌樁內(nèi)插HM500×300×11×18型鋼，型鋼布置形式采用插一跳一。

(5)通過數(shù)值分析得到的最優(yōu)方案與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，監(jiān)測(cè)值和理論值變化規(guī)律較為契合，驗(yàn)證了計(jì)算模型的合理性和結(jié)果可靠性，可為同類工程提供參考。