過河段深基坑雙排SMW工法樁施工關鍵技術與應用

李 亮 張永兵 舒建剛

（中國水電建設集團十五工程局有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

在河道過河段施工雙排SMW工法樁具有技術挑戰性和施工復雜性，就深基坑中結構受力穩定性進行計算，獲得有效參數結果，運用雙排SMW工法樁進行有效施工，對基坑穩定性、基底隆起、型鋼減摩等進行研究，得出關鍵施工技術，可為雙排SMW工法樁在河道過河段的應用拓寬思路。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某道路工程位于廣東省江門市江海區，路線全長1.7615 km，呈東西走向。電力管廊起點樁號K0+692，止點樁號K1+660，全長約1082m；采用鋼筋混凝土結構，在K1+100.000處跨越馬鬃沙河。電力管廊過河段基坑采用圍堰+雙排SMW工法樁（水泥攪拌樁+H型鋼+壓頂圈梁）及支撐梁的支護方式，開挖深度超過9.0m，計劃施工時段為2021年4—9月，此時間段也是江門地區降雨集中期（占年降水量的85%），同時亦是臺風及熱帶氣旋頻繁活動的時節，如何保障基坑支護結構的安全及止水效果是關鍵技術難題。

1.2 基坑支護設計

某工程項目過河段電力管廊基坑支護設計為SMW工法樁，采用Φ850mm三軸水泥土攪拌樁內插H型鋼，隔一插一法進行施工，水泥攪拌樁樁間搭接250mm，樁頂設置壓頂圈梁。基坑開挖深度范圍為9.7m～10.7m且施工區域位于河道內，為減少基坑變形，SMW工法樁采用雙排布置，型鋼長度均為30m。

2 基坑支護結構受力分析

2.1 計算模型及荷載取值

理論計算過程中，考慮由H型鋼獨立承受作用在圍護體系中的水土壓力，水泥攪拌樁僅發揮止水功效[1]。采用某基坑計算軟件創建施工模型進行計算，相關計算參數見表1。

表1 結構計算參數表

2.2 支護結構內力計算

2.2.1 軟件計算結果輸出

通過軟件建立模型，代入現場實際數據參數，得到支護結構內力計算結果，以內力包絡圖形式進行輸出分析，輸出結果如圖1所示。

由圖1中的位移包絡圖可以看出，支護結構最大水平位移值為16 mm。現行規范中對水平位移沒有明確的量值，但根據規范中的表述，可參考項目所在地附近地區的地方標準給出的經驗數值。參考新修訂的深圳市標準《深圳地區建筑深基坑支護技術規程》中的水平位移控制值，未超過其規定的“二級基坑0.006H與60mm的較小值（H為基坑深度，mm）[2]”這一標準。

圖1 支護結構內力包絡示意圖

2.2.2 最大截面彎矩計算

根據彎矩包絡圖，初始彎矩值為M0=|-680.1|-|626.41|=55.69kN·m，最大截面彎矩設計值按下公式（1）進行計算。

式中：γF為作用基本組合的綜合分項系數，取γF=1.25；γ0為支護結構重要性系數，取γ0=1.0；M0為初始彎矩值。

根據上述公式（1）及其釋義，計算出最大截面彎矩設計值為M=69.61kN·m。

2.2.3 最大截面剪力計算

根據剪力包絡圖，初始剪力值為Q0=|-726.76|-|363.50|=403.26kN，最大截面剪力設計值按下公式（2）進行計算。

式中：γF為作用基本組合的綜合分項系數，取γF=1.25；γ0為支護結構重要性系數，取γ0=1.0；Q0為初始剪力值（剪力包絡圖中，最大正負剪力絕對值之差）。根據上述公式（2）及其釋義，計算出最大截面剪力設計值為Q=504.08kN。

3 型鋼及基坑穩定性驗算

3.1 型鋼受力驗算

根據《鋼結構設計標準》中的規定，對型鋼抗彎及抗剪進行強度復核驗算[3]。

3.1.1 型鋼抗彎強度驗算

型鋼抗彎強度驗算采用公式（3）進行計算。

式中：σ為型鋼抗彎強度計算值；[f]為鋼材的抗彎強度設計值，取[f]=215 MPa；M為型鋼最大截面彎矩設計值；[M]為型鋼截面抵抗矩，如公式（4）所示。

式中：b為型鋼計算截面寬度；h為型鋼計算截面高度。

根據上述公式（3）、公式（4）及各自釋義，計算出型鋼抗彎強度為σ=70.67MPa，σ=70.67MPa<[f]=215MPa，符合要求。

3.1.2 型鋼抗剪強度驗算

型鋼抗剪強度驗算采用公式（5）進行計算。

式中：τ為型鋼抗剪強度計算值；Q為型鋼最大截面剪力設計值；S為剪應力計算處上部截面對中心軸的面積矩；I為毛截面慣性矩；tw為腹板厚度；[fv]為鋼材的抗剪強度設計值，取[fv]=125MPa。

根據上述公式（5）及其釋義，計算出型鋼抗剪強度為τ=61.30MPa，τ=61.30MPa<[fv]=125MPa，符合要求。

3.2 基坑穩定性驗算

參考《深基坑工程設計施工手冊》（第二版），基坑穩定性驗算包括整體穩定性、抗隆起和抗傾覆驗算，三者計算均是以安全系數形式表征其結果[4]。

3.2.1 基坑整體穩定性驗算

基坑整體穩定性分析一般采用簡單的瑞典條分法，結構模型示意圖如圖2所示。驗算公式見公式（6），要求計算結果大于1.3。

圖2 圓弧滑動—瑞典條分法結構示意圖

式中：Fs為基坑整體穩定性系數；Wi為土條i的自重；αi為土條i對應的滑弧角度；φi為土條i對應的內摩擦角；ci～為土條i對應的土體黏聚力；li為土條i對應的滑弧長度。

根據上述公式（6）及其釋義，計算得到Fs=2.049，大于規范要求的1.3，符合要求。

3.2.2 基坑抗隆起驗算

基坑抗隆起驗算采用地基承載力模式的抗隆起穩定性分析，結構模型示意圖如圖3所示；驗算公式見公式（7），要求計算結果大于1.8。

圖3 地基承載力模式基坑抗隆起驗算結構示意圖

式中：Ks為基坑抗隆起系數；γ1為基坑底下土體重度；γ2為基坑外側土體平均重度；c為土的黏聚力；q為地面超載；D為基礎入土深度；H為基坑開挖深度；Nq、Nc為基底承載力系數，分別按下公式（8）、公式（9）進行計算。

式中：φ為土體內摩擦角；π為圓周率常數。根據上述公式（7）、公式（8）、公式（9）及其釋義，計算得到Ks=1.934，大于規范要求的1.8，滿足規范要求。

3.2.3 基坑抗傾覆驗算

基坑抗傾覆驗算一般假定支護結構繞其前趾轉動，結構模型示意圖如圖4所示；驗算公式見公式（10），要求計算結果大于1.3。

圖4 基坑抗傾覆驗算結構示意圖

式中：Kq為基坑抗傾覆系數；KRK為支護結構穩定力矩標準值；KSK為支護結構傾覆力矩標準值；Fp為基坑內部支護結構前方被動側壓力；Zp為被動側壓力距底端前趾的距離；Fα為支護結構后方地面荷載所產生的側壓力；Zα為側壓力距底端前趾的距離；Fw為基坑外側土壓力；Zw為基坑外側土壓力距底端前趾的距離；Gk為支護結構自重標準值；B為支護結構計算寬度。

根據上述公式（10）及其釋義，計算得到Kq=2.275，大于規范要求的1.3，滿足規范要求。

4 施工關鍵技術

4.1 樁機拼裝及調整

三軸攪拌機進場后，必須先進行場外試拼裝，對三軸攪拌樁機的機械性能、樁架穩定性、鉆桿垂直度進行驗證檢測，確保機械設備在施工過程中處于良好的狀態。1）攪拌機按操作手冊進行組裝架設，樁機應平穩、平正。用經緯儀或線錘進行樁機垂直度檢測，偏差≤1.0%。2）攪拌樁機垂直度調整可通過以下方式進行重復調整，直至垂直度偏差滿足要求。首先調整樁機下部撐腳，使機身水平方向處于垂直狀態；其次調整位于樁機兩側的控制桿，保證樁機豎向處于垂直狀態；上述方向調整后，通過鉆桿上的垂線與中心度盤的位置關系，重復進行調整，直至垂直度滿足要求為止。

4.2 型鋼加工

根據設計圖紙，不同的樁號范圍的樁長各不相同，為保證型鋼的運轉和使用，提高利用率，采用將型鋼運至現場后根據樁長數據加工焊接使用的方案進行施工。1）H型鋼選用HN700×300×13×24熱軋型鋼；焊接采用E43xx焊條；焊縫均為破口滿焊；焊縫等級二級；焊接完成后的型鋼應進行探傷檢測，檢測合格后方可使用。2）樁長較短的可預先焊接，使用時一次性插入；樁長較長的可以施工過程中分段焊接。3）分段焊接時要盡量減少焊接時間但要保證焊接質量，確保插拔時不斷樁。4）翼緣板采用雙面坡口焊，坡口角度為50°±5°，鈍邊2 mm，組對間隙2 mm；腹板采用單面坡口焊，坡口角度為45°±5°，鈍邊2 mm，組對間隙2 mm。5）焊接完成后須用打磨機將焊縫處打磨光滑以減少摩擦力。

4.3 型鋼減摩

SMW工法樁的特點之一是H型鋼在施工完成后可以全部拔出回收。因此，在型鋼投入使用前，須進行減摩處理以利拔出。涂刷減摩劑是實現型鋼減摩的主要手段，其操作要點如下。1）涂刷前須將H型鋼表面的雜物與銹斑清除干凈。2）減摩劑須充分加熱至融化且攪拌均勻[5]。3）減摩劑加熱時須由專人控制，時刻注意桶中的溫度以防起火，同時現場須配備足夠的黃沙及防火蓋板。4）型鋼表面應保持干燥，如有積水應先擦除，再進行加熱烘干，然后才可以涂刷。5）涂刷完成后，如果有剝落現象，應當重新涂刷。

4.4 施工冷縫處理

施工過程中應當連續，盡量避免冷縫產生。如果出現冷縫就需要進行補強處理，可采用補充素水泥樁的處理方案。待原攪拌樁具有一定強度后才可以施打補樁，補樁與原攪拌樁相互搭接至少10 cm，以保證施工質量[6]。施工示意圖如圖5所示。

圖5 施工冷縫處理（補攪素樁）示意圖

5 結論

SMW工法樁在基坑支護施工中雖然已經有一定成熟的工藝，但是其受限于不同地質條件及施工環境，支護結構形式不可一概而論。通過計算結果可知，在“河道內”這一特殊的施工條件下，采用雙排SMW工法樁作為支護結構形式，型鋼受力、基坑穩定性均能滿足規范安全要求；同時支護結構位移遠小于規定值。實際應用效果良好，對類似工程項目具有借鑒意義，進一步推動SMW工法樁施工工藝的發展。