淺談富水軟弱土層中SMW工法樁的設計與應用

高天罡/GAO Tiangang

（濟南能源工程集團有限公司，山東 濟南 250000）

SMW 工法樁，又稱型鋼水泥土攪拌墻，作為基坑工程的一種支護結構形式，是我國從日本通過技術引進（SMW 工法）結合中國實際再創(chuàng)新的工程技術。作為一種技術先進、經濟性好、對周邊環(huán)境影響小、綠色環(huán)保的基坑支護結構，已應用于國內部分軟土地區(qū)，而在濟南使用SMW工法樁的工程案例較少，特別是在富水軟弱土層中的應用。文獻[2] 針對富水軟弱地層綜合管廊中SMW 工法樁(型鋼水泥攪拌樁)力學特性與優(yōu)化設計問題，利用有限元軟件MIDAS-GTS NX 建立SMW工法樁力學模型，分析不同支護樁樁徑、不同型鋼布置形式、不同型鋼尺寸、不同支撐軸力下SMW 工法樁水平位移等力學特性的變化規(guī)律，確定SMW 工法樁最優(yōu)設計。文獻[3] 依托濟南R3 線在白泉區(qū)域采用SMW 工法樁支護形式，介紹了SMW 工法樁在泉域地區(qū)強透水粉質粘土地層中的應用。

由于場地工程地質條件和水文條件對基坑工程性狀具有極大的影響，基坑工程具有很強的區(qū)域性。因此需要對SMW 工法樁在濟南富水軟弱土層基坑支護中的可行性和適用性進行研究分析。

1 工程概況

濟南市東客站綜合交通樞紐進出場道路開源路建設項目，新建道路位于濟南市歷城區(qū)開源路西側，綜合管廊工程起止樁號K0+060～K3+270，高8.7～8.9m 寬5.25～5.45m，覆土深度3.29～8.06m，位于機動車道下，基坑開挖深度為8.63～14.1m。

工程場區(qū)為山前地帶的沖洪積傾斜平原地形單元，整體地勢比較平緩，地形變動不大，第四系的土壤巖層一般由粉粘土和粉質粘土夾砂、礫石地層所構成。基坑開挖深度范圍內有影響的土層分別為：①2 雜填土、③1 粉質黏土、⑥1 粉質黏土、⑦1 粉質黏土、⑨1 粉質黏土、⑨3 粉土、⑩1 粉質黏土。

K0+800～K2+200 范圍存在軟弱土層，各土層物理力學指標見表1，其中⑥1、⑦1、⑨1 屬于軟弱土層，⑦1、⑨1為管廊基底持力層。

表1 場地巖土力學參數表

工程場地位于白泉泉域沖洪積平原上，臨近小漢峪溝河，地下水類型為第四系孔隙水，水量較豐富且埋藏較淺，具有承壓性。水位埋深一般為1.00～3.50m，相應水位高程21.93～28.84m。

2 SMW工法樁結構設計

2.1 支護結構設計標準參數

基坑使用周期為6 個月，支護安全等級為二級，基坑重要性系數取1.0。當基坑頂部考慮設置施工便道時，坡頂地面設計荷載按35kPa 均布荷載考慮，作用寬度5m，距坑邊距離6m。軟弱土層段采取直徑600mm 間距1.5m 等邊三角形布置的高壓旋噴樁進行地基加固，樁長5m，復合地基承載力特征值不小于140kPa。

2.2 支護結構設計方案選型

支護結構設計方案選型如表2 所示。從表2分析對比情況看，結合工程特點，綜合考慮技術可靠、基坑安全、經濟合理、工期進度等因素，SMW 工法樁基坑支護方案具有明顯的優(yōu)勢。

表2 基坑支護方案比選表

軟弱土層段基坑開挖深度不大于9m 時，采用支護方案如下：上部2m 覆土按1∶1 放坡，下部?850mm@600mmSMW 工法樁，嵌固深度7.5m，設置兩道?609×16鋼管內支撐，內插型鋼采用H700mm×300mm×13mm×24mm型鋼，插二跳一。

2.3 SMW工法樁支護結構驗算

SMW 工法樁支護結構采用理正深基坑7.0PB3 計算。根據施工順序設定5 種工況信息，工況信息見表3，建立型鋼水泥土攪拌墻支護計算模型，采用增量法計算內力，計算結果如圖1 所示。

圖1 內力位移包絡圖

表3 工況信息表

1）截面驗算 采用彈性法和經典法分別對2.00～14.50m 截面承載力、基坑面以下主動與被動土壓力強度相等處截面承載力、基坑底面處截面承載力進行驗算，型鋼抗彎強度、抗剪強度均滿足。對水泥土截面局部承載力驗算，型鋼與水泥土之間的錯動抗剪強度、水泥土最薄弱截面處的局部抗剪強度均滿足，驗算內力取值見表4。

表4 內力取值表

2）抗傾覆穩(wěn)定性驗算 分別進行5 種工況下水泥土墻繞前趾的抗傾覆穩(wěn)定性驗算，安全系數最小的工況是工況1，最小抗傾覆穩(wěn)定性系數為3.009>1.3，抗傾覆穩(wěn)定性滿足。

3）抗滑移穩(wěn)定性驗算 分別進行5 種工況下水泥土墻抗滑移穩(wěn)定性驗算，安全系數最小的工況是工況1，最小抗滑安全系數為3.241>1.2，抗滑移穩(wěn)定性滿足。

4）整體穩(wěn)定驗算 采用瑞典條分法計算，土條寬度為0.5m，應力狀態(tài)為總應力法，滑裂面數據為：圓弧半徑R=35.416m、圓心坐標X=-21.940m、Y=19.610m，整體穩(wěn)定安全系數為2.3>1.3，整體穩(wěn)定滿足。

5）抗隆起驗算 抗隆起穩(wěn)定性從支護底部開始逐層驗算，抗隆起安全系數為2.443>1.6，抗隆起穩(wěn)定性滿足。

6）流土穩(wěn)定性驗算 按照現行標準對均質含水層流土穩(wěn)定性安全系數的規(guī)定計算，K=2.829>1.50，滿足規(guī)范要求。

7）嵌固段基坑內側土反力驗算 分別計算5種工況下作用在擋土構件嵌固段上的基坑內側土反力合力和被動土壓力合力，驗算結果顯示基坑內側土反力合力均小于被動土壓力合力，5 種工況均滿足要求。

3 SMW工法樁施工應用

3.1 總體實施程序

1）場地平整及地基處理，導溝內雜填土挖除及換填處理。

2）施工SMW 工法樁，水泥土攪拌墻達到設計強度后進行鋼筋混凝土冠梁施工。

3）拉槽架設第一道內撐，開挖第一步土方。

4）拉槽架設第二道內撐，開挖第二步土方至基底。

5）依次施工褥墊層、墊層、底板防水、管廊底板及素砼傳力帶，傳力帶強度達到設計強度的100%后拆除第二道內撐。

6）施工管廊側墻、頂板及防水，溝槽回填至管廊頂后拆除第一道內撐。

7）拔除回收H 型鋼，注漿填充空隙。

3.2 SMW工法樁施工

工程采用套接一孔法施工，現階段SMW 工法樁施工工藝已成熟，國內諸多專家學者已介紹了該工藝，本文不再贅述。

1）成樁設備選型 目前水泥土攪拌墻成樁方法有：雙軸攪拌樁、三軸攪拌樁、五軸攪拌樁、TRD 工法、CSM 工法等。綜合考慮不同成樁方法的特點、適用范圍、成樁效果及經濟合理性，工程選用JB160 型三軸攪拌樁機。

2）施工工藝參數 采用“兩攪兩噴”施工工藝，保證成樁均勻性，現場施工如圖2 所示。⑥1、⑦1、⑨1 土層為軟弱土層，現場打孔呈現軟塑，塑性變形大，在水泥土攪拌過程中，土體發(fā)生破壞，在水壓作用下易發(fā)生縮孔，導致水泥摻入混合不均勻，成樁不密實。淤泥質土層中含有有機雜質，尤其⑥1 土層中有機雜質浸染，有腥臭味，若水泥與土固接反應不充分，會導致攪拌樁不密實。工程采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，結合工程施工經驗及現場試驗結果，確定了水泥土攪拌樁注漿參數，見表5。

圖2 SMW工法樁施工圖

表5 水泥土攪拌樁施工技術參數表

3）關鍵技術措施 直線段攪拌樁施工順序，采取跳打雙孔全套復攪方式。轉角部位，由于施工條件受限，采取單側擠壓方式，為抵抗集中的水土壓力，限制變形，轉角處連續(xù)滿插3 根H 型鋼，如圖3 所示。

圖3 SMW工法樁轉角處理樣圖

為保證截水效果，補充加固土體，SMW 工法樁與其他形式支護結構交界處外側設置4 根直徑700mm 高壓旋噴樁，參照文獻[7] 中對高壓旋噴注漿帷幕的要求，搭接寬度250mm，如圖4 所示。

圖4 交界處處理樣圖

SMW 工法樁搭接部分凹槽采用水泥砂漿抹平，避免破壞水泥土攪拌墻結構，導致H 型外露，基坑土方開挖時，圍護結構邊側預留不小于100mm 由人工挖除。

3.3 實施要點

受三軸攪拌機施工工藝的影響，攪拌樁施工需保持連續(xù)，若遇到障礙物極易造成機器故障，進而形成施工冷縫，影響截水效果，必須清除雜填土中的建筑垃圾后才能實施SMW 工法樁。本工程當雜填土厚度小于2m 時，采用頂部放坡的方法處理，當雜填土厚度大于2m 時，采用頂部放坡，下部挖除換填級配碎石的方法處理，避免了因障礙物導致出現施工冷縫的問題，保證了水泥土攪拌樁順利連續(xù)實施。

在工程實施過程中，由于土方一次開挖過深，二道支撐架設不及時，導致圍護結構樁頂向內水平位移超出監(jiān)測預警值，基坑周圍地表出現裂縫，采取回填并開槽支撐的方式處理后，異常情況得以消除。SMW 工法樁屬于相對柔性支護結構，在基坑開挖支護過程中相對變形較大，因此基坑土方施工要嚴格按照“開槽支撐、先撐后挖、縱向分段、豎向分層、中間拉槽、嚴禁超挖”的原則，開挖過程中挖土與架撐交替進行，嚴格控制挖深和架撐時間，避免出現基坑無支撐暴露的現象發(fā)生，確保基坑安全。

3.4 試驗檢測與基坑監(jiān)測

型鋼水泥土攪拌墻按照規(guī)范規(guī)定的項目、頻率及方法進行檢驗，各項指標均符合要求。28d齡期后取芯檢測，樁身均勻完整，無側限抗壓強度平均值5.2MPa，滿足設計要求。

基坑監(jiān)測由第三方監(jiān)測單位嚴格按照文獻[8] 的有關規(guī)定進行，除因施工不當造成基坑支護異常外，其他段落監(jiān)測結果顯示監(jiān)測值相對穩(wěn)定，未超出預警值。

本工程軟弱土層段基坑支護采用SMW 工法樁，充分發(fā)揮了其擋土和截水的雙重作用，開挖后基坑整體安全穩(wěn)定，支護結構無滲漏水，保證了綜合管廊的順利施工，取得了良好的工程經濟效益和社會效益。

4 結語

從設計計算結果及工程實踐應用結果可知，SMW 工法樁應用于濟南富水軟弱土層基坑支護是可行的，適用于開挖深度不大于9m 的基坑支護，結合工程實例為類似的富水軟弱土層基坑支護提供如下借鑒和參考建議。

1）富水軟弱土層SMW 工法樁基坑支護結構設計計算采用理正深基坑7.0PB3 軟件設定的增量法進行內力計算，能反映實際基坑施工過程，計算結果具有一定的安全儲備，既定的計算模式和思路能滿足基坑安全要求，類似基坑支護設計可采用此方法進行計算或分析。

2）SMW 工法樁在富水軟弱土層應用時，采取可靠的坑底土體加固措施改良軟弱土體，提高基坑內側土體強度和被動區(qū)土體的抗側壓能力，有利于基坑的整體穩(wěn)定和基坑安全。

3）當表層為雜填土層時采用SMW 工法樁，針對不同雜填土層厚度，可采取頂部放坡、挖除換填級配碎石或頂部放坡與挖除換填級配碎石相結合的方法清除雜填土層后實施。

4）富水軟弱土層SMW 工法樁基坑支護時，基坑土方施工要嚴格遵循“開槽支撐、先撐后挖、縱向分段、豎向分層、中間拉槽、嚴禁超挖”的原則。

SMW 工法樁在濟南富水軟弱土層中應用時，工期短、安全可靠、經濟合理、綠色環(huán)保等優(yōu)勢尤為突出，若在設計和施工中不斷創(chuàng)新、優(yōu)化，拓展其適用范圍，將會有更廣闊的應用前景。