宋悅辰

（華昕設計集團有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

近年來隨著我國基礎建設的全面發展，軌道交通成為了支撐城市發展的重要力量。各個城市越來越密集的地鐵軌道網絡，使得在緊鄰地鐵處進行市政建設也顯得愈發困難。因地鐵隧道在施工至運營期間對于其上方的荷載變化有著非常高的要求，導致市政結構的基坑開挖及圍護形式時刻影響著地鐵結構的安全。因此，如何在地鐵上方及周邊進行市政道路、橋梁等的基坑設計及施工成為設計院和施工單位比較頭疼的問題。本文通過某工程的箱涵基坑圍護實例，探討SMW 工法樁在受地鐵影響的基坑支護中的設計思路及施工要點。

1 工程概況

1.1 項目簡介

擬新建箱涵位于無錫市新吳區長江路上，橋梁跨徑布置為2×6 m 鋼筋混凝土箱涵，所在河道為遠期規劃河道，現狀為廠區及廣場，橋梁全長13.2 m，總寬40 m。擬建箱涵位于長江路地鐵3 號線的正上方，箱涵基坑深約6 m，箱涵基礎底設計標高為-2.0 m，此處地鐵區間結構頂標高為-10.6 m。

1.2 工程地質及水文概況

土質情況根據長江路橋涵勘察資料，場地在垂深20 m 范圍內，場地土層主要為第四紀沖湖積相沉積，各土層特征描述及工程地質特性如下：

①層雜填土，雜色，結構松散。地質性能較差。②層黏土，可塑、局部硬塑，工程地質性能較好。③層粉質黏土，軟塑～可塑。工程地質性能一般。④1層粉土，稍密～中密，工程地質性能一般。④2層粉土夾粉砂，中密～密實，工程地質性能一般。⑤層粉質黏土，流塑，地質性能較差。⑥層黏土，硬塑，土質均勻，工程地質性能較好。

地下水：含水層為④1層粉土及④2層粉土夾粉砂，地下水類型屬微承壓水。

1.3 項目難點分析

本項目基坑深6 m，地鐵區間結構頂離箱涵基坑底僅有8.5 m，厚度較淺，一旦進行大開挖，會造成地鐵上浮，對地鐵結構造成不可估量的破壞。同時施工機械對土層的擾動以及后期基坑降水等，都會對地鐵有或多或少的影響。常用的基坑圍護方案，如鋼筋混凝土灌注樁圍護，其施工簡便，但卻無法控制基坑開挖量，且造價較高；高壓旋噴樁適合軟土地基，但利用高壓噴射水泥漿，對土體擾動較大，地鐵上使用較少；SMW 工法樁相比于其他圍護，經濟性高，適用于空間受限制的場合，在地鐵工程施工中廣泛使用。結合項目特點，本工程采用SMW 工法樁對箱涵基坑進行支護，該方法經濟有效，對土層的擾動較小，配合合理的設計計算，可以將基坑開挖對地鐵的影響降至最低。

2 項目基坑設計

2.1 工法樁選型

一般情況而言，SMW 工法樁適用于淤泥質土、粉土、黏性土、砂性土等軟土地基。本工程在三軸攪拌樁有效范圍內的土層為雜填土、粉質黏土、粉土等。型鋼水泥土攪拌墻中三軸水泥土攪拌樁的直徑宜采用650 mm、850 mm、1 000 mm；內插的型鋼宜采用H 型鋼[1]。不同直徑攪拌樁和不同截面型鋼樁對應一定的基坑開挖深度限值[2]。根據本工程的特點，基坑采用φ850 的水泥攪拌樁和H700×300 型鋼樁進行圍護。

2.2 基坑圍護設計

本項目在基坑的四周采用SMW 工法樁進行圍護，基坑斷面圖詳見圖1。攪拌樁采用φ850@600 三軸水泥攪拌樁，攪拌樁樁底標高為-7.0 m，樁長為10.8 m，與地鐵區間結構保持不小于3 m 的安全間距。攪拌樁內插入H700×300×13×24 型鋼樁，型鋼樁樁長11.8 m，型鋼采用插一跳一的布置方式。基坑垂直開挖，基底設置滿布φ850@600 水泥攪拌樁，SMW 工法樁樁身與箱涵側壁間留10 cm，噴射混凝土作為箱涵外模。基坑內在圈梁處設置φ609×16 鋼管橫撐或斜撐，一端固定，一端活動。

圖1 基坑圍護斷面圖（單位：cm）

由于項目位于無錫新吳區繁忙路段，車流量較大，為避免中斷交通，同時減少開挖土方量對地鐵的影響，結合交通組織。本項目在基坑圍護設計時，將箱涵及其圍護結構分為三段、二期來進行。施工時先施工中間段12 m 寬的箱涵，后施工剩余左右兩段箱涵，見圖2。

圖2 基坑分期施工示意圖（單位：cm）

2.3 基坑穩定性計算

本項目利用理正深基坑軟件進行建模計算，模型見圖3。基坑頂部及周邊超載按20 kPa 考慮，基坑內撐長13 m，材料為Q235，橫向水平支撐按最不利間距7 m 考慮。模型按照3 個工況進行分析，工況①為原地面開挖1 m 深，工況②為加撐階段，工況③為繼續開挖至基坑底。

圖3 基坑計算模型（單位：m）

內撐材料抗力計算：

式中:φ 為軸心受壓構件穩定系數，通過長細比λ=μ×1/i 查表確定；T 為支撐結構材料抗力，kN；A 為支撐構件截面面積，m2；fy 為材料抗壓強度設計值，kN/m2。

經過計算內撐長細比為14.1，故軸心受壓構件穩定系數取0.991，材料抗力T=0.991×29.8×215=6 349 kN。

通過理正軟件計算，抗傾覆穩定性在工況①下最小Ks=4.414＞1.30；抗滑移穩定性在工況③下最小Ks=2.873＞1.20；整體穩定安全系數Ks=1.478＞1.30。綜上，本項目利用SMW 工法樁進行箱涵的基坑圍護，其穩定性滿足規范要求。

2.4 基坑防滲截水設計

箱涵基坑底部離承壓水層僅有1.5 m 的距離，基坑開挖必然會造成底部承壓水突涌現象，而基坑下部又存在地鐵區間，普通的基坑井點降水會造成局部水壓突變，從而引起地鐵結構的安全隱患。為了施工能正常進行，在基坑設計時需要考慮基坑防滲截水設計。

為此，基坑開挖前需在工法樁外設置一排φ850@600 攪拌樁，作為止水帷幕及側向土體加固。此外，在坑內設置滿布的φ850@600 攪拌樁作為基底封水層，在達到抗突涌作用同時，兼有軟土地基加固作用。抗突涌計算示意圖如圖4。

圖4 基坑抗突涌計算示意圖

本項目封水層厚度設置為5 m，抗突涌計算公式為：

式中：K 為抗突涌安全系數計算值；D 為承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度，m；hw為承壓水含水層頂面的壓力水頭高度，m；γ 為承壓水含水層頂面至坑底的土層天然重度，kN/m3，γw為水的重度，kN/m3。

其中hw水頭高度根據模型取8.6 m。故K=5×19.180/86.000=1.115＞1.10（規定安全系數）。根據計算，封水層設置5 m 時，基坑底部土抗承壓水頭穩定。通過側向及基坑底部的攪拌樁，箱涵基坑形成了底部及四周無法透水的空間，使得橋涵施工可以正常進行。

3 項目基坑施工要點

3.1 三軸水泥土攪拌樁施工

長江路橋涵項目的基坑利用三軸攪拌機進行施工基坑開挖，應在基底加固及止水帷幕施工完畢并檢測（強度、滲透性）通過后才能進行。地鐵隧道正上方的三軸攪拌樁施工應進行試樁，通過檢測及監測結果選定合理的施工參數：為控制三軸攪拌樁施工過程對隧道的不利影響，應對鉆頭攪拌下沉與攪拌提升速度、氣壓、漿壓及水灰比等施工參數進行限制：鉆頭攪拌下沉及攪拌提升速度不宜大于0.3 m/min，氣壓不宜大于0.5 MPa，漿壓宜控制在0.3～0.7 MPa，地基加固水灰比不宜大于1.2，SMW 工法樁水灰比不宜大于1.5。

3.2 型鋼樁的施工與回收

在攪拌樁施工完成后，型鋼樁需在30 min 內插入，插入前應進行相關的預處理工作，如除銹，涂刷減摩材料等。插入必須采用定位導向架，在插入過程中應確保型鋼垂直度，型鋼插入到位后，應用鋼筋懸掛構件控制型鋼頂標高，并與已插好的型鋼牢固連接[3]。因本項目涉及地鐵隧道等結構，嚴禁采用錘擊法或靜壓法沉樁，應攪拌后重新插入，避免對下部地鐵結構造成破壞。

SMW 工法樁的最大的優點是型鋼可以回收利用，節約成本，也避免形成地下永久障礙物[2]。然而對于基坑下存在地鐵隧道等構筑物的情況，型鋼樁原則上不進行拔除，以免在拔除過程中對土體產生擾動，從而影響地下構筑物。若有特殊原因必須拔除，應在監測單位指導下進行型鋼拔除，如在拔除過程中出現變形趨勢和異常情況，應即刻停止，并采取應急措施，以確保地鐵隧道等結構安全。

3.3 基坑分段分期施工

本項目將箱涵分為三段、兩期來進行施工。二期基坑開挖前應在一期箱涵內部進行配重，以補償二期基坑開挖時的卸載，配重建議取40 kPa。可考慮對基坑附近地面進行適當壓重（不超過20 kPa）的措施進行基坑開挖荷載的主動補償。

基坑開挖對地鐵的影響，除了開挖量、配重外，還體現在時間周期上。為減少坑底暴露時間，應在基坑開挖至基底后7 h 內完成墊層澆筑，24 h 內完成底板澆筑。在墊層及底板澆注時，混凝土中加入早強劑（底板澆注8 h 后達到終凝指標），提前對鋼筋放樣。

4 結語

SMW 工法樁在工程中應用廣泛，在受地鐵隧道影響的基坑開挖中，采用SMW 工法樁圍護有以下幾個優點：

（1）運用SMW 工法樁的基坑圍護可以進行垂直開挖，在滿足基坑穩定性的同時，配合合理的施工區域劃分能減少土方開挖量，將深基坑開挖對地鐵的影響降至最小。

（2）通過選定合理的施工參數，能使水泥土攪拌樁施工對周邊土體的擾動降至最低，有利于減少對地鐵結構的影響。

（3）結合基底水泥土攪拌樁及側向止水帷幕，能夠滿足基坑的防滲截水要求，便于工程施工。

通過無錫長江路橋涵基坑的工程實例，闡述了SMW 工法樁在近地鐵處的基坑工程中的設計思路，分析了施工中的要點，為類似的基坑工程的設計和施工提供借鑒。