南京地铁百家湖站 SMW工法桩施工技术

赵 静

(中铁二十局集团有限公司,西安 710016)

1 概述

SMW工法是SoilMixingWall的简称,是利用专门的多轴搅拌机在施工现场就地按设计深度将土体切散,同时从钻头前端将水泥浆强化剂注入土体,经与地基土充分搅拌混合后,再在水泥土混合体未硬结之前将 H型钢或其他型材插入搅拌桩体内作为其应力补强材料;在各施工单元之间,则采取重叠搭接施工,水泥土结硬后,便形成一道具有一定强度和刚度且连续完整、无接缝的劲性复合地下连续墙,该墙体可直接作为挡土和止水的围护结构。

SMW工法围护已陆续在南京、上海、杭州、广州等地铁部分车站基坑施工中作为主体结构或出入口等辅助通道的围护结构,基坑深度均在 10m以上,桩径650mm或 850mm;仅上海地铁 M8线嫩江路站基坑全部采用 SMW工法桩围护,基坑深度 12.3～14m,桩径850mm;而南京地铁百家湖站基坑也全部采用 SMW工法桩围护,其基坑深度达 14.5～15m,桩径 850mm,是目前地铁车站基坑采用 SMW工法施工的最大深度。

2 工程概况

南京地铁 1号线南延线百家湖站,设计为地下二层三跨箱形结构,岛式站台,站台宽 12m,地下一层为站厅层,地下二层为站台层;车站总长 210.2m,车站在南北端共设风道、风井 4处,在南北端东侧设出入口通道 2处。车站段结构外包尺寸为 21.2m×13.88m(宽 ×高);车站近期顶部覆土 0.75～1.0m,车站主体结构和风道、出入口均采用明挖顺作法施工,围护结构均采用 SMW工法桩,车站基坑深 14.49～14.97m。

车站站区工程地质从上到下分别为:①-1杂填土厚 0.4～2.9m,②-1b2-3粉质黏土厚 0.9～3.3m,②-2a3-4淤泥质黏土厚 0.9～4.2m,②-3b2-3粉质黏土厚1.3～2.2m,③-1b1-2粉质黏土厚 0.6～5.8m,③-2-1c2-3粉土厚 0.8～6.6m,③-2d2-3粉砂厚 1.2～11.7 m,③-2-2c2-3粉土厚 1.0～17.3m,③-2b2-3粉质黏土厚 1.4～16.0m,③-4e砂砾石厚 0.3～5.5m,K1g-1强风化泥质粉砂岩厚 0.3～3.5m,K1g-2中风化泥质粉砂岩厚 5.0～10.1m。车站底板位于③-2d2-3粉砂、③-2-1c2-3粉土中。

本站区场地地下水主要为浅部孔隙潜水和中部两层弱承压水。其中潜水赋存于①层填土层中。①层填土,松散,由建筑垃圾、砖、石混软—可塑状粉质黏土组成,局部地段土中有植物根系,该层透水性弱,水量较小。场地弱承压水含水层厚度大且与周边较厚层含水层连通,水量较大。③-2-1c2-3粉土、③-2d2-3粉砂和③-4e砂砾石层中赋存有弱承压水,该弱承压含水层透水性中等,富水性较好;场地潜水主要接受大气降水和地表水的入渗补给,以蒸发方式和侧向流入百家湖排泄为主;弱承压含水层主要接受侧向径流和百家湖的侧向补给,其次接受上层潜水缓慢入渗补给。

站区常年最高水位高程 10.00m。根据水文观测孔对弱承压水的量测,弱承压含水层水位埋深在 2.60 m左右,水位高程在 7.80m左右。③-2-1c2-3粉土、③-2d2-3粉砂在水位以下稳定性差,易发生流泥、流沙、管涌等危害基坑安全的问题。

3 基坑围护结构设计

3.1 设计原则

(1)围护结构设计应根据基坑深度、结构类型、使用条件、荷载特性、施工工艺等条件进行。

(2)围护结构应满足基坑稳定要求,不产生倾覆、滑移和局部失稳。支撑系统不失稳,围护结构构件不发生强度破坏。钢管内支撑预加轴力按支撑设计轴力的 50%～80%计。

(3)围护结构设计宜采用信息化设计法,为此须建立严格的监控量测制度。监控量测的目的、内容和技术要求,应根据施工方法、周围环境等综合分析确定。

(4)结构的净空尺寸应满足地下铁道建筑限界及各种设备使用功能的要求、施工工艺的要求。施工中要考虑施工误差等因素的影响,施工误差的允许量值为 5cm,基坑围护结构允许垂直偏差 3‰,综合施工误差外放按 15cm考虑。

(5)围护结构应遵循适用、经济、适宜工点地质的原则进行设计。

3.2 结构计算

基坑设计利用《理正深基坑辅助设计软件 F-SPW 4.1》计算,车站采用重合墙结构,围护结构仅考虑作为临时支护结构。围护结构采用弹性支点法,并根据施工过程运用增量法原理进行计算,再对 SMW桩进行正常使用阶段极限状态验算。结构计算考虑的主要荷载有水土压力、地面超载(20kPa)、施工荷载等。根据地层参数情况,施工期间水土压力取值原则为:粉土及粉砂层采用水土分算,粉质黏土层及淤泥质黏土层采用水土合算。经计算分析,百家湖站主体结构最大弯矩 -930.01kN◦m,围护桩最大水平位移 28.25 mm,基坑整体稳定安全系数 K=1.523≥1.2;抗管涌安全系数 2.433≥1.5;承压水安全系数 1.44≥1.05;抗隆起安全系数1.673≥1.15;基底隆起量 0mm;型钢抗弯强度 181.84MPa≤210MPa,型钢抗剪强度 54.45 MPa≤120MPa;水泥土抗压强度 360.3kPa≤550kPa,水泥土抗剪强度 89.78kPa≤110kPa。各项指标均可满足规范要求。

3.3 结构形式

车站采用明挖顺做法施工。主体基坑深 14.5～15m,围护结构采用 φ850mm@600mm水泥土三轴搅拌桩内插 HN700×300型钢支护,内插型钢根据基坑深度、地质资料按插二跳一、密插型两种方式布置,围护结构形式见表1;内支撑系统采用 φ609mm钢管支撑,钢管壁厚 14mm,支撑水平间距 4m,基坑竖向设 3道支撑。出入口通道基坑深度大于 3m段,围护结构采用 φ850mm@600mm水泥土三轴搅拌桩,部分桩体内插 H型钢(1号出入口通道采用插二跳一型,2号出入口通道采用插一跳一型)。内支撑系统采用 φ609 mm钢管支撑,钢管壁厚 12mm,基坑竖向设 1～2道支撑。盾构井采用 φ850mm@600mm水泥土三轴搅拌桩内插 HN700×300型钢支护,桩体内插 H型钢,型钢采用插一跳一布置。内支撑系统采用 φ609mm钢管,钢管壁厚 12mm,基坑竖向设 4道支撑。桩顶设 900 mm×800mm(宽 ×高)钢筋混凝土冠梁,H型钢外露部分分割一圆孔便于型钢的拔除。主体结构施工完成后回收型钢,型钢拔除后在其孔洞内灌注水泥砂浆。

表1 主体基坑围护结构形式

4 基坑围护结构施工

4.1 SMW工法桩施工

(1)工艺流程

SMW围护结构施工主要包括开挖导沟、桩机定位、水泥浆制作、搅拌喷浆、型钢插入与拔除及注浆等工序。SMW工法桩施工工艺流程见图1。

图1 SMW工法桩施工工艺流程

(2)水灰比及施工参数选择

施工前进行试成桩,通过试成桩确定最佳水灰比,最佳水灰比一般在 1.5～2.0。如钻进时导沟溢出水泥土较稀,说明水灰比偏大;如钻进时导沟内溢出的水泥土较稠,说明水灰比偏小;如钻进喷浆时压力较大或有爆管现象,说明水灰比偏小。

为了保证施工质量,施工中必须加强主要技术参数的控制,并要求在施工现场做到挂牌施工,其主要技术参数见表2。

(3)施工方法和顺序

SMW工法桩常用施工方法有一次成桩(两喷两搅)和复搅成桩(四喷四搅)两种形式,具体施工顺序如图2所示。为保证桩间咬合质量,相邻两幅桩的端部单桩需完全重叠套打。施工顺序根据土质情况确定,无论一次成桩还是复搅成桩,均采用跳打以防止土质不均导致桩身倾斜。百家湖车站工法桩采用ZKD85-3三轴搅拌机进行施工,钻进的施工步骤如下。

表2 SMW工法桩主要施工参数

第一步,桩位放样:桩位误差必须小于 50mm,可在导沟上用红油漆做好标记,保证搅拌桩每次准确定位。

第二步,定位型钢的放置:垂直沟槽方向放置 2根定位型钢,规格为 200mm×200mm,长约 2.5m,再在平行沟槽方向放置两根定位型钢,规格为 300mm×300mm,长 8～12m,转角处H型钢采取与围护中心成45°角插入,H型钢定位采用型钢定位卡。

第三步,桩机就位:①移动搅拌桩机到达作业位置,并调整桩架垂直度达到 0.5%以内。②桩机应平稳、平整,每次移机后可用水平尺或水准仪检测桩机平台的平整,用线锤对立柱进行垂直定位观测以确保桩机的垂直度,并用经纬仪经常校核,经纬仪检测频率为每天至少 1次,必要时请专业监理工程师到现场复测。③桩机定位后再进行定位复核,偏差值应小于 2cm。

第四步,桩机垂直度校正:桩架垂直度指示针可调整桩架垂直度,并用线锤经纬仪进行校核。在桩架上焊接一半径为 5cm的铁圈,10m高处悬挂一铅锤,利用经纬仪校直钻杆垂直度,使铅锤正好通过铁圈中心,确保钻杆垂直度误差控制在 1%内。

第五步,桩长控制标志:施工前在钻杆上做好标记,控制搅拌桩桩长不小于设计桩长,当桩长变化时擦去旧标记,做好新标记。

图2 SMW工法施工顺序

(4)钻进搅拌速度及喷浆控制

三轴水泥搅拌桩在下沉和提升过程中均应注入水泥浆液,同时严格控制下沉和提升速度。下沉速度不大于 1m/min,提升速度不大于 2m/min(具体速度在满足上述条件的同时必须满足输浆泵对水泥浆的输送速度,确保水泥的掺量),在桩底部 1m处重复搅拌注浆,当喷浆即将出地面时,则停止提升,搅拌喷浆 1 min,保证桩头均匀密实。

水泥浆液拌制:配备 3只水泥浆搅拌桶、1只存浆桶,其上分别悬挂 1台搅拌机,水泥浆在搅拌桶中按规定的水灰比配制拌匀后排入存浆桶,再由 2台泥浆泵抽吸加压后经过输浆管压至钻杆内注浆孔。水泥浆液的配制过程中严格控制浆液的计量,配备水泥浆液流量计及压力装置,以便及时调节供浆的流量及压力,防止出现水泥浆掺入量不足现象。

(5)型钢插入

对接采用内菱形接桩法。为保证型钢表面平整光滑,其表面平整度控制 1‰以内,并应在菱形四角留φ10mm小孔。

插入前涂刷减摩剂方便 H型钢回收,浇筑压顶圈梁及内衬墙时,埋设其中的 H型钢必须用泡沫板与混凝土隔离。水泥搅拌桩施工完毕后,吊机立即就位,H型钢底部中心对准桩位中心并沿定位卡徐徐插入搅拌桩体内,用线锤控制垂直度,并用经纬仪校核。用水准仪将高程控制点引放到定位型钢上,根据与 H型钢顶高差,设置吊筋控制 H型钢顶高程,误差控制在 ±5 cm以内。竖向控制好以后利用双头“F”卡固定 H型钢平面位置,防止下幅桩施工时对其扰动。待水泥土搅拌桩初凝后,将定位设施撤除。

(6)型钢回收

待地下主体结构完成并达到设计强度后,采用专用夹具及千斤顶利用压顶圈梁作为反力梁,起拔回收H型钢,同时利用 1∶2.5水泥砂浆自流充填空隙。

4.2 土方开挖及钢支撑安装

(1)土方开挖

基坑开挖前先进行坑内井点降水。基坑上部 1.5～2.0m摘帽土方开挖采用 1台 SK330型挖机配合运输车辆挖出,人工清理冠梁土方部位多余土方,立模浇筑冠梁混凝土。

基坑开挖遵循“纵向分段,竖向分层、由上而下、对称开挖、先支撑后开挖”的原则,组织平行作业,一、二层采用 SK330型大挖机与 SK135型小挖机配合开挖,三、四、五层采用 SK230型加长臂挖机与 SK135型小挖机配合开挖,自卸汽车运输。每一开挖断面从上到下分 5步开挖,开挖步序如下。

第一步:先施作 SMW围护桩及桩顶冠梁,再开挖至第一道钢围檩下 0.3m处,架设第一道钢支撑;第二步:开挖至第二道钢围檩下 0.3m处,架设第二道钢支撑;第三步:开挖至第三道钢围檩下 0.3m处,架设第三道钢支撑;第四步:开挖至第四道钢围檩下 0.3m处,架设第四道钢支撑;第五步:人工配合开挖至基坑底,及时安排施工垫层混凝土等。

土方开挖高度控制采用从同一横断面的冠梁顶高程位置用钢尺下量的方法控制,分层情况详见图3。

图3 土方开挖及分层情况(单位:mm)

(2)钢支撑架设

基坑开挖过程中钢支撑按设计要求“先撑后挖”的原则及时架设。每层土方开挖至围檩下 30cm左右位置,立即安排钢围檩(腰梁)安装工作,架设钢管支撑和钢系梁,施加预应力。在施工中必须保证钢支撑位置、尺寸、预应力、刚度及稳定性等满足设计和规范要求。钢支撑施工工艺流程:基坑开挖→安装腰梁→吊装钢支撑、钢支撑加工、钢支撑拼装→施加预应力→固定活动端楔顶→进入下道工序。

土层开挖至钢围檩架设设计位置后,将原有围护结构的多余水泥土铲除,型钢表面清理干净,然后按照测量班测放的位置焊接牛腿支撑架,安装钢围檩,钢围檩和围护结构之间的空隙采用 C30细石混凝土填实,保证围檩与内插工字钢之间的密贴,减少应力损失。

车站主体钢支撑最长 20.4m,质量 4.8t,在基坑外拼装好后采用 5t龙门吊吊装钢支撑固于钢围檩上,进行端部固定。

钢支撑固定完成后,采用 2台液压千斤顶在活动端支撑两侧按设计要求对称逐级预加力,采用钢楔锁定支撑,钢楔锁定支撑必须牢固,防止应力损失过大。

斜支撑的架设安装方法与标准段相同,但必须在围护结构内插的工字钢上焊好端面与斜支撑轴线垂直的三角钢板撑座,并保证其强度可靠。

5 施工中出现的问题及处理

5.1 遇到孤石的处理

当孤石直径小于 30cm时,可不作处理,直接进行施工;当孤石直径大于 30cm及以上时,应避开孤石,采取绕行的方法施工。因孤石较大时会造成卡钻,使搅拌桩无法施工,严重时会导致埋钻事故发生。同时,大块孤石对型钢插入也有影响;当地下分布的孤石较密集时,则不适合 SMW工法桩施工,应选择其他工法。

5.2 出现渗漏的处理

(1)现场渗漏情况

百家湖车站第八段在里程 K11+780.658,深度13.4m处(距离底板高度约 1m)发生渗漏,渗漏点处孔洞大小为 10cm,渗漏处出现大量流沙。经现场分析主要存在以下两个原因:一是该处工法桩为新老桩交界处,新老桩咬合质量存在缺陷;二是渗漏点上方存在一 φ40cm自来水管,自来水管接口处漏水。

(2)处理方案

由于基坑漏水严重危及到基坑的安全及施工进度,为避免不良情况继续恶化,首先采用棉纱和沙袋将渗漏处堵死,防止基坑外侧继续向基坑内渗水,其次立即对渗漏处围护结构采用沙袋堆砌进行反压,防止出现大的变形。同时采取以下措施:

①在渗漏处围护桩外侧注浆,注浆材料为水泥浆及水玻璃,通过两种浆液混合后加快凝固速度将渗漏处堵死;

②在渗漏处基坑两侧同时补打 3眼降水井,降水井深度为 25m,通过降水井降水将基坑外侧水位降到底板以下;

③对渗漏处上方的钢支撑重新施加预应力,使钢支撑起到支护的作用;

④加强监测频率及监测数值的分析,做到信息化施工;

⑤及时施工该段底板,并加大人力、物资的投入,加快底板施工进度。

采用在基坑外侧补打降水井的效果比较显著,有效地隔断了渗漏处基坑外侧水源的补给,同时将基坑外侧水位降到底板以下 4m左右,使渗漏处不再有明水向基坑内渗漏。

5.3 几个关键点的控制

(1)水灰比和钻进速度

①在地面下16.5m范围内,下沉速度为 1m/min,提升速度为 2m/min时,水灰比为 1.5时,三轴钻机动力头电流在 150～170A,三轴搅拌顺利,但型钢不能一次插入孔底;而当水灰比不变,下沉速度调整为 0.8 m/min,提升速度调整为 1.5m/min时,三轴钻机动力头电流为 160A,此时型钢插入顺利。

②深度大于 16.5m以后,当下沉速度为 0.8m/min,水灰比为 1.5时,三轴钻机动力头电流达 250A,并在 17m处出现跳闸现象。调整施工参数,将下沉速度调整为 0.5m/min,水灰比调整为 1.6,并在浆液中适当掺入膨润土,电流降为 170A。

(2)注浆泵流量和压力

施工中采用注浆泵流量为 165L/min,压力为0.6MPa,水灰比为 1.5,搅拌至 16m深以后水泥土较稠,动力头电流增大,复搅后 2台注浆泵流量调为 180L/min,压力为 0.8MPa,此后动力头电流基本正常。

(3)空压机压力

施工之初,空压机压力 0.4MPa,水泥土较稠,空气压力无法释放。后将空压机压力调为 0.5MPa,翻浆、空气释放较正常。钻机下沉及提升过程中,特别是在 17m以下关闭注浆泵及空压机将造成钻进阻力增大,导致过载跳闸。

(4)搅拌桩制作

与常规搅拌桩比较,要特别注重桩的间距和垂直度。施工垂直度应小于 1%,以保证型钢插打起拔顺利,保证墙体的防渗性能。注浆配比除满足抗渗和强度要求外,尚应满足型钢插入顺利等要求。

①保证桩体垂直度措施

a.在铺设道轨枕木处要整平整实,使道轨枕木在同一水平线上;

b.在开孔之前用水平尺对机械架进行校对,以确保桩体的垂直度达到要求;

c.用 2台经纬仪对搅拌轴纵横向同时校正,确保搅拌轴垂直;

d.施工过程中随机对机座四周高程进行复测,确保机械处于水平状态施工,同时用经纬仪经常对搅拌轴进行垂直度复测。

②保证加固体强度均匀措施

a.压浆阶段时,不允许发生断浆和输浆管道堵塞现象,若发生断桩,则在向下钻进 500mm后再喷浆提升;

b.采用“二喷二搅”施工工艺,第一次喷浆量控制在 60%,第二次喷浆量控制在 40%;严禁桩顶漏喷现象发生,确保桩顶水泥土的强度;

c.搅拌头下沉到设计高程后,开启灰浆泵,将已拌制好的水泥浆压入地基土中,并边喷浆边搅拌约 1～2min;

d.控制重复搅拌提升速度在 0.8～1.0m/min以内,以保证加固范围内每一深度均得到充分搅拌;

e.相邻桩的施工间隔时间不能超过 24h,否则喷浆时要适当多喷一些水泥浆,以保证桩间搭接强度;

f.预搅时,软土应完全搅拌切碎,以利于与水泥浆的均匀搅拌。

6 结语

通过南京地铁百家湖车站的施工实践,SMW工法桩具有以下优点。

(1)对周边环境影响小。SMW工法施工一是对邻近土体扰动较小,不会产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损及地下设施移位等危害;二是施工占用场地仅为其他施工方法的 60%～80%,有利于保护周边建筑、道路及其架空、地下管线;三是残土及泥浆量小比较容易处理,废土外运量远比其他工法小,有利于保护环境。

(2)成桩质量可靠。目前,SMW工法采用的三轴搅拌钻机为中空叶片螺旋式钻机,在钻进土体的同时置换出大量的原状土。同时利用高压空气压入水泥浆使水泥土得到充分搅拌,使得桩体无分层夹泥现象。桩体中插入型钢后,型钢与水泥紧密结合增加了型钢翼缘厚度,使桩体强度大大增加。

(3)防水效果好。SMW工法钻机的钻杆具有螺旋推进翼与搅拌翼相间设置的特点,随着钻掘与搅拌反复进行,可使水泥系强化剂与土体得到充分均匀的搅拌,且水泥掺入量高,水灰比大,墙体全长无接缝,这样一方面使得形成的水泥土墙具有较高的抗压、抗剪强度,另一方面可使它比传统的连续墙具有更可靠的止水性。

(4)工程造价低、进度快。一方面 SMW工法由于四周可不作防护,型钢又可回收,造价明显降低;另一方面搅拌桩的水泥使用量远低于其他围护施工方法。同时 SMW工法所需工期较其他工法短,SMW工法每台班可成桩 390m以上,在一般地质条件下,造价为地下连续墙的 1/3;因此,在压缩工期的同时节约了人工费,可大大节省工程投资。

(5)可靠近建筑物施工。在现代城市修建的深基坑工程,经常靠近建筑物红线施工,SMW工法在这方面具有相当优势,其中心线离建筑物的墙面80cm即可施工。

(6)可成墙厚度 550～1300mm,常用厚度 600 mm;成墙最大深度目前为 65m,视地质条件尚可施工至更深。

综上所述:SMW工法适合在黏性土、粉土、砂土、砂砾土等土层中应用,有施工方便、成桩质量可靠、施工进度快、节约投资、防水效果好、对环境影响小等优点,能够确保基坑的施工安全,可在地铁车站基坑围护结构中推广使用。

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