SMW工法桩支护结构稳定性工艺控制

□文 /胡朝晖

1 工程概况

纪庄子污水处理厂迁建配套污水管网工程第八标段位于天津市津南区，鸭淀水库东侧，长度约1.6 km，范围遍布鱼塘和农田。污水进水管采用DN3 200mm钢筋混凝土柔性接头企口管（内衬PVC），180°混凝土基础，污水出水管采用DN2 800mm预应力钢套筒管材，双胶圈接口，180°砂石基础，两条管道中心线间距7.0 m，管底高差1.5 m，采用明开槽施工工艺，同槽施工，沟槽开挖宽度为13.5 m，开挖深度10 m，为天津市规模最大的管道工程。

沟槽支护形式为SMW工法桩，SMW工法桩采用直径850mm@600mm三轴水泥土搅拌桩，水泥掺量20%，内插HM700×300×13×24型钢，隔一插一，SMW工法桩长度为16 m。水平支撑系统采用2道φ609mm×12mm钢管支撑，钢管支撑间距6 m。

2 工程特点

纪庄子污水处理厂迁建配套污水管网工程采用SMW工法桩以及钢管支撑作为支护结构，由于管道直径大、埋设深、双管同槽、施工周期长、工序繁多，周边地处鱼塘及农田，地下水位高，土质条件差且施工全过程各项工作均在支护结构内部进行，支护结构的施工周期和费用占总工程的1/3，支护结构的施工质量和安全性能关乎工程成败，因此确保SMW工法桩支护结构整体稳定性成为工程的重中之重。

3 SMW工法桩支护结构稳定性工艺控制

3.1 支护结构失稳原因分析

针对以往超过5 m的深槽及深基坑施工经验，对施工过程引起支护结构变形或失稳的几个关键问题进行调查研究，确定支护结构强度差、超挖且支撑不及时是引起支护结构变形或失稳的主要原因。

通过组织对人员、机械、原材料、施工方法、施工环境及监控测量七个方面进行分析论证，确定引起SMW工法桩支护结构变形或失稳的的最直接原因有搅拌桩施工质量差；型钢强度差；支护结构施工质量差；土方开挖施工方法不合理；监测措施不到位。

3.2 支护结构稳定性控制方法

1）严格按照规范及图纸要求进行三轴搅拌桩施工

（1）严格按照规范施工，确保桩组之间咬合效果。本次SMW工法施工按连接方式采用单侧挤压式连接方式，见图1。其中阴影部分为重复套钻，以保证墙体的连续性和接头的施工质量。水泥搅拌桩的搭接以及施工设备的垂直度补正依靠重复套钻来保证，以达到止水的作用。

图1 SMW工法桩单侧挤压式施工顺序

根据坐标绘制桩位布置图并要求现场严格按照桩位布置图施工，确保桩组之间咬合效果。

（2）严把水泥进场检验关、加强配合比控制。现场设专人对水泥进行进场检验复试工作并根据设计配合比计算出施工配合比，将施工技术参数张贴在拌合楼计量泵醒目位置。对施工成型的三轴搅拌桩，通过抽芯方式测定28 d无侧限抗压强度，实测4组，平均值为0.74 MPa，均＞0.5 MPa，符合规范要求。

2）型钢加工及下沉控制

（1）严格控制型钢规格尺寸及加工焊接质量。型钢规格为HM700×300×13×24，定型长度为12 m，设计要求工法桩长度为16 m，因此需要对每一根型钢加长4 m。现场设专人进行材料进场验收工作，用钢尺量测型钢断面尺寸和加工后长度，确保型钢规格尺寸满足设计要求。

焊接过程及焊接质量严格按照规范执行，经现场实测加工后型钢长度最大值为16.50 m，最小值为15.85 m，平均值为16.15 m，合格率为90%，符合设计要求。

（2）型钢下沉控制。待相邻桩组搅拌桩施工完成后，即可进行本组H型钢下沉施工，在依靠型钢自重下沉插入搅拌桩过程中，垂直度和桩尖标高是质量控制的两个难点，如果垂直度出现较大偏差，在进行支护结构施工时，会出现局部型钢受力过大的情况，存在安全隐患，如果桩尖标高达不到设计要求，又不能满足入土深度要求。

①H型钢的接头设在基坑底标高以下，翼板和腹板的焊接应相互错开并满足等强度焊接要求。型钢表面平整度控制在1‰以内并除锈，在干燥条件下涂抹减摩剂以利下沉，搬运使用应防止碰撞和强力擦挤。

②H型钢插入的时间，搅拌桩完成后30 min内插入H型钢，若水灰比或水泥掺入量较大时，H型钢的插入时间可相应增加。

③在插入型钢前，安装由型钢组合而成的导向轨，其边扣用橡胶皮包帖，以保证型钢能较垂直地插入桩体并减少表面减摩剂的受损。每搅拌1～2根桩，便及时将型钢插入，停止搅拌至插桩时间控制在30 min内，不能超过1 h。现场还要准备锤压机具，以备型钢依靠自重难以插入到位时使用。

④型钢水泥土搅拌墙中型钢的间距和平面布置形式应根据计算和设计图纸确定，本次施工采用隔一插一方法布置型钢。

3.3 支护结构施工

在工法桩顶施工一道1 200mm×600mm的钢筋混凝土冠梁，预埋800mm×800mm×20mm钢板，塞焊8φ16mm钢筋与冠梁钢筋骨架衔接。第1道钢管支撑对撑在沟槽两侧预埋钢板上，第2道钢管支撑设置在双拼H型钢腰梁挂板上，两道支撑竖向间距为2.3 m，水平间距6 m。钢支撑安装时预加支撑设计轴力，见图2和图3。

图2 双拼H型钢腰梁

图3 牛腿剖面

钢管支撑分节制作，每节标准长度为6 m，管节间采用法兰盘螺栓连接，一端固定，另一端设预加轴力装置。钢管支撑连接方法见图4。

图4 钢管支撑拼装

3.4 土方开挖

1）悬臂支撑开挖表层土。按照悬臂支撑原则“当入土深度≥2倍基坑开挖深度时，基坑处于稳定状态的基本规律”，开挖表层土至第二道型钢腰梁下方0.5 m，进行第二道型钢腰梁的布设工作，为减少侧向土压力，开槽出土均倒运至3倍基坑深度以外的空间。

2）安装钢管支撑，施加预应力。根据沟槽宽度，现场组装钢管支撑长度，采用吊车安装在预埋钢板处，根据计算结果，及时施加轴向预应力。

3）利用时空效应进行深层土开挖。每层开挖深度为下道腰梁下方0.5 m；以钢管支撑横向间距6 m为分段区间；以挖掘机作业半径为界进行分块；开挖面内线性基本一致，防止超挖；分段区间开挖完成后双层钢管支撑必须在30 min内安装完成并施加轴向预应力；冬季施工只限白天作业，夜间严禁开槽；支撑与开挖同步进行；如遇特殊原因超挖，必须增加临时支撑。

通过以上措施，沟槽土方开挖与支护过程顺利进行，沟槽支护结构安全稳定。

3.5 监测控制

沟槽支护安全等级为二级，构件的重要性系数为1.0。由于施工现场地势空旷，没有建筑物和地下管线，在施工过程中采取第三方监测与自身监测的监测方案。

3.5.1 监测点布设

沿管道走向间隔20 m设置一个观测点，观测点设置在围护结构桩顶位置，做好明显标识并在施工过程中做好保护，防止破坏。

3.5.2 监测项目

沟槽开挖前应对周边建筑物进行监测，做好初始数据记录，在沟槽开挖、管道吊装及回填过程进行定期监测，做好监测记录。本工程周边环境空旷，监测项目主要有桩顶水平位移；桩体深层水平位移；周围地表的沉降情况；支撑轴力。

3.5.3 监测预警值

支护桩顶水平位移25mm；支护桩体深层水平位移40mm；地面最大沉降25mm。

3.5.4 监测方法

1）支护桩顶及深层水平位移监测。采用电子全站仪基准线法监测。

2）采用水准仪进行地表沉降监测。沟槽开挖前设定沉降观测点，测量地表高程，作为原始记录，施工过程每天进行沉降观测，做好记录。

3）钢管支撑轴力监测。采用轴力计进行监测，监测钢管支撑轴力随沟槽开挖产生的变化规律，通过对该项目的监测，及时了解开挖过程中钢管支撑的受力情况。

4）监测信息的反馈与处理.监测过程中发现有异常情况应及时通知施工、监理、设计及建设单位共同协商解决。

5）监测结论。施工全过程桩顶位移最大偏差为25mm，地表最大沉降为20mm，均符合设计要求。纵观全程，基坑围护结构经受住了基坑开挖施工期间各种施工因素的考验，由于采用了合理的施工流程，周密的监测手段，本工程在整个基坑施工过程中，围护结构始终处于安全可控的范畴，成功地保障了周边建筑及围护结构的正常运行，表明此围护结构工程的设计、施工、监测方案是成功的。

4 施工体会和建议

1）充分利用时空效应，各工序紧密衔接。沟槽开挖与支护过程，要做好各项工序准备工作，确保人员操作熟练、机械设备性能良好、支撑材料组装尺寸符合要求，在悬臂体系向简支体系转换过程中，尽量缩短晾槽时间，如遇突发情况，可以增设临时支撑，防止因外部载荷过大造成桩顶位移超限。

2）科学计算施加轴向预应力。钢管支撑安装后，要根据计算结果及时施加轴向预应力，防止因沟槽内卸载后竖向支撑墙体内外土压力失衡，造成桩顶位移超限。

3）及时施工管道基础，防止基坑隆起。基坑开挖至设计高程后，要及时施工管道基础，以平衡支护结构内外侧土压力，防止基坑隆起过大导致基坑失稳。