SMW工法桩与预应力型钢组合支撑施工技术研究

何先炜/HE Xian-wei

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东 深圳 518000）

随着我国建筑行业的快速发展，地下空间的开发与应用不断扩大，基坑开挖越来越深，对基坑侧壁安全等级以及基坑支护的强度、刚度要求愈来愈高。若采用传统的钢筋混凝支撑，会增加后续的破除工作，加大了成本投入，造成了资源浪费，不符合建筑业绿色节能发展。

为解决上述问题，可以考虑将SMW 工法桩与预应力型钢组合内支撑进行有效结合，形成新型支护。为提高型钢组合支撑的受力性能，可以通过对型钢水平支撑施加预应力，这样可以提高型钢支撑的抗侧刚度，加大支撑体系的受力能力。

1 工艺原理

SMW 工法桩施工主要使用三轴搅拌机，钻进土体一定深度后，通过喷出水泥强化剂与现场地基土反复混合搅拌，在水泥土混合体中插入H型钢或钢板作为其应力补强材料，待水泥土固化后和应力补强材料共同作用，形成一道连续完整、具有高强度、高硬度、无接缝的地下墙体，作为止水帷幕的同时兼做基坑支护结构。型钢组合内支撑主要由型钢支撑梁、组合围檩、立柱及连接件等组成，各部件采用高强螺栓连接组合装配构成深基坑支撑结构。

基坑的止水及围护结构采用SMW 工法桩，基坑内采用型钢组合内支撑加固。在SMW 工法桩顶端位置浇筑钢筋混凝土冠梁，型钢支撑通过传力件与工法桩端部冠梁呈刚性连接，承受由工法桩传递的基坑侧壁压力，再对水平钢支撑施加预应力，提高整体支撑体系的受力性能及安全系数，将二者相结合形成新型复合基坑支护体系。

2 工艺优点

1）提高支护的使用功能 SMW 工法桩与预应力型钢组合内支撑体系在各种地质情况、复杂周边环境、不同深度基坑均可采用。型钢组合支撑平面布置形式灵活多变，可随撑随挖，增加施工过程中的灵活性、便捷性。可对型钢支撑变形数据实时监测，及时对松动的螺栓进行紧固，操作简单、便捷，保证地下结构施工及基坑周边环境安全。

2）具有良好的经济效益 减少人力投入、降低材料成本、提高生产效率。现场装配施工，机械化程度高，减少管理人员、作业人员数量，节省人工费、提高生产效率；同时省掉相应的施工流程，缩短建造工期，提高时间利用率；使用功能结束后，型钢构件可回收再利用，提高资源利用率，符合可持续发展。

3）符合绿色施工的要求 型钢组合内支撑体系循环经济特征显著，其使用的型钢构件可在工厂标准化加工生产，运输至现场后可实现装配式施工。与传统的钢筋混凝土支撑相比，其采用的型钢构件可循环使用，节省大量的模板、钢筋、混凝土作业，施工现场湿作业少且无破除工序，大大降低噪音污染和扬尘污染，对环境影响小，绿色环保。

3 工艺流程与施工要点

3.1 工艺流程

SMW 工法桩施工→冠梁施工→牛腿土方开挖、型钢立柱桩施工→牛腿及横梁型钢安装→传力件安装→水平钢支撑安装→施加预应力。

3.2 施工要点

3.2.1 SMW工法桩施工

1）开挖沟槽、放置定位型钢 根据基坑支护内边控制线开挖沟槽，槽宽1.2m、挖深0.8m。垂直沟槽方向放置两根长度2m 的型钢（间距10m 布置），平行沟槽方向放置2 根长度12m 的型钢（放置在2m 型钢上），H 型钢定位采用型钢定位卡（放置于12m 的型钢上）。

2）桩孔定位、桩机就位、钻孔施工 桩机进场前，对其进行检测，确保满足使用要求。对施工场地进行整平，机身必须平正、稳固，并用全站仪对龙门立柱垂直定位观测以确保钻杆的垂直度，确保施工中不发生倾斜、移动。三轴拌桩桩位定位后再进行定位复核，三轴深搅桩桩位允许偏差≤50mm；桩身垂直度允许偏差≤1/200；桩底标高允许偏差[-50，100]mm；桩身直径允许偏差[-10，10]mm。

3）搅拌桩施工 ①止水帷幕采用∅850@600三轴水泥搅拌桩，桩心距1 200mm 套接一孔法施工（图1），普通硅酸盐水泥42.5 级，水泥掺量22%，水灰比1.5 左右。拌浆及注浆量以每钻的加固土体方量换算，注浆压力为1.5～2.5MPa，以浆液输送能力控制，水灰比用比重计计量，每台班抽查3 次；②三轴搅拌机钻杆下沉速度控制在0.5～0.8m/min(粘性土)、0.8～1.0m/min(粉土、砂性土)，提升速度应控制在1.0～1.2m/min，施工过程中保持钻杆匀速下沉与提升。

图1 三轴深搅桩套接一孔法施工图

4）H 型钢制作与施工 ①SMW 工法型钢规格HN700×300×13×24、材质Q235B，插一跳一布置（图2）（根据设计需要也可采用全孔布置或组合式布置）、自重下沉，型钢宜在搅拌桩施工结束后30min 内插入，型钢插入前，其表面涂抹减摩剂，保证型钢通过自重顺利插入水泥土拌合物中；②H 型钢制作要求：型钢采用坡口焊接，焊缝质量等级不应低于二级；单根型钢焊接接头不宜超过2 个；接头位置避免出现在受力较大处；相邻型钢的接头位置宜相互错开，错开距离不小于1m；焊接接头需做探伤试验；③H 型钢施工要求：型钢垂直度允许偏差≤1/200；长度允许偏差[-10，10]mm；底标高允许偏差[-30，30]mm；型钢平行基坑方向的平面位置允许偏差≤50mm、垂直基坑方向≤10mm。

图2 H型钢插法布置图

3.2.2 冠梁施工

将原场地土方开挖至冠梁作业面，工法桩的H 型钢整个截面锚入冠梁内，型钢与冠梁之间应采用不易破损的硬质材料隔离（施工中可采用1mm 厚PE 薄膜），保证后续H 型钢可从冠梁中顺利拔出。型钢位置两侧冠梁箍筋应加密，H 型钢顶端高出冠梁顶部0.5m（便于后期回收型钢时安装起吊钩）。

冠梁采用现浇钢筋混凝土结构，沿H 型钢一圈布置，截面尺寸1 200×700mm，混凝土强度等级C35，10cm 厚C15 素混凝土垫层。纵向受力钢筋为直径25mm 三级钢，箍筋、拉筋为直径10mm 三级钢，间距150mm（图3）。

图3 冠梁施工图

冠梁钢筋绑扎结束后，将连接传力件的预埋件焊接在冠梁钢筋上（图4、图5），再浇筑冠梁混凝土，混凝土浇筑完成后应及时养护。

图4 螺栓预埋件大样图

图5 预埋件与冠梁钢筋焊接图

3.2.3 牛腿土方开挖、型钢立柱桩施工

将基坑表层土开挖至型钢牛腿施工作业面，同步可进行型钢立柱桩施工，利用全站仪对立柱进行定位，机械手将型钢立柱插入土层中，插入过程中使用全站仪对立柱垂直度进行控制（立柱桩的垂直度、嵌入深度需满足设计要求）。

3.2.4 牛腿及横梁型钢安装

如图6、图7 所示，牛腿型钢位置与标高应根据设计图纸确定，牛腿型钢与工法桩的H 型钢焊接连接，横梁焊接在牛腿型钢上，施工时横梁表面平整度控制在±2mm，焊缝高度均为6mm。

图6 牛腿、横梁安装图

图7 牛腿焊接大样图

立柱桩施工完成后，开始安装托座件与型钢横梁，托座件、横梁采用H300×300×10×15 型钢。托座件通过高强螺栓安装在型钢立柱上，横梁与托座件利用高强螺栓连接（图8）。

图8 立柱托座安装图

3.2.5 传力件安装

传力件是设置在冠梁与型钢内撑之间的连接件，是将后期冠梁所受到的基坑侧壁压力传递给型钢内支撑的水平受力构件。其一侧与冠梁通过螺栓预埋件连接，另一侧与水平钢支撑通过高强螺栓连接。

传力件安装前须进行轴线基准点定位，利用全站仪测设基坑相邻两个转角内侧的基点，通过该基点采用铅垂线进行平面安装定位。轴线偏差不得超过±20mm，确保施加预应力后外侧围护结构受力均匀（图9、图10）。

图9 传力件安装平面图

图10 传力件安装立面图

3.2.6 水平钢支撑安装

每道水平钢支撑由多根型钢（H400×400×13×21）构成，型钢翼缘上密布螺栓孔，各构件通过高强螺栓连接成组合，整体性好、安全性能高。

安装时严格控制钢支撑的表面平直度，拼接支撑两头中心线的偏心度控制在±2mm。对撑就位时要采用人工配合吊机四点吊装，吊点宜控制在离支撑端部0.2L 处，对撑两端安装就位后的标高差不大于20mm。型钢支撑与传力件的水平夹角须满足设计要求，避免因偏心过大而造成失稳。

3.2.7 施加预应力

1）预应力施加流程 水平钢支撑安装完成→放置油压千斤顶→分级施加预应力→缝隙处加塞钢片、紧固松动螺栓→施压达到设计值、支撑受力稳定→留保力盒、取千斤顶→监测，如图11 所示，预应力装置由油压千斤顶、预应力保力盒、加载横梁及垫片组成，在加载横梁中间安装油压千斤顶，预应力分级施压，加压后保力盒与支撑梁结合处出现的缝隙中加塞钢楔，预应力施加完毕后将所有松动的螺栓进行紧固，最后等到支撑受力稳定后取出千斤顶，并对型钢支撑进行变形监测。

图11 预应力施加示意图

2）施压时注意事项 ①型钢支撑安装完毕形成闭合受力体系后施加预应力，预应力施加前，应注意传力件与冠梁、传力件与型钢支撑的连接状态，检查各构件连接位置的螺栓是否紧固；②预应力施加时，在型钢支撑轴线两侧对称放置千斤顶同步施压，并保持千斤顶施压点与型钢组合内支撑轴线处于同一直线，确保型钢支撑受压平衡；③预应力加载过程中，若发生连接位置螺栓松动、型钢焊接点开裂、型钢支撑局部弯曲变形等情况时，必须立即泄压。待异常部位处理完毕后，方可重新施压；④若型钢支撑加压位置设置保力盒，则施压结束后可取出千斤顶，若未设置保力盒，则施压结束后应保留千斤顶并将其锁定。

4 质量控制措施

4.1 工法桩施工质量控制

桩机进场前应提供产品合格证及检测合格证，三轴深搅桩施工前应进行试桩，以确定水泥用量、水灰比、浆液泵送时间、钻杆下沉及提升时间、桩长及垂直度控制方法，作为控制三轴深搅桩的施工标准。

三轴深搅桩施工时，桩与桩施工搭接时长≤24h。若搭接超时，搭接施工须放慢钻杆搅拌速度以保证桩体搭接质量。若因超时过长导致无法搭接或搭接不良，应视作冷缝处理并做好记录，经设计单位确认后，采取补桩或旋喷桩等技术措施，确保搅拌桩成型质量。

制备好的水泥浆使用时间不得超过2h，水泥浆搁置时间超过2h 的应作为废浆处理，桩身施工过程中严禁断浆。若因故断浆，在恢复供浆前将钻杆下沉至水泥土混合液面以下0.5m 后再注浆搅拌，确保桩身连续性。

4.2 型钢组合支撑质量控制

型钢进场时检查外观尺寸，要求无变形无裂纹，收集产品合格证，报监理验收合格后方可使用。除注明外钢材均为Q345B，E43 型焊条。支撑横梁采用H300×300×10×15 型钢，水平支撑采用H400×400×13×21 型钢。

型钢支撑安装应按“立柱桩→支撑牛腿→顶托横梁→型钢支撑”的顺序进行，并尽快形成闭合受力体系防止局部变形。

构件间采用10.9 级M24 高强螺栓连接，螺栓材料为20MnTiB。高强螺检使用前应全数检查，并组成连接副。高强螺栓分两次进行紧固，严禁一次性紧固到位，初拧扭矩值为终拧的50%～70%。扭力值严格按照设计要求，不得超拧，防止扭力过大导致螺栓损坏。

5 结语

SMW 工法桩施工时，对周围环境影响小、结构强度可靠；凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合均可使用，特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层；防渗性能好，不必另设止水帷幕。工法桩在一定条件下可有效代替地下连续墙，而且SMW 中H 型钢可回收利用，在费用上大大低于地下连续墙。型钢组合支撑各构件采用工厂模块化加工，现场装配式施工。对比传统的钢筋混凝土支撑，具有施工简单、专业性强、建设周期短、绿色环保等特点。

将SMW 工法桩与型钢组合支撑组合成新型复合支护结构体系，通过对水平钢支撑施加预应力，使得整体受力性能更好，在今后的深基坑施工中具有很大发展前景。