浅谈富水软弱土层中SMW工法桩的设计与应用

2023-02-04高天罡GAOTiangang

建筑机械化 2023年12期

高天罡/GAO Tiangang

（济南能源工程集团有限公司，山东济南 250000）

SMW 工法桩，又称型钢水泥土搅拌墙，作为基坑工程的一种支护结构形式，是我国从日本通过技术引进（SMW 工法）结合中国实际再创新的工程技术。作为一种技术先进、经济性好、对周边环境影响小、绿色环保的基坑支护结构，已应用于国内部分软土地区，而在济南使用SMW工法桩的工程案例较少，特别是在富水软弱土层中的应用。文献[2] 针对富水软弱地层综合管廊中SMW 工法桩(型钢水泥搅拌桩)力学特性与优化设计问题，利用有限元软件MIDAS-GTS NX 建立SMW工法桩力学模型，分析不同支护桩桩径、不同型钢布置形式、不同型钢尺寸、不同支撑轴力下SMW 工法桩水平位移等力学特性的变化规律，确定SMW 工法桩最优设计。文献[3] 依托济南R3 线在白泉区域采用SMW 工法桩支护形式，介绍了SMW 工法桩在泉域地区强透水粉质粘土地层中的应用。

由于场地工程地质条件和水文条件对基坑工程性状具有极大的影响，基坑工程具有很强的区域性。因此需要对SMW 工法桩在济南富水软弱土层基坑支护中的可行性和适用性进行研究分析。

1 工程概况

济南市东客站综合交通枢纽进出场道路开源路建设项目，新建道路位于济南市历城区开源路西侧，综合管廊工程起止桩号K0+060～K3+270，高8.7～8.9m 宽5.25～5.45m，覆土深度3.29～8.06m，位于机动车道下，基坑开挖深度为8.63～14.1m。

工程场区为山前地带的冲洪积倾斜平原地形单元，整体地势比较平缓，地形变动不大，第四系的土壤岩层一般由粉粘土和粉质粘土夹砂、砾石地层所构成。基坑开挖深度范围内有影响的土层分别为：①2 杂填土、③1 粉质黏土、⑥1 粉质黏土、⑦1 粉质黏土、⑨1 粉质黏土、⑨3 粉土、⑩1 粉质黏土。

K0+800～K2+200 范围存在软弱土层，各土层物理力学指标见表1，其中⑥1、⑦1、⑨1 属于软弱土层，⑦1、⑨1为管廊基底持力层。

表1 场地岩土力学参数表

工程场地位于白泉泉域冲洪积平原上，临近小汉峪沟河，地下水类型为第四系孔隙水，水量较丰富且埋藏较浅，具有承压性。水位埋深一般为1.00～3.50m，相应水位高程21.93～28.84m。

2 SMW工法桩结构设计

2.1 支护结构设计标准参数

基坑使用周期为6 个月，支护安全等级为二级，基坑重要性系数取1.0。当基坑顶部考虑设置施工便道时，坡顶地面设计荷载按35kPa 均布荷载考虑，作用宽度5m，距坑边距离6m。软弱土层段采取直径600mm 间距1.5m 等边三角形布置的高压旋喷桩进行地基加固，桩长5m，复合地基承载力特征值不小于140kPa。

2.2 支护结构设计方案选型

支护结构设计方案选型如表2 所示。从表2分析对比情况看，结合工程特点，综合考虑技术可靠、基坑安全、经济合理、工期进度等因素，SMW 工法桩基坑支护方案具有明显的优势。

表2 基坑支护方案比选表

软弱土层段基坑开挖深度不大于9m 时，采用支护方案如下：上部2m 覆土按1∶1 放坡，下部∅850mm@600mmSMW 工法桩，嵌固深度7.5m，设置两道∅609×16钢管内支撑，内插型钢采用H700mm×300mm×13mm×24mm型钢，插二跳一。

2.3 SMW工法桩支护结构验算

SMW 工法桩支护结构采用理正深基坑7.0PB3 计算。根据施工顺序设定5 种工况信息，工况信息见表3，建立型钢水泥土搅拌墙支护计算模型，采用增量法计算内力，计算结果如图1 所示。

图1 内力位移包络图

表3 工况信息表

1）截面验算采用弹性法和经典法分别对2.00～14.50m 截面承载力、基坑面以下主动与被动土压力强度相等处截面承载力、基坑底面处截面承载力进行验算，型钢抗弯强度、抗剪强度均满足。对水泥土截面局部承载力验算，型钢与水泥土之间的错动抗剪强度、水泥土最薄弱截面处的局部抗剪强度均满足，验算内力取值见表4。

表4 内力取值表

2）抗倾覆稳定性验算分别进行5 种工况下水泥土墙绕前趾的抗倾覆稳定性验算，安全系数最小的工况是工况1，最小抗倾覆稳定性系数为3.009>1.3，抗倾覆稳定性满足。

3）抗滑移稳定性验算分别进行5 种工况下水泥土墙抗滑移稳定性验算，安全系数最小的工况是工况1，最小抗滑安全系数为3.241>1.2，抗滑移稳定性满足。

4）整体稳定验算采用瑞典条分法计算，土条宽度为0.5m，应力状态为总应力法，滑裂面数据为：圆弧半径R=35.416m、圆心坐标X=-21.940m、Y=19.610m，整体稳定安全系数为2.3>1.3，整体稳定满足。

5）抗隆起验算抗隆起稳定性从支护底部开始逐层验算，抗隆起安全系数为2.443>1.6，抗隆起稳定性满足。

6）流土稳定性验算按照现行标准对均质含水层流土稳定性安全系数的规定计算，K=2.829>1.50，满足规范要求。

7）嵌固段基坑内侧土反力验算分别计算5种工况下作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力和被动土压力合力，验算结果显示基坑内侧土反力合力均小于被动土压力合力，5 种工况均满足要求。

3 SMW工法桩施工应用

3.1 总体实施程序

1）场地平整及地基处理，导沟内杂填土挖除及换填处理。

2）施工SMW 工法桩，水泥土搅拌墙达到设计强度后进行钢筋混凝土冠梁施工。

3）拉槽架设第一道内撑，开挖第一步土方。

4）拉槽架设第二道内撑，开挖第二步土方至基底。

5）依次施工褥垫层、垫层、底板防水、管廊底板及素砼传力带，传力带强度达到设计强度的100%后拆除第二道内撑。

6）施工管廊侧墙、顶板及防水，沟槽回填至管廊顶后拆除第一道内撑。

7）拔除回收H 型钢，注浆填充空隙。

3.2 SMW工法桩施工

工程采用套接一孔法施工，现阶段SMW 工法桩施工工艺已成熟，国内诸多专家学者已介绍了该工艺，本文不再赘述。

1）成桩设备选型目前水泥土搅拌墙成桩方法有：双轴搅拌桩、三轴搅拌桩、五轴搅拌桩、TRD 工法、CSM 工法等。综合考虑不同成桩方法的特点、适用范围、成桩效果及经济合理性，工程选用JB160 型三轴搅拌桩机。

2）施工工艺参数采用“两搅两喷”施工工艺，保证成桩均匀性，现场施工如图2 所示。⑥1、⑦1、⑨1 土层为软弱土层，现场打孔呈现软塑，塑性变形大，在水泥土搅拌过程中，土体发生破坏，在水压作用下易发生缩孔，导致水泥掺入混合不均匀，成桩不密实。淤泥质土层中含有有机杂质，尤其⑥1 土层中有机杂质浸染，有腥臭味，若水泥与土固接反应不充分，会导致搅拌桩不密实。工程采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，结合工程施工经验及现场试验结果，确定了水泥土搅拌桩注浆参数，见表5。

图2 SMW工法桩施工图

表5 水泥土搅拌桩施工技术参数表

3）关键技术措施直线段搅拌桩施工顺序，采取跳打双孔全套复搅方式。转角部位，由于施工条件受限，采取单侧挤压方式，为抵抗集中的水土压力，限制变形，转角处连续满插3 根H 型钢，如图3 所示。

图3 SMW工法桩转角处理样图

为保证截水效果，补充加固土体，SMW 工法桩与其他形式支护结构交界处外侧设置4 根直径700mm 高压旋喷桩，参照文献[7] 中对高压旋喷注浆帷幕的要求，搭接宽度250mm，如图4 所示。

图4 交界处处理样图

SMW 工法桩搭接部分凹槽采用水泥砂浆抹平，避免破坏水泥土搅拌墙结构，导致H 型外露，基坑土方开挖时，围护结构边侧预留不小于100mm 由人工挖除。

3.3 实施要点

受三轴搅拌机施工工艺的影响，搅拌桩施工需保持连续，若遇到障碍物极易造成机器故障，进而形成施工冷缝，影响截水效果，必须清除杂填土中的建筑垃圾后才能实施SMW 工法桩。本工程当杂填土厚度小于2m 时，采用顶部放坡的方法处理，当杂填土厚度大于2m 时，采用顶部放坡，下部挖除换填级配碎石的方法处理，避免了因障碍物导致出现施工冷缝的问题，保证了水泥土搅拌桩顺利连续实施。

在工程实施过程中，由于土方一次开挖过深，二道支撑架设不及时，导致围护结构桩顶向内水平位移超出监测预警值，基坑周围地表出现裂缝，采取回填并开槽支撑的方式处理后，异常情况得以消除。SMW 工法桩属于相对柔性支护结构，在基坑开挖支护过程中相对变形较大，因此基坑土方施工要严格按照“开槽支撑、先撑后挖、纵向分段、竖向分层、中间拉槽、严禁超挖”的原则，开挖过程中挖土与架撑交替进行，严格控制挖深和架撑时间，避免出现基坑无支撑暴露的现象发生，确保基坑安全。