SMW工法在德大铁路下穿京沪高铁U形槽基坑支护中的应用

段庆普,叶长允

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022)

SMW工法是一种连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构的施工方法。SMW工法构造简单,止水性能好,工期短,环境污染小,造价低,适用土层范围较广,且型钢可回收重复利用,具有良好的经济效益和社会效益[1]。作为基坑围护和防水帷幕的一种新工艺,SMW工法已逐步在我国得到推广。

结合SMW工法在德大铁路下穿京沪高铁U形槽基坑支护中的应用,对SMW工法设计理论、计算方法以及施工工艺进行介绍和分析,探讨该工法在基坑支护工程中的应用前景, 并为类似相关工程提供实践经验。

1 工程概况

德大线在DK21+070处与京沪高速铁路交叉,线路在京沪高铁DK343+007处C107与C108号桥墩间穿过,与京沪高铁法向夹角22°。为了满足内涝洪水位要求及减少德大线施工、运营期间对京沪高铁的影响,自DK20+320～DK21+870段采用钢筋混凝土U形槽结构。

为减少德大线U形槽基坑开挖时对既有京沪高铁墩台的影响,在京沪高铁两侧200 m范围,基坑采用钻孔桩及SMW桩支护,旋喷桩及搅拌桩作为止水帷幕,形成全封闭止水基坑。

根据场地条件和基坑周边环境,经过方案对比分析,其中德大线DK20+845～DK21+045与DK21+095～DK21+295段基坑采用SMW法支护,基坑深3.48～4.26 m、宽13.96 m。支护桩采用φ650@450 mm水泥搅拌桩,隔桩插入H50型钢,桩长9.0 m；基坑范围内基底采用4.0 m深水泥搅拌桩加固、止水,桩径为700 m m,间距500 m,矩形布置。支护桩顶设1.0 m×0.8 m的钢筋混凝土冠梁。基坑采用φ600 mm、t=16 mm钢管支撑,每3.0 m设1道。基坑支护平面、SMW工法桩施工平面和SMW工法桩基坑支护与地基加固断面分别如图1～图3所示。

图1 基坑支护平面

图2 SMW工法桩施工平面(单位：mm)

图3 SMW工法桩基坑支护与地基加固断面(冠梁顶横撑未示)(单位：cm)

2 地质概况

本工程勘察深度范围内地层为第四系全新统冲积层及第四系上更新统冲积层,岩性包括黏土、粉质黏土、粉土及粉砂。

基坑开挖范围内地下水为第四系孔隙潜水,含水层主要为粉土、粉砂层,水量丰富。勘探期间地下水埋深1.60～7.10 m,地下水补、迳、排条件较好,地下水补给主要以大气降水及河流的侧向补给为主,排泄条件以地面蒸发为主。地下水年变化幅度一般2～3 m。

3 SMW工法设计理论和计算方法

SMW工法作为基坑围护结构,主要基于强度、变形和稳定性3个方面进行设计和计算。其中内力和变形计算目前主要采用平面弹性地基梁法[1]。为考虑设置支撑和开挖的实际施工过程,采用增量法进行各种工况下的设计计算。

3.1 整体稳定性验算

对于厚度较小SMW工法的计算可采用和其他板桩式结构相同的计算方法,根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)[2]对支护桩进行抗倾覆验算、抗滑动验算、抗隆起稳定性和抗渗流稳定性验算,并利用圆弧滑动法进行边坡整体稳定验算。

3.2 截面强度验算

SMW工法桩设计计算首先要求等效混凝土壁式地下连续墙转换,将工法桩折算为等刚度厚h的混凝土壁式地下连续墙,然后计算其内力和位移,并验算水泥土、型钢的强度[3]。

设型钢宽度为W,型钢净间距为t,可将加筋水泥土挡墙按刚度相等的原则折算为一定厚度的钢筋混凝土壁式地下连续墙,每根型钢可等价为宽(W+t)、厚度为h的混凝土壁式地下连续墙,二者刚度相等，得

式中：Es为型钢弹性模量；Is为型钢惯性矩；Ec为混凝土弹性模量。

工程实践和试验研究发现,在小变形条件下,水泥土对型钢水泥土搅拌墙的刚度贡献是不容忽视的[1]。但由于试验数据及工程经验的限制,还不能准确地确定水泥土对型钢刚度的提高程度,在围护结构的设计计算中,不考虑水泥土的刚度贡献,只作为安全储备加以考虑[1]。型钢水泥土搅拌墙的截面设计主要是确定型钢截面和型钢间距。

4 支护结构计算和分析

4.1 支护结构抗浮计算

在施工阶段,SMW工法支护桩与水泥搅拌桩地基止水帷幕施工完成后,主体结构尚未施工时,形成整体封闭基坑。由于地下水位较高,需进行封闭止水基坑的抗浮检算。对DK20+845～DK21+045与DK21+095～DK21+295段3.48～4.26 m深基坑进行计算,结果均满足结构自重/水浮力≥1.0,围护结构满足抗浮要求。

4.2 支护结构计算

本工程SMW工法桩采用φ650 mm@450 mm水泥土搅拌桩内插H型钢组成,临时支撑系统采用φ600 mm(t=12 mm)钢管支撑,沿基坑水平每3 m设置1道。工法桩结构采用荷载-结构模式,按施工顺序逐阶段进行计算。

4.2.1 计算荷载

侧向水、土压力：施工阶段水、土压力按朗金主动土压力水土分算计算；施工期间地面超载按10 kPa考虑；钢管内支撑预加轴力15 kN。

4.2.2 设计原则

本基坑侧壁安全等级为一级；根据基坑侧壁安全等级,确定以下控制参数：围护墙最大水平位移不大于40 mm,地面最大沉降≤0.2%H(H为基坑开挖深度)[5]。

4.2.3 计算

本基坑围护结构计算采用同济启明星FRWS《深基坑支挡结构分析软件》进行计算。基坑开挖分工况1(加撑)、工况2(开挖)2种工况进行，各施工工况及基坑开挖完成后计算结果分别如图4、图5所示。

图4 基坑围护结构施工工况简图(单位：m)

图5 内力包络图(水土分算,矩形荷载)

根据以上计算结果进行H型钢、钢管内支撑及冠梁、钢腰梁的设计。经计算该基坑围护结构选用的SMW工法桩径、H型钢规格、内支撑钢管管径及钢腰梁规格均满足要求。

按规范的条分法进行整体稳定性验算,结果显示整体稳定安全系数Ks=3.289>1.2；按Terzaghi(太沙基)公式验算,基坑抗隆起稳定性结果Ks=5.788>1.6；基坑抗管涌稳定性验算K=6.793>1.1。由此可知基坑是安全稳定的。

4.3 SMW工法支护结构变形分析

4.3.1 基坑开挖

SMW工法基坑施工按一级基坑标准控制,桩体最大水平位移为3.1 mm,地面沉降最大为6 mm。为保证开挖安全和基坑稳定,基坑土采用纵向分段、竖向分层、横向先挖中间土、留桩脚土的方法施工[1]。

4.3.2 SMW桩体变形

SMW桩体变形与内支撑的设置和开挖深度密切相关[1]。钢支撑应及时架设,确保支护结构稳定,以减小支护结构变形。本设计还对各钢管内支撑预先加设轴力,计算结果证明预加轴力对于减小墙体先期水平变形非常有利。经过施工监测,SMW桩体变形随开挖深度增加而增大,而桩体变形因内支撑设置后得到有效控制。

本次施工中,为减少水泥土墙的整体变形,采用坑底设置水泥搅拌桩,不仅可以有效封闭地下水,还能起到加固坑底土体和支护周边水泥土墙的作用,使东西向、南北向的水泥土墙形成一体,进而限制其坑内水平位移的发展。根据施工过程中的监测结果,这种设计方法是成功有效的。

4.3.3 地表沉降

造成基坑边缘地表发生沉降变形的因素主要有支护结构的变形,边缘土层中地下水位的变化,以及边缘土层中发生管涌和流土等[6]。因本工程基坑施工时未降低地下水位,基坑边缘的地表沉降量计算只需要考虑支护结构的变形。本文分别采用三角形法、指数法和抛物线法对基坑边缘地表沉降进行模拟计算,计算结果见图6。

图6 地表沉降

模拟计算结果显示,由指数法计算地表最大沉降量为6 mm,三角形法和抛物线法计算地表最大沉降量分别为4 mm、3 mm。基坑边缘地表沉降计算除受围护体系本身及周围土体特性影响外,更较多的受施工因素的影响[6]。施工监测结果较离散,大致与抛物线法趋势一致,实测基坑边缘地表最大沉降为6 mm,发生于围护墙外侧2 m左右。

通过以上分析可知,施工过程中,基坑支护结构变形和周边地表沉降均控制在允许值范围内。基坑开挖方法、支护结构支撑安装和监控量测手段有效的配合,保证了基坑的顺利施工和周边环境的安全。

5 支护结构施工工艺

5.1 工艺流程

SMW工法加水平钢管内支撑围护方案的施工工艺流程主要包括水泥搅拌桩施工、插拔型钢、水平钢管安(拆)装三大过程。具体可分为导沟开挖、置放导轨、标定孔位、钻进、喷浆搅拌、插入型钢、浆土硬化、围檩安装、水平钢管安装(预加轴力)、拔(拆)型钢、清理现场等工序[7]。

5.2 施工要点

为确保SMW工法桩的施工质量,达到要求的止水效果和强度,特对桩的施工提出如下要求。

(1)水泥土搅拌桩应按施工组织设计要求进行试成桩,确定相关施工工艺及参数。

(2)搅拌桩需采用三轴搅拌机施工,施工时应准确定位。相邻桩施工间隔不超过12h,施工过程中一旦出现冷缝,必须在外侧补做搅拌桩,以保证隔水效果。

(3)型钢在插入水泥搅拌桩之前应涂刷减摩剂,以便拔出型钢。型钢拔出后在搅拌桩中留下的孔隙需采取注浆等措施进行回填,以减小对邻近建筑物及地下管线的影响。

(4)SMW工法桩施工质量控制措施、水泥土搅拌桩及插入型钢的质量检查与验收参照《基坑工程手册》(第2版)有关要求执行。

6 结语

由德大铁路下穿京沪高铁U形槽SMW工法基坑支护结构的设计、计算及施工结果可知,SMW工法桩满足本工程的基坑支护要求,并达到了预期支护、止水的目标。合理地选择基坑开挖方案、有效地设置钢管内支撑预加轴力以及采用坑底设置水泥搅拌桩,均有利于减小墙体的水平变形。施工过程中对围护结构进行实时监控、量测、分析,保证了基坑的顺利施工和周边环境的安全。目前本工程已按设计完成施工,工程中没有出现险情和事故,搅拌桩防渗效果很好,对京沪高铁未造成任何影响,各项监测数据也比较平稳。随着城市的发展和社会的进步,发展地下空间已成为一种必然,基坑工程的设计和施工日趋重要，作为国内常规支护结构形式之一,SMW工法有着广阔的应用前景。

[1] 刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社,2009.

[2] GB50007—2002 建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[3] 朱祥山,闫强刚.SMW工法在支护工程中的应用[J].城市勘测,2009(6)：152-154,157.

[4] JGJ 120—99 建筑基坑支护技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社,1999.

[5] 赵春艳.SMW工法在武汉地铁二号线常青花园站基坑围护中的应用[J].交通科技,2008(3)：44-46．

[6] 马秉务,姚爱国.基坑边缘地面沉降计算方法分析[J].西部探矿工程,2004(1)：12-14.

[7] 胡治涛.改良的SMW工法加钢管支撑在深基坑支护工程的实践[J].福建建设科技,2008(5)：12-13．

[8] 姚爱国,汤凤林.基坑支护结构设计方法讨论[J].工业建筑,2008(3)．

[9] 俞建霖,龚晓南.基坑工程变形性状研究[J].土木工程学报,2002(8)．

[10] 陈忠汉,黄书秩,程丽萍.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社,1990.