SMW工法在地铁深基坑中的应用介绍

1　概述
　　SMW工法是Soil-Mixing Wall的简称，最早由日本成幸工业株式会社开发成功。SMW工法是利用专门的多轴搅拌机就地钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，经充分搅拌混合后，再将H型钢或其他型材插入搅拌桩体内，形成地下连续墙体，利用该墙体直接作为挡土和止水结构。其主要特点是构造简单，止水性能好，工期短，造价低，环境污染小，特别适合城市中的基坑工程。
　　2　工程概况
　　嫩江路车站位于中原路、嫩江路交叉口，为地下一层半侧式站台车站，人行联络通道和电缆通道及环控通风通道设在顶板下夹层内。嫩江路中原路上交通繁忙，地下管线众多，周边紧邻居民小区。车站施工期间中原路和嫩江路上交通不能断，中原路现站位处有埋深6m的φ1 500污水管和φ2 460雨水管及埋深3mφ900给水管需搬迁车站一侧。根据本车站的周围环境分析，车站基坑变形控制保护等级为二级。
　　车站全长169.5m，站台中心顶板覆土3.3m。标准段基坑开挖深度约12.3m，端头井开挖深度约14m（此深度为目前地铁基坑采用SMW方法施工的最大深度）。
　　3　地质概况
　　本工程场地属长江三角洲入海口东南前缘的滨海平原地貌类型，微地貌上属吴淞江古河道沉积区，由于吴淞江古河道的切割，场地缺失③层灰色淤泥质粉质粘土和④层灰色淤泥质粘土，代之以分布有厚达约18m的②3层砂质粉土。场地地形平坦，场地地面标高一般4.0m，站区内地下水属潜水类型，稳定水位在地表以下0.5~1.0m。站区四周无污染源，地下水对砼无腐蚀。由上到下各土层主要力学指标见表1。
4　基坑围护结构设计
　　4.1　围护
　　车站基坑围护采用SMW工法，车站基坑开挖深度为12.3~14m，采用进口φ850三轴劲性水泥土搅拌桩作围护结构，内插 H700×300×13×24型钢，建议水泥掺量不小于20%，水泥搅拌桩搭接200mm，H型钢间距@1 200mm。标准段设3道φ609×16钢管支撑，端头井设4道φ609×16钢管支撑，支撑间距一般为4.0m。桩顶做钢筋砼圈梁兼作首道支撑围囹，其余选用2H400×400×13×21双拼作钢围囹。为减少围护桩在基坑开挖时的位移，对钢支撑施加预应力，其值为设计轴力的50%~70%。根据本车站基坑坑底土层为②3砂质粉土，透水性较强，对坑底采用降水加固。为降低车站造价，SMW桩中插入的H型钢在车站结构施工完毕后拔除。基坑围护支撑平面布置图见图1，基坑围护横断面图见图2。
4.2　水泥搅拌桩计算
　　4.2.1　水泥土强度的确定
　　国家建筑标准(ＪＧＪ79-91)规定在深层搅拌桩作地基处理时以90d的无侧限抗压强度qu90作为标准强度,本文认为这对SMW挡土墙来说时间太长。分析国外资料并结合上海实际情况建议以28d的水泥土强度qu28作为标准强度比较合理。
　　由于不同水泥、不同土质、不同配合比的水泥土力学指标差异较大,因而水泥和外掺剂的掺入量必须以现场土做试验,再确定其合理的配合比及水泥土的无侧限抗压强度qu28、弹性模量等参数指标。本工程设计中搅拌桩桩体在达到龄期28d后，钻孔取心测试其强度，要求28d的无侧限抗压强度qu28不小于1.5MPa。水泥土的设计抗压强度取fc=qu28/2，设计抗剪强度取τs=qu28/6。水泥搅拌桩计算简图见图3。

　　4.2.2　型钢净间距L2的确定
　　因为水泥土在侧向水土压力的作用下,以“工”字型钢为支点,当间距过大时,型钢间的水泥土除受剪力、轴力外,还会产生弯曲应力,由于水泥土的抗拉强度很小,因此应控制型钢间距,避免水泥土处于弯曲应力状态,防止出现弯曲破坏。
　　型钢净间距尺寸要求L2＜=Bc+h+2e
　　由图3可知Bc+h+2e=850+700+2×0=1550＞900经验算满足要求。
　　式中Bc——水泥土墙的有效厚度;
　　h——“工”字型钢的高度;
　　e——“工”字型钢形心轴与截面对称轴的距离,规定“工”字型钢形心轴靠近基坑内侧为正。
4.2.3　水泥土强度验算
　　水泥土强度要求验算型钢翼缘边的水泥土抗剪强度和水泥土搭接处的抗剪强度，另外在侧压作用下,在水泥土内形成一抛物线承载拱,还要验算拱的轴力强度。


　　由图3可知：d1=795mm，d2＝602mm，L2=900mm，L3=600mm。
　　Q1=qL2/2,Q2=qL3/2
　　经验算均满足要求。
　　式中q——侧压力(kN/m2)；
　　d1——墙体有效厚度(ｍ)；
　　d2——水泥土搭接处厚度(ｍ)；
　　Bf——型钢翼宽(ｍ)；
　　fc——水泥土的设计抗压强度(kPa)。
　　4.2.4　入土深度的确定
　　SMW工法围护墙入土深度的确定需确定两部分入土深度,首先是H型钢的入土深度Dh,Dh主要由基坑抗隆起稳定、围护墙内力和变形不超过允许值及型钢顺利回收等条件决定。在进行围护墙结构内力、变形和基坑抗隆起稳定分析时，围护墙结构的深度仅计算到型钢底端。经计算：标准段Dh=11.5m,取型钢长度Lh=24m，端头井Dh=12m,取型钢长度Lh=26m。
　　其次是水泥土搅拌桩的入土深度Dc，Dc主要由3个方面决定：（1） 确定坑内降水不影响基坑以外环境；（2） 防止管涌发生；（3） 防止底鼓发生。取以上条件中入土深度的最大值作为水泥土桩最终入土深度值，同时应满足Dc≥Dh。经计算得标准段Dc=12.5m,水泥土桩长Lc=25.5m。端头井Dc=13m,水泥土桩长Lc=27.5m。
　　4.3　基坑稳定性分析
　　SMW工法属于板式支护体系，其稳定性分析按规范板式支护有关公式计算。经验算均满足要求。计算结果如下：
　　基坑墙底抗隆起：
　　K＝3.05（标准段）K＝2.87（端头井）
　　基坑坑底抗隆起：
　　K＝2.56（标准段）K＝2.5（端头井）
　　基坑抗倾覆稳定性：
　　K＝1.2（标准段）K＝1.15（端头井）
　　抗管涌验算：
　　坑外地下水位取最不利季节性水位为地面以下0.5m，坑内地下水位考虑坑内降水取坑底以下3m。
　　K＝2.3（标准段）K＝2.2（端头井）
　　4.4　围护墙内力位移计算
　　SMW工法采用等刚度代换为一定厚度钢筋砼地下墙，沿车站纵向取单位长度采用杆系有限元法计算。因考虑Ｈ型钢拔除，SMW工法围护墙组合刚度不计水泥搅拌桩的刚度贡献，即仅计入Ｈ型钢的刚度。地层的被动抗力采用弹性链杆代替，地层对围护结构的作用采用一系列考虑时空效应的等效弹簧进行模拟。围护结构划分为梁单元，支撑为仅受轴力的杆单元并施加预应力。计算时模拟施工全过程，根据“先变形，后支撑”的原则，计入结构的先期位移值以及支撑的变形，并计算结构回筑阶段各工况的内力组合，分阶段按竖向弹性地基梁法进行计算。地面超载取20kN/m2，地下水位取地面以下0.5m，作用在围护桩上的水土侧压力采用水土分算，c，φ取固快剪峰值。地基土弹簧压缩系数K=10 000kN/m3。经计算，各阶段内力和位移包络图见图4和图5。由图可以看出:最大水平位移:fmax=40.7mm，最大弯矩:Mmax=617kN·m，发生在坑底附近。

　　4.5　围护结构形式的比较
　　目前,上海地区地铁车站基坑围护墙体采用的结构形式一般都为地下连续墙（单墙或双墙），不论单墙还是双墙，其工程造价均较高,对环境的影响、污染均较大。与之相比较，SMW工法有如下优点：
　　(1) 在现代城市修建地铁，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,这也是其他工法所无法比拟的。
　　(2) 消除泥浆污染公害,促进城市文明建设。随着城市管理的化，由施工造成的泥浆污染成为日趋严重的问题。地下连续墙由自身的特性决定,在施工时将形成大量泥浆需外运处理，而SMW工法仅在施工后期将置换出来并已固结的干土外运。
　　(3) 施工效率高,缩短工程建设周期,降低围护结构成本。SMW工法构造简单,施工速度快,可大幅缩短工期。根据本站工程实践,每台搅拌机每昼夜可施工基坑周长在10～20ｍ左右。另外，SMW工法用于围护墙体,其成本约为地下墙结构的70%,若考虑型钢回收可以降到５0%，在现有围护结构中是最低的。
　　（4） 因SMW工法作围护结构与主体结构分离，主体结构侧墙可以施工外防水，与地下连续墙相比车站结构整体性和防水性能均较好，可降低车站后期运营维护成本。

　　5　结语
　　（1） 通过上海M8线嫩江路车站采用SMW工法的工程实践，证明整个地铁车站全部采用SMW工法施工是可行的，而且大大降低了工程造价，加快了工程进度，取得了良好的经济社会效益。
　　（2） 由于现行的设计缺乏SMW工法的计算依据，制约了SMW工法在我国基坑支护工程中的推广应用。本文对SMW工法的设计和计算进行了初步归纳和总结，以便在今后的工程实践中更好的加以运用。

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