SMW工法设计与施工专项技术研究.doc

1、“富水粉细砂地层异形深大基坑施工技术研究”工作安排SMW工法设计与施工专项技术研究何振华、李友强一、SMW工法简介1、简介SMW工法又称劲性水泥土搅拌桩法，即在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其他种类的受拉材料，形成承力和防水的复合结构。该方法有如下优点：A、占用场地小。一般钢筋混凝土地下连续墙，墙体加导墙宽约11.2m；双轴搅拌桩加灌注桩宽2m以上，而SMW工法一般单排为0.650.85m，国产设备双轴搅拌桩为1.2m；B、施工速度快。一般情况下施工周期可缩短30%左右；C、对环境污染小，无废弃泥浆。D、施工方法简单，施工过程中对周边建筑物及地下管线影响小。E、耗用水泥钢材少，造价低。特别是H型钢

2、能够回收，成本大大降低。有资料分析，SMW工法的成本一般为地下连续墙的70%左右，若考虑型钢回收，则成本可再下降20%30%。SMW工法采用国产的双轴搅拌机，桩径为700mm、间距1000mm；采用进口的长螺旋多轴多组叶片的搅拌机，有桩径650mm、间距900mm和桩径850mm、间距1200mm两种。插入型钢有轧制H型钢、槽钢、拉森板桩，也有用钢板焊接而成的H型钢。SMW工法以水泥土搅拌桩法为基础，凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可以使用SMW工法，特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层。目前，国内一般只用于10m以下基坑的围护结构。2、受力分析通常认为：水土侧压力全部由型钢单独承担，水泥土

3、搅拌桩的作用在于抗渗止水。试验表明，水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的刚度，可起到减少位移的作用。此外，水泥土起到套箍作用，可以防止型钢失稳，这样可以使翼缘厚度减小到很薄。同一荷载作用下，水泥土与H型钢的组合体挠度要小一些，其抗弯刚度比相应的H型钢的刚度大20%。刚度的提高可用刚度提高系数表示，见式（1-1）。 （1-1）式中：Ecs、Es分别为水泥土搅拌桩与H型钢组合体及H型钢的弹性模量；Ics、Is分别为水泥土搅拌桩与H型钢组合体及H型钢的惯性矩。由于试验数据及工程经验还很有限，准确确定值有一定困难，所以设计中受力计算一般仅考虑由H型钢独立承受作用在SMW桩上的内力。水泥土搅拌桩仅作为一种

4、安全储备加以考虑二、SMW工法在国外的应用情况水泥土搅拌桩作为地基处理和防渗帷幕已广泛用于地下工程，而型钢水泥土搅拌复合桩(又称SMW桩)作为基坑围护结构，是日本竹中土木株式会社与成幸工业株式会社在1976年开发并用于工程。二十余年来，SMW工法的成桩设备、工艺得到了完善和提高，并得到广泛的应用，SMW围护又成为日本国内基坑围护的主要工法，约占地下围护结构的80%。三、SMW工法设计1、设计原则SMW工法的设计原则是安全、经济、施工方便。既要满足各种稳定条件及各部分材料强度条件，还要在安全的前提下，考虑设计的经济。2、水泥土配合比确定用水泥作固化剂时，水泥与水反应生成水化生成物，再与粘土矿物反

5、应，从而胶结了粘土颗粒形成强度较高的水泥土。一般可选用以下几种水泥掺入量：7%、9%、11%、13%、15%、18%。3、入土深度的确定在SMW工法中需确定两部分入土深度：一是水泥土搅拌桩的入土深度，二是型钢的入土深度。1）型钢的入土深度为了基坑施工结束后型钢能顺利回收，一般型钢的入土深度可比水泥土搅拌桩的入土深度小一些。型钢的入土深度主要由基坑的抗隆起稳定性和挡土墙的内力、变位不超过允许值及能够顺利拔出等条件决定。在进行挡土墙结构内力、变位和基坑抗隆起稳定分析时，挡墙结构的深度计算到型钢底端，不计型钢底面以下那部分水泥土搅拌桩对抗弯、抗隆起的作用。2）水泥土搅拌桩的入土深度在SMW工法中水泥

6、土搅拌桩的入土深度主要由三方面条件决定：（1）确保坑内降水不影响到基坑外环境（2）防止管涌发生（3）防止底鼓发生4、截面形式的确定SMW工法的截面形式主要有单排型钢全位布置与间隔布置和双排形式。双排形式按型钢的配置方式不同，分为5种，见下图。图1 SMW工法双排形式截面布置方式工程上按型钢在搅拌桩截面中的位置分成两种形式：半位和全位。半位形式即型钢只布置在搅拌桩受拉区部分，以提高桩的弯曲抗拉性能，而主要压力由水泥土承担，如图1(d)、(e)；全位形式即型钢在搅拌桩中全截面布置，既承担拉力又承担压力，见图1(a)、(b)、(c)。半位形式可节省钢材用量，充分发挥材料特性；全位形式则全面承担荷载，

7、又提高截面刚度。按受力单元承担荷载的大小，布置型钢有3种形式：“满堂”、“1隔1”、“1隔2”。“满堂”即每个(双轴)搅拌桩单元内都有型钢；“1隔1”即间隔1个搅拌桩单元布置型钢”“1隔2”即间隔2个搅拌桩单元布置型钢。“满堂”形式用于作用荷载较大的情形，所需型钢量很大；“1隔1”、“1隔2”形式用于作用荷载相对较小的情形，所需型钢量较少。5、强度验算强度验算时需验算的内容有：型钢净间距是否使水泥土处于弯曲应力状态、抗弯验算即桩体拉应力是否满足型钢允许拉应力、抗剪验算（含型钢抗剪验算及水泥土局部抗剪即型钢与水泥土之间的错动剪应力的验算。6、型钢抗拔验算 （3-1）考虑型钢回收重复使用，应使拔出

8、的H型钢保持完好，建议H型钢最大起拔应力不超过H型钢屈服强度的70%，以使型钢保持在弹性状态。 式中：P型钢抗拔力,kNAH型钢截面积，m2s型钢的屈服强度，kPa则最大抗拔力Pm=0.7sAH从拔出力P与拔出长度H的特征曲线可以看到，最大起拔力P0，由静止摩擦力变为动摩擦力后迅速减少，见图2。因而，要保证型钢顺利拔出，起拔力P0应小于最大抗拔力Pm，即P0Pm。并且P0Pf+PD式中，Pf摩阻力；PD因型钢变形产生附加阻力。 图2 型钢拔出特征曲线由试验结果可知，涂有减摩剂的型钢与未涂减摩剂的型钢相比，上拔阻力相差18倍。对涂有1减摩剂的型钢Pf=2fSHlH （3-2）式中，SH型钢截面的

9、周长，m取单位面积摩阻力f=30kPa另外，试验还表明起拔力P0还与型钢的垂直度以及变形形状密切相关，对变形阻力的定量化很困难。通过对试验结果的分析，在型钢变形不大的条件下，PDPf，起拔力P0可按下式估算： P02fSHlH （3-3）可算得型钢埋入深度lHPm/（2fSH） （3-4）由稳定验算所得到的型钢埋入深度还需满足式（3-4），若不满足，应采取措施。四、围护结构参数选定及计算1、围护结构参数选定1）SMW桩参数选定车站结构采用明挖顺作法施工，车站基坑一般段深约16.5m，两端盾构井基坑深约17.2m，车站基坑长约192.1m，宽约21.3m（盾构井25.1m）；车站两端风道基坑深约

10、10.2m，电缆夹层处基坑深11.7m。商业开发建筑基坑深约9.5m，长约165.3m，宽约48.9m，基坑保护等级为一级，围护结构采用SMW工法。车站一般段基坑采用850深搅桩内插入HN700300的H型钢，插入方式为3插2；盾构井处基坑采用1000钻孔灌注桩，桩间净距100mm，外侧设650深搅桩止水帷幕，桩间咬合200mm；风道处基坑采用650深搅桩内插入HM500300的H型钢，插入方式为3插2；商业开发用房基坑采用650深搅桩内间隔插入HM500300的H型钢；型钢插入前需涂减摩剂，桩顶设850800的钢筋砼冠梁，H型钢桩上端外露冠梁顶面700mm，外露部分割一圆孔，便于型钢拔除，下

11、端离搅拌桩底1m。850深搅桩间距600mm，桩间咬合250mm厚，650深搅桩间距400mm，桩间咬合150mm厚，车站基坑围护桩嵌入基底下13.5m；盾构井处基坑围护桩嵌入基底下14m；风道处基坑围护桩嵌入基底下8.5m；南侧风道夹层段基坑围护桩嵌入基底下9.5m；商业开发用房处基坑围护桩嵌入基底下7.5m。5，6号出入口根据基坑由深至浅分别采用两道支撑，一道支撑，围护结构采用650深搅桩内间隔插入HM500300的H型钢。小于3m段放坡开挖，网喷砼支护。2）内支撑体系参数选定内支撑用609钢管支撑，t=12mm。车站基坑竖向设四道支撑，水平间距3.0m；商业开发用房基坑竖向设二道支撑，水

12、平间距6.0m；南北侧风道基坑竖向设二道支撑，水平间距5.0m；南侧风道有电缆夹层段基坑竖向设三道支撑，水平间距3.0m；基坑端部设角撑。型钢在主体结构施工完成并达到设计强度后拔出，便于节省造价，降低成本。型钢拔除后在其孔洞内灌注水泥砂浆。钢管支撑在安装时要施加预加力，预加力按设计轴力5070施加，沿每道支撑端部设钢腰梁，腰梁采用23根40C加缀板组合而成，腰梁固定于间隔布设的钢支架上，支架焊接于SMW 桩H型钢上。为防止由于基坑变形严重引起支撑脱落，在支撑施加完预加力后在其端承板与钢腰梁接头处加缀板焊接牢固。盾构井处采用高强螺栓叫钢支架锚固于钻孔桩侧。3）围护结构计算计算时把SMW桩体按等刚

13、度的混凝土壁式地下墙（1）计算图示与荷载根据建筑基坑支护技术规程，多支点排桩采用如下土压力计算模式：基坑底上部主动侧（迎土侧）按主动土压力及静止土压力进行计算，基坑底下部考虑两侧土压力相抵后形成矩形土压力荷载，并在被动侧（基坑侧）计入一组弹性支撑（即地层抗力）。关于水压力，弱富水的淤泥质粉质粘土层采用水土合算，透水性好的粉砂及细砂层采用水土分算。采用弹性支点杆系有限元法计算，被动土压力按弹性地基梁考虑，其水平抗力系数按m法确定。地面超载取20kN/m2。车站基坑标准段围护结构计算模型下图：（其他段只是基坑深度与支撑道数不同）图3 计算简图基坑围护结构荷载分类表荷载类型荷载名称永久荷载结构自重地

14、层压力静水压力地基下沉影响力侧向地基抗力及地基反力可变荷载基本可变荷载地面车辆荷载及其引起的侧向土压力其他可变荷载施工荷载荷载组合：结构自重+地层压力+水压力+地面车辆荷载引起的侧向土压力+施工荷载+侧向地基抗力计算系数：荷载综合分项系数取1.35，结构重要性系数取1.1。（2）入土深度的确定根据计算，结合工程类比，车站标准段基坑围护桩入土深度取13.5m，盾构井段围护桩入土深度取14.0m，地下商场围护桩入土深度取7.5m，风道基坑围护桩入土深度取8.5m。（3）基坑围护结构计算结果及分析经计算分析，车站标准段围护结构结果如下：围护桩受力结果：最大弯矩-572KN-m，剪力412KN。围护桩

15、变形结果：侧向变形22mm。围护桩稳定性验算结果：整体稳定安全系数2.011.4。基坑底抗隆起验算结果：抗隆起安全系数5.66隆起量=0。基坑底抗管涌验算结果：抗管涌安全系数1.5H型钢最大插入深度验算结果：LH=35.8m。水泥土抗剪强度114KpaS钢管支撑稳定性安全系数2.9钢管支撑轴力：第一道 524KN，预加轴力 400 KN 第二道 1119 KN，预加轴力 800 KN 第三道1628 KN，预加轴力1100 KN 第四道 1889KN， 预加轴力 1300 KN 换撑 预加轴力 1100 KN 围护桩强度、刚度、稳定性满足结构要求。围护结构内力、变形见下图：车站基坑标准段围护结

16、构内力包络图盾构井段基坑围护结构计算结果如下：围护桩受力结果：最大弯矩-744KN-m，剪力668KN。围护桩变形结果：侧向变形21mm。围护桩稳定性验算结果：整体稳定安全系数2.021.4。基坑底抗隆起验算结果：抗隆起安全系数5.4隆起量=0。基坑底抗管涌验算结果：抗管涌安全系数1.44钢管支撑稳定性安全系数2.6钢管支撑轴力：第一道 454KN，预加轴力 300 KN 第二道 1228KN，预加轴力 800 KN 第三道 1800KN，预加轴力1300 KN 第四道 2155KN，预加轴力 1500 KN 换撑 预加轴力 1300 KN围护桩强度、刚度、稳定性满足结构要求。围护结构内力、变

17、形见下图：盾构井基坑围护结构内力包络图地下商场基坑围护结构计算结果如下：围护桩受力结果：最大弯矩-248KN-m，剪力198KN。围护桩变形结果：侧向变形22mm。围护桩稳定性验算结果：整体稳定安全系数1.91.4。基坑底抗隆起验算结果：抗隆起安全系数5.4隆起量=0。基坑底抗管涌验算结果：抗管涌安全系数1.4H型钢最大插入深度验算结果：LH=35.8m。水泥土抗剪强度74.1KpaS钢管支撑稳定性安全系数3.2钢管支撑轴力：第一道 765KN ， 预加轴力 500 KN 第二道 1770 KN ，预加轴力 1200 KN 围护桩强度、刚度、稳定性满足结构要求。围护结构内力、变形见下图：地下商

18、场基坑围护结构内力包络图风道侧围护结构段计算结果如下：围护桩受力结果：最大弯矩-340KN-m，剪力249KN。围护桩变形结果：侧向变形21mm。围护桩稳定性验算结果：整体稳定安全系数2.01.4。基坑底抗隆起验算结果：抗隆起安全系数5.3隆起量=0。基坑底抗管涌验算结果：抗管涌安全系数1.4H型钢最大插入深度验算结果：LH=35.8m。水泥土抗剪强度30.8KpaS钢管支撑稳定性安全系数3.2钢管支撑轴力：第一道 764KN，预加轴力 500 KN 第二道 1720 KN，预加轴力 1200 KN 围护桩强度、刚度、稳定性满足结构要求。围护结构内力、变形见下图：风道侧基坑围护结构内力包络图南

19、侧风道夹层段围护结构段计算结果如下： 围护桩受力结果：最大弯矩-329KN-m，剪力285KN。围护桩变形结果：侧向变形22mm。围护桩稳定性验算结果：整体稳定安全系数1.91.4。基坑底抗隆起验算结果：抗隆起安全系数5.3隆起量=0。基坑底抗管涌验算结果：抗管涌安全系数1.4H型钢最大插入深度验算结果：LH=35.8m。水泥土抗剪强度30.8KpaS钢管支撑稳定性安全系数3.2钢管支撑轴力：第一道 485KN ，预加轴力 300 KN 第二道 1200 KN ，预加轴力 800 KN 第三道 2086 KN ，预加轴力 1400 KN围护桩强度、刚度、稳定性满足结构要求。围护结构内力、变形见

20、下图：南侧风道夹层段基坑围护结构内力包络图（4）型钢埋入深度验算按式（3-4）计算，型钢埋入深度约为29.8m，大于SMW桩体设计型钢插入深度，满足型钢起拔要求。五、基坑围护结构施工方法及施工技术措施1、施工技术要求SMW桩施工放线应根椐围护桩平面布置图、控制点坐标及施工图相关尺寸进行，并应考虑桩位放线允许误差50mm，垂直允许偏差3，桩体计算最大水平位移及施工技术水平综合考虑，确保内衬墙厚度及限界要求。在机具就位前应平整填筑场地，场地低洼时应回填粘性土料，不得回填杂填土。沿围护桩纵向开挖导沟设置导向定位钢板，导沟边设固定支架以便固定插入的H型钢。在搅拌桩施工过程中下钻进的速度比上提时的速度慢

21、一倍左右，以便尽可能保证水泥土的充分搅拌又可获得较高的贯入速度。应根据各土层土质情况选择水泥浆液的配合比以便得到较均匀的墙体。施工停浆面必须高出桩顶设计标高0.5m，在基坑开挖时将高出部分挖除。喷浆口到达桩顶设计标高时宜停止提升，搅拌数秒，以保证桩头的均匀密实。施工中因故停浆应将搅拌机下沉到停浆点下0.5m ，待恢复供浆时再搅拌提升。桩与桩搭接时间不应大于24小时，如间歇时间较长，搭接质量无保证时应采用局部补桩或注浆处理。预搅下沉时不宜冲水，当遇到较硬土层时方可适量冲水，但需考虑冲水对桩身强度的影响。桩径偏差不得大于4%，型钢在成桩24小时内插入。施工使用的固化剂和外掺剂必须通过加固土室内试验

22、检验方能使用，制备好的浆液不得离析，泵送必须连续。型钢插入前需涂减摩剂，桩顶设850600或650600的钢筋砼冠梁，H型钢桩上端外露冠梁顶面700mm，外露部分割一圆孔，便于型钢拔除。2、内支撑施工内支撑在挖至设计标高后立即架设，并施加预加力，在锁定后涂防锈漆。支撑安装偏心距须小于3cm。 内支撑用609钢管支撑，t=12mm。钢管支撑在安装时要施加预加力，预加力按设计轴力5070施加，沿每道支撑端部设钢腰梁，腰梁采用23根40C加缀板组合而成，腰梁固定于间隔布设的钢支架上，支架焊接于SMW 桩H型钢上。为防止由于基坑变形严重引起支撑脱落，在支撑施加完预加力后在其端承板与钢腰梁接头处加缀板焊

23、接牢固。3、SMW工法施工主要工艺流程（如图4）4、各主要工序操作要点1）施工场地平面布置本工法在城市中施工时通常施工场地较小,文明施工要求高,应根据实际情况对现场进行合理布置,确保工地整洁文明,同时又不影响施工进度。根据文明施工要求,对场地进行素混凝土硬化,布置时应将施工区与生活区隔开,并在现场合理布置材料堆场、余土处理场等。2）合理制定施工流程施工流程应根据施工场地大小、周围环境等因素,同时施工时不得出现冷缝,合理设计施工流程,确保安全优质完成施工。3）测量放样施工前,先根据设计图纸和业主提供的坐标基准点,精确计算出围护中心线角点坐标,利用测量仪器精确放样出围护中心线,并做好护桩。4）导槽

24、开挖根据放样出的围护中心线开挖工作沟槽,沟槽宽度根据围护结构厚度确定,深度为1 米。遇有地下障碍时,利用空压机将地下障碍破除干净,如破除后产生过大的空洞,则需回填压实,重新开挖导槽,确保SMW施工顺利进行。5）定位、钻孔在开挖的工作沟槽两侧铺设导向定位型钢或定位辅助线,按设计要求在导向定位型钢或定位辅助线上做出钻孔位置和H型钢的插入位置。根据确定的位置严格钻机桩架的移动就位,就位误差不大于3cm。开钻前应用水平尺将平台调平,并调直机架,确保机架垂直度不小于1%。并在成孔、提升过程中经常检查平台水平度和机架垂直度,确保成桩垂直度不小于1%。为控制钻管下钻深度达标,利用钻管和桩架相对错位原理,在钻

25、管上划出钻孔深度的标尺线,严格控制下钻、提升的速度和深度。下钻、提升速度应与注浆泵的泵量相适应,同时不大于50cm/min。并至少复拌一次以上。6）水泥土的配合比由于不同水泥、不同土质、不同的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。水泥宜采用425号、525号普通硅酸盐水泥,水泥掺入量宜控制在15%17%之内。水泥土在确保强度的同时,使H型钢尽量靠自重插入或略加外力能顺利插入,同时水泥浆液应有一定的稠度,防止H型到位后产生偏斜、平面转向。根据地质条件确定土体置换率,减小施工对环境的影响。水泥土与H型钢的所涂的隔离减阻剂有很好的握裹力,使

26、之共同起挡土止水作用。型钢起拔后水泥土应能自立不坍,便于充填空隙。7）搅拌注浆根据设计所标深度,钻机在钻孔和提升全过程中,保持螺杆匀速转动,匀速下钻,匀速提升,同时根据下钻和提升二种不同的速度,注入不同掺量的搅拌均匀的水泥浆液,使水泥土搅拌桩在初凝前达到充分搅拌,水泥与土能充分拌和,确保搅拌桩的质量。8）H型钢的加工制作H型钢采用钢板在现场制作成型,当现场制作条件困难时,可到加工厂制作。H型钢制作必须贴角满焊,以保证力的传递。H型钢制作必须平整,不得发生弯曲、平面扭曲变形,以保证其顺利插拔。回收变形的H型钢必须经调整校正后方可投入使用。9）H型钢的插入H型钢在插入前必须将H型钢的定位设备准确地

27、固定在导轨上,并校正设备的水平度。在水泥土初凝硬化之前,采用大型吊装机械将焊接定尺的H型钢吊起,插入指定位置,依靠H型钢的自重下插到设计规定深度。插入H型钢时,必须采用测量经纬仪双向调整H型钢的垂直度。H型钢插入后进行换钩,再将H型钢固定在沟槽两侧铺设的定位型钢上,直至孔内的水泥土凝固。若H型钢在某施工区域确实无法依靠自重下插到位,可采用振动锤辅助到位。10）清理沟槽内泥浆由于水泥浆液的定量注入搅拌孔内和H型钢的插入,将有一部分水泥土被置换出沟槽内,采用挖机将沟槽内的水泥土清理出沟槽,保持沟槽沿边的整洁,确保下道工序的施工,被清理的水泥土将在18小时之后开始硬化,可随日后基坑开挖一起运出场地,

28、不会产生泥浆污染。11）H型钢拔出在H型钢插入前,已在H型钢上涂上一层隔离减摩材料。隔离减摩材料早期应与水泥土有较好的粘接握裹力,提高复合作用,后期粘接握裹力降低或起拔时被剪切破坏,使起拔阻力降低,以利于H型钢的拔出。如型钢表面粘贴隔离材料,则粘贴面积应小于2m2,如型钢表面涂刷隔离剂,严禁出现少涂、涂料开裂剥落现象。H型钢在地下结构施工结束,并待结构混凝土达到一定强度后,采用专用机械从水泥土搅拌桩体中拔出。H型钢起拔时要垂直用力,不允许倾斜起拔或侧向撞击型钢。进场准备开挖导槽SMW钻机就位SMW钻机架设混合搅拌设置定位架插入H型钢SMW钻机移位余 土 处 理测量定位水泥浆液配制浆液注入H型钢

29、涂隔离材料拔出H型钢、回收进入下一循环进入下一循环H型钢加工图4 SMW工法施工工艺流程图5、SMW工法施工质量保证措施1）外购水泥、钢材,严格控制质量标准,检查复核相关的质量保证资料,对于严重嫌疑材料,坚持进行必要的实验测试,特别是对非轧制钢材,包括H型钢的接长加工。做到工艺检查,设备检查,施工操作检查,焊接质量检查,建立严格验收把关制度。2）施工现场设专职质量检查人员,检查复核桩机,桩架的定位,钻孔的深度、速度,检查水泥浆液的搅拌操作规范、水灰比。3）桩机移位、开钻、提升由现场指挥负责,开钻前,检查桩机平稳性,做到固定端正,桩架垂直,并采用测量仪器或手段,完成桩机的水平度,桩架的垂直度,在确认无误后,指挥下达操作命令。4）根据确定的水泥浆液的配合比,做好量具的检测可行手段,严格控制水灰比,搅拌时间,浆液质量,注浆时控制注浆压力和注浆速度。5）严格控制钻管下钻,提升的速度,若出现注浆孔堵塞或断浆现象,应及时停泵,排除故障后,再采取有效的措施进行复喷浆,严防断桩、空桩。6）在插入H型钢时,必须做到垂直不斜,插深控制,严防错位、插偏、扭歪。7）为保持工作连续性,严禁钻管下钻提升中途进行换岗接班,建立交接班记录制度。12