摘要:隨著城市建設規模的不斷升級,地面空間的日趨飽和,人們開始把目光轉向地下尋求城市發展的空間,即進行城市地下空間的開發利用。伴隨著地下空間開發層次的不斷深入,基坑工程規模越來越大,對施工技術要求越來越高,特別是在各種復雜的地質條件和水文環境下,如何經濟合理地解決好基坑支護方面的問題,工程界學者和技術人員進行了不懈的探索,本文現結合某工程深基坑支護結構施工的SMW工法施工工藝和施工技術作了探討。
　　關鍵詞:基坑工程；圍護結構；SMW工法；抗彎剛度；施工技術
　　1目前幾種深基坑工程支護工法的應用條件
　　1.1排樁支護
　　排樁支護是指柱列式間隔布置鋼筋混凝土挖孔、鉆(沖)孔灌注樁作為主要擋土結構的一種支護形式。柱列式間隔布置包括樁與樁之間有一定凈距的疏排布置形式和樁與樁相切的密排布置形式。柱列式灌注樁作為擋土圍護結構有很好的剛度,適合各種地層。但各樁之間的聯系必須在樁頂澆注較大截面的鋼筋混凝土帽梁加以可靠聯接。
　　為了防止地下水并夾帶土體顆粒從樁間孔隙流入(滲入)坑內,應同時在樁間或樁背采用高壓注漿、設置深層攪拌樁、旋噴樁等措施,或在樁后專門構筑防水帷幕。當要求灌注樁圍護結構起到抗水防滲作用時,必須做好樁間和樁背的深層防水攪拌樁或旋噴樁。當周圍環境保護要求嚴格時,為減少排樁的變形,在軟土地區有時對基坑底沿灌注樁周邊或部分區域,用水泥攪拌樁或注漿進行被動區加固,以提高被動區的抗力,減少支護結構的變形。
　　排樁支護是擋土系統和止水系統兩獨立結構配套使用。實際施工時,不管是先施工鉆孔樁再施工攪拌樁,還是先施工攪拌樁再施工支護樁,止水攪拌樁客觀上都不可能與支護鉆孔樁緊貼,開挖時樁間砂土坍落,造成止水樁直接承擔水土壓力,因而攪拌樁首先被剪斷產生漏水,導致基坑失穩。
　　1.2地下連續墻
　　地下連續墻是用特制的成槽機械,在泥漿護壁的作用下,開挖一定深度的溝槽,然后清除槽段內沉淀的沉渣,吊裝鋼筋籠后澆筑混凝土所形成的墻體。整個槽段地下連續墻具有整體剛度大的特點和良好的止水防滲效果,既擋土又擋水,極少發生地基沉降或塌方事故。
　　適用于軟粘土和砂土等多種地層條件和復雜的施工環境,尤其是基坑底面以下有深層軟土需將墻體插入很深的情況。因此在國內外的地下工程中得到廣泛的應用。地下連續墻作為臨時的支護結構,比其它工法的費用要高得多。在施工中泥漿污染施工現場,造成場地泥濘不堪,泥漿廢后處理比較麻煩。
　　1.3SMW工法
　　SMW(SoilMixingWall)工法是水泥土混合體未結硬前插入H型鋼或鋼板作為其應力補強材料,至水泥結硬,便形成一道具有一定強度和剛度的、連續完整的、無接縫的地下墻體。水泥與土得到充分的強化攪拌,墻體無論在縱向與橫向都沒有接縫,具有高止水性;在插入H型鋼后使其形成一復合墻體,具有抗側壓強度。
　　因此,SMW墻具有擋土與止水雙重作用,適用于任何土層,對周圍地基影響小,插入水泥土中的H型鋼或鋼板可以拔出重復使用,大大降低了施工成本。由于H型鋼剛度隨長度增長而降低,從而使得插入H型鋼的水泥土墻強度降低,故不適合超深基坑。據查閱有關資料,國內最深基坑記錄為南京地鐵工程(20m)。
　　2工程實例
　　某工程采用明挖順作法施工。分主體和附屬工程兩部分,主體結構基坑采用地下連續墻圍護,附屬結構采用SMW工法樁作為圍護結構,附屬工程包括出入口及兩組風井、風亭,附屬結構開挖深度約為16m。SMW工法作為深基坑支護在國內可以借鑒的成功經驗較少,本文結合工程實例,從剛度設計、工藝流程和技術要點方面對工法作一介紹。
　　2.1SMW工法的剛度
　　荷載較小時水泥土受拉區還未出現開裂,組合結構全截面均參與工作。此時組合結構截面抗彎剛度為:
　　B=EsIs+ξEcIc(1)
　　式中:Es、Ec———型鋼與水泥土的彈性模量;Is、
　　Ic——型鋼與水泥土對中心軸的慣性矩;
　　ξ——考慮水泥土缺陷的折減系數,取0.5～1.0。水泥土開裂前的彎矩極限為:
　　Mct=2ft〔(Es/Ec)Is+Ic〕/h(2)
　　式中:h——截面高度;ft——水泥土的抗拉強度。
　　受拉區部分水泥土開裂后,開裂部分即退出工作,而受壓區水泥土承受了更大的壓應力,截面的中性軸將向受壓區偏移。假設型鋼截面尺寸較小,在計算水泥土截面面積時可忽略,則組合截面中性軸偏離型鋼中心軸的距離為:
　　t=htEc(Ac-bht)/2〔EsAs+Ec(Ac-bht)〕(3)
　　式中:As、Ac——型鋼和水泥土的全截面面積;b——截面寬度;ht——受拉區開裂深度。此時截面的抗彎剛度為:
　　B=Es(Is+Ast2)+Ec(ξIct+Acttc2)(4)
　　式中:Act——參與工作的水泥土截面面積,Act=Ac-bht;Ict——參與工作的水泥土截面對其自身中心軸的慣性矩,Ict=b(h-ht)3/12;tc——參與工作的水泥土中心軸與截面中性軸間的距離,tc=ht/2-t。此時在水泥土受拉區未開裂部分邊緣處的應力應為ft,故:
　　ft=(EcM/B)(h/2+t-ht)(5)
　　將(3)式代入(4)、(5)兩式得:
　　
　　在已知截面內力(彎矩)時,可利用(6)、(7)兩式迭代計算出截面剛度,從這兩式可看出截面的抗彎剛度與內力(彎矩)密切相關。
　　繼續加載,型鋼將屈服,組合結構體剛度將降低。由于工程中不允許應力達到這一程度,因此,型鋼屈服后的剛度不再分析。
　　2.2施工工藝流程
　　SMW工法圍護結構施工主要包括開挖導溝、樁機定位、攪拌施工、泥漿制作、型鋼的插入與拔除等工藝。
　　2.3施工過程中的技術要點
　　(1)如機械施工區域有軟土,則樁機施工道路需鋪設30cm厚的碎石墊層,并在樁機施工時局部鋪設30mm鋼板,以確保樁機的安全與施工質量,并按照設計圖進行定位及高程引測工作。
　　(2)采用挖機開挖導溝,溝槽寬度為1m、深度為0.6m。為確保樁位以及為安裝H型鋼提供導向裝置,平行溝槽方向放置2根300mm×300mm工字鋼,定位型鋼上設樁位標志和插H型鋼的位置。
　　(3)攪拌機就位操作人員根據確定的位置嚴格控制鉆機樁架的移動,確保鉆孔軸心就位不偏。同時控制鉆孔深度的達標,利用鉆桿和樁架相對定位原理,在鉆桿上劃出鉆孔深度的標尺線,嚴格控制下鉆、提升速度和深度。
　　(4)攪拌樁成樁
　　①制備水泥漿
　　深層攪拌機預攪下沉的同時,按水灰比1.5～1.6拌制水泥漿液,攪拌樁采用32.5新鮮普通硅酸鹽水泥,每次投料后拌合時間≮3min,但是攪拌時間≯2h,防止水泥漿產生離析。待壓漿前將漿液倒入集料斗中。在水泥漿液中加015%～110%高效減水劑,以減少水泥漿液在注漿過程中的堵塞現象,并摻入1%～3%的膨潤土,利用其保水性提高水泥土的變形能力,減少墻體開裂,提高SMW墻的抗滲性能很有效果。
　　②噴漿、攪拌、提升
　　深層攪拌機下沉到設計深度后,開啟灰漿泵。待漿液到達噴漿口,再嚴格按設計確定的提升速度邊噴漿邊提升深層攪拌機。嚴格控制水泥質量及水泥摻量,確保水灰比。注漿時要保證單位時間內注漿相等,不得中斷注漿。
　　③重復攪拌
　　深層攪拌樁采用“二噴四攪”。深層攪拌機噴漿提升至設計頂面標高后,為使軟土和漿液攪拌均勻,再次將深層攪拌機邊攪拌噴漿邊下沉至設計深度后,再嚴格按設計確定的提升速度提升深層攪拌機至地面。“二噴四攪”二次噴漿后保證水泥摻入量滿足18%的設計要求,同時施工中注意控制下沉及提升速度并注意孔底重復攪拌。
　　(5)H型鋼安放與回收
　　①型鋼加工時一般H型鋼長度為12m/根,施工中單根長度不能滿足要求的將需2根或多根進行焊接。型鋼具體焊接采用雙面切口滿焊,焊接前要先進行除渣、除濕、除銹等,對焊焊縫高度要高于型鋼平面約2mm。焊縫不得有漏焊。從外觀來看,要達到焊縫飽滿、無裂紋。焊接完成后,要用砂輪機進行打磨,使接口處型鋼保持平整。
　　②H型鋼插入在鉆孔的水泥土充分攪拌均勻后,開始初凝硬化之前,采用大型吊裝機械將定尺的H型鋼吊起,插入指定位置,靠型鋼自重插入。型鋼上涂減磨擦材料(上海隧道研究所研制的減磨劑涂層,單位面積靜磨阻力平均為0.04MPa)減少阻力。涂層厚度控制在不小于1mm,以保證型鋼的回收再利用。
　　型鋼應平直、光滑、無彎曲、無扭曲。在孔口設定向裝置,型鋼插到設計規定深度,然后進行換鉤,使H型鋼脫離吊鉤,固定在鉤槽兩側鋪設的定位型鋼上直至孔內的水泥土凝固。
　　③H型鋼回收
　　當施工完畢后進行H型鋼回收,在施工前應進行型鋼抗拔驗算與拉拔試驗,以確保型鋼的順利回收。H型鋼回收后注漿:注漿選用θ10mm鋼管順水泥土壁插入樁底,鋼管采用焊接。注漿材料采用細砂摻加0.5%～1.0%高效減水劑及3%～7%膨潤土,水灰比控制在0.7,通過高效減水劑及膨潤土調整水泥砂漿的流動性。注漿時采用壓力≮1.0MPa的注漿泵。
　　(6)樁與樁之間銜接時間≯24h。因為冷縫處易漏水降低止水效果,常用旋噴樁在外側進行處理,施工成本增加。
　　3結束語
　　SMW工法集合了排樁支護和地下連續墻的優點,并以低成本、施工周期短、環境污染小,尤其是H型鋼的可回收再利用獨特之處,展現驕人魅力,是符合建設節約型社會和發展循環經濟這一國家政策的良好基坑圍護形式。隨著SMW工法的設計規范和施工規范的編制推出,以及SMW工法理論的完善,相信SMW工法會憑借其獨特的優勢在軟土地區的地下空間資源開發中發揮空前作用。
　　參考文獻:
　　[1]徐源，《SMW工法設計與施工關鍵技術難點研究》[J].徐州工程學院學報,2007,22(2)。
　　[2]李鳳明、倪西民，《SMW工法的設計與應用》[J].市政技術,2007,25(1)。
　　[3]王俊平，《SMW工法樁在地下工程中的應用》[J].科技信息,2008,(1)。