SMW工法在德大鐵路下穿京滬高鐵U形槽基坑支護中的應(yīng)用

段慶普,葉長允

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院,濟南 250022)

SMW工法是一種連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插入型鋼形成的復(fù)合擋土隔水結(jié)構(gòu)的施工方法。SMW工法構(gòu)造簡單,止水性能好,工期短,環(huán)境污染小,造價低,適用土層范圍較廣,且型鋼可回收重復(fù)利用,具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益[1]。作為基坑圍護和防水帷幕的一種新工藝,SMW工法已逐步在我國得到推廣。

結(jié)合SMW工法在德大鐵路下穿京滬高鐵U形槽基坑支護中的應(yīng)用,對SMW工法設(shè)計理論、計算方法以及施工工藝進行介紹和分析,探討該工法在基坑支護工程中的應(yīng)用前景, 并為類似相關(guān)工程提供實踐經(jīng)驗。

1 工程概況

德大線在DK21+070處與京滬高速鐵路交叉,線路在京滬高鐵DK343+007處C107與C108號橋墩間穿過,與京滬高鐵法向夾角22°。為了滿足內(nèi)澇洪水位要求及減少德大線施工、運營期間對京滬高鐵的影響,自DK20+320～DK21+870段采用鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)。

為減少德大線U形槽基坑開挖時對既有京滬高鐵墩臺的影響,在京滬高鐵兩側(cè)200 m范圍,基坑采用鉆孔樁及SMW樁支護,旋噴樁及攪拌樁作為止水帷幕,形成全封閉止水基坑。

根據(jù)場地條件和基坑周邊環(huán)境,經(jīng)過方案對比分析,其中德大線DK20+845～DK21+045與DK21+095～DK21+295段基坑采用SMW法支護,基坑深3.48～4.26 m、寬13.96 m。支護樁采用φ650@450 mm水泥攪拌樁,隔樁插入H50型鋼,樁長9.0 m；基坑范圍內(nèi)基底采用4.0 m深水泥攪拌樁加固、止水,樁徑為700 m m,間距500 m,矩形布置。支護樁頂設(shè)1.0 m×0.8 m的鋼筋混凝土冠梁?；硬捎忙?00 mm、t=16 mm鋼管支撐,每3.0 m設(shè)1道。基坑支護平面、SMW工法樁施工平面和SMW工法樁基坑支護與地基加固斷面分別如圖1～圖3所示。

圖1 基坑支護平面

圖2 SMW工法樁施工平面(單位：mm)

圖3 SMW工法樁基坑支護與地基加固斷面(冠梁頂橫撐未示)(單位：cm)

2 地質(zhì)概況

本工程勘察深度范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖積層及第四系上更新統(tǒng)沖積層,巖性包括黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉砂。

基坑開挖范圍內(nèi)地下水為第四系孔隙潛水,含水層主要為粉土、粉砂層,水量豐富?？碧狡陂g地下水埋深1.60～7.10 m,地下水補、逕、排條件較好,地下水補給主要以大氣降水及河流的側(cè)向補給為主,排泄條件以地面蒸發(fā)為主。地下水年變化幅度一般2～3 m。

3 SMW工法設(shè)計理論和計算方法

SMW工法作為基坑圍護結(jié)構(gòu),主要基于強度、變形和穩(wěn)定性3個方面進行設(shè)計和計算。其中內(nèi)力和變形計算目前主要采用平面彈性地基梁法[1]。為考慮設(shè)置支撐和開挖的實際施工過程,采用增量法進行各種工況下的設(shè)計計算。

3.1 整體穩(wěn)定性驗算

對于厚度較小SMW工法的計算可采用和其他板樁式結(jié)構(gòu)相同的計算方法,根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007—2002)[2]對支護樁進行抗傾覆驗算、抗滑動驗算、抗隆起穩(wěn)定性和抗?jié)B流穩(wěn)定性驗算,并利用圓弧滑動法進行邊坡整體穩(wěn)定驗算。

3.2 截面強度驗算

SMW工法樁設(shè)計計算首先要求等效混凝土壁式地下連續(xù)墻轉(zhuǎn)換,將工法樁折算為等剛度厚h的混凝土壁式地下連續(xù)墻,然后計算其內(nèi)力和位移,并驗算水泥土、型鋼的強度[3]。

設(shè)型鋼寬度為W,型鋼凈間距為t,可將加筋水泥土擋墻按剛度相等的原則折算為一定厚度的鋼筋混凝土壁式地下連續(xù)墻,每根型鋼可等價為寬(W+t)、厚度為h的混凝土壁式地下連續(xù)墻,二者剛度相等，得

式中：Es為型鋼彈性模量；Is為型鋼慣性矩；Ec為混凝土彈性模量。

工程實踐和試驗研究發(fā)現(xiàn),在小變形條件下,水泥土對型鋼水泥土攪拌墻的剛度貢獻是不容忽視的[1]。但由于試驗數(shù)據(jù)及工程經(jīng)驗的限制,還不能準確地確定水泥土對型鋼剛度的提高程度,在圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算中,不考慮水泥土的剛度貢獻,只作為安全儲備加以考慮[1]。型鋼水泥土攪拌墻的截面設(shè)計主要是確定型鋼截面和型鋼間距。

4 支護結(jié)構(gòu)計算和分析

4.1 支護結(jié)構(gòu)抗浮計算

在施工階段,SMW工法支護樁與水泥攪拌樁地基止水帷幕施工完成后,主體結(jié)構(gòu)尚未施工時,形成整體封閉基坑。由于地下水位較高,需進行封閉止水基坑的抗浮檢算。對DK20+845～DK21+045與DK21+095～DK21+295段3.48～4.26 m深基坑進行計算,結(jié)果均滿足結(jié)構(gòu)自重/水浮力≥1.0,圍護結(jié)構(gòu)滿足抗浮要求。

4.2 支護結(jié)構(gòu)計算

本工程SMW工法樁采用φ650 mm@450 mm水泥土攪拌樁內(nèi)插H型鋼組成,臨時支撐系統(tǒng)采用φ600 mm(t=12 mm)鋼管支撐,沿基坑水平每3 m設(shè)置1道。工法樁結(jié)構(gòu)采用荷載-結(jié)構(gòu)模式,按施工順序逐階段進行計算。

4.2.1 計算荷載

側(cè)向水、土壓力：施工階段水、土壓力按朗金主動土壓力水土分算計算；施工期間地面超載按10 kPa考慮；鋼管內(nèi)支撐預(yù)加軸力15 kN。

4.2.2 設(shè)計原則

本基坑側(cè)壁安全等級為一級；根據(jù)基坑側(cè)壁安全等級,確定以下控制參數(shù)：圍護墻最大水平位移不大于40 mm,地面最大沉降≤0.2%H(H為基坑開挖深度)[5]。

4.2.3 計算

本基坑圍護結(jié)構(gòu)計算采用同濟啟明星FRWS《深基坑支擋結(jié)構(gòu)分析軟件》進行計算。基坑開挖分工況1(加撐)、工況2(開挖)2種工況進行，各施工工況及基坑開挖完成后計算結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 基坑圍護結(jié)構(gòu)施工工況簡圖(單位：m)

圖5 內(nèi)力包絡(luò)圖(水土分算,矩形荷載)

根據(jù)以上計算結(jié)果進行H型鋼、鋼管內(nèi)支撐及冠梁、鋼腰梁的設(shè)計。經(jīng)計算該基坑圍護結(jié)構(gòu)選用的SMW工法樁徑、H型鋼規(guī)格、內(nèi)支撐鋼管管徑及鋼腰梁規(guī)格均滿足要求。

按規(guī)范的條分法進行整體穩(wěn)定性驗算,結(jié)果顯示整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.289>1.2；按Terzaghi(太沙基)公式驗算,基坑抗隆起穩(wěn)定性結(jié)果Ks=5.788>1.6；基坑抗管涌穩(wěn)定性驗算K=6.793>1.1。由此可知基坑是安全穩(wěn)定的。

4.3 SMW工法支護結(jié)構(gòu)變形分析

4.3.1 基坑開挖

SMW工法基坑施工按一級基坑標準控制,樁體最大水平位移為3.1 mm,地面沉降最大為6 mm。為保證開挖安全和基坑穩(wěn)定,基坑土采用縱向分段、豎向分層、橫向先挖中間土、留樁腳土的方法施工[1]。

4.3.2 SMW樁體變形

SMW樁體變形與內(nèi)支撐的設(shè)置和開挖深度密切相關(guān)[1]。鋼支撐應(yīng)及時架設(shè),確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,以減小支護結(jié)構(gòu)變形。本設(shè)計還對各鋼管內(nèi)支撐預(yù)先加設(shè)軸力,計算結(jié)果證明預(yù)加軸力對于減小墻體先期水平變形非常有利。經(jīng)過施工監(jiān)測,SMW樁體變形隨開挖深度增加而增大,而樁體變形因內(nèi)支撐設(shè)置后得到有效控制。

本次施工中,為減少水泥土墻的整體變形,采用坑底設(shè)置水泥攪拌樁,不僅可以有效封閉地下水,還能起到加固坑底土體和支護周邊水泥土墻的作用,使東西向、南北向的水泥土墻形成一體,進而限制其坑內(nèi)水平位移的發(fā)展。根據(jù)施工過程中的監(jiān)測結(jié)果,這種設(shè)計方法是成功有效的。

4.3.3 地表沉降

造成基坑邊緣地表發(fā)生沉降變形的因素主要有支護結(jié)構(gòu)的變形,邊緣土層中地下水位的變化,以及邊緣土層中發(fā)生管涌和流土等[6]。因本工程基坑施工時未降低地下水位,基坑邊緣的地表沉降量計算只需要考慮支護結(jié)構(gòu)的變形。本文分別采用三角形法、指數(shù)法和拋物線法對基坑邊緣地表沉降進行模擬計算,計算結(jié)果見圖6。

圖6 地表沉降

模擬計算結(jié)果顯示,由指數(shù)法計算地表最大沉降量為6 mm,三角形法和拋物線法計算地表最大沉降量分別為4 mm、3 mm?；舆吘壍乇沓两涤嬎愠車o體系本身及周圍土體特性影響外,更較多的受施工因素的影響[6]。施工監(jiān)測結(jié)果較離散,大致與拋物線法趨勢一致,實測基坑邊緣地表最大沉降為6 mm,發(fā)生于圍護墻外側(cè)2 m左右。

通過以上分析可知,施工過程中,基坑支護結(jié)構(gòu)變形和周邊地表沉降均控制在允許值范圍內(nèi)?；娱_挖方法、支護結(jié)構(gòu)支撐安裝和監(jiān)控量測手段有效的配合,保證了基坑的順利施工和周邊環(huán)境的安全。

5 支護結(jié)構(gòu)施工工藝

5.1 工藝流程

SMW工法加水平鋼管內(nèi)支撐圍護方案的施工工藝流程主要包括水泥攪拌樁施工、插拔型鋼、水平鋼管安(拆)裝三大過程。具體可分為導(dǎo)溝開挖、置放導(dǎo)軌、標定孔位、鉆進、噴漿攪拌、插入型鋼、漿土硬化、圍檁安裝、水平鋼管安裝(預(yù)加軸力)、拔(拆)型鋼、清理現(xiàn)場等工序[7]。

5.2 施工要點

為確保SMW工法樁的施工質(zhì)量,達到要求的止水效果和強度,特對樁的施工提出如下要求。

(1)水泥土攪拌樁應(yīng)按施工組織設(shè)計要求進行試成樁,確定相關(guān)施工工藝及參數(shù)。

(2)攪拌樁需采用三軸攪拌機施工,施工時應(yīng)準確定位。相鄰樁施工間隔不超過12h,施工過程中一旦出現(xiàn)冷縫,必須在外側(cè)補做攪拌樁,以保證隔水效果。

(3)型鋼在插入水泥攪拌樁之前應(yīng)涂刷減摩劑,以便拔出型鋼。型鋼拔出后在攪拌樁中留下的孔隙需采取注漿等措施進行回填,以減小對鄰近建筑物及地下管線的影響。

(4)SMW工法樁施工質(zhì)量控制措施、水泥土攪拌樁及插入型鋼的質(zhì)量檢查與驗收參照《基坑工程手冊》(第2版)有關(guān)要求執(zhí)行。

6 結(jié)語

由德大鐵路下穿京滬高鐵U形槽SMW工法基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、計算及施工結(jié)果可知,SMW工法樁滿足本工程的基坑支護要求,并達到了預(yù)期支護、止水的目標。合理地選擇基坑開挖方案、有效地設(shè)置鋼管內(nèi)支撐預(yù)加軸力以及采用坑底設(shè)置水泥攪拌樁,均有利于減小墻體的水平變形。施工過程中對圍護結(jié)構(gòu)進行實時監(jiān)控、量測、分析,保證了基坑的順利施工和周邊環(huán)境的安全。目前本工程已按設(shè)計完成施工,工程中沒有出現(xiàn)險情和事故,攪拌樁防滲效果很好,對京滬高鐵未造成任何影響,各項監(jiān)測數(shù)據(jù)也比較平穩(wěn)。隨著城市的發(fā)展和社會的進步,發(fā)展地下空間已成為一種必然,基坑工程的設(shè)計和施工日趨重要，作為國內(nèi)常規(guī)支護結(jié)構(gòu)形式之一,SMW工法有著廣闊的應(yīng)用前景。

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