SMW工法樁在硬土地區(qū)復雜環(huán)境基坑中的應用

張聞璟

（1.山東省魯南地質工程勘察院，山東 濟寧272100；2.山東省華魯工程總公司，山東 濟寧272100）

0 引言

基坑支護結構的主要形式有：土釘墻、重力式水泥土墻、排樁、地下連續(xù)墻等，不同形式具有各自的適用性和特點。基坑工程作為一種綜合性較強的臨時性工程，與周邊環(huán)境、土層狀況、地下水位、季節(jié)和溫度等外界條件變化息息相關，雖然支護結構的使用期限較短（一般在1年左右），但是由于各工程外界條件不盡相同，所采用的支護形式和參數(shù)要求等也會有所區(qū)別。若支護結構穩(wěn)定性不足會存在一定的安全隱患，若其安全儲備較大又會造成不必要的浪費，因此如何選擇安全、經(jīng)濟、可行的支護形式是基坑設計的重點，同時也是個難點。

對于如何選擇合適的支護形式，業(yè)界內(nèi)的學者們各有心得：曾定幫等［1］針對某深基坑特殊情況，采取了土釘墻和樁錨的復合結構；趙慎中等［2］在某超深基坑中采用二次注漿復合土釘支護技術，取得了良好的穩(wěn)定性和變形控制效果；應惠清［3］介紹了多種深基坑支護結構和施工新技術；劉文峰［4］提出了在基坑周邊環(huán)境條件受限和搶險加固等情況下微型鋼管樁支護結構的優(yōu)越性。

SMW工法樁支護技術自20世紀末從日本引進到我國以來，在津、滬、蘇、浙、閩、粵等沿海軟土地區(qū)已經(jīng)運用比較廣泛［5-7］，因其具有施工工藝簡單、經(jīng)濟可行［8］、適用性強、對環(huán)境污染小等優(yōu)勢，帶來了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

由于內(nèi)陸地區(qū)土質相對較好，基坑開挖中主要采用自然放坡、土釘墻（或復合土釘墻）等支護形式，開挖深度較大的項目主要采用上部自然放坡或土釘墻+下部樁錨的支護形式。但隨著城市化進程的加快，基坑周邊環(huán)境越加復雜，導致基坑周邊可放坡的空間不足，加上對環(huán)保的監(jiān)控越加嚴格，多種對環(huán)境污染較嚴重的施工工藝都無法使用，而SMW工法樁的諸多優(yōu)勢正好可以滿足現(xiàn)今的需求，但這種工藝在內(nèi)陸硬土地區(qū)的應用甚少，有待進一步推廣。

SMW工法樁在軟土地區(qū)的應用雖然比較廣泛，但在應用中也存在一些問題［7］：（1）理論計算模型尚未完善，對于水泥土強度、攪拌樁與型鋼之間相互作用及其協(xié)同作用機制等方面尚待進一步研究［9］；（2）施工參數(shù)沒有統(tǒng)一標準，由于受到不同項目場地土層性質和地下水位影響較大，對于攪拌樁水灰比、水泥摻量等問題，只能通過現(xiàn)場試驗或經(jīng)驗判斷等方法來確定；（3）相關規(guī)范標準、技術規(guī)程資料甚少，雖然建筑行業(yè)在2010年發(fā)布了《型鋼水泥土攪拌墻技術規(guī)程》［10］，但是規(guī)程中的技術要求并不完善，例如攪拌樁的強度在實際和規(guī)范間、地區(qū)之間的差異較大，存在一定爭議。

本文通過對山東西南內(nèi)陸地區(qū)某項目基坑支護設計和施工情況的介紹，針對該項目的特點及SMW工法樁在硬土地區(qū)應用存在的問題，提出了SMW工法樁在內(nèi)陸硬土地區(qū)的適用范圍、模型選擇和施工工藝參數(shù)，為以后該工藝在內(nèi)陸硬土地區(qū)的運用和推廣提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目位于山東省濟寧市建設東路南側，東御橋路西側，周邊均為民用建筑且距離較近，項目具體位置和周邊建筑相對關系見圖1。

圖1 本項目與其周邊環(huán)境位置關系Fig.1 Location relationship between the project and its surrounding environment

對基坑邊坡影響較大的既有建筑基本情況如下：光通大廈，8層，樁基礎，樁底相對標高約-15.00 m；工人文化宮，4層，樁基礎，樁底相對標高約-13.20 m；少陵新村，6層，筏板基礎，基底相對標高約-3.60 m；公安局家屬院，3～5層，筏板基礎，基底相對標高約-3.00 m；廣場小區(qū)，5層，條形基礎，基底相對標高約-2.0 m；華夏商城，5層，條形基礎，基底相對標高約-2.0 m。

1.2 巖土工程地質條件

擬建場區(qū)地貌屬沖洪積平原，整體地勢較為平坦，最大高差約1.0 m。地下水類型為第四系孔隙水，穩(wěn)定水位標高約為46.0 m（自然地坪下約4.0 m），年變幅在2～5 m，補給來源主要為大氣降水，排泄途徑主要為人工開采、側向徑流。與基坑支護有關的主要地層情況見表1。

表1 各土層主要物理力學指標Table 1 Main physical and mechanical indexes of soil layers

2 SM W工法樁的運用和探討

2.1 工法的適用性

本項目周邊環(huán)境復雜（四周為居民住宅和商業(yè)樓，對噪聲、揚塵、泥漿等環(huán)保要求嚴格），場區(qū)內(nèi)作業(yè)空間受限（擬開挖基坑邊線與圍擋間距為4.0 m左右，扣除預留工作面寬度0.8～2.0 m，剩余可放坡空間水平距離只剩2.0 m左右），擬開挖基坑深度約為6.50 m，故只能采用垂直開挖的支護結構。在可選用的垂直支護結構中重力式水泥土墻占用空間太大，地下連續(xù)墻成本太高，排樁施工存在較大的環(huán)境污染，均不太適用于本項目。而SMW工法樁具有在施工過程中需要作業(yè)面小、工藝簡單、經(jīng)濟可靠、對環(huán)境污染小等特點，適宜在本項目使用。但是由于本地區(qū)尚未有SMW工法樁運用的先例，對于設計方案還是偏向保守。

根據(jù)SMW工法樁的特點，當內(nèi)陸硬土地區(qū)基坑項目具有以下幾個特點可考慮選用SMW工法樁作為支護結構：（1）周邊居民較多，對環(huán)保要求嚴格；（2）可放坡空間不足，只能采用垂直支護，擬開挖深度在5～10 m之間；（3）支護工期要求的時間短。

2.2 計算模型選擇

陳德美［7］通過理正深基坑設計軟件和MIDAS/GTS的計算結果與實測結果（軟粘土地區(qū)基坑）對比后發(fā)現(xiàn)，雖然MIDAS/GTS的計算結果和實測結果存在一定的誤差，但相對理正軟件還是較為理想的；而理正軟件計算的樁體位移偏保守。

目前，本地區(qū)認可的模擬計算軟件還是以理正深基坑設計軟件為主，如何利用該軟件計算出較為符合實際情況的結果是第一步需要解決的問題。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，軟件中可在水泥土墻一欄里找到SMW工法樁模型，可輸入不同的工藝參數(shù)并計算得出結果，但是仍存在一些問題：（1）模型中未考慮水泥土攪拌樁的強度貢獻；（2）《型鋼水泥土攪拌墻技術規(guī)程》中要求攪拌樁直徑為650 mm時，型鋼最小規(guī)格為H500×200 mm，而本項目擬采用的型鋼規(guī)格為HM 200×150 mm（通過排樁模型計算結果得出），與該規(guī)范中差別較大；（3）軟件計算的嵌固深度要求為1.3倍基坑深度，與實際情況不符。

如果生搬硬套地使用軟件，或墨守成規(guī)地遵循規(guī)范，會給本項目帶來大量的資金和工期的浪費，甚至可能由于過度支護帶來一定的安全隱患。鑒于此，筆者進一步深入研究，最終確定了合理的計算模型和設計思路：以排樁模型為基礎，樁身材料為H型鋼，能夠得到較為準確的整體穩(wěn)定安全系數(shù)、嵌固深度等，而樁身材料的受力采用彈性法或經(jīng)典法計算，水泥土攪拌樁采用不加筋的水泥土墻計算以作為安全儲備量。

2.3 工藝參數(shù)確定

本項目設計采用SMW工法樁改良版的支護形式（詳見圖2）：由于可使用的放坡空間為4.0 m，坑底預留工作面0.8 m，在基坑周圍距離圍擋（即用地紅線）約3.0 m設置三軸攪拌樁，攪拌樁施工完畢后將H型鋼以插一跳一的方式插入，因現(xiàn)場場地受限，不考慮H型鋼的后期回收。從現(xiàn)有機械設備能力和施工經(jīng)驗上看，能夠有效保證樁位、垂直度等偏差在規(guī)范允許范圍內(nèi)。但是如何選擇合適的水灰比和水泥摻量能同時保證水泥土混合物滿足強度、均勻性、流塑性等要求是施工前需解決的重要問題。

圖2 最不利工況下基坑支護設計剖面Fig.2 Pr ofile of the foundation pit suppor t design for the most unfavor able condition

本項目在模型計算和設計要求中出于保守考慮，對水泥土攪拌樁強度取值定為≮0.5 MPa，設計選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為土的天然質量的15%，水灰比為1.25。通過現(xiàn)場實驗驗證，取得了比較好的效果：

（1）強度。梁志榮等［11-12］對多個項目三軸水泥土攪拌樁取心結果的分析研究中發(fā)現(xiàn)，水泥土攪拌樁28 d取心強度值為0.41～6.4 MPa，由于取心及其后期過程中的擾動，一般來說試驗結果比實際強度偏小。本項目因工期緊，無法在施工前進行相應現(xiàn)場強度試驗或取心測試，但從現(xiàn)場試驗段垂直開挖面情況上看，三軸水泥土攪拌樁體未出現(xiàn)裂縫或破損，具有一定強度，作為安全儲備考慮是夠用的。

（2）均勻性。與攪拌樁施工有關的土層主要為雜填土、素填土、中砂、粉質粘土、粘土。在其它工藝參數(shù)相同的條件下，各土層與水泥漿一噴一攪后混合物的均勻性是中砂最好，素填土和粉質粘土次之，粘土第三，最后為雜填土。主要受到土體顆粒大小、均勻程度、粘聚力等因素影響，特別是較硬的粘土和雜填土，通過對試驗段開挖面的觀察發(fā)現(xiàn)：粘土層多存在小粘土塊，通過人工敲擊表面可剝落，但未出現(xiàn)滲漏情況；而雜填土層多見磚塊、布條、混凝土塊等雜物，見有漏水或松動脫落情況。

處理辦法：基底以下的粘土層對于均勻性要求不高且能保證較好的隔水性能，基底以上的土層在攪拌過程中采用一噴二攪（即下鉆噴漿攪拌，上提空攪），同時適當降低粘土層位下鉆或提鉆速度，增加攪拌時間，可以有效保證在粘土層攪拌的均勻性；雜填土層一般位于表層，對于不厚的雜填土層建議清除，如雜填土層較厚且雜物類別較多，會嚴重影響攪拌均勻性，還可能給施工帶來一定困難，建議在施工前進行素土換填并夯實。

（3）流塑性。土體和水泥漿攪拌后混合物的流塑性也直接影響到施工進度和質量，流性較大會使得混合物強度不足，塑性較大會使得型鋼插入困難。《建筑基坑支護技術規(guī)程》［13］中要求，型鋼水泥土攪拌樁水灰比為1.5～2.0，但是從現(xiàn)場試驗結果上看，較大的水灰比出現(xiàn)混合物凝結時間過長、強度降低，水泥漿液溢出量過大等情況。按水灰比1.25的攪拌效果較好、溢漿量少，且能夠保證在攪拌后的2 h左右型鋼尚能順利插入，經(jīng)分析應該是在攪拌過程中利用了地下水增加了一定的和易性能。

2.4 施工工藝

（1）水泥漿液制備：在施工現(xiàn)場合適位置搭設攪拌臺和水泥存儲庫。水泥漿液調配完成后，送入貯漿桶內(nèi)備用，存放時間≯2 h。

（2）攪拌噴漿：二攪一噴工藝是在下鉆過程中攪拌噴漿，提升時空轉。注漿壓力為4～6 MPa，注漿流量為150～200 L/min。下鉆噴漿速度≯1 m／min，提升空轉速度≯2 m／min，在粘土層位提升速度≯1 m／min，嚴格控制攪拌深度符合設計要求并統(tǒng)一，應停留1～2 min并持續(xù)攪拌噴漿。

（3）插入H型鋼：水泥土攪拌樁施工完畢后，三軸攪拌樁機繼續(xù)進行下一連續(xù)施工段作業(yè)，用機械手抓取H型鋼吊于擬定樁位上方。待型鋼停止晃動后，將其正對樁位中心緩慢插入到水泥土里，利用線錘校核其垂直度。利用型鋼的重力自然下墜，如遇特殊情況可適當施加壓力，待型鋼完全插入后即可完成標高控制。

（4）冷縫處理：施工過程中難免會遇到一些情況導致停工，若停工時間＞24 h，三軸攪拌樁機無法有效破碎已有一定強度的水泥土混合物，且會造成二次攪拌不均勻，容易出現(xiàn)孔隙和裂縫。所以一旦出現(xiàn)冷縫應在冷縫外側補攪素樁。在攪拌樁達到一定強度后進行補樁，以防偏鉆，保證補樁效果，素樁與攪拌樁搭接厚度約10 cm。

2.5 施工效果

經(jīng)現(xiàn)場開挖觀察和測試，除表層薄層雜填土存在局部不均勻現(xiàn)象，其它土層未見夾石、孔洞等，均勻性符合要求；在修面過程中，挖機硬質合金齒難以刨動樁體，也可以從一定程度上證明其強度。本項目SMW工法樁施工達到了較好的支護和止水效果，現(xiàn)場施工效果見圖3。

圖3 現(xiàn)場開挖面施工效果Fig.3 SMW piles after excavation

3 結論和建議

（1）在內(nèi)陸硬土地區(qū)，周邊環(huán)境復雜、可放坡空間受限、環(huán)保要求高的中型基坑項目采用SMW工法樁支護，相較其他支護結構具有很大的優(yōu)勢。但由于項目情況各不相同，在設計前需要盡可能搜集整理資料、充分了解工程特點后進行分析研究，在保證安全的基礎上對SMW工法樁部分工藝參數(shù)進行一定的改良，有利于提高施工效率、節(jié)約成本。

（2）三軸攪拌樁施工所用的水灰比和水泥摻量直接影響到攪拌后灰土混合物的強度、均勻性和流塑性，進而影響到施工進度和質量。由于受到土體性質和地下水等因素影響較大，在施工前應盡量通過現(xiàn)場試驗得出合理的工藝參數(shù)取值，才能夠保證施工效率和質量：表土為雜填土層的項目，薄層宜清除、厚層應換填素土并夯實；本項目土層主要為粘土和砂層，穩(wěn)定地下水水位在基底標高之上，選擇15%的水泥摻入量，1.25的水灰比較為適宜。若存在地下水水位較淺或承受水頭壓力較大的情況，對止水帷幕強度有一定要求，可適當增加水泥摻入量；若存在地下水水位較深或在施工前已實施降水的情況，可適當提高水灰比。

（3）規(guī)范規(guī)程和模型計算軟件具有一定的地域性偏差，建議在正式設計和施工前，結合當?shù)亟?jīng)驗合理使用，有助于提高方案的合理性和適用性。