過河段深基坑雙排SMW工法樁施工關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

李 亮 張永兵 舒建剛

（中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

在河道過河段施工雙排SMW工法樁具有技術(shù)挑戰(zhàn)性和施工復(fù)雜性，就深基坑中結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，獲得有效參數(shù)結(jié)果，運(yùn)用雙排SMW工法樁進(jìn)行有效施工，對基坑穩(wěn)定性、基底隆起、型鋼減摩等進(jìn)行研究，得出關(guān)鍵施工技術(shù)，可為雙排SMW工法樁在河道過河段的應(yīng)用拓寬思路。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某道路工程位于廣東省江門市江海區(qū)，路線全長1.7615 km，呈東西走向。電力管廊起點(diǎn)樁號(hào)K0+692，止點(diǎn)樁號(hào)K1+660，全長約1082m；采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在K1+100.000處跨越馬鬃沙河。電力管廊過河段基坑采用圍堰+雙排SMW工法樁（水泥攪拌樁+H型鋼+壓頂圈梁）及支撐梁的支護(hù)方式，開挖深度超過9.0m，計(jì)劃施工時(shí)段為2021年4—9月，此時(shí)間段也是江門地區(qū)降雨集中期（占年降水量的85%），同時(shí)亦是臺(tái)風(fēng)及熱帶氣旋頻繁活動(dòng)的時(shí)節(jié)，如何保障基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全及止水效果是關(guān)鍵技術(shù)難題。

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

某工程項(xiàng)目過河段電力管廊基坑支護(hù)設(shè)計(jì)為SMW工法樁，采用Φ850mm三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H型鋼，隔一插一法進(jìn)行施工，水泥攪拌樁樁間搭接250mm，樁頂設(shè)置壓頂圈梁。基坑開挖深度范圍為9.7m～10.7m且施工區(qū)域位于河道內(nèi)，為減少基坑變形，SMW工法樁采用雙排布置，型鋼長度均為30m。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 計(jì)算模型及荷載取值

理論計(jì)算過程中，考慮由H型鋼獨(dú)立承受作用在圍護(hù)體系中的水土壓力，水泥攪拌樁僅發(fā)揮止水功效[1]。采用某基坑計(jì)算軟件創(chuàng)建施工模型進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)表

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

2.2.1 軟件計(jì)算結(jié)果輸出

通過軟件建立模型，代入現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)參數(shù)，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，以內(nèi)力包絡(luò)圖形式進(jìn)行輸出分析，輸出結(jié)果如圖1所示。

由圖1中的位移包絡(luò)圖可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值為16 mm。現(xiàn)行規(guī)范中對水平位移沒有明確的量值，但根據(jù)規(guī)范中的表述，可參考項(xiàng)目所在地附近地區(qū)的地方標(biāo)準(zhǔn)給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。參考新修訂的深圳市標(biāo)準(zhǔn)《深圳地區(qū)建筑深基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的水平位移控制值，未超過其規(guī)定的“二級(jí)基坑0.006H與60mm的較小值（H為基坑深度，mm）[2]”這一標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力包絡(luò)示意圖

2.2.2 最大截面彎矩計(jì)算

根據(jù)彎矩包絡(luò)圖，初始彎矩值為M0=|-680.1|-|626.41|=55.69kN·m，最大截面彎矩設(shè)計(jì)值按下公式（1）進(jìn)行計(jì)算。

式中：γF為作用基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)，取γF=1.25；γ0為支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取γ0=1.0；M0為初始彎矩值。

根據(jù)上述公式（1）及其釋義，計(jì)算出最大截面彎矩設(shè)計(jì)值為M=69.61kN·m。

2.2.3 最大截面剪力計(jì)算

根據(jù)剪力包絡(luò)圖，初始剪力值為Q0=|-726.76|-|363.50|=403.26kN，最大截面剪力設(shè)計(jì)值按下公式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式中：γF為作用基本組合的綜合分項(xiàng)系數(shù)，取γF=1.25；γ0為支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取γ0=1.0；Q0為初始剪力值（剪力包絡(luò)圖中，最大正負(fù)剪力絕對值之差）。根據(jù)上述公式（2）及其釋義，計(jì)算出最大截面剪力設(shè)計(jì)值為Q=504.08kN。

3 型鋼及基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1 型鋼受力驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定，對型鋼抗彎及抗剪進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核驗(yàn)算[3]。

3.1.1 型鋼抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

型鋼抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算采用公式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：σ為型鋼抗彎強(qiáng)度計(jì)算值；[f]為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取[f]=215 MPa；M為型鋼最大截面彎矩設(shè)計(jì)值；[M]為型鋼截面抵抗矩，如公式（4）所示。

式中：b為型鋼計(jì)算截面寬度；h為型鋼計(jì)算截面高度。

根據(jù)上述公式（3）、公式（4）及各自釋義，計(jì)算出型鋼抗彎強(qiáng)度為σ=70.67MPa，σ=70.67MPa<[f]=215MPa，符合要求。

3.1.2 型鋼抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

型鋼抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算采用公式（5）進(jìn)行計(jì)算。

式中：τ為型鋼抗剪強(qiáng)度計(jì)算值；Q為型鋼最大截面剪力設(shè)計(jì)值；S為剪應(yīng)力計(jì)算處上部截面對中心軸的面積矩；I為毛截面慣性矩；tw為腹板厚度；[fv]為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取[fv]=125MPa。

根據(jù)上述公式（5）及其釋義，計(jì)算出型鋼抗剪強(qiáng)度為τ=61.30MPa，τ=61.30MPa<[fv]=125MPa，符合要求。

3.2 基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算

參考《深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊》（第二版），基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算包括整體穩(wěn)定性、抗隆起和抗傾覆驗(yàn)算，三者計(jì)算均是以安全系數(shù)形式表征其結(jié)果[4]。

3.2.1 基坑整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑整體穩(wěn)定性分析一般采用簡單的瑞典條分法，結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖2所示。驗(yàn)算公式見公式（6），要求計(jì)算結(jié)果大于1.3。

圖2 圓弧滑動(dòng)—瑞典條分法結(jié)構(gòu)示意圖

式中：Fs為基坑整體穩(wěn)定性系數(shù)；Wi為土條i的自重；αi為土條i對應(yīng)的滑弧角度；φi為土條i對應(yīng)的內(nèi)摩擦角；ci～為土條i對應(yīng)的土體黏聚力；li為土條i對應(yīng)的滑弧長度。

根據(jù)上述公式（6）及其釋義，計(jì)算得到Fs=2.049，大于規(guī)范要求的1.3，符合要求。

3.2.2 基坑抗隆起驗(yàn)算

基坑抗隆起驗(yàn)算采用地基承載力模式的抗隆起穩(wěn)定性分析，結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖3所示；驗(yàn)算公式見公式（7），要求計(jì)算結(jié)果大于1.8。

圖3 地基承載力模式基坑抗隆起驗(yàn)算結(jié)構(gòu)示意圖

式中：Ks為基坑抗隆起系數(shù)；γ1為基坑底下土體重度；γ2為基坑外側(cè)土體平均重度；c為土的黏聚力；q為地面超載；D為基礎(chǔ)入土深度；H為基坑開挖深度；Nq、Nc為基底承載力系數(shù)，分別按下公式（8）、公式（9）進(jìn)行計(jì)算。

式中：φ為土體內(nèi)摩擦角；π為圓周率常數(shù)。根據(jù)上述公式（7）、公式（8）、公式（9）及其釋義，計(jì)算得到Ks=1.934，大于規(guī)范要求的1.8，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 基坑抗傾覆驗(yàn)算

基坑抗傾覆驗(yàn)算一般假定支護(hù)結(jié)構(gòu)繞其前趾轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖4所示；驗(yàn)算公式見公式（10），要求計(jì)算結(jié)果大于1.3。

圖4 基坑抗傾覆驗(yàn)算結(jié)構(gòu)示意圖

式中：Kq為基坑抗傾覆系數(shù)；KRK為支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定力矩標(biāo)準(zhǔn)值；KSK為支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值；Fp為基坑內(nèi)部支護(hù)結(jié)構(gòu)前方被動(dòng)側(cè)壓力；Zp為被動(dòng)側(cè)壓力距底端前趾的距離；Fα為支護(hù)結(jié)構(gòu)后方地面荷載所產(chǎn)生的側(cè)壓力；Zα為側(cè)壓力距底端前趾的距離；Fw為基坑外側(cè)土壓力；Zw為基坑外側(cè)土壓力距底端前趾的距離；Gk為支護(hù)結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值；B為支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度。

根據(jù)上述公式（10）及其釋義，計(jì)算得到Kq=2.275，大于規(guī)范要求的1.3，滿足規(guī)范要求。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 樁機(jī)拼裝及調(diào)整

三軸攪拌機(jī)進(jìn)場后，必須先進(jìn)行場外試拼裝，對三軸攪拌樁機(jī)的機(jī)械性能、樁架穩(wěn)定性、鉆桿垂直度進(jìn)行驗(yàn)證檢測，確保機(jī)械設(shè)備在施工過程中處于良好的狀態(tài)。1）攪拌機(jī)按操作手冊進(jìn)行組裝架設(shè)，樁機(jī)應(yīng)平穩(wěn)、平正。用經(jīng)緯儀或線錘進(jìn)行樁機(jī)垂直度檢測，偏差≤1.0%。2）攪拌樁機(jī)垂直度調(diào)整可通過以下方式進(jìn)行重復(fù)調(diào)整，直至垂直度偏差滿足要求。首先調(diào)整樁機(jī)下部撐腳，使機(jī)身水平方向處于垂直狀態(tài)；其次調(diào)整位于樁機(jī)兩側(cè)的控制桿，保證樁機(jī)豎向處于垂直狀態(tài)；上述方向調(diào)整后，通過鉆桿上的垂線與中心度盤的位置關(guān)系，重復(fù)進(jìn)行調(diào)整，直至垂直度滿足要求為止。

4.2 型鋼加工

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，不同的樁號(hào)范圍的樁長各不相同，為保證型鋼的運(yùn)轉(zhuǎn)和使用，提高利用率，采用將型鋼運(yùn)至現(xiàn)場后根據(jù)樁長數(shù)據(jù)加工焊接使用的方案進(jìn)行施工。1）H型鋼選用HN700×300×13×24熱軋型鋼；焊接采用E43xx焊條；焊縫均為破口滿焊；焊縫等級(jí)二級(jí)；焊接完成后的型鋼應(yīng)進(jìn)行探傷檢測，檢測合格后方可使用。2）樁長較短的可預(yù)先焊接，使用時(shí)一次性插入；樁長較長的可以施工過程中分段焊接。3）分段焊接時(shí)要盡量減少焊接時(shí)間但要保證焊接質(zhì)量，確保插拔時(shí)不斷樁。4）翼緣板采用雙面坡口焊，坡口角度為50°±5°，鈍邊2 mm，組對間隙2 mm；腹板采用單面坡口焊，坡口角度為45°±5°，鈍邊2 mm，組對間隙2 mm。5）焊接完成后須用打磨機(jī)將焊縫處打磨光滑以減少摩擦力。

4.3 型鋼減摩

SMW工法樁的特點(diǎn)之一是H型鋼在施工完成后可以全部拔出回收。因此，在型鋼投入使用前，須進(jìn)行減摩處理以利拔出。涂刷減摩劑是實(shí)現(xiàn)型鋼減摩的主要手段，其操作要點(diǎn)如下。1）涂刷前須將H型鋼表面的雜物與銹斑清除干凈。2）減摩劑須充分加熱至融化且攪拌均勻[5]。3）減摩劑加熱時(shí)須由專人控制，時(shí)刻注意桶中的溫度以防起火，同時(shí)現(xiàn)場須配備足夠的黃沙及防火蓋板。4）型鋼表面應(yīng)保持干燥，如有積水應(yīng)先擦除，再進(jìn)行加熱烘干，然后才可以涂刷。5）涂刷完成后，如果有剝落現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)重新涂刷。

4.4 施工冷縫處理

施工過程中應(yīng)當(dāng)連續(xù)，盡量避免冷縫產(chǎn)生。如果出現(xiàn)冷縫就需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，可采用補(bǔ)充素水泥樁的處理方案。待原攪拌樁具有一定強(qiáng)度后才可以施打補(bǔ)樁，補(bǔ)樁與原攪拌樁相互搭接至少10 cm，以保證施工質(zhì)量[6]。施工示意圖如圖5所示。

圖5 施工冷縫處理（補(bǔ)攪素樁）示意圖

5 結(jié)論

SMW工法樁在基坑支護(hù)施工中雖然已經(jīng)有一定成熟的工藝，但是其受限于不同地質(zhì)條件及施工環(huán)境，支護(hù)結(jié)構(gòu)形式不可一概而論。通過計(jì)算結(jié)果可知，在“河道內(nèi)”這一特殊的施工條件下，采用雙排SMW工法樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，型鋼受力、基坑穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范安全要求；同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移遠(yuǎn)小于規(guī)定值。實(shí)際應(yīng)用效果良好，對類似工程項(xiàng)目具有借鑒意義，進(jìn)一步推動(dòng)SMW工法樁施工工藝的發(fā)展。