SMW 工法樁在近地鐵處的基坑工程中的運(yùn)用

宋悅辰

（華昕設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江蘇 無(wú)錫 214072）

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的全面發(fā)展，軌道交通成為了支撐城市發(fā)展的重要力量。各個(gè)城市越來(lái)越密集的地鐵軌道網(wǎng)絡(luò)，使得在緊鄰地鐵處進(jìn)行市政建設(shè)也顯得愈發(fā)困難。因地鐵隧道在施工至運(yùn)營(yíng)期間對(duì)于其上方的荷載變化有著非常高的要求，導(dǎo)致市政結(jié)構(gòu)的基坑開挖及圍護(hù)形式時(shí)刻影響著地鐵結(jié)構(gòu)的安全。因此，如何在地鐵上方及周邊進(jìn)行市政道路、橋梁等的基坑設(shè)計(jì)及施工成為設(shè)計(jì)院和施工單位比較頭疼的問(wèn)題。本文通過(guò)某工程的箱涵基坑圍護(hù)實(shí)例，探討SMW 工法樁在受地鐵影響的基坑支護(hù)中的設(shè)計(jì)思路及施工要點(diǎn)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

擬新建箱涵位于無(wú)錫市新吳區(qū)長(zhǎng)江路上，橋梁跨徑布置為2×6 m 鋼筋混凝土箱涵，所在河道為遠(yuǎn)期規(guī)劃河道，現(xiàn)狀為廠區(qū)及廣場(chǎng)，橋梁全長(zhǎng)13.2 m，總寬40 m。擬建箱涵位于長(zhǎng)江路地鐵3 號(hào)線的正上方，箱涵基坑深約6 m，箱涵基礎(chǔ)底設(shè)計(jì)標(biāo)高為-2.0 m，此處地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)頂標(biāo)高為-10.6 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文概況

土質(zhì)情況根據(jù)長(zhǎng)江路橋涵勘察資料，場(chǎng)地在垂深20 m 范圍內(nèi)，場(chǎng)地土層主要為第四紀(jì)沖湖積相沉積，各土層特征描述及工程地質(zhì)特性如下：

①層雜填土，雜色，結(jié)構(gòu)松散。地質(zhì)性能較差。②層黏土，可塑、局部硬塑，工程地質(zhì)性能較好。③層粉質(zhì)黏土，軟塑～可塑。工程地質(zhì)性能一般。④1層粉土，稍密～中密，工程地質(zhì)性能一般。④2層粉土夾粉砂，中密～密實(shí)，工程地質(zhì)性能一般。⑤層粉質(zhì)黏土，流塑，地質(zhì)性能較差。⑥層黏土，硬塑，土質(zhì)均勻，工程地質(zhì)性能較好。

地下水：含水層為④1層粉土及④2層粉土夾粉砂，地下水類型屬微承壓水。

1.3 項(xiàng)目難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目基坑深6 m，地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)頂離箱涵基坑底僅有8.5 m，厚度較淺，一旦進(jìn)行大開挖，會(huì)造成地鐵上浮，對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)造成不可估量的破壞。同時(shí)施工機(jī)械對(duì)土層的擾動(dòng)以及后期基坑降水等，都會(huì)對(duì)地鐵有或多或少的影響。常用的基坑圍護(hù)方案，如鋼筋混凝土灌注樁圍護(hù)，其施工簡(jiǎn)便，但卻無(wú)法控制基坑開挖量，且造價(jià)較高；高壓旋噴樁適合軟土地基，但利用高壓噴射水泥漿，對(duì)土體擾動(dòng)較大，地鐵上使用較少；SMW 工法樁相比于其他圍護(hù)，經(jīng)濟(jì)性高，適用于空間受限制的場(chǎng)合，在地鐵工程施工中廣泛使用。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，本工程采用SMW 工法樁對(duì)箱涵基坑進(jìn)行支護(hù)，該方法經(jīng)濟(jì)有效，對(duì)土層的擾動(dòng)較小，配合合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，可以將基坑開挖對(duì)地鐵的影響降至最低。

2 項(xiàng)目基坑設(shè)計(jì)

2.1 工法樁選型

一般情況而言，SMW 工法樁適用于淤泥質(zhì)土、粉土、黏性土、砂性土等軟土地基。本工程在三軸攪拌樁有效范圍內(nèi)的土層為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土等。型鋼水泥土攪拌墻中三軸水泥土攪拌樁的直徑宜采用650 mm、850 mm、1 000 mm；內(nèi)插的型鋼宜采用H 型鋼[1]。不同直徑攪拌樁和不同截面型鋼樁對(duì)應(yīng)一定的基坑開挖深度限值[2]。根據(jù)本工程的特點(diǎn)，基坑采用φ850 的水泥攪拌樁和H700×300 型鋼樁進(jìn)行圍護(hù)。

2.2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在基坑的四周采用SMW 工法樁進(jìn)行圍護(hù)，基坑斷面圖詳見(jiàn)圖1。攪拌樁采用φ850@600 三軸水泥攪拌樁，攪拌樁樁底標(biāo)高為-7.0 m，樁長(zhǎng)為10.8 m，與地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)保持不小于3 m 的安全間距。攪拌樁內(nèi)插入H700×300×13×24 型鋼樁，型鋼樁樁長(zhǎng)11.8 m，型鋼采用插一跳一的布置方式?；哟怪遍_挖，基底設(shè)置滿布φ850@600 水泥攪拌樁，SMW 工法樁樁身與箱涵側(cè)壁間留10 cm，噴射混凝土作為箱涵外模?；觾?nèi)在圈梁處設(shè)置φ609×16 鋼管橫撐或斜撐，一端固定，一端活動(dòng)。

圖1 基坑圍護(hù)斷面圖（單位：cm）

由于項(xiàng)目位于無(wú)錫新吳區(qū)繁忙路段，車流量較大，為避免中斷交通，同時(shí)減少開挖土方量對(duì)地鐵的影響，結(jié)合交通組織。本項(xiàng)目在基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，將箱涵及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)分為三段、二期來(lái)進(jìn)行。施工時(shí)先施工中間段12 m 寬的箱涵，后施工剩余左右兩段箱涵，見(jiàn)圖2。

圖2 基坑分期施工示意圖（單位：cm）

2.3 基坑穩(wěn)定性計(jì)算

本項(xiàng)目利用理正深基坑軟件進(jìn)行建模計(jì)算，模型見(jiàn)圖3?；禹敳考爸苓叧d按20 kPa 考慮，基坑內(nèi)撐長(zhǎng)13 m，材料為Q235，橫向水平支撐按最不利間距7 m 考慮。模型按照3 個(gè)工況進(jìn)行分析，工況①為原地面開挖1 m 深，工況②為加撐階段，工況③為繼續(xù)開挖至基坑底。

圖3 基坑計(jì)算模型（單位：m）

內(nèi)撐材料抗力計(jì)算：

式中:φ 為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，通過(guò)長(zhǎng)細(xì)比λ=μ×1/i 查表確定；T 為支撐結(jié)構(gòu)材料抗力，kN；A 為支撐構(gòu)件截面面積，m2；fy 為材料抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/m2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算內(nèi)撐長(zhǎng)細(xì)比為14.1，故軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)取0.991，材料抗力T=0.991×29.8×215=6 349 kN。

通過(guò)理正軟件計(jì)算，抗傾覆穩(wěn)定性在工況①下最小Ks=4.414＞1.30；抗滑移穩(wěn)定性在工況③下最小Ks=2.873＞1.20；整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.478＞1.30。綜上，本項(xiàng)目利用SMW 工法樁進(jìn)行箱涵的基坑圍護(hù)，其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

2.4 基坑防滲截水設(shè)計(jì)

箱涵基坑底部離承壓水層僅有1.5 m 的距離，基坑開挖必然會(huì)造成底部承壓水突涌現(xiàn)象，而基坑下部又存在地鐵區(qū)間，普通的基坑井點(diǎn)降水會(huì)造成局部水壓突變，從而引起地鐵結(jié)構(gòu)的安全隱患。為了施工能正常進(jìn)行，在基坑設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮基坑防滲截水設(shè)計(jì)。

為此，基坑開挖前需在工法樁外設(shè)置一排φ850@600 攪拌樁，作為止水帷幕及側(cè)向土體加固。此外，在坑內(nèi)設(shè)置滿布的φ850@600 攪拌樁作為基底封水層，在達(dá)到抗突涌作用同時(shí)，兼有軟土地基加固作用。抗突涌計(jì)算示意圖如圖4。

圖4 基坑抗突涌計(jì)算示意圖

本項(xiàng)目封水層厚度設(shè)置為5 m，抗突涌計(jì)算公式為：

式中：K 為抗突涌安全系數(shù)計(jì)算值；D 為承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度，m；hw為承壓水含水層頂面的壓力水頭高度，m；γ 為承壓水含水層頂面至坑底的土層天然重度，kN/m3，γw為水的重度，kN/m3。

其中hw水頭高度根據(jù)模型取8.6 m。故K=5×19.180/86.000=1.115＞1.10（規(guī)定安全系數(shù)）。根據(jù)計(jì)算，封水層設(shè)置5 m 時(shí)，基坑底部土抗承壓水頭穩(wěn)定。通過(guò)側(cè)向及基坑底部的攪拌樁，箱涵基坑形成了底部及四周無(wú)法透水的空間，使得橋涵施工可以正常進(jìn)行。

3 項(xiàng)目基坑施工要點(diǎn)

3.1 三軸水泥土攪拌樁施工

長(zhǎng)江路橋涵項(xiàng)目的基坑利用三軸攪拌機(jī)進(jìn)行施工基坑開挖，應(yīng)在基底加固及止水帷幕施工完畢并檢測(cè)（強(qiáng)度、滲透性）通過(guò)后才能進(jìn)行。地鐵隧道正上方的三軸攪拌樁施工應(yīng)進(jìn)行試樁，通過(guò)檢測(cè)及監(jiān)測(cè)結(jié)果選定合理的施工參數(shù)：為控制三軸攪拌樁施工過(guò)程對(duì)隧道的不利影響，應(yīng)對(duì)鉆頭攪拌下沉與攪拌提升速度、氣壓、漿壓及水灰比等施工參數(shù)進(jìn)行限制：鉆頭攪拌下沉及攪拌提升速度不宜大于0.3 m/min，氣壓不宜大于0.5 MPa，漿壓宜控制在0.3～0.7 MPa，地基加固水灰比不宜大于1.2，SMW 工法樁水灰比不宜大于1.5。

3.2 型鋼樁的施工與回收

在攪拌樁施工完成后，型鋼樁需在30 min 內(nèi)插入，插入前應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的預(yù)處理工作，如除銹，涂刷減摩材料等。插入必須采用定位導(dǎo)向架，在插入過(guò)程中應(yīng)確保型鋼垂直度，型鋼插入到位后，應(yīng)用鋼筋懸掛構(gòu)件控制型鋼頂標(biāo)高，并與已插好的型鋼牢固連接[3]。因本項(xiàng)目涉及地鐵隧道等結(jié)構(gòu)，嚴(yán)禁采用錘擊法或靜壓法沉樁，應(yīng)攪拌后重新插入，避免對(duì)下部地鐵結(jié)構(gòu)造成破壞。

SMW 工法樁的最大的優(yōu)點(diǎn)是型鋼可以回收利用，節(jié)約成本，也避免形成地下永久障礙物[2]。然而對(duì)于基坑下存在地鐵隧道等構(gòu)筑物的情況，型鋼樁原則上不進(jìn)行拔除，以免在拔除過(guò)程中對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而影響地下構(gòu)筑物。若有特殊原因必須拔除，應(yīng)在監(jiān)測(cè)單位指導(dǎo)下進(jìn)行型鋼拔除，如在拔除過(guò)程中出現(xiàn)變形趨勢(shì)和異常情況，應(yīng)即刻停止，并采取應(yīng)急措施，以確保地鐵隧道等結(jié)構(gòu)安全。

3.3 基坑分段分期施工

本項(xiàng)目將箱涵分為三段、兩期來(lái)進(jìn)行施工。二期基坑開挖前應(yīng)在一期箱涵內(nèi)部進(jìn)行配重，以補(bǔ)償二期基坑開挖時(shí)的卸載，配重建議取40 kPa?？煽紤]對(duì)基坑附近地面進(jìn)行適當(dāng)壓重（不超過(guò)20 kPa）的措施進(jìn)行基坑開挖荷載的主動(dòng)補(bǔ)償。

基坑開挖對(duì)地鐵的影響，除了開挖量、配重外，還體現(xiàn)在時(shí)間周期上。為減少坑底暴露時(shí)間，應(yīng)在基坑開挖至基底后7 h 內(nèi)完成墊層澆筑，24 h 內(nèi)完成底板澆筑。在墊層及底板澆注時(shí)，混凝土中加入早強(qiáng)劑（底板澆注8 h 后達(dá)到終凝指標(biāo)），提前對(duì)鋼筋放樣。

4 結(jié)語(yǔ)

SMW 工法樁在工程中應(yīng)用廣泛，在受地鐵隧道影響的基坑開挖中，采用SMW 工法樁圍護(hù)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）運(yùn)用SMW 工法樁的基坑圍護(hù)可以進(jìn)行垂直開挖，在滿足基坑穩(wěn)定性的同時(shí)，配合合理的施工區(qū)域劃分能減少土方開挖量，將深基坑開挖對(duì)地鐵的影響降至最小。

（2）通過(guò)選定合理的施工參數(shù)，能使水泥土攪拌樁施工對(duì)周邊土體的擾動(dòng)降至最低，有利于減少對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

（3）結(jié)合基底水泥土攪拌樁及側(cè)向止水帷幕，能夠滿足基坑的防滲截水要求，便于工程施工。

通過(guò)無(wú)錫長(zhǎng)江路橋涵基坑的工程實(shí)例，闡述了SMW 工法樁在近地鐵處的基坑工程中的設(shè)計(jì)思路，分析了施工中的要點(diǎn)，為類似的基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。