SMW工法在基坑支护结构中的运用.pdf

第 3 9卷 第 9期 2 0 1 2年 9月 建筑技术开发 Buil ding Tec hn iqu e De v e l o pme n t Vo 1 3 9 No 9 S e p 2 01 2 I 蟠 茄 呀 2 12 法与实践 剁 S MW 工 法在基坑 支护结构 中的运 用 黄 飞 罗 玲 五冶集团上海有限公 司 上海2 0 1 9 0 0 摘要 S M W 工法近几年在 国内的基坑 围护工程 中发展 迅速 凭借它无 泥浆污染 止水性好 噪声小 工期 短 施工适 应性广等特点 已在上海 武汉 南京等地 区的高层建筑 地铁工程 合流污水治 理工程 大型工业厂 房基础等 工程 的地下 深基 坑围护中得到应用 通过介绍基坑 S M W 工法支 护结构 的设计 和施工控 制 从 结构分 析 工 艺流程 和施 工要点对 S MW T法进行 了较全面的阐述 关键词 基坑支护 S MW 工法 设计 施 工 中图分类号 T U 7 5 3 8 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X 2 0 1 2 0 9 0 0 8 5 0 6 APPLI CATI oN oF S M W M ETHoD I N EXCAVATI oN S UPPoRTI NG S TRUCTURE Hu a n g Fe i Lu o Li ng Ke y w o r d s I n r e c e nt y e a r s f o r t he c h a r a c t e r is t ic s o f n o s l u r r y po l l u t io n g o o d wa t e r p r o o f q uie t s h o r t t ime pe r io d a n d h ig h a d a p t a b il it y SMW me t h o d is d e v e l o p in g v e r y qu ic kl y a n d h a d b e e n wide l y us e d in d e e p e x c a v a t io n s up p o r t in g s y s t e m o f s o me h ig h r is e b u il d i n g s me t r o p r o j e c t s s e wa g e t r e a t me n t wo r k s a n d f o u n d a t io n o f l a r g e i n d u s t r ia l w o r k s h o p s i n ma n y c it ie s l i k e S h a n g h a i Wu h a n Na n j i n g a n d S O o n T h e d e s ig n a n d c o n s t r u c t i o n c o n t r o l o f S MW me t ho d u s e d in e x ca v a t io n s u pp o r t in g s t r uc t ur e we r e p r e s e nt e d in t his p a p e r a n d wh ic h wa s a l s o g e n e r a l l y de s c r ibe d f r o m t he a s p e c t s o f s t r u c t ur e a n a l y s is t e c hn o l o g ic a l p r o c e s s a n d k e y p o int o f c o n s t r u c t io n e x c a v a t io n s up p o sin g S MW me t h o d de s ig n c o n s t r u c t io n 1概述 S MW 是 S o il Mi x in g Wa l l 的 缩 写 由 日本 成 幸 工 业 株式 会 社 1 9 7 6年 开 发 成 功 S MW 是 一 种 劲 性 复 合 围护 结 构 也 叫柱 列式 土 壤 水 泥 墙 工 法 即 利 用 多 轴 型长 螺 旋 钻 孔 机 在 土 壤 中钻 孔 按 设 计 深 度将 土 体 切 散 达 到 预 定 深 度 边 提 钻 边 从 钻 头 端 部 注 人 适 合 不 同 工 程 连 续 墙 的 水 泥 浆 强 化 剂 将其 与原 土 壤进 行 搅拌 在原 位 置 建成 一 段 土壤 水 泥 墙 然 后 再 进 行 第 二 段 墙 施 工 使 相 邻 的 土壤 水 泥 墙 彼 此 有 重 合 段 各 单 元 之 间 连 续 收 稿 日期 2 0 1 2 0 6 1 5 作者简介 黄飞 1 9 8 0 一 湖北人 毕业于武汉科技大学 本科学历 工 程师 现从事项 目管理工作 重 叠搭 接 施 工 同 时 根 据 不 同 需 要 在 水 泥 混 合 体 未 结硬 前 插 入 H 型 钢 或 钢 板 作 为 其 应 力 补 强 材 至 水 泥 硬结 便 形 成 一 道 具 有 一 定 强 度 和 刚 度 的 连续完整 的 无 接缝 的地下墙 体 作 深开 挖基 础 围 护 和止 水之 用 2 S MW 支 护结 构受 力分 析 S MW 支护结构是在水泥土搅拌桩 中插入受 拉 材料 H 型钢 钢 管 或拉 森 钢 板 等 构 成 的 充 分 发 挥 了水 泥土混 合体 和受 拉材料 的力学特 性 基 于 目前 国内业 界 对水 泥土 与型钢 之 间的粘 结 强度 研究 不充 分 考 虑其 粘 结 力 不 能 和钢 筋 混凝 土 粘结 强度 相 比 认 为 水 泥 土 与型 钢 是 达不 到 共 同工 作 的 假 定水 土 侧压 力 全 部 由型 钢单 独 承 担 而 水 泥土桩的作用在于抗渗止水 试验表 明 水泥土对 8 5 第 9期 黄 飞 等 S M W 工法在基坑支护结构 中的运 用 第 3 9卷 型钢的包裹作用提高 了型钢的刚度 起到 了减 少型 钢 位移 的作用 同时 由于 水 泥土 的套 箍作 用 可 以 一 定程 度上 防 止 型 钢 整 体失 稳 和 型 钢 翼 缘 的局 部 失 稳 试验研究表 明 水泥土与型钢 的组合体抗弯刚 度 比相应型钢的刚度增大 2 0 通常刚度的提高我 们 用 刚度提 高 系数 O l 表 示 表 达式 如下 E 可 式中 E 分别为水泥土搅拌桩型钢混合体 型钢 的弹性 模量 一 分别 为水泥土搅拌 桩型钢混合 体 型钢 的惯性 矩 用上 式计 算 出的刚度 提高 系数 与实 际测量值 相 差较远 原因是实际工程 中的构件很难达到计算模 型的理想状态 但 确定 刚度 提高系数 值 对于计 算墙体的位移具有重要意义 基于目前的理论困难 和实践经验缺乏 仅考虑水土侧 压力全部 由型钢单 独 承担 而水 泥土 搅拌 体 仅 仅 作 为一 种 安 全储 备 加 以考虑 S M W 挡 墙 内力计算 模型 与壁式 地 下墙 类 似 具 体 计算 步骤 如下 1 型钢 内力 计算 等刚度的混凝土壁式地下墙折算 厚度 h 设 型 钢宽度为 0 9 净距为 t 如图 1所示 根据工程实践 中型钢位移较小 弯矩较大的实况 计算过程中考虑 水泥土对型钢的刚度提高系数 图 1 等 刚 度 壁 式 墙 厚 度 折算 简 图 为方便计算 墙体 内力计算等价为单位长的一 定厚 度 的混凝 土壁 式 墙进 行 计 算 按 照 S MW 挡 墙 和壁 式地 下墙计 算模 型 刚度相 等 的原则有 E 而 E t z E 得 到 86 式 中 E 混 凝 土的弹性 模量 根 据得 到 的混 凝 土壁式地 下墙 厚度 h计算 出每 延米墙 的内力 弯矩 和剪力 和位移 M Q u 换 算得 到每根 型 钢 的 内力 弯 矩 和 剪 力 和 位 移 Q p u p M 6 0 f w Q t Q U Uw 2 强度 验算 抗弯验算 我们考虑弯矩全部全部 由型钢承担 则型钢正 应 力 o r 需满 足 o r l 盯j 式中 计算弯矩 N m m 一 型钢截 面抵 面矩 m m o r 型钢允许拉应力 N mm 抗剪验算 模 型考 虑 S MW 挡 墙 抗 剪 由两 部 分 构 成 即 型 钢和水泥土搅拌桩 抗剪验算分亦分两部分 型钢 抗剪验算 水泥土局部抗剪验算 a 型钢剪 应力 r 需满 足 式中 型钢允许剪应力 N mm Q 计算 剪力 N S 型钢 面积矩 m m l 一 型钢 惯性矩 m m 6 所 验算 点 处的钢 板厚度 m m b 水泥 土局 部抗剪 验算 水泥土 局部抗 剪指 型钢 和水泥 土之 间 的错 动剪 应力 见 图 2 图 2 剪应力计算 简图 Q g L 2 水 泥土局 部剪 应力 需满足 下式 j r J r 第 3 9卷 黄飞 等 S M W 工法在基坑 支护结构 中的运 用 第 9期 式 中 所验 算 截面处 的 法 向应 力 N m m D c 水 泥 土 的内摩擦 角 和粘 聚力 K 安 全 系数 取 1 5 3 型 钢拔 除验算 型钢 拔 除 时 当拔 除 力 作 用 于 型 钢 端 部 时 首 先 是 型 钢 和 水 泥 土 之 间 的 粘 结 发 生 破 坏 这 种 破 坏 由端 部 逐渐 向下 部 扩 展 接 触 面 间微 量 滑 移 减 摩 材 料 剪 切破 坏 拔 出阻 力 变 为 静 摩 擦 阻 力 为 主 在 拔 出力 达 到 最 大 静 摩 擦 阻 力 之 前 拔 出 位 移 很 小 拔 出力 大于 最 大 静 摩 擦 阻力 之 后 型 钢 拔 出 位 移 加 快 拔 出力 迅 速 下 降 此 后 摩 擦 阻 力 由静 摩 擦 阻力 转 化 为 滑 动 摩 擦 阻 力 和 滚 动 摩 擦 阻 力 水 泥 土接 触 面 破 碎 产 生 小 颗 粒 充 填 于 破 裂 面 中 这 有 利 于 减 少摩 擦 阻 力 当 拔 出力 达 到 一 定 程 度 摩 擦 阻 力 就 转化 为 滚 动摩 擦 为 主 型钢 的起拔 力 P 主要 由静摩擦 阻力 P 变形 阻力 P 及型钢 自重 G 三 部 分组 成 即 P Pf Pd G 经 试验 研究 表 明 型钢 自重相对 起拔 力很 小 可 以忽略 不计 而 当墙 体最 大水 平变 位 与型钢 在水 泥 土 搅拌 桩 中 的总 长 度 的 比值 小 于 0 5 时 最 大 变 形 阻力 与最 大静 摩擦 阻力 近似 相等 即 Pt P 则 P 2 P Pf f A 2 x f SH LH 式 中 型钢 与 水 泥 土 之 间 的单 位 面 积静 摩 擦 力 根 据 研 究 减 摩 剂 涂 层 平 均 为 0 0 4 MPa A 型钢 与水 泥 土之 间 的接触 面积 5 型钢 横截 面 的周 长 型钢 插入 水 泥土 中 的长度 为 保证 型 钢 在 拔 出后 能 重 复利 用 要 求 在 起拔 时 型 钢 内 力 处 于 弹 性 状 态 去 其 屈 服 极 限 的 7 0 作 为允许 应力 则 型钢 的允许 拉 力 P 满 足 P 0 7 0 A 式 中 A 型 钢横 截 面面积 起 拔 力还 必须 满足 P P 若 不 能 满 足 上 式 可 以 通 过 增 加 型 钢 钢 板 厚 度 或提 高 型 钢 的强 度 这 样 同 时也 提 高 了 S MW 墙 体的 刚 度 对 提 高 S MW 墙 体 围 护 的 稳 定 是 有 利 的 3 工 艺流 程 图 3 水泥浆配置 搅拌站 设立及注入泵就位 压浆注入 现场查勘 清除地下障碍物 平整场地 根据设计图纸测量定位 设置导 向桩保证墙体水平精度 确定施工位置开挖导 向沟 导 向架与定位型钢搅拌机就 弃土处理 取样强度测定 成墙钻进及搅拌 二 二二 l 一 插入芯材与固定 I 一 墙体硬化 墙 顶设置圈梁 l 型钢回收 图 3工 艺 流 程 4施 工组 织 4 1 施 工 准备 1 施 工 现场应 先 进 行场 地 平 整 清 除施 工 区域 的表层 硬物 和 地 下 障 碍 物 遇 明洪 塘 及 低 挂 地 时应 抽 水和 清淤 回填 粘 性 土 并 分层 夯 实 路 基 承 载 能 力 应 满 足 重 型 桩 机 和 吊 车 平 稳 行 走 移 动 的 要 求 2 按 照搅 拌桩 桩 位平 面 布 置 图 确 定 合理 的施 工顺 序 及配 套机 械 水 泥等 材料 的放 置位置 3 技 术 人 员 根 据 设 计 图纸 和 测 量 控 制 点 放 出 桩位 桩 心距 用红 色油漆 做好 标记 保 证搅拌 桩定 位 准确 并 经监 理 复 核验 收 签 证 桩 位 平 面偏 差 不 大 于 5 mm 4 根 据基 坑 围护 内边 控 制 线 开挖 导 向沟 并 在 沟槽边设置搅拌桩定位型钢 标 出搅拌桩 位置和型 钢插 人位 置 5 三 轴 搅 拌 机 与 桩 架 进 场 组 装 并 试 运 转 正 常 后方 可 就位 6 采 用现 浇 的钢 筋混 凝 土施 工 导 墙 时 导 墙 宜 筑 于密 实 的 粘性 土 层 上 并 高 出地 面 1 0 0 mm 导 墙 净距 应 比水 泥土搅 拌墙设 计 厚度 增加 4 0 6 0 m m 4 2机械 配备 搅拌 桩施 工应 根据项 目地质条 件 与成桩 深度选 用不 同形式或不同功率 的三轴搅拌机 在粘性土中 宜选 用 以叶 片式 为 主 的搅 拌 形 式 在砂 性 土 中宜 选 用螺 旋 叶片式 为 主 的搅 拌 形 式 在 砂 砾 土 中宜 选 用 螺旋叶片搅拌形式 与其配套的桩架性能参数必须 与 三轴搅 拌机 的成 桩深 度 和提升力 要求 相 匹配 搅 8 7 第 9期 黄飞 等 S MW 工法在基坑 支护 结构 中的运 用 第 3 9卷 拌机工作电流 立架垂直度 卷扬机功能 搅拌轴的 定位 导 向装 置 注浆泵 的工 作压 力应 符合相 关要 求 附投 入项 目 S MW 工法桩 施工 机具表 表 1 表 1 S MW 工 法 桩 施 工 机 具 序号 机具名称 型号 数量 作用 1 挖掘机 1台 开挖基槽 2 三轴搅拌桩机 1台 水泥土搅拌 3 吊机 1台 吊放搅拌机 4 汽车吊 履带吊 1台 吊型钢 1 导沟开挖确定是否 续表 序号 机具 名称 型号 数量 作用 5 压浆泵 1台 注浆 6 空压机 1台 凿出桩头 7 振动锤 1台 插入型钢 8 灰浆搅拌 机 1台 拌浆 9 千斤顶 2台 起拔型钢 备注 施工机具的型号及数量根据项 目的需要 可灵活选择 4 3具体施 工步骤 图 4 3 设定施工标志 4 4施 工技 术 要 点 1 开挖导沟 设置导向架及定位卡 88 3 设定舡标志 图 4施工步骤示意 为保证搅拌机施工时涌土不冒出地面 桩机施 工 前沿 S MW 桩墙体 位 置开挖 宽 1 0 m 深 1 5 m 左 右的导沟 为确保搅拌桩及型钢插入位置 的准确 沿导沟旁边间距 4 6 1 T I 埋设 4根 2 5 m长的 l 0号 第 3 9卷 黄 飞 等 S MW 工法在基坑 支护 结构中的运 用 第 9期 槽 钢 作为 导 向桩 同 时设 置 钢 围檩 导 向 架及 型钢 定 位卡 围檩导向架及定位卡都 由型钢制作 型钢定 位 卡 间距 比型 钢宽 度增 加 2 0 0 3 0 0 m m 导 向架施 工 时 要严格 控 制好 标 高 与 轴 线 施 工 完 毕后 在 导 向 架 上 标 出桩位 及型 钢插 入点 位置 围檩导 向架 示意 见图 5 图 5 围檩导向架示意 1一导轨 导沟 2一导轨横撑 3一大型 H型钢4一导 向桩 2 成 墙顺序 采用 跳 槽式 双孔 复 搅成 墙 机 制 确 保 搅拌 桩 的 隔水 帷幕 以及 成桩 的垂 直度 见 图 6 图 6成 墙 顺 序不 意 3 浆 液配 比 注 人 流 量 压 力 及 提 升 降 下 速 度 等 参 数控 制 搅拌机冷却 水循 环 正常 后 启 动 电机 搅 拌 机沿 导 向架切土搅 拌下沉 下沉 速度 1 0 m m i n 如下沉 速度 太慢 可用 输浆 系统 补 给清 水 以利 钻 进 搅 拌 机钻 杆 的钻 进 提升 速度 保持 为 0 6 5 1 O 0 m m i n 转 速 为 6 r m i n 搅 拌 机 达 到 设 计 深 度 开 启 灰 浆 泵 施 工 严 格 控 制 浆 液 水 灰 比 一 般 为 1 3 1 5 出口压力保持 1 5 2 5 MP a以保证水 泥浆 自动连 续 喷 入地基 喷浆 提升 速 度不 大 于 0 5 m m i n 达 到设计 桩顶 标 高后 重 复 搅 拌 至设 计 深 度 重复 搅 拌 升 降控 制在 0 5 0 8 m mi n 4 搅拌 桩制 作 桩 的垂直度允许偏差 0 3 桩位偏差 在平行 与基 坑 和 垂 直 基 坑 方 向 为 3 0 m m 成 桩 深 度 为 1 0 0 m m 一 0 m m 拌 成 桩 时所 需 容 量 的 7 0 8 0 的水泥浆宜在下行钻进注入 其余 2 0 3 0 宜在螺旋钻上行 回程灌入 此时所需水泥浆仅用于 充 填钻 具 留下 的空 隙 螺 旋钻 上行 的灌 浆最 好连 续 反转 以防止墙体柱产生真空 造成坍塌 5 吊放 型钢 起 吊前 在距 H型钢 顶端 2 0 0 mm处开 一个 中心 圆孔 孔 径为 4 0 m m 装 好 吊具 和 固定钩 型钢 的接 长采 用菱 形接 桩 法 型 钢 表 面应 平 整 光 滑 焊 缝质 量符合规范要求 其表面平整度控制在 0 1 以内 在沟槽 定 位型 钢上设 H 型钢 定位 卡 固定 插入 型钢 平 面位置 型 钢 定位 卡 必 须 牢 固 水 平 而 后将 H型 钢底 部 中心对 正桩位 中心 并沿 定位 卡徐徐 垂直 插 入 水泥 土搅 拌桩体 内 垂直 度控 制用线 锤控 制 型钢应在水 泥土初凝前插 入 一般在搅 拌桩施 工 完成后 3 0 m i n内插入 型钢 型钢 的插入 要从 两个 方 向控制其垂直度 尽量靠型钢的 自重下沉 若压沉无 法达