武汉地铁smw工法围护结构施工及设计(公司技术交流).doc

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浅谈武汉地铁金色雅园站出入口ＳＭＷ工法
基坑围护设计与施工
邓 涛
（中铁航空港集团第二工程有限公司 长沙 4130000）

［摘要］ＳＭＷ工法以工程造价低、施工周期短、止水效果好、占地小、环境污染小等优点，被越来越广泛的应用于地铁车站出入口的基坑围护设计中。本文以武汉地铁金色雅园站Ⅵ号出入口为例，对在长江一级阶地ＳＭＷ工法设计与施工进行探讨。
［关键词］地铁出入口、ＳＭＷ工法、基坑围护
一．工程及地质概况
Ⅵ号出入口位于金雅二路与常青五路“十”字路口东南角，为单层单跨框架结构，出入口宽度4.5m，净高3.6m。紧邻该出入口西侧为已完工的车站主体，东侧为某小区1号楼以及6号楼。基坑距6号楼最近距离为2.5米。
该出入口场地地形平坦，地面高程为21.2米，在地貌单元上属长江北岸II级阶地前缘，I级阶地后缘。场地内的地下水有上层滞水，孔隙承压水两种类型。
1）上层滞水主要赋存于人工填土层，无统一自由水面，大气降水、地表水和生产、生活用水渗入是其主要的补给来源。勘察期间测得其初见水位埋深为1.0～3.6m，稳定水位埋深为1.2～4.3m。
2）本场地孔隙承压水为赋存于I级阶地第四系全新统冲积（Q4al）粉质粘土、粉土、粉砂互层土（(3-4)、(3-5)）层及局部分布的(4-1)粉细砂层中弱孔隙承压水，与长江、汉江具有一定的水力联系，其上覆粘性土层及下伏残积土、基岩为相对隔水顶、底板。在勘察期间，于2006年11月10日在Jz-JSYY-W1号抽水试验孔中测得承压水水头在地面下
4.65m，相当于绝对标高16.37m（黄海高程），汉口地区长江I级阶地承压水测压水位标高最高为20.0m左右，承压水头标高年变化幅度在3.0～4.0m之间。

作者简介：邓涛，男，1984年出生，中铁航空港集团二公司益阳项目部总工，助工，电话[phone]

二．围护结构设计
2.1设计概况
Ⅵ号出入口采用明挖顺作法施工，基坑开挖宽度6.45m，最大开挖深度约为12.7m。基坑围护结构采用SMW工法，水泥土深层搅拌桩桩径φ650mm，间距450mm，桩间咬合200mm，桩长17.5m～26.5m。搅拌桩密插H500×300型钢，型钢腹板厚度11mm，翼缘厚度18mm。型钢长17m～26m。基坑竖向设置2道（集水坑加深处设置4道）φ609mm，壁厚12mm的钢支撑，通过钢腰梁设置在搅拌桩上。钢支撑水平间距为3m～1.75m。基底采用φ650三轴搅拌桩进行加固处理。

2.2围护结构设计计算
1）计算原则
（1）结构计算简化模型应根据结构的实际工作条件确定，并反映结构与周围地层的相互作用。
（2）根据场地的地质状况、周边环境安全的重要程度和坑内永久性变形等因素，本基坑的保护等级为一级，地面最大沉降量及围护结构水平位移控制要求如下：地面最大沉降量≤0.3%H，一级基坑支护结构的最大水平位移值应≤30mm。
（3）围护结构应进行稳定、强度、变形验算，基坑抗滑移的整体稳定性安全系数不小于1.3；基底土体抗隆起安全系数不小于1.8；坑底抗渗流稳定系数不小于1.5；基底以下承压水的稳定性等安全系数不小于1.2。
（4）为减少围护结构在基坑开挖期间的位移，对钢支撑应施加预应力，其值可按设计轴力的30～60%采用，其内力计算应考虑支撑预应力作用。
（5）浅埋结构在底下水位以下，整体结构还要考虑水浮力，进行抗浮稳定性验算。不考虑侧壁摩阻力时，结构抗浮安全系数≥1.5。
2）计算模型
围护结构内力计算沿车站结构纵向取单位长度按弹性地基梁计算，按基坑开挖、支撑架设及出入口结构浇筑的施工过程和完成后的使用阶段进行内力计算。围护结构开挖阶段计算时必须计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形，后支撑”的原则进行结构分析。围护结构荷载及计算图示见下图。

3）计算
选取基坑开挖最深处进行验算如下：
（1） 围护结构整体稳定性验算

围护结构整体稳定性采用瑞典条分法确定最危险滑动面进行验算，整体稳定安全系数Ks=1.31≥1.3满足要求。
（2）抗隆起安全系数

坑底抗隆起安全系数按照考虑围护墙体抵抗弯矩的圆弧滑动面抗隆起验算方法可得Ks=1.97≥1.8满足要求。
（3）抗管涌稳定安全系数
K=（（2t+h）×γ，）/（h×γw）=2.701≥1.5满足要求。
γ，—土的平均浮重度（KN/m3）
γw—水重度（KN/m3）
h—侧壁含水层水位至基坑底的深度（m）
t—墙入土深度（m）
（4）ＳＭＷ桩中型钢承载力验算
根据上海市工程建设规范《型钢水泥土搅拌墙技术规程（试行）》ＤＧＪ08-116-2005中规定，型钢水泥土搅拌墙的弯矩、剪力全部由型钢承担。经设计软件计算最不利工况下围护结构受力结果如下：

设计软件计算结果

型钢的抗弯强度验算公式：M/W≤f
M—型钢水泥土墙的弯矩设计值（N.mm）
W—型钢沿弯矩作用方向的截面模量（mm3）
f—型钢抗弯强度设计值（N/mm2），215N/mm2
型钢的抗剪强度验算公式：（Q×S）/（I×δ）≤f
Q—型钢水泥土墙的剪力设计值（N.mm）
S—计算剪应力处的面积矩（mm3）
I—型钢沿弯矩作用方向的截面惯性矩（mm4）
δ—型钢腹板厚度（mm）
f—钢材抗剪强度设计值（N/mm2）
（5）型钢与水泥土之间错动剪切计算
τ1= Q1/del≤τc/η2
Q1=qL1η1/2
τ1—型钢与水泥土之间的错动剪应力标准值（N/mm2）
Q1—型钢与水泥土之间单位深度范围内的错动剪力标准值（N/mm）
q—计算截面处作用的侧压力标准值（N/mm2）
L1—型钢翼缘之间的净距（mm）
del—型钢翼缘处水泥土墙体的有效厚度（mm）
τc—水泥土抗剪强度标准值（N/mm2），取无侧限抗压强度标准值的1/15～1/10
η1—剪力经验计算系数，取0.6
η2—水泥土抗剪强度调整系数，可取1.6。
（6）水泥土最薄弱断面局部抗剪切验算：
τ2= Q2/de2≤τc/η2
Q2=qL2η1/2
τ2—水泥土最薄弱处的局部剪应力标准值（N/mm2）
Q2—水泥土最薄弱截面处单位深度范围内的错动剪力标准值（N/mm）
q—计算截面处作用的侧压力标准值（N/mm2）
L2—水泥土最薄弱截面的净距（mm）
de2—水泥土最薄弱截面处水泥土墙体的有效厚度（mm）

（7）型钢的抗拔验算
为了确保型钢的回收利用，还需对型钢进行抗拔验算，满足Pm＞P。
［P］=0.7×σs×AH
Pm=2×μ×A
P—型钢容许抗拔力（N）
σs—型钢抗拉屈服强度（N/mm2）
AH—型钢截面积（N/mm2）
P m—型钢最大抗拔力（N）
μ— H 型钢与水泥土之间的单位面积静摩擦阻力（N/mm2）取0.024
AH—型钢与水泥土间的接触面积（mm2）
经过以上计算，该出入口围护结构的整体稳定性、强度、变形验算均满足规范要求，围护结构在设计上是安全可靠的。
三．围护结构的施工
3.1施工机械的选择
该出入口距离周边建筑物仅2.5m，一般的机械设备难以满足施工要求，据此我们选择北京三一重机生产的SF558电液履带桩机，钻头中心距建筑物1.0m即可施工。此外该桩机采用电动机驱动噪音小，不扰民，无废气排放，对环境无破坏因此比较适用于城市地铁工程。桩机主要技术参数如下：
SF558电液履带桩机技术参数表
液压系统压力
29.5 MPa
履带全宽（收缩时）
3400 mm
履带全宽（扩伸时）
4400 mm
履带板宽
760 mm
履带接地长度
4790 mm
爬坡能力（仅限机体）
22°
主卷扬钢丝绳卷升速度
0～21.2m/min
副卷扬钢丝绳卷升速度
0～12.9m/min
回转速度
0～1r/min
行走速度
0～0.57Km/h
桅杆支撑方式
三支点支撑
桅杆最大高度
36 m
桅杆组合长度
21；24；27；30； 33 m
桅杆两大导轨中心距
600 mm
桅杆两小导轨中心距
330 mm
桅杆允许拔桩力
600 kN
桅杆倾斜范围
前倾5°；后倾5°
组合配重
9.8； 3.6； 3.1 t
接地比压
0.083 MPa
整机外形尺寸 (运输状态)
10540×3400× 3268 mm
整机总重(包括配重)
86.6 t

SF558电液履带桩机结构图
3.2施工工艺
SMW工法搅拌桩施工顺序采用全截面套打连接方式以确保桩与桩之间的咬合。

主要施工工艺如下：
1）测量放样
用全站仪放出围护桩中心线（为避免桩体侵入结构较设计位置外放10cm）并依据所放中心线进行护桩以便于导沟开挖后桩位的恢复。
2）开挖沟槽
沟槽开挖前根据所放桩位用白灰撒出围护桩中心线，用挖机进行导沟的开挖工作。导沟宽0.8米，深1.5米。导沟开挖完毕后根据护桩复核导沟平面位置，对于位置偏差大的人工予以整修。
3）放置定位型钢
距导沟外侧60cm左右平行于导沟放置一根9m长的500×300mm型钢，根据护桩，将围护结构中线外放1m后的桩位及桩号标记于型钢上，作为钻机对位的依据。
4）钻机就位
为保证钻机准确对位，在钻机护筒上正对于最外侧两根钻杆的中心位置处各焊接长1m直径不小于20mm的钢筋，在钢筋上量出距钻杆中心外放1m的位置分别悬挂2kg重的垂球，钻机就位时只要保证垂球正对于型钢上的标记就保证了钻机的就位准确。钻机由指挥人员指挥就位后根据悬挂于桩机立柱上的垂球校正钻机的垂直度不大于1/200。
5）水泥浆液制备
水泥浆液搅拌采用全电脑控制的自动拌浆系统，后台操作人员根据实验室下发的配合比控制搅拌机进行水泥浆液的拌制。拌浆用的水泥采用P.O42.5水泥，水灰比为1.5，即每立方浆液用水泥536kg，水804kg，水泥浆密度为1.34～1.39kg/cm3。搅拌机一次可搅拌浆液2000kg（约1.5m3），则每搅拌一盘浆液用水泥800 kg，水1200kg。平均每搅拌一盘浆液需耗时5分钟。搅拌好的浆液通过管路输送至储浆池中（可存储1.8m3），为了防止浆液在储浆池中出现离析、分层的情况，浆液在池内继续进行搅拌。水泥浆停滞时间不得超过2小时，超过两小时按废浆处理。
6）喷浆钻进及提升
水泥浆配制好后，开启钻机、空压机及注浆泵喷浆、喷气下沉切割土体。在下沉和提升过程中均应注入水泥浆液，同时严格控制下沉和提升速度，喷浆下沉速度不大于1.0m/min，提升的速度1.0m～1.5m/min，在桩底部分重复搅拌注浆,停留1分钟左右。注浆时通过2台注浆泵2条管路混合注入，注浆压力：1～2 MPa，注浆流量：150-200L/min/台。每根桩施工完毕后及时做好施工记录，并核对水泥用量，当水泥用量与设计不符时及时调整注浆压力、流量、下沉及提升速度等参数使之设计用量相符。每米搅拌桩水泥用量如下：搅拌桩桩径为0.65m，水泥掺量20%，加固土体密度为1.83g/cm3，则每米搅拌桩所加固的土体为0.866m3，用水泥317kg，折算为浆液590 L。搅拌桩施工过程中每施工1m约产生0.2 m3的置换土，对于该部分置换土要及时用挖机清理集中堆放于场地内并及时外运。
搅拌桩施工时每班组抽查2根桩，每根桩制作水泥土试块三组。水泥土取样点应取沿桩长方向不同深度的三点，最上点应低于有效桩顶下3m。试块放在水中养护，定28天抗压强度不小于1MPa。
7）桩机移位
搅拌桩施工完毕后将集料斗中加入适量清水，开启灰浆泵，清洗压浆管道及其它所用机具，然后移位再进行下一根桩的施工。
8）下插及固定型钢
为了便于吊放型钢，型钢顶端处开一直径8cm的圆孔。场地内型钢为定尺9米成品料，因此需现场进行接长。型钢接长采用坡口满焊，焊缝等级不小于二级。焊接完毕的型钢分批经验收合格后均匀涂刷减摩剂，并整齐堆码于施工场地内以备下插。
三轴水泥搅拌桩每幅桩施工完毕后，50吨吊机应立即就位，安装好吊具及固定钩，准备吊放H型钢。同时在沟槽上方依据定位型钢上的桩位标记设置H型钢定位导向架，固定插入型钢平面位置，导向架必须牢固、水平，而后将H型钢底部中心对正桩位中心并沿导向架徐徐垂直插入水泥土搅拌桩体内并用水准仪控制型钢插入标高，为了防止型钢下沉，在型钢顶端焊接吊筋，用槽钢穿过吊筋将其搁置在导沟两侧地面上，待水泥土搅拌桩达到一定硬化时间后，将吊筋撤除。型钢插入过程中采用线锤控制垂直度。若H型钢插放达不到设计标高时，则重复提升下插使其达到设计标高，此过程中始终用线锤跟踪控制H型钢垂直度。型钢插入左右误差不得大于30mm，宜插在靠近基坑一侧，垂直度偏差不得大于1/100，底标高误差不得大于100mm。
9）型钢拔出
出入口结构浇筑完毕并达到设计强度后，采用两台100t千斤顶并配以50t吊车进行型钢的起拔工作。为避免拔出H型钢后留下的空隙变形对周围建筑物造成影响，拔出H型钢后须立即用水泥砂浆进行填充。
四．结束语
本地铁车站出入口采用三轴搅拌桩桩径650mm，密插H500×300型钢的ＳＭＷ工法作为围护结构在武汉长江一级阶地地区尚属首次。2009年10月19日开始施工该出入口围护结构，10月30日便完成了全部工程。12天内完成了71延米围护结构施工，共插入150根计409.2t型钢，消耗P.O42.5水泥450t。由此可见采用ＳＭＷ工法作为围护结构施工速度是其他围护结构形式所不能比拟的。
该出入口于2009年12月18日进行基坑开挖工作，至2010年1月4日结束基坑开挖工作，在此过程中，围护结构本身变形及受力情况表现良好，但出现了几次桩体开裂、渗水现象。由于发现及时并迅速对渗漏点进行了注浆封堵，得以将险情控制在萌芽状态。事后，笔者对几次渗漏情况作了认真分析，认为在桩径650mm的搅拌桩内密插H500×300型钢破坏了水泥土的整体性，削弱了水泥土的止水作用，增加了渗漏的风险。因此在长江一级阶地地区，采取ＳＭＷ工法作为围护结构时应采用大直径水泥搅拌桩同时尽量放大内插型钢的间距，例如可采用桩径850mm的搅拌桩内间隔插入H700×300型钢或桩径1000mm的搅拌桩内间隔插入H850×300型钢的形式来增大型钢的插入间距，减少对水泥土墙整体性的破坏以提高ＳＭＷ工法作为围护结构的止水效果。

参考文献
［1］上海市地标《型钢水泥土搅拌墙技术规程（试行）》ＤＧＪ08-116-2005；
［2］中铁隧道设计院武汉地铁某车站出入口基坑围护工程设计文件。

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