SMW工法施工和发展现状

SMW工法施工技术和发展现状王奎华教授、博导浙江大学建筑工程学院一、SMW工法桩起源SMW是SoilMixingWall的缩写。SMW工法连续墙于1976年在日本问世，由日本成辛工业株式会社开发成功。•SMW工法是利用专门的多轴搅拌机就地钻进切削搅拌土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，充分搅拌混合后，再将H型钢或其他型材插入搅拌桩体内，形成地下连续墙体，该墙体作为集挡土与止水功能于一体的围护结构。地下室施工完成后，将H型钢从水泥搅拌桩中拔出，可实现型钢材料的回收和再次利用的目的。•SMW工法把水泥土的止水性能和芯材（H型钢）的高强度特性有机结合起来，具有抗渗性好、刚度高、经济的特点,具有很大的推广潜力。该工法既节约了钢材等宝贵的资源，同时又避免围护体成为永久的地下障碍物，实现了可持续发展。二、基本原理及工艺1、导沟开挖：确定是否有障碍物及做泥水沟。2、置放导轨。3、设定施工标志。4、SMW钻拌：钻掘及搅拌，重复搅拌，提升时搅拌。5、置放应力补强材（H型钢）6、固定应力补强材。7、施工完成SMW。•SMW工法施工顺序如下：SMW工法连续墙施工顺序1、施工基本不扰动邻近土体，一般不会产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损及地下设施移位等危害。2、钻杆具有螺旋推进翼与搅拌翼相间设置的特点，随着钻掘和搅拌反复进行，可使水泥等强化剂与土体得到充分搅拌，而且墙体全长无接缝，比传统的连续墙具有更可靠的止水性，其渗透系数K可达10-7cm/s。3、可在粘性土、粉土、砂土、砂砾土、卵石层等土层中应用。4、可成墙厚度较大（550～1300mm）,常用厚度600mm；成墙最大深度目前为65m,视地质条件尚可施工至更深。5、所需工期较其他工法为短，在一般地质条件下，每一台班可成墙70～80㎡。因此具有可减少工期、提高施工效率等特点6、环境方面：因无钻孔灌注桩的施工，不产生大量泥浆，减少了对周围环境和施工场地的污染，且不存在挤土作用，对周围建筑物和地下管线的安全极为有利；对施工操作面要求也很低，同时施工噪音小，具有环保的概念。三、SMW工法的主要特点和优势7、与传统的灌注桩加搅拌桩的维护结构相比具有经济效益好的优势。一般可节约费用20-50%至1993年时，日本国内的基坑工程中SMW工法占各种工法的50%左右；在台湾、欧洲，SMW工法的应用也最为广泛。我国大陆在上世纪80年代末期90年代初期开始开展这方面的研究和试点工作，1987年冶金部冶金建筑科学研究院开始立项研究这一技术，1994年通过部级鉴定。1994年,上海基础工程公司把SMW工法首次应用于上海软土地区(上海环球世界广场,基坑深8165m,桩长18m),取得了成功,也是SMW工法在国内的首次应用。四、工程应用现状•目前该工法在上海、南京、天津、杭州等地的工程应用也日渐普遍，在上海地区应用的最大开挖深度达20m。在南京应用的最大开挖深度已达18m，在杭州应用的最大开挖深度也达16m。•在杭州已有数十项工程成功地应用了该工法，浙江地区应用的部分工程有：•杭州西湖隧道工程(2002—2003年)；•宁波镇海电厂循环水管挡土工程(2005年8月)；•杭州地铁试验段站台出口处围护工程(2005年)；•湖州污水处理站(2006年3月)；•杭州留下商贸大厦基坑工程(2005年12月)；•杭州运河广场基坑工程(2006年5月)上海明珠线二期兰村路站（东方路口）SMW工法围护开挖后暴露2个多月无渗漏水现象。上海东新大厦由于采用SMW工法，节省围护桩用地，为大厦赢得了可贵的建筑面积约7200m2。•上海南站地区改造是大型系统性的区域改造工程，建成后成为上海又一处交通枢纽工程，上海南站R1线改建工程中部分区段以φ850mmSMW工法桩（内插700mm“300mm”13mm“24mm型钢）作为基坑围护。•上海地铁一号线上海南站改建工程中深基坑处的SMW工法桩深度基本上集中在30m左右南京地铁南北线一期工程是国家重点工程,2000年12月开工后,首先在试验段盾构工作井(开挖深度12.9m)及明挖段(开挖深度最深处8.7m)基坑中采用了SMW工法挡土墙作为基坑的围护结构,并取得了良好的效果.在珠江路、中胜、向兴路、中和村等车站采用该工法施工,获得了圆满成功,创造了国内采用SMW工法施工基坑开挖达到17.5m的最深纪录,为深大基坑采用该工法设计与施工积累了宝贵经验.南京珠江路地铁站桩长30.5m，创当时SMW工法国内最深的记录。杭州市地铁一号线秋涛路站位于秋涛路、婺江路交叉口,为地下2层岛式站台车站,秋涛路上交通繁忙,地下管线众多,周边紧邻居民小区。秋涛路站三号出入口基坑围护结构采用SMW工法桩,墙体采用3×850的三轴搅拌桩,桩径850mm,轴心距600mm,搅拌桩咬合250mm,桩的深度为12m、16.5m和19.5m三种类型。基坑形式基本呈“L”型,开挖深度平均6.5m,局部开挖深度8.7m。•西湖隧道是杭州市2003年重点建设项目,在一公园至六公园穿越西湖湖底,隧道由U型槽敞开段、明挖隧道段和控制中心区段组成,采用明挖顺筑法施工。明挖隧道和控制中心区段的开挖深度为6m～11m。•围护结构采用Φ650mm水泥土深层搅拌桩内插H型钢（型钢规格为:500mm×200mm×12mm）。五、目前研究现状和研究热点问题目前能查到的国内期刊上发表的SMW工法方面学术论文有300多篇，主要研究内容包括：搅拌桩的施工方法、工艺、施工设备；水泥土的配比；型钢减摩剂；型钢水泥土的组合受力性能；型钢水泥土墙的设计计算方法；型钢起拔回收技术等。可查较早的期刊刊物论文发表于1993年：1995年•1、搅拌桩制作•2、保证桩体垂直度措施•3、保证加固体强度均匀措施•4、型钢的制作与插入、起拔•5、设备改进施工方法、工艺、施工设备以上海地区SMW工法用于基坑围护为例,主要工程施工经验有:(1)水泥掺入比一般取20%左右。(2)浆液水灰比一般在115～210。(3)桩身垂直度控制1/150～1/200。(4)搅拌下沉速度≤1mPmin,提升速度≤2mPmin。(5)用水灰比为015的水泥砂浆自流充填H型钢拔除后的空隙。(6)目前650mm工法桩一般适用于7～8m深基坑,850mm工法桩适用10m左右深基坑。•日本的《SMW工法设计施工指南》,其主要设计思想是当SMW作为挡土墙时,墙体的应力由芯材和水泥土来承担,但在设计中一般只考虑芯材的刚度作为墙体的刚度来计算而忽略水泥土的刚度,将水泥土的刚度贡献作为墙体的刚度储备。•国内还没有成熟、正式的同一的国家级SMW工法设计计算规范,工程设计时,一般参考钢板桩和地下连续墙的设计计算方法。也可采用上海市地方标准《型钢水泥土墙设计与施工规程》DGJ08211622005。•SMW工法设计计算方面•1水泥土配合比的确定•水泥土配合比的确定是SMW工法桩设计的重要内容之一,若水泥土配合比不当,可能导致水泥土强度•不够,或者浪费水泥材料且施工困难。水泥掺量必须由现场试验确定,一般取泥土质量的7%、9%、11%、13%、15%做试验。•2入土深度的确定•(1)型钢的入土深度一般可比水泥土搅拌桩入土深度稍小,主要由基坑抗隆起稳定性、挡土墙的内•力、变形、型钢拔出等条件决定。•(2)水泥搅拌桩的入土深度由三因素决定:确保坑内降水不影响基坑外环境;防止管涌发生;防止墙底•隆起发生。•3截面形式的确定•根据挡墙计算及施工条件,可选择图1所示的一种截面形式或几种形式的组合。•4内力计算•SMW工法挡墙计算模式与壁式地下墙类似,考虑水土压力全部由H型钢承担,水泥土搅拌桩只起止水作用,具体计算步骤为:•(1)按刚度等效原则计算壁式地下墙折算厚度,如图2所示。•(2)按等效厚度的混凝土壁式地下墙,计算出每延米墙的内力与位移。•(3)换算得到每根型钢承受的内力和位移。•5强度验算•(1)抗弯验算考虑弯矩全部由型钢承担验算强度。•(2)抗剪验算包括型钢抗剪验算和水泥土局部抗剪验算。•6刚度验算•为保证挡墙的防水功能,应对挡墙进行抗弯变形验算。•7型钢抗拔验算•为保证型钢顺利回收,需进行抗拔验算,最好进行现场试验确定型钢最大抗拔力。•8型钢底端水泥土强度校核，型钢底端截面为一变刚度截面,须校核水泥土的抗剪切强度。SMW工法桩的截面形式•1-表示型钢水泥土搅拌桩的荷载-挠度曲线;•2-表示H型钢梁的荷载-挠度曲线。•图1型钢水泥土搅拌桩与H型钢压弯比较-李凤明1,倪西民2在同样的荷载作用下水泥土与H型钢的组合体挠度要小一些,其抗弯刚度比相应同等型号H型钢的刚度大20%。1、设计方面：1)目前我国还没有一套完备的SMW围护结构设计规范或标准,整个设计过程只能参照有关资料,缺乏统一理论。2)水泥土与型钢组合构件受力机理尚不十分明确,尤其是减摩剂的采用使这种关系变得更加复杂,型钢“全位”和“半位”布置时,组合构件整体刚度难以确定。3)水泥土抗压、抗剪强度设计值及H型钢与水泥土之间单位面积摩擦系数μf只能依据工程经验采用,变形阻力的定量化很困难,给设计带来不明确因素。4)在基坑开挖过程中,SMW工法围护结构变形受水位变化的影响比较大,设计时必须考虑周边地下水情况。六、SMW工法设计和施工中存在的问题2、施工中的常见问题：（1）水泥土固结不良。埋在地层中的杂物、有机质土、粘土块等是致使水泥土固结不良的主要原因。由此所引起的水泥土强度降低对基坑稳定可能造成较大的影响。另外，在基坑开挖过程中，随着开挖深度的加深，SMW工法围护的内外压力差加大，基底以上的SMW工法水泥土暴露于空气中，强度很快可以达到设计指标，能够满足H型钢之间水泥土局部抗剪的要求。而基底下SMW工法的水泥土强度可能很低，不能够满足H型钢之间水泥土局部抗剪的要求，坑外的土体可能从H型钢之间流入基坑内，造成基坑隆起，基坑失稳。（2）漏水。漏水是发生在缺陷部位或者是裂纹部位，危害较大。（3）基坑开挖所造成的SMW挡墙变形使型钢产生弯曲,加上减摩剂性能或施工质量等原因,都会致使H型钢的拔出存在困难,或拔出后较难重复使用,因此必须解决好型钢有效拔出问题。（4）SMW纵向刚性由芯材确保,但横向是由水泥土构成的一个整体,是一个易产生纵向裂纹的构造。为防止顶部变形差产生纵向裂纹,桩顶采用砼圈梁。（5）转角部位。在转角部位,由于墙的变形产生纵向裂缝,出现漏水的情形较多。（6）SMW工法应用于软土地区深基坑工程,施工中尚存在一些问题,如围护桩墙渗漏、变形过大、坑外地面沉降、型钢无法起拔,甚至基坑坍塌等,主要原因有:1)设计水泥土中水泥掺量不够,或者没有区别对待不同的土层。2)泥浆浆液的配合比不当,浆液浓度过小,H型钢易发生倾斜或移位;浓度过大,则型钢插入困难。3)水泥土搅拌过程中下沉或提升速度过快,造成搅拌不均匀。4)水泥土搅拌桩搭接厚度不够。5)水泥土搅拌桩或H型钢垂直度未达到设计要求。6)水泥土养护时间未到即进行开挖,强度不够。7)工法桩施工过程中出现间断,造成施工冷缝。8)基坑开挖时支撑设置不及时。9)H型钢表面减阻剂涂抹不均匀。10)型钢拔出后的空隙未及时回填。(1)加强对水泥土材料的特性试验研究,逐渐形成一套专用规范或标准。•(2)型钢-水泥土间的相互作用关系。包括型钢-水泥土接触界面摩擦、滑移及水泥土失效机理;SMW组合结构从共同协调作用到水泥土开裂破坏演化过程与演化机理。•(3)建立更符合工程实际的H型钢拔出力的物理模型,考虑侧向水土压力作用在型钢-水泥土接触面上存在弯曲变形阻力影响,分析H型钢的拔出作用机理。•(4)SMW工法在软土地区深大基坑工程中的应用技术研究。•(5)施工设备和施工工艺的研究与开发。SMW工法的今后研究重点和方向