型钢水泥土桩在某扩建工程深基坑支护中的应用

卜 飞

(山西省勘察设计研究院，山西太原 030013)

0 引言

随着我国建筑行业的飞速发展，深基坑支护问题逐渐引起大家的重视，对基坑支护的要求也越来越严格。SMW工法支护结构因其防渗性好、对周围地层影响小、施工噪声小、无振动、工期短、工程造价低等优点，在基坑工程中应用越来越广泛。SMW工法是采用多轴搅拌钻机在原地层中切碎土体，同时由钻机前端低压注入水泥类强化剂与土体搅拌充分混合，在水泥土结硬前插入，加强芯材(通常为H型钢)的地下施工技术。随着其设计计算理论和施工方法的成熟完善，SMW工法在山西的推广使用也日益趋于成熟。

1 工程概况及周围建设情况

1．1 工程概况

拟建建筑物主要是在现有建筑周边进行改扩建，本工程拟改建部分(○15轴 ～ ○22轴)、拟建场地地表高程为 788．0 ～ 790．0，基坑底标高 779．60/779．10，基坑深度 10．9 m ～8．4 m;场地北侧与建筑物连接;场地东侧距道路红线60 m;南侧距围墙4 m～11 m;西侧距围墙9．5 m～17．0 m。基坑平面如图1所示。

图1 基坑平面示意图

1．2 工程地质条件

根据野外钻探、原位测试及室内土工试验结果，在基坑深度相关范围，场地地基土自上而下依次为:第①层杂填土:由大量砖块、碎石、粉煤灰、灰渣、植物根系等建筑垃圾及少量生活垃圾组成，标贯试验锤击数N值，平均5．8击。第②层细砂:稍密～中密状态、颗粒均匀，颗粒级配不良。标贯试验锤击数N值(实测值)11．0击～18．0击，平均15．9击。第③层细砂:饱和，中密状态、颗粒均匀，颗粒级配不良。标贯试验锤击数N值(实测值)16．0击～22．0击，平均18．8击。第④层粉质黏土:可塑状态，无摇振反应，切面稍有光泽，干强度中等，韧性中等，具中压缩性。标贯试验锤击数N值介于7．0击～11．0击，平均9．1击。第⑤层细中砂:饱和，中密～密实，级配不良。标贯试验锤击数N值介于20．0击～30．0 击，平均22．3 击。

1．3 水文地质条件

勘察期间实测各孔混合稳定水位埋深为5．01 m～8．00 m，水位标高782．00 m～783．00 m。勘察期间为平水期，地下水位随季节性变化幅度为0．8 m～1．4 m。结合周边项目施工经验，综合分析本次设计主要参数取值见表1。

表1 土层特性

2 基坑支护设计

2．1 基坑支护方案

该工程基坑侧壁安全等级为二级，临近旧楼部分为一级，设计使用期限为12个月。综合考虑现场的周边环境及岩土层组合条件，为尽可能避免基坑开挖后对周围道路及建筑物的影响，本着“安全可靠、经济合理、技术可行、方便施工”的原则，经过分析、计算和方案比较，扩建部分基坑采用桩锚支护、型钢水泥土搅拌桩(SMW工法)。

该桩桩径850 mm，套接一孔法，桩间距600 mm，水泥掺量为20%，水泥采用42．5级普通硅酸盐水泥，每立方米水泥用量350 kg～450 kg，桩体无侧限抗压强度要求不小于1．5 MPa;内插型钢700×300×13×24，截面模量不小于5760cm3，型钢为隔一插一，间距1200mm;三轴水泥土搅拌桩兼作止水帷幕，如图2所示。桩顶设冠梁，梁宽1100mm，高600mm，H型钢超出冠梁600mm。为降低造价，SMW桩中插入的H型钢在基坑回填后拔除。为减小桩H型钢的内力，同时控制桩顶水平位移，在－5．250m标高处增加一道锚索，锚索采用7×15．2×1860级钢绞线，长度28．5m，倾角15°，二次高压注浆，注浆体设计强度20MPa。锚索成孔孔径150mm，采用隔孔施工顺序。

图2 型钢布置图

2．2 水泥土搅拌桩计算

1)水泥土搅拌桩及型钢长度的确定。SMW工法需要确定水泥土搅拌桩和型钢的入土深度这两个关键指标。其中，水泥土搅拌桩的入土深度的确定主要考虑以下三方面的原因:a．确保基坑降水不影响基坑周边环境;b．防止管涌发生;c．防止坑底隆起;综合以上因素，工程搅拌桩桩长确定为19．0m。型钢长度的确定综合考虑了以下几个因素:基坑支护结构的内力、变形、整体稳定、抗倾覆以及H型钢的顺利回收。经计算确定，H型钢的长度取为17．5m，超出冠梁600mm。

2)承载能力计算。本文分别采用弹性法和经典法，对型钢进行了抗弯、抗剪承载力计算、型钢与水泥土之间的错动抗剪进行验算以及水泥土最薄弱截面处的局部抗剪强度验算，计算结果均满足规范要求。同时，对型钢的抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性进行了验算。抗倾覆稳定性系数KQ=1．425≥1．30、抗滑安全系数Kh=1．772≥1．20，均满足规范要求。

3)支护结构的内力、位移计算。本文选用“理正”软件对基坑进行内力和位移计算分析。将开挖全过程分为三种工况。

工况1:开挖至－5．750m;工况2:施工锚索;工况3:开挖至－10．9m。分别分析各工况条件下基坑壁的应力和位移的变化，然后绘出开挖全过程地表沉降图，如图3所示。基坑侧壁变形最大值为12．02mm，地表最大沉降量控制在25mm以内。

图3 地表沉降图

2．3 型钢水泥土搅拌桩的施工要求

型钢宜采用整材;当需采用分段焊接时，应采用坡口焊等强焊接。对接焊缝的坡口形式和要求应符合现行行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》的有关规定，焊缝质量等级不应低于二级。单根型钢中焊接接头不宜超过2个，焊接接头的位置应避免设在支撑位置或开挖面附近等型钢受力较大处;相邻型钢的接头竖向位置宜相互错开，错开距离不宜小于1m，且型钢接头距离基坑底面不宜小于2m。

3 支护结构形式的比选

目前，山西地区基坑支护采用的结构形式一般是灌注桩加锚索，同时采用水泥土搅拌桩做止水帷幕，其工程造价较高，施工周期长，对周边环境的影响、污染均较大。本工程对灌注桩和SMW工法进行了比较，SMW工法具有如下优点:

1)本工程属于改扩建项目，与旧楼连接部位仅剩1．0m左右的距离施工支护结构，灌注桩方案需要宽度至少1．85m，其中灌注桩800mm，搅拌桩850mm，两桩之间净距200mm;SMW工法仅需要850mm的宽度即可;节约支护结构占据的空间。2)施工速度较快，边施工搅拌桩边插型钢，节约了施工灌注桩的时间。3)SMW工法型钢可以回收利用，相比灌注桩方案节省造价，经过对两种方案的比较计算，共节省造价28．3%。

4 SMW工法施工关键技术的处理

本工程上部7．0m为杂填土，下部为13．0m左右的砂层，砂层的锤击数为11击～22击;型钢长度17．5m，型钢插入主要是在砂层范围内;按常规的施工工法，在深厚的砂层中插入型钢阻力较大，且后期型钢的回收难度很大。为了解决这个难题，经过设计院和施工方进行反复论证和试验，本工程在山西地区首次采用了二次搅拌桩的方法，具体过程如下:改变施工工艺，对搅拌桩进行两次施工，第一次施工时喷浆量80kg，使砂层进行一次沉淀，然后再进行第二次搅拌桩施工，边施工搅拌桩边插型钢。实践证明，采用这种施工方法后，砂层的阻力减小很多，且后期型钢能够顺利拔出。

5 结语

型钢水泥土搅拌桩是近年来广泛使用的深基坑支护技术，与传统的基坑支护方式相比，明显降低了成本，而且施工过程对周围土层的影响小，节省了工期，在深基坑工程支护施工中，是一种很有竞争力的技术手段。本文通过对某工程型钢水泥土搅拌桩设计方案的分析，阐述了该设计方案在深基坑支护中的具体应用。同时，与常规的桩锚支护体系设计方案进行了对比分析，并且，对SMW工法施工中的关键技术问题进行了讨论，进一步论证了型钢水泥土搅拌桩的优越性。

［1］王晓飞．SMW工法在南京某深基坑中的应用［J］．山西建筑，2009，35(11):81-83．

［2］JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程［S］．

［3］GB50739-2011，复合土钉墙基坑支护技术规范［S］．