SMW工法桩围护结构体系的超大深基坑工程变形性状分析*

周红波 蔡来炳

上海建科工程咨询有限公司 上海 200032

1 工程概况

拟建工程场地位于上海市闵行区华漕镇，周边环境空旷，除北侧紧邻闵北路外，其他三面现均为空地。基坑工程平面呈长方形，南北向长约234 m，东西向宽约67 m，开挖面积约15 800 m2，开挖深度为10.75 m，属于超大深基坑工程。集水井基坑局部落深1.5 m，电梯井基坑局部落深2.5 m，采用旋喷桩加固。工程采用SMW工法桩作为基坑工程围护结构，三轴水泥土搅拌桩Φ850 mm，深23.5 m；内插工字型钢尺寸为 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，长度22 m，为隔一插一方式，薄弱部位或转角处为密插式。支撑体系为钢筋混凝土对撑+边桁架的平面布置形式，竖向设2 道支撑，首道位于原地坪下2.4 m，二道撑与首道撑竖向间距为4.6 m，如图1所示。

图1 混凝土支撑和监测点平面示意

拟建场地主要由黏性土、粉性土和砂土组成，自场地的地下水主要为浅部土层中的潜水，埋深1.05～1.40 m。场地地坪标高4.2～4.5 m。

根据设计要求，本基坑周边设置8.3～10.7 m施工道路，标高为3.5 m，采用厚200 mm钢筋混凝土路面，设双层双向Φ12 mm@200 mm钢筋。在场地平整和施工道路完成后，基坑开挖工况如下：压顶圈梁施工→首层开挖→第1道围檩及支撑施工→栈桥斜板施工→第2层土方开挖→第2道围檩及支撑施工→第3层土方开挖→清底垫层和底板施工。第3层土开挖分块如图2所示，开挖顺序为B1→B2→B3→B3，首先开挖南边B1分块（图2）。

图2 第三层土开挖分块示意

2 监测数据[1-3]

本基坑工程从4月份开始开挖，5月份完成第2道混凝土支撑，并开始开挖第3层土方。基坑土方开挖正处于长三角地区的梅雨季节。本文所分析的基坑工程监测数据内容包括围护墙体水平位移（测斜管测点EP）、地表沉降（测点GS）、立柱隆起沉降（测点L）、混凝土支撑轴力（测点Z）等，监测点平面布置见图1。

2.1 围护墙体水平位移

SMW工法桩围护墙体深层水平位移主要采用在水泥土中钻孔安装PVC测斜管方式进行监测。本工程共布置了13 个测斜监测点，图3给出了测点EP02、EP06、EP11、EP13等主要工况的水平位移分布图。

图3 围护墙体水平位移分布

图3表明，第3层土开挖后，围护墙体水平位移随着时间推移快速增大，最大水平位移部位向下发展；围护墙体最大水平位移与开挖深度H的关系为是现行规范水平位移估测值的上限；围护墙体最大水平位移出现在墙顶下12～13 m处，为（1.12～1.21）H，位于开挖面以下1.5～2.5 m范围；混凝土垫层完成后，围护墙体水平位移变化率显著减小；底板完成后，水平位移变化平稳。根据围护墙体水平位移监测数据分析，墙趾的水平位移值较大，为（0.45～0.76）平均比值为表明超大深基坑开挖后SMW工法桩围护墙趾位移较大，开挖面以下土体影响范围大，这是监控围护结构踢脚破坏的重要参数。

2.2 地表沉降

沿基坑边线共布置8 个地表沉降观测断面，每个断面布置4 个点，与围护墙体距离分别为3 m、6 m、9 m、12 m。监测数据所得的基坑外侧地表沉降分布如图4所示。

图4 地表沉降分布

从图4分析，最大地表沉降量Smax在56～110 mm之间变化，主要出现在距离基坑边约6 m位置，且在6～12 m范围分布比较平缓，处于基坑开挖主影响区域；紧邻围护墙体位置的沉降量在13～38 mm之间，为（0.20～0.38）Smax。

2.3 立柱沉降

图5 立柱隆起沉降变化曲线

本工程共布置12 个立柱沉降观测点（图1）。图5给出了北分块B1和南分块B1开挖后对应立柱隆起量变化情况。从图5分析，第3层土开挖即基坑开挖到底后，立柱隆起变形迅速增大，并超过设计报警值15 mm；在混凝土垫层完成前达到最大，混凝土垫层完成后，立柱隆起变形大致呈下降趋势，这种下降趋势在底板混凝土完成后更显著，直至趋于稳定值。

2.4 钢筋混凝土支撑轴力

混凝土支撑轴力监测点见图1所示，每个检测位置分为上、下道支撑轴力监测点。表2给出了第3层土开挖前后各支撑轴力变化。

表1 支撑轴力监测值

从表1分析，在第3层土开挖前，首道支撑轴力在3 572～4 934 kN之间。第3层土开挖后，首道混凝土的轴力减小，第2道混凝土支撑轴力快速增大，且累计轴力测值严重超出设计报警值4 730 kN。然而，这种快速变化止于混凝土垫层完成，在底板混凝土完成后趋于稳定。图6给出了Z1-2与Z2-2、Z1-8与Z2-8轴力变化情况。

图6 支撑轴力变化曲线

3 基坑变形性状

根据上述监测数据分析，对于以SMW工法桩为围护结构的超大深基坑工程，土方开挖引起的围护墙体水平位移、地表沉降和立柱隆起沉降等监测数据值很大，均超过设计或规范报警值；这种基坑变形性状随着开挖面土体暴露时间增长而显著增大，引起基坑趋于不稳定状态；混凝土垫层和底板的完成有效地控制了基坑变形发展，转变了这种不稳定变化趋势。

3.1 SMW工法桩围护墙体刚度

根据日本材料协会的试验结果，SMW工法桩围护墙体刚度可取1.2 倍插入型钢的刚度。对于Φ850 mm@650 mm三轴水泥土搅拌桩内插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型钢围护墙体，采用隔一插一布置方式，长1.2 m的围护墙体刚度为4.02×105kN·m2。根据围护墙体测斜数据，最大水平位移位于开挖面以下1.5～2.5 m，可得围护墙体的刚度参数0.19 MPa。根据土层物理力学参数确定土体强度系数，并根据围护墙体位移与墙体刚度系数关系，可以确定SMW工法桩支护体系属于柔性支护结构范围。

3.2 地表沉降

通过大量的工程数据和理论研究表明，基坑外地表沉降因素包括围护墙体水平位移和坑底土体隆起变形等，且围护墙体最大水平位移和最大地表沉降Smax存在线性相关性。根据本文工程监测数据分析，最大地表沉降Smax在之间，平均值为围护墙趾位移约为0.59dmax。由围护墙体下部土体位移引起的地表沉降量较大，空间效应显著。

为分析SMW工法桩围护墙体水平位移和地表沉降变化关系，绘制了最大地表沉降Smax和对应位置的最大围护墙体水平位移历时变化曲线图进行分析，结果显示：地表沉降随着围护墙体水平位移的增加而增大；在混凝土垫层、底板完成后，围护墙体水平位移趋于平缓，地表沉降仍在持续增大，但增加幅度显著减小。可以认为，由超孔隙水压力引起的地表沉降增幅迟于围护墙体的水平位移增幅。

4 结语

本文基于工程案例，讨论了SMW工法桩围护墙体的超大深基坑变形性状和受力特点，提出了控制软土超大深基坑变形的措施。主要体现在以下方面：

（a）对于饱和软黏土的超大深基坑工程，SMW工法桩围护墙体属于柔性支护结构，其最大水平位移范围是是现行规范水平位移估测值的上限；最大水平位移部位在开挖面以下（0.12～0.21）H范围；围护墙趾的水平位移在之间，是监控围护结构踢脚破坏的重要参数；

（b）以SMW工法桩为基坑围护结构的超大深基坑，最大地表沉降出现在（0.5～1.1）H范围，最大沉降量与围护墙体位移关系有Smax=（0.64～0.97）地表沉降发展滞后于SMW工法桩围护墙体的水平位移；

（c）对于竖向设置2 道混凝土支撑的饱和软黏土超大深基坑，首道混凝土支撑轴力随着开挖面土体暴露时间增长而呈减小趋势，2 道支撑轴力则急剧增大；

（d）对于饱和软黏土超大深基坑工程，基坑开挖面土体的暴露时间对基坑变形性状和支护体系受力影响显著，分小块开挖、及时完成混凝土垫层和底板结构等是控制基坑变形和稳定性的重要措施。