SMW工法三轴水泥土搅拌工艺在地基处理中的应用

季 安，杨金凯

(1.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013；2.河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

水泥土搅拌法是一种地基处理的常用方法，它利用水泥作为固化剂，通过特制的搅拌机械，就地将地基土和水泥强制搅拌，使软土硬化成为水泥土，硬化后的水泥土具有一定的整体性、水稳性和抗渗性，从而达到提髙地基强度、增大地基变形模量和改善地基抗渗性能的目的。根据轴数不同，水泥土搅拌法分为单轴、双轴、多轴等搅拌工艺。

SMW工法又被国内称为型钢水泥土搅拌桩(墙)工法，SMW工法最早于20世纪70年代由日本工程技术人员提出，目前，该工法完成的地下连续墙已占日本全部地下连续墙的一半以上，近年来，该工法在我国的沿海地区得到迅速推广应用。SMW工法是利用特殊的多轴搅拌机在原位钻进切削土体，同时，在钻头末端将水泥浆液注入土体内，在充分搅拌混合之后，在各施工单元之间采取重叠搭接施工，在水泥与土混合物未硬化之前，将H型钢或其他型材插入搅拌桩，以形成具有一定强度和刚度的连续且完整的地下连续墙，该工法形成的连续墙可作为基坑开挖的支护和防渗结构。三轴型钻掘搅拌工艺在SMW工法中是最常用的，该工艺可应用在黏性土、粉土、砂土、砂砾土等土层，甚至可用于单轴抗压强度60MPa以下的岩基层，处理深度可达60m以上，施工周期也短于其他施工方法，在正常的地质条件下，每一台班可成墙70～80m2，由于采用的设备不同，三轴搅拌机成桩强度及桩身均匀性明显优于传统的单轴、双轴搅拌机，具有处理深度大、施工周期短、可靠性高等许多优点。目前SMW工法三轴水泥土搅拌工艺在国内主要应用于深基坑支护，一些市政工程已经开始尝试应用于水泥土搅拌桩复合地基处理，例如在上海浦东国际机场二期地下联络通道工程中，采用了SMW工法三轴搅拌工艺进行了地基加固，解决了深厚软弱地基承载力不足的问题[5]。

水泥土搅拌桩在水利行业中广泛应用于防渗、围封和复合地基处理等，但主要是单轴、双轴或多头小直径搅拌工艺，单轴水泥土搅拌桩一般桩径为0.5～0.6m，双轴一般桩径为0.7～0.8m，处理深度一般在20m以内[1]，尚未见SMW工法三轴水泥土搅拌桩工艺应用于水利行业地基处理的工程实例。

1 工程概况

山东省黄水东调应急工程是山东省委、省政府为解决胶东地区水资源短缺，优化全省水资源配置实施的大型跨流域应急调水工程，加压泵站工程是该项目的控制性节点工程，其任务是将东营市广南水库沉沙池及水库蓄水加压后经输水管道输送至潍北第二平原水库。泵站设计流量15m3/s，泵站最低扬程25.80m，最高扬程56.86m，设计扬程49.46m。

加压泵站工程主要建筑物包括泵房、副厂房、节制闸、前池及进水池、连通涵洞等。工程布置在调蓄水库沉沙池内，整个站区由土方填筑而成，填筑高度约4.5m，平台顶高程6.20m。泵房内设8台卧式离心泵，机组间距8.30m，主厂房底板总长度81.90m，分为3联，其中左边联长27.75m，中联长度24.90m，右边联长度28.25m，每联之间设沉降缝，泵房净宽14.0m，设电动双梁桥式起重机1台，如图1所示。

加压泵站泵房底板底高程-3.50m，坐于砂壤土底部，该层呈松散状态，标准贯入锤击数小值平均值为7.0击，为松软地基土，力学强度较低，下伏的壤土呈软塑～可塑状态，局部流塑，力学强度低且不均一，具中等-高压缩性，该层为软弱下卧层。

图1 加压泵站布置示意图

2 问题的提出

加压泵站站址位于东营市广南水库沉沙池填土平台内，地基土为中-高压缩性软弱土，自身荷载以及场区填土荷载产生的附加应力对泵房沉降及不均匀沉降影响较大。根据地基沉降计算，在原状地基情况下，泵房最大沉降量为24.6cm，沉降差7.1cm，横向倾斜率0.01，地基变形不能满足相关规范要求，为确保水泵机组、桥式起重机能够安全运行，需采取地基处理措施，通过堆载预压、灌注桩基础、水泥土搅拌桩复合地基等方案比较，推荐采用水泥土搅拌桩复合地基，最大处理深度27m，根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》，水泥土搅拌桩加固深度不宜大于20m，该工程的地基处理深度超出了规范规定，如采用传统水泥土搅拌桩施工机械，难以达到设计桩长，且成桩质量难以保证；另外，泵房地基水泥土搅拌桩总进尺62000m，常规水泥土搅拌桩工艺施工进度慢，难以满足应急供水工程的工期要求。

3 SMW工法三轴水泥土搅拌桩在本工程的应用

加压泵站为黄水东调应急供水工程的控制性关键节点工程，为确保地基处理达到设计要求，加快施工进度，鉴于SMW工法三轴搅拌钻机较传统搅拌钻机具有处理深度大、施工进度快、可靠性强等优点，经咨询、论证，确定将SMW工法三轴水泥土搅拌桩工艺应用到加压泵站泵房地基处理，三轴水泥土搅拌桩单轴直径850mm，桩长27m，顺水流向桩间距1.5m，垂直水流向间距2.4m，处理范围至泵房底板轮廓线外5m。

SMW工法三轴水泥土搅拌桩施工工艺技术参数见表1，成桩示意图如图2所示。在施工过程中，根据设计中标明的桩底高程，使螺杆保持恒速旋转，以恒速向下钻进，以恒速升起，根据钻进和提升两种不同的速度，同时注入水泥浆，水泥掺量为20%。水灰比为1.5～2.0(视现场实际情况而定)，并采用高压喷气将水泥和土体充分搅拌，保证整桩搅拌均匀，确保搅拌桩的成桩质量。

根据施工完成后的检验报告，采用SMW工法三轴水泥土搅拌桩处理后，桩长及成桩完整性满足要求，单桩承载力及复合地基承载力均满足设计要求。加压泵站工程于2017年3月完工，泵房沉降量小于1cm，满足设计和规范要求，为确保水泵安全提供了良好的基础条件，至2019年底，该泵站已经安全、稳定运行近2年，向供水目标输水约1亿m3，对保障山东省胶东地区生活、生产、生态用水安全，优化全省水资源配置发挥了重要作用。

表1 三轴搅拌桩技术参数表

图2 三轴搅拌桩成桩示意图

4 结语

(1)常规水泥土搅拌桩在水利行业中广泛应用于防渗、围封和复合地基处理等，主要是采用单轴、双轴或多头小直径搅拌工艺，处理深度一般在20m以内，而SMW工法三轴搅拌工艺工效高，最大处理深度可达60m。在山东省黄水东调应急工程加压泵站工程设计工作中，将SMW工法三轴搅拌工艺应用到泵房深厚软弱地基处理，成功解决了本工程水泥土搅拌桩处理深度大、工期紧的难题，为类似水利工程地基处理提供了参考。

(2)SMW工法三轴搅拌工艺不可以简单套用常规水泥土搅拌工艺指标，两者在水泥掺入量、水灰比等技术指标均有所不同，在进行水泥土搅拌桩复合地基设计时，应根据不同的搅拌工艺，合理确定技术参数。

(3)SMW工法三轴搅拌工艺虽然具有处理深度大、工效高等优点，但施工费用较常规搅拌工艺高约20%，因此，在具体工程中采用哪一种工艺，需要综合考虑处理深度、工期和投资等多种因素，经技术经济比较后选定。