关于SMW工法设计与施工

劲性水泥土搅拌连续墙（SMW工法）设计与施工近几年，随着城市快速建设，顶管施工已越来越普及，广泛运用于自来水管、煤气管、动力电缆、通信电缆等许多管道工程中。而顶管施工的工作井及接收井等也涉及大量的基坑工程，基坑深达6-12m。由于都是在城市中进行开挖，基坑周围通常存在交通要道、已建建筑或管线等各种构筑物，这就涉及到基坑开挖的一个很重要内容，要保护其周边构筑物的安全使用。而一般的基坑支护大多又是临时结构、投资太大也易造成浪费，但支护结构不安全又势必会造成工程事故。因此，如何安全、合理地选择合适的支护结构并根据基坑工程的特点进行科学的设计是基坑工程要解决的主要内容。劲性水泥土搅拌连续墙（SMW工法）特点是构造简单，止水性能好，工期短，造价低，环境污染小，特别适合城市中的深基坑工程。一．概述劲性水泥土搅拌连续墙支护结构又称SMW工法，利用专门的多轴搅拌机就地钻进切削土体，同时在钻头端部将水泥浆液注入土体，经充分搅拌混合后，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，利用该墙体同时具有承力与防渗两种功能的支护形式。该方法具有如下优点：（1）占用场地小。一般钢筋混凝土地下连续墙，墙体加导墙宽约1.0~1.2m；双头搅拌桩加灌注桩宽2m以上，而SMW工法一般单排为0.65~0.85m，国产设备双头搅拌桩为1.2m。（2）施工速度快。一般情况下施工周期可缩短30%左右。（3）对环境污染小，无废弃泥浆。（4）施工方法简单，施工过程中对周边建筑物及地下管线影响小。（5）耗用水泥钢材少，造价低。特别是H型钢能够回收，成本大大降低。SMW工法采用国产的双轴搅拌机，桩径为700mm、间距1000mm；采用进口的长螺旋多轴多组叶片的搅拌机，有桩径650mm、间距900mm和桩径850mm间距1200mm两种。插入型钢有轧制H型钢、槽钢、拉森板桩，也有用钢板焊接而成的H型钢。SMW支护结构的施工以水泥土搅拌桩为基础，因此凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都适合使用，特别是以粘土和粉性土为主的软土地区。SMW结构适用的基坑深度与施工机械有关，国内一般适用基坑开挖深度6~10m，国外已有开挖20m深度的例子。经过不断的工程实践，它极有可能逐步代替钻孔灌注桩围护，在某些工程中也有可能代替地下连续墙。二.SMW围护结构的设计1．设计依据：国家标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99上海市标准《基坑工程设计规程》DBJ08-61-972．设计采用软件：同济启明星深基坑支档结构分析计算软件FRWS4.03．SMW围护结构的受力分析劲性水泥土搅拌桩是在水泥土搅拌桩中插入受拉材料构成的，常插入H型钢。目前对水泥土与型钢之间的粘结强度的研究还不充分。很难想象，水泥土与型钢之间的粘结力可与混凝土与钢筋的粘结强度相比，也就很难认为水泥土与型钢是共同工作的。通常认为：水土侧压力全部由型钢单独承担；水泥土桩的作用在于抗渗止水。试验表明，水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的钢度，可起到减少位移的作用。此外，水泥土起到套箍作用，可以防止型钢失稳，对H型钢还可以防止翼缘失稳，这样可使翼缘厚度减小到很薄（甚至可以小于10mm）。4．SMW围护结构的稳定和变形计算基坑支护作为一个结构体系，应要满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。所谓承载能力极限状态，对基坑支护来说就是支护结构破坏、倾倒、滑动或周边环境的破坏，出现较大范围的失稳。一般的设计要求是不允许支护结构出现这种极限状态的。而正常使用极限状态则是指支护结构的变形或是由于开挖引起周边土体产生的变形过大，影响正常使用，但未造成结构的失稳。因此，基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护产生失稳，而在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。一般的支护结构位移控制以水平位移为主，主要是水平位移较直观，易于监测。水平位移控制与周边环境的要求有关，这就是通常规范中所谓的基坑安全等级的划分，对于基坑周边有较重要的构筑物需要保护的，则应控制小变形，此即为通常的一级基坑的位移要求；对于周边空旷，无构筑物需保护的，则位移量可大一些，理论上只要保证稳定即可，此即为通常所说的三级基坑的位移要求；介于一级和三级之间的，则为二级基坑的位移要求。一般较深的基坑,刚性要求较高的支护结构,可以配合多道内支撑体系,其位移较小,可控制在30mm之内。SMW围护结构稳定和变形计算包括如下内容：(1)整体稳定性验算(2)墙底坑底抗隆起验算(3)抗倾复验算(4)水平位移验算5．SMW围护结构构件的内力及强度验算：（1）竖向H型钢（或其他型材）的弯矩、剪力、各水平支撑处水平力计算(2)抗弯验算，考虑弯矩全部由竖向型钢承担，型钢应力需满足下式:σ=M／W≤[σ]M─计算弯矩(N-mm)W─型钢抵抗矩(mm3)[σ]─型钢允许拉应力（N/mm2）(3)抗剪验算抗剪分为两部份，一部分是型钢抗剪验算，一部分是水泥土局部抗剪验算a)型钢抗剪型钢剪应力需满足下式：τ=QS／Iδ≤[τ]τ─计算剪力(N)S─型钢面积矩(mm3)I─型钢惯性矩(mm4)δ─所验算点处的钢板厚度[τ]─型钢允许剪应力（N/mm2）b)水泥土局部抗震验算水泥土局部抗剪，仅指型钢与水泥土之间的错动剪应力而言设型钢之间的平均侧压力为q,则型钢与水泥土之间的错动剪力为：Q=q×L／2则水泥土局部抗剪需满足式:τ=Q／2b≤σtgφ+c／K式中τ─为所验算截面处的法向应力φ、c─水泥土的内磨擦角和粘聚力K─安全系数，一般取1.5L─为型钢净距2b─为水泥土宽度三．SMW工法施工流程a).开挖导沟b).设置导向围懔c).SMW搅拌桩定位d).搅拌桩施工（残土处理）e).型钢涂减磨材料f).插入型钢g).冠梁施工h).土方开挖水平围檩支撑施工底板、导墙及后靠施工j).顶管工艺施工k).型钢回收四．施工机械1．水泥土搅拌机SMW工法施工用搅拌桩机与一般水泥土搅拌桩机无大区别，主要是功率大，使成桩直径与长度更大，以适应大型型钢的压入。2．压桩（拔桩）机大型H型钢压入与拔出一般采用液压压桩（拔桩）机，H型钢的拔出阻力较大，比压入力大好几倍，主要是由于水泥结硬后与H型钢粘结力大大增加，此外，H型钢在基坑开挖后受侧土压力的作用往往有较大变形，使拔出受阻。水泥土与型钢的粘结力可通过在型钢表面涂刷减摩剂来解决，而型钢变形就难以解决，因此设计时应考虑型钢受力后.的变形不能过大。五.施工要点1．开挖导沟、设置围檩导向架在沿SMW墙体位置是需开挖导沟，并设置围檩导向架。导沟可使搅拌机施工时的涌土不致冒出地面，围檩导向則是确保搅拌桩及H型钢插入位置的准确，这对设置支撑的SMW墙尤为重要。围墙导向架应采用型钢做成，导向围檩间距比型钢宽度增加20~30mm，导向桩间距4~6m，长度10m左右。围檩导向架施工时应控制好轴线与标高。2．搅拌桩施工水泥掺入量和水灰比量SMW工法中确保工程质量和顺利施工的重要指标。水泥掺入量为定量时，水灰比小，水泥土强度就能保证。然而，水灰比小，水泥土的粘稠度高，H型钢插入的阻力就大。水灰比大，H型钢一般能依靠自重插入，但水泥土强度达不到预定要求。为确保水泥土强度≥1.2MPa，又使H型钢能顺利插入，采用水泥掺入量高，水灰比大的方法。一般水泥掺入量＞20%，水灰比1.6~2.0。在水泥浆液中适当增加木质素黄酸钙的掺量，以减小水泥浆液在注浆过程中的堵塞现象。也可掺入一定量的膨润土，利用其保水性提高水泥土的变形能力，不致引起墙体开裂，对提高SMW墙的抗渗性能很有效果。3．型钢的压入与拔出型钢可采用压桩设备压入搅拌桩内。H型钢应平直、光滑、无弯曲、无扭曲。轧制型钢或工厂定型型钢在插入前应校正平直度。当基坑开挖深度D≤10m时，可考虑H型钢的完整回收。施工前应进行型钢抗拔验算与拉拔试验，以缺保型钢的顺利回收。