SMW工法在地鐵深基坑中的應用

2　工程概況
嫩江路車站位于中原路、嫩江路交叉口，為地下一層半側式站臺車站，人行聯絡通道和電纜通道及環控通風通道設在頂板下夾層內。嫩江路中原路上交通繁忙，地下管線眾多，周邊緊鄰居民小區。車站施工期間中原路和嫩江路上交通不能斷，中原路現站位處有埋深6m的φ1 500污水管和φ2 460雨水管及埋深3mφ900給水管需搬遷車站一側。根據本車站的周圍環境分析，車站基坑變形控制保護等級為二級。
車站全長169.5m，站臺中心頂板覆土3.3m。標準段基坑開挖深度約12.3m，端頭井開挖深度約14m（此深度為目前地鐵基坑采用SMW方法施工的最大深度）。

3　地質概況
本工程場地屬長江三角洲入?？跂|南前緣的濱海平原地貌類型，微地貌上屬吳淞江古河道沉積區，由于吳淞江古河道的切割，場地缺失③層灰色淤泥質粉質粘土和④層灰色淤泥質粘土，代之以分布有厚達約18m的②3層砂質粉土。場地地形平坦，場地地面標高一般4.0m，站區內地下水屬潛水類型，穩定水位在地表以下0.5~1.0m。站區四周無污染源，地下水對砼無腐蝕。由上到下各土層主要力學指標見表1。
4　基坑圍護結構設計
4.1　圍護方案
車站基坑圍護采用SMW工法，車站基坑開挖深度為12.3~14m，采用進口φ850三軸勁性水泥土攪拌樁作圍護結構，內插 H700×300×13×24型鋼，建議水泥摻量不小于20%，水泥攪拌樁搭接200mm，H型鋼間距@1 200mm。標準段設3道φ609×16鋼管支撐，端頭井設4道φ609×16鋼管支撐，支撐間距一般為4.0m。樁頂做鋼筋砼圈梁兼作首道支撐圍囹，其余選用2H400×400×13×21雙拼作鋼圍囹。為減少圍護樁在基坑開挖時的位移，對鋼支撐施加預應力，其值為設計軸力的50%~70%。根據本車站基坑坑底土層為②3砂質粉土，透水性較強，對坑底采用降水加固方案。為降低車站造價，SMW樁中插入的H型鋼在車站結構施工完畢后拔除?；訃o支撐平面布置圖見圖1，基坑圍護橫斷面圖見圖2。
4.2　水泥攪拌樁計算
4.2.1　水泥土強度的確定
國家建筑標準(ＪＧＪ79-91)規定在深層攪拌樁作地基處理時以90d的無側限抗壓強度qu90作為標準強度,本文認為這對SMW擋土墻來說時間太長。分析國外資料并結合上海實際情況建議以28d的水泥土強度qu28作為標準強度比較合理。
由于不同水泥、不同土質、不同配合比的水泥土力學指標差異較大,因而水泥和外摻劑的摻入量必須以現場土做試驗,再確定其合理的配合比及水泥土的無側限抗壓強度qu28、彈性模量等參數指標。本工程設計中攪拌樁樁體在達到齡期28d后，鉆孔取心測試其強度，要求28d的無側限抗壓強度qu28不小于1.5MPa。水泥土的設計抗壓強度取fc=qu28/2，設計抗剪強度取τs=qu28/6。水泥攪拌樁計算簡圖見圖3。

4.2.2　型鋼凈間距L2的確定
因為水泥土在側向水土壓力的作用下,以“工”字型鋼為支點,當間距過大時,型鋼間的水泥土除受剪力、軸力外,還會產生彎曲應力,由于水泥土的抗拉強度很小,因此應控制型鋼間距,避免水泥土處于彎曲應力狀態,防止出現彎曲破壞。
型鋼凈間距尺寸要求L2＜=Bc+h+2e
由圖3可知Bc+h+2e=850+700+2×0=1550＞900經驗算滿足要求。
式中Bc——水泥土墻的有效厚度;
h——“工”字型鋼的高度;
e——“工”字型鋼形心軸與截面對稱軸的距離,規定“工”字型鋼形心軸靠近基坑內側為正。
4.2.3　水泥土強度驗算
水泥土強度要求驗算型鋼翼緣邊的水泥土抗剪強度和水泥土搭接處的抗剪強度，另外在側壓作用下,在水泥土內形成一拋物線承載拱,還要驗算拱的軸力強度。


由圖3可知：d1=795mm，d2＝602mm，L2=900mm，L3=600mm。
Q1=qL2/2,Q2=qL3/2
經驗算均滿足要求。
式中q——側壓力(kN/m2)；
d1——墻體有效厚度(ｍ)；
d2——水泥土搭接處厚度(ｍ)；
Bf——型鋼翼寬(ｍ)；
fc——水泥土的設計抗壓強度(kPa)。
4.2.4　入土深度的確定
SMW工法圍護墻入土深度的確定需確定兩部分入土深度,首先是H型鋼的入土深度Dh,Dh主要由基坑抗隆起穩定、圍護墻內力和變形不超過允許值及型鋼順利回收等條件決定。在進行圍護墻結構內力、變形和基坑抗隆起穩定分析時，圍護墻結構的深度僅計算到型鋼底端。經計算：標準段Dh=11.5m,取型鋼長度Lh=24m，端頭井Dh=12m,取型鋼長度Lh=26m。
其次是水泥土攪拌樁的入土深度Dc，Dc主要由3個方面決定：（1） 確定坑內降水不影響基坑以外環境；（2） 防止管涌發生；（3） 防止底鼓發生。取以上條件中入土深度的最大值作為水泥土樁最終入土深度值，同時應滿足Dc≥Dh。經計算得標準段Dc=12.5m,水泥土樁長Lc=25.5m。端頭井Dc=13m,水泥土樁長Lc=27.5m。
4.3　基坑穩定性分析
SMW工法屬于板式支護體系，其穩定性分析按規范板式支護有關公式計算。經驗算均滿足規范要求。計算結果如下：
基坑墻底抗隆起：
K＝3.05（標準段）K＝2.87（端頭井）
基坑坑底抗隆起：
K＝2.56（標準段）K＝2.5（端頭井）
基坑抗傾覆穩定性：
K＝1.2（標準段）K＝1.15（端頭井）
抗管涌驗算：
坑外地下水位取最不利季節性水位為地面以下0.5m，坑內地下水位考慮坑內降水取坑底以下3m。
K＝2.3（標準段）K＝2.2（端頭井）
4.4　圍護墻內力位移計算
SMW工法采用等剛度代換為一定厚度鋼筋砼地下墻，沿車站縱向取單位長度采用桿系有限元法計算。因考慮Ｈ型鋼拔除，SMW工法圍護墻組合剛度不計水泥攪拌樁的剛度貢獻，即僅計入Ｈ型鋼的剛度。地層的被動抗力采用彈性鏈桿代替，地層對圍護結構的作用采用一系列考慮時空效應的等效彈簧進行模擬。圍護結構劃分為梁單元，支撐為僅受軸力的桿單元并施加預應力。計算時模擬施工全過程，根據“先變形，后支撐”的原則，計入結構的先期位移值以及支撐的變形，并計算結構回筑階段各工況的內力組合，分階段按豎向彈性地基梁法進行計算。地面超載取20kN/m2，地下水位取地面以下0.5m，作用在圍護樁上的水土側壓力采用水土分算，c，φ取固快剪峰值。地基土彈簧壓縮系數K=10 000kN/m3。經計算，各階段內力和位移包絡圖見圖4和圖5。由圖可以看出:最大水平位移:fmax=40.7mm，最大彎矩:Mmax=617kN·m，發生在坑底附近。

4.5　圍護結構形式的比較
目前,上海地區地鐵車站基坑圍護墻體采用的結構形式一般都為地下連續墻（單墻或雙墻），不論單墻還是雙墻，其工程造價均較高,對環境的影響、污染均較大。與之相比較，SMW工法有如下優點：
(1) 在現代城市修建地鐵，經?？拷ㄖ锛t線施工，SMW工法在這方面具有相當優勢,其中心線離建筑物的墻面80ｃｍ即可施工,這也是其他工法所無法比擬的。
(2) 消除泥漿污染公害,促進城市文明建設。隨著城市管理的規范化，由施工造成的泥漿污染成為日趨嚴重的問題。地下連續墻由自身的特性決定,在施工時將形成大量泥漿需外運處理，而SMW工法僅在施工后期將置換出來并已固結的干土外運。
(3) 施工效率高,縮短工程建設周期,降低圍護結構成本。SMW工法構造簡單,施工速度快,可大幅縮短工期。根據本站工程實踐,每臺攪拌機每晝夜可施工基坑周長在10～20ｍ左右。另外，SMW工法用于圍護墻體,其成本約為地下墻結構的70%,若考慮型鋼回收可以降到５0%，在現有圍護結構中是最低的。
（4） 因SMW工法作圍護結構與主體結構分離，主體結構側墻可以施工外防水，與地下連續墻相比車站結構整體性和防水性能均較好，可降低車站后期運營維護成本。

5　結語
（1） 通過上海M8線嫩江路車站采用SMW工法的工程實踐，證明整個地鐵車站全部采用SMW工法施工是可行的，而且大大降低了工程造價，加快了工程進度，取得了良好的經濟社會效益。
（2） 由于現行的設計規范缺乏SMW工法的計算依據，制約了SMW工法在我國基坑支護工程中的推廣應用。本文對SMW工法的設計和計算進行了初步歸納和總結，以便在今后的工程實踐中更好的加以運用。