SMW工法是Soil-Mixing Wall的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早由日本成幸工業(yè)株式會(huì)社開(kāi)發(fā)成功。SMW工法是利用專(zhuān)門(mén)的多軸攪拌機(jī)就地鉆進(jìn)切削土體，同時(shí)在鉆頭端部將水泥漿液注入土體，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌虾螅賹型鋼或其他型材插入攪拌樁體內(nèi)，形成地下連續(xù)墻體，利用該墻體直接作為擋土和止水結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，止水性能好，工期短，造價(jià)低，環(huán)境污染小，特別適合城市中的基坑工程。
2 工程概況
嫩江路車(chē)站位于中原路、嫩江路交叉口，為地下一層半側(cè)式站臺(tái)車(chē)站，人行聯(lián)絡(luò)通道和電纜通道及環(huán)控通風(fēng)通道設(shè)在頂板下夾層內(nèi)。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(qū)。車(chē)站施工期間中原路和嫩江路上交通不能斷，中原路現(xiàn)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(chē)站一側(cè)。根據(jù)本車(chē)站的周?chē)h(huán)境分析，車(chē)站基坑變形控制保護(hù)等級(jí)為二級(jí)。
車(chē)站全長(zhǎng)169.5m，站臺(tái)中心頂板覆土3.3m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖深度約12.3m，端頭井開(kāi)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(zhì)概況
本工程場(chǎng)地屬長(zhǎng)江三角洲入海口東南前緣的濱海平原地貌類(lèi)型，微地貌上屬吳淞江古河道沉積區(qū)，由于吳淞江古河道的切割，場(chǎng)地缺失③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和④層灰色淤泥質(zhì)粘土，代之以分布有厚達(dá)約18m的②3層砂質(zhì)粉土。場(chǎng)地地形平坦，場(chǎng)地地面標(biāo)高一般4.0m，站區(qū)內(nèi)地下水屬潛水類(lèi)型，穩(wěn)定水位在地表以下0.5~1.0m。站區(qū)四周無(wú)污染源，地下水對(duì)砼無(wú)腐蝕。由上到下各土層主要力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。
4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 圍護(hù)方案
車(chē)站基坑圍護(hù)采用SMW工法，車(chē)站基坑開(kāi)挖深度為12.3~14m，采用進(jìn)口φ850三軸勁性水泥土攪拌樁作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)段設(shè)3道φ609×16鋼管支撐，端頭井設(shè)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(hù)樁在基坑開(kāi)挖時(shí)的位移，對(duì)鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力，其值為設(shè)計(jì)軸力的50%~70%。根據(jù)本車(chē)站基坑坑底土層為②3砂質(zhì)粉土，透水性較強(qiáng)，對(duì)坑底采用降水加固方案。為降低車(chē)站造價(jià)，SMW樁中插入的H型鋼在車(chē)站結(jié)構(gòu)施工完畢后拔除。基坑圍護(hù)支撐平面布置圖見(jiàn)圖1，基坑圍護(hù)橫斷面圖見(jiàn)圖2。
4.2 水泥攪拌樁計(jì)算
4.2.1 水泥土強(qiáng)度的確定
國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)(ＪＧＪ79-91)規(guī)定在深層攪拌樁作地基處理時(shí)以90d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu90作為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度,本文認(rèn)為這對(duì)SMW擋土墻來(lái)說(shuō)時(shí)間太長(zhǎng)。分析國(guó)外資料并結(jié)合上海實(shí)際情況建議以28d的水泥土強(qiáng)度qu28作為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度比較合理。
由于不同水泥、不同土質(zhì)、不同配合比的水泥土力學(xué)指標(biāo)差異較大,因而水泥和外摻劑的摻入量必須以現(xiàn)場(chǎng)土做試驗(yàn),再確定其合理的配合比及水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu28、彈性模量等參數(shù)指標(biāo)。本工程設(shè)計(jì)中攪拌樁樁體在達(dá)到齡期28d后，鉆孔取心測(cè)試其強(qiáng)度，要求28d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu28不小于1.5MPa。水泥土的設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度取fc=qu28/2，設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度取τs=qu28/6。水泥攪拌樁計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。
4.2.2 型鋼凈間距L2的確定
因?yàn)樗嗤猎趥?cè)向水土壓力的作用下,以“工”字型鋼為支點(diǎn),當(dāng)間距過(guò)大時(shí),型鋼間的水泥土除受剪力、軸力外,還會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,由于水泥土的抗拉強(qiáng)度很小,因此應(yīng)控制型鋼間距,避免水泥土處于彎曲應(yīng)力狀態(tài),防止出現(xiàn)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(jīng)驗(yàn)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(duì)稱(chēng)軸的距離,規(guī)定“工”字型鋼形心軸靠近基坑內(nèi)側(cè)為正。
4.2.3 水泥土強(qiáng)度驗(yàn)算
水泥土強(qiáng)度要求驗(yàn)算型鋼翼緣邊的水泥土抗剪強(qiáng)度和水泥土搭接處的抗剪強(qiáng)度，另外在側(cè)壓作用下,在水泥土內(nèi)形成一拋物線承載拱,還要驗(yàn)算拱的軸力強(qiáng)度。
由圖3可知：d1=795mm，d2＝602mm，L2=900mm，L3=600mm。
Q1=qL2/2,Q2=qL3/2
經(jīng)驗(yàn)算均滿足要求。
式中q——側(cè)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(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度(kPa)。
4.2.4 入土深度的確定
SMW工法圍護(hù)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(wěn)定、圍護(hù)墻內(nèi)力和變形不超過(guò)允許值及型鋼順利回收等條件決定。在進(jìn)行圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形和基坑抗隆起穩(wěn)定分析時(shí)，圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)的深度僅計(jì)算到型鋼底端。經(jīng)計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)段Dh=11.5m,取型鋼長(zhǎng)度Lh=24m，端頭井Dh=12m,取型鋼長(zhǎng)度Lh=26m。
其次是水泥土攪拌樁的入土深度Dc，Dc主要由3個(gè)方面決定：（1） 確定坑內(nèi)降水不影響基坑以外環(huán)境；（2） 防止管涌發(fā)生；（3） 防止底鼓發(fā)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(shí)應(yīng)滿足Dc≥Dh。經(jīng)計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)段Dc=12.5m,水泥土樁長(zhǎng)Lc=25.5m。端頭井Dc=13m,水泥土樁長(zhǎng)Lc=27.5m。
4.3 基坑穩(wěn)定性分析
SMW工法屬于板式支護(hù)體系，其穩(wěn)定性分析按規(guī)范板式支護(hù)有關(guān)公式計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果如下：
基坑墻底抗隆起：
K＝3.05（標(biāo)準(zhǔn)段）K＝2.87（端頭井）
基坑坑底抗隆起：
K＝2.56（標(biāo)準(zhǔn)段）K＝2.5（端頭井）
基坑抗傾覆穩(wěn)定性：
K＝1.2（標(biāo)準(zhǔn)段）K＝1.15（端頭井）
抗管涌驗(yàn)算：
坑外地下水位取最不利季節(jié)性水位為地面以下0.5m，坑內(nèi)地下水位考慮坑內(nèi)降水取坑底以下3m。
K＝2.3（標(biāo)準(zhǔn)段）K＝2.2（端頭井）
4.4 圍護(hù)墻內(nèi)力位移計(jì)算
SMW工法采用等剛度代換為一定厚度鋼筋砼地下墻，沿車(chē)站縱向取單位長(zhǎng)度采用桿系有限元法計(jì)算。因考慮Ｈ型鋼拔除，SMW工法圍護(hù)墻組合剛度不計(jì)水泥攪拌樁的剛度貢獻(xiàn)，即僅計(jì)入Ｈ型鋼的剛度。地層的被動(dòng)抗力采用彈性鏈桿代替，地層對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用采用一系列考慮時(shí)空效應(yīng)的等效彈簧進(jìn)行模擬。圍護(hù)結(jié)構(gòu)劃分為梁?jiǎn)卧螢閮H受軸力的桿單元并施加預(yù)應(yīng)力。計(jì)算時(shí)模擬施工全過(guò)程，根據(jù)“先變形，后支撐”的原則，計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形，并計(jì)算結(jié)構(gòu)回筑階段各工況的內(nèi)力組合，分階段按豎向彈性地基梁法進(jìn)行計(jì)算。地面超載取20kN/m2，地下水位取地面以下0.5m，作用在圍護(hù)樁上的水土側(cè)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(shù)K=10 000kN/m3。經(jīng)計(jì)算，各階段內(nèi)力和位移包絡(luò)圖見(jiàn)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(fā)生在坑底附近。
4.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的比較
目前,上海地區(qū)地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)墻體采用的結(jié)構(gòu)形式一般都為地下連續(xù)墻（單墻或雙墻），不論單墻還是雙墻，其工程造價(jià)均較高,對(duì)環(huán)境的影響、污染均較大。與之相比較，SMW工法有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 在現(xiàn)代城市修建地鐵，經(jīng)常靠近建筑物紅線施工，SMW工法在這方面具有相當(dāng)優(yōu)勢(shì),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(wú)法比擬的。
(2) 消除泥漿污染公害,促進(jìn)城市文明建設(shè)。隨著城市管理的規(guī)范化，由施工造成的泥漿污染成為日趨嚴(yán)重的問(wèn)題。地下連續(xù)墻由自身的特性決定,在施工時(shí)將形成大量泥漿需外運(yùn)處理，而SMW工法僅在施工后期將置換出來(lái)并已固結(jié)的干土外運(yùn)。
(3) 施工效率高,縮短工程建設(shè)周期,降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)成本。SMW工法構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工速度快,可大幅縮短工期。根據(jù)本站工程實(shí)踐,每臺(tái)攪拌機(jī)每晝夜可施工基坑周長(zhǎng)在10～20ｍ左右。另外，SMW工法用于圍護(hù)墻體,其成本約為地下墻結(jié)構(gòu)的70%,若考慮型鋼回收可以降到５0%，在現(xiàn)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)中是最低的。
（4） 因SMW工法作圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)分離，主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻可以施工外防水，與地下連續(xù)墻相比車(chē)站結(jié)構(gòu)整體性和防水性能均較好，可降低車(chē)站后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。
5 結(jié)語(yǔ)
（1） 通過(guò)上海M8線嫩江路車(chē)站采用SMW工法的工程實(shí)踐，證明整個(gè)地鐵車(chē)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(jià)，加快了工程進(jìn)度，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。
（2） 由于現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范缺乏SMW工法的計(jì)算依據(jù)，制約了SMW工法在我國(guó)基坑支護(hù)工程中的推廣應(yīng)用。本文對(duì)SMW工法的設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行了初步歸納和總結(jié)，以便在今后的工程實(shí)踐中更好的加以運(yùn)用。
