上海地区smw工法应用分析

上海地区smw工法应用分析

smw（共同语言）的工作方法是日本成辛工业公司的一项专利。它是采用多轴型钻掘搅拌机进行施工，把单个劲性桩体（即在深层水泥土搅拌桩桩身中插入型钢）连续并排形成地下柱列式挡土结构，起到防水抗渗、支护的作用。SMW工法具有工期短、造价低、止水性好、对周围地基影响小（无挤土）、环境污染小（无噪声、无振害）等优点。目前SMW工法在上海基坑工程中得到广泛的应用，已成为上海地区软土地层工程中中等深度基坑（6～10m）开挖的主要围护结构形式之一。但上海地区自引进并采用SMW工法后，工程事故时有发生，原因是上海地区采用SMW工法进行施工时，其环境条件、所用施工设备、材料、工艺、工程价格等与原设计理论均有较大差异。另外，目前有关SMW工法设计、施工的规范及相关定额尚未出台，因此SMW工法在上海地区施工中遇见的问题更值得探讨。1针对上海不同的环境条件和差异，颁布了《smw法》适用的环境条件和差异1.1区域地质情况SMW工法劲性水泥土搅拌桩特别适合以黏土和粉细砂为主的松软地层。上海地区虽多为以上土体，但也有些区域地貌及地质情况变化较大。在实际施工中经常会遇到地下淤泥层、孤石、暗浜等。这些地质易妨碍基坑结构整体性，因此基坑施工不建议采用SMW工法。在采用SMW工法施工过程如突遇上述情况，地基必须适当处理，同时必须备有紧急预案，否则工程安全性将得不到保证。1.2地下管线改造由于SMW工法采用的是大型高耸施工设备（搅拌桩机高度均在20～30m;H型钢长约18m），因此对施工现场空间要求较高，净空高度要求大于30m。对地下环境，要求不可搬迁的管线应极少。在上海地区，尤其是市区工地要满足以上条件较困难。因为上海的市区道路两侧架空线和重要公共设施较多，同时地下管线情况非常复杂。因此，为不影响SMW工法劲性水泥土搅拌桩结构整体性，必须做好基坑周边公共地下管线的管线加固和周边结构的局部加强、抗渗措施。如多排桩式、局部高压旋喷桩补桩、墙后预埋单向阀注浆管等。2上海的smw技术施工与原设计理论之间的差异2.1压弯试验和理论试验对减水剂、设备和工艺的影响劲性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，理论上认为：水土侧压力全部有H型钢单独承担；水泥土搅拌桩的作用在于抗渗止水，作为一种安全储备加以考虑。此外，两者共同工作时，水泥土对H型钢的包裹作用提高了H型钢的刚度，可起到减少位移的作用；同时水泥土又起到了套箍作用，可防止H型钢失稳（特别是翼缘失稳），节省了用钢量。日本材料协会也曾进行过H型钢与水泥土共同作用的试验研究。试件在现场养护70d后进行压弯试验并与同尺寸H型钢在一般荷载（可认为试件未达到破坏且处于弹性工作状态时）下作对比，刚度的提高系数为劲性桩的弹性模量、惯矩与H型钢的弹性模量、惯矩之比，约提高20%。目前在国内还未能查阅到有关劲性桩的试验数据。在上海地区实际工程中的参数与上述试验数据和理论计算存在较大差异。在上海地区基坑工程中较多采用的是国产仿制或自制的双轴型钻掘搅拌机而非SMW工法理论设定的日本产多轴型钻掘搅拌机。由于技术、设备、施工等工艺参数不同，使得水泥土搅拌桩关键的垂直度、均匀性、整体性不能得到保证，从而使水泥土搅拌桩的安全储备性能受到极大削弱。同时，理论上水泥搅拌土养护龄期为70d，同上海地区实际工程设计、施工中28d标准强度和弹性模量不同；实际施工中的灰水比同理论上亦存在极大差异。因此各施工单位应充分考虑到本身的实际情况，并在设备和工艺上提高，尽量向理论靠拢，否则，易导致工程事故发生。案例一：2003年11月某地铁暗埋段区间隧道发生基坑坍塌事故。其中约75m长区段的SMW工法围护墙整体下沉740mm，基底隆起600mm，同时引起水泥土搅拌桩破坏，施工便道沉陷。经分析其水泥土搅拌桩中水泥土均匀性差（施工质量差）造成设计中假设的板式支护模型失效是事故主要原因。2.2抗弯验算和抗剪验算SMW工法挡墙内力计算模式类似RC壁式地下墙。理论上采用等刚度法仅将H型钢换算成一定厚度的壁式地下墙，通过计算每延米壁式地下墙的内力MW、QW及位移UW再换算至每根H型钢的内力MP、QP及位移UP。强度验算分抗弯、抗剪验算。抗弯验算考虑弯矩全部由H型钢承担；抗剪验算又分H型钢和水泥土局部抗剪验算。SMW工法的计算是根据日本的施工情况，其地下连续墙所用H型钢的回收率接近零。上海地区实际工程中，多采用施工单位自制的H型钢。这些型钢多为手工焊缝，焊接工艺不规范、水平不稳定，焊缝质量得不到保证。上海地区的H型钢为循环使用，型钢经多次循环利用易发生锈蚀、变形受损，这与理论计算模式产生差异。上述因素综合在一起，使H型钢达不到使用要求，从而导致了工程事故的发生。案例二：2003年3月某地铁车站风井基坑（36m×16m×13m）开挖施工中，挖土近设计标高时发生基坑一侧地下墙整体滑移、支撑脱落、基底隆起。经分析，其H型钢质量差，受力后焊缝开裂且侧向失稳是基坑发生坍塌事故的重要原因。2.3围体系方面存在的问题围檩体系是SMW工法围护墙设计的重要组成部分。围檩体系保证了墙体的整体刚度，并与支撑形成共同受力的稳定体系，以达到控制墙体位移的目的。SMW工法围护墙起作用的关键是其整体性，如同木桶的每一块木板，包含受力的相互传递、应变的相互牵制以及应力的重分配，以防止应力突变。桩墙支撑、围檩体系（包括顶圈梁）不仅起到上述作用，并一定程度上提高了安全系数。上海地区的部分施工单位对围檩体系的重要性认识不足，普遍存在局部围檩刚度不足、围檩接头刚度不足、围檩与局部墙体间隙大等缺陷，削弱了墙体的整体性，影响基坑安全。从大量工程事故原因分析，此类缺陷虽不是工程事故的主导因素，却是引起连锁反应、造成事故范围扩大化的重要因素。上海市政道桥工程采用SMW工法，基坑常为长而较窄型，支撑结构体系多采用钢结构单跨压杆式支撑，有材料损耗小、施工速度快、可施加预紧力以合理控制基坑变形等优点。但目前，就围檩体系的安全性而言，在设计、施工、监理等方面存在诸多问题，成为工程事故发生的一大因素。究其原因主要有以下几点：1）部分道桥专业设计单位不仅对SMW工法理论、工艺不了解，而且私自将设计权交给施工单位，也不再进行审核。2）施工单位在未详细分析现场地质情况下凭经验施工，私自改变围檩体系施工图。3）施工中横向支撑不及时，未遵循“先撑后挖、分层开挖”的原则。案例三：2003年1月30日沪闵高架道路二期某标段人行地道工程发生坍塌事故。案例四：2003年3月27日轨道交通明珠线二期某车站2号风井基坑开挖工程施工中发生坍塌事故。4）施工中横向支撑轴力不足，预加轴力系统不标定，导致施工现场轴力失控。上述案例二、三、四中，这一因素是事故发生的重要原因。5）监理专业能力不足，工作失控。3其它相关问题SMW工法由于具有施工工期短、造价低、止水性好、对周围地基影响小等优点，在上海地区应用较广。但在实际应用过程中，应充分考虑外界因素对基坑的影响，并加强管理。以下所列问题在SMW工法施工中较为突出。这些问题均可能产生基坑坍塌，会带来巨大的的经济损失和不良的社会影响。应在今后的施工中引以为戒。3.1处置不当的工程事故采用SMW工法施工，基坑内降排水工艺较为成熟。但在施工过程中，施工单位对基坑外水源（如上水、雨污水管道渗水）影响基坑的考虑往往不足。处置不当易造成工程事故。案例五：2004年9月某地铁暗埋段区间隧道SMW工法基坑踢脚破坏，影响范围纵向约40m，坍塌处支撑弯曲失稳，西侧墙体严重位移，上沿外倾40cm、下沉120cm、坑底最大隆起2m。经分析，其原因是基坑外西侧雨水管处置不当引起渗漏，造成被动区土体水分增加，土体黏聚力、内摩擦角减小，土体强度下降，基坑外侧土体压力增加并大大超过设计，最终引起事故。3.2桩体强度检测分析水泥土强度问题一直是上海地区SMW工法实际施工中的薄弱环节。设计中要求水泥土28d标准强度一般取值为1.2MPa，并以此进行水泥土局部抗剪验算。但在实际工程特别是已发生事故的工程中，根据市有关权威部门对水泥土进行的强度钻芯取样抽检的检测数据反映，水泥土强度的离散性极大，个别只有0.05MPa，普遍地未达到设计要求值。主要由以下原因造成：1）个别试验检测单位水泥土取样不规范，利用钻机机头带出土做强度检测，样本失真。2）施工单位未针对不同土质采用合理的施工喷浆量，特别是不良土质如淤泥质黏土、腐殖土，使桩体强度沿深度变化各不相同，并形成薄弱面，局部强度不足。3）钻掘搅拌机喷浆计量装置不准确，或是因搅拌施工中钻头转速和升降速度变化而使浆液溢出量偏多（施工中注入地层的浆液会部分溢出地面），使得实际施工喷浆量达不到设计要求。4）由于施工设备性能原因，尤其是国产仿制或自制的双轴型钻掘搅拌机，土体切碎、搅拌不均匀。3.3产生释解的外来基承载力在基坑围护的转折处如角隅等部位是其薄弱环节。由于应力突变作用产生额外受力，目前理论上尚无法计算，应视实际情况作局部加强，一般做法是沿原轴线向基坑外延伸若干距离成交叉或进行多排加密。冷接缝也必须得到重视，要求套打（局部重复施工一个桩位，加强衔接）。3.4开挖支撑方案时空效应指进行基坑开挖和支撑施工过程中，每次开挖的空间几何尺寸和被开挖土体的暴露时间，与基坑围护和坑底的位移有明显的相关性。在软土地区，如上海地区土质具有较显著的流变性，基坑开挖的工作节奏、工序时间的控制显得尤其重要，这需要在施工组织设计中制定详细的开挖支撑方案，包括开挖步骤、范围，支撑的先后、所需的时间等，特别是基坑混凝土底板浇筑时间。由于目前关于时空效应没有理论计算模型，且缺乏有效的观测手段，学术界观点并不统一，但基坑的时空效应现象确实存在，应引起施工单位重视。3.5施工质量监测基坑数据监测环节较薄弱，一是监测项目不全面，二是施工时未能充分利用监测数据来指导施工，防范事故发生，使数据监测工作流于形式。在上述案例二、三、四的事故中，监测数据已曾发出预警，表明支撑轴力不足，体系已处于不安全状态，如当时能及时采取措施，即可避免事故发生。3.6基坑剪切破坏在采用SMW工法的基坑工程施工过程中，应对工法的每一个环节进行综合考虑，工程失败的原因可能只是个别薄弱环节被突破，影响到其他方面，又形成新的薄弱环节，造成连锁反应，继而整体破坏。案例六：上海某下立交地道工程基坑施工采用SMW工法。其开挖深度10.2m，采用22m的准850mmSMW工法内插H型钢，隔一插一，基坑内设准609mm钢支撑三道，无地基加固。2004年10月25日在素混凝土垫层浇捣即将结束时，基坑底部隆起、踢脚破坏，坍塌处钢支撑弯曲失稳，西侧支护墙体严重位移，顶圈梁和交通便道最大下陷2m，影响范围纵向约40m，滑坡边缘距基坑西侧围护墙最大为9m。但分析事故原因，内因是基坑西侧地基软弱，土体含水量较高，从而使坑底土体承载力过低；外因是西侧交通便道动载过大，设计时估计不足。两因素相互作用，造成基坑西侧土体发生剪切破坏。此时，SMW工法围护桩按常规入土深度施工（1.2倍基坑开挖深度）便显不足，土越过桩底部向基坑内涌入，坑底隆起，柱墙受力剧增，钢支撑弯曲失稳，影响范围扩大至40