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研究課題
SMW工法簡介
字體大。   發布時間:2011-8-30   關閉窗口 

型鋼水泥土攪拌墻,通常稱為SMW工法(Soil Mixing Wall),是以多軸型鉆掘攪拌機在現場向一定深度進行鉆掘,同時在鉆頭處噴出水泥系強化劑而與地基土反復混合攪拌,在各施工單元之間則采取重疊搭接施工,然后在水泥土混合體未結硬前插入H型鋼或鋼板作為其應力補強材,至水泥結硬,便形成一道具有一定強度和剛度的、連續完整的、無接縫的地下墻體。
SMW工法是基于深層攪拌樁施工工藝發展而來,這種結構充分發揮了水泥土混合體和型鋼的力學特性,具有經濟、工期短、隔水性強、對周圍環境影響小等特點。SMW圍護結構的地下室施工完成后,可以將H型鋼從水泥土攪拌樁中拔出,達到回收和再次利用的目的。在倡導建設節約型和循環經濟的社會,實現可持續發展的今天,推廣應用該工法更加具有現實意義。
一、型鋼水泥土攪拌墻工作機理
型鋼水泥土攪拌墻實質上是由型鋼和攪拌樁組成的一種復合圍護結構。目前對水泥土與型鋼之間黏接強度的研究還不充分,一般認為水泥土與型鋼之間的黏接是一種柔性黏結,其黏結強度不能與混凝土與鋼筋之間的剛性黏結相比。因此通常認為水土側壓力全部由型鋼承擔,水泥土攪拌樁的主要作用是抗滲截水,但這并不是意味著水泥土攪拌樁對型鋼不起作用,試驗研究表明水泥土對型鋼的包裹作用能夠提高型鋼的剛度,防止型鋼失穩。
型鋼水泥土攪拌墻的應用設計主要需確定型鋼的入土深度、水泥土攪拌樁入土深度、型鋼截面的選擇以及型鋼的間距。型鋼常規布置形式有:密插、插二挑一和插一跳一三種,則如圖-1所示,

圖-1 型鋼布置形式
二、SMW的施工順序和工藝流程
2.1 SMW施工順序
三軸水泥土攪拌樁應采用套接一孔施工。為保證攪拌樁質量,在土性較差或者周邊環境較復雜的工程,攪拌樁底部采用復攪施工。對沿海軟土地區,攪拌樁的施工順序一般采用以下兩種方式:
(1) 跳打方式
該方式適用于N(標貫基數)值50以下的土層。施工時先施工第一單元,然后施工第二單元。第三單元的A軸及C軸分別插入到第一單元的C軸孔及第二單元的A軸孔中,完全套接施工。依次類推,施工第四單元和套接的第五單元,形成連續的水泥土攪拌墻體,如圖-2所示。

圖-2 跳打方式施工順序
(2) 單側擠壓式
該方式適用于N值50以下的土層,一般在施工受限制時采用,如:在圍護墻體轉角處,密插型鋼或施工間斷的情況下。施工順序如圖-3所示,先施工第一單元,第二單元的A軸插入第一單元的C軸中,邊孔套接施工,依次類推施工完成水泥土攪拌墻體。


圖-3 單側擠壓式施工順序
2.2 SMW施工工藝流程
型鋼水泥土攪拌墻的施工工藝是由三軸鉆孔攪拌機,將一定深度范圍內的地基土和由鉆頭處噴出的水泥漿液、壓縮空氣進行原位均勻攪拌,在各施工單元間采取套接一孔法施工,然后在水泥土未結硬之前插入H型鋼,形成一道有一定強度和剛度,連續完整的地下連續墻復合擋土截水結構。施工工藝流程圖如圖-4所示。


圖-4 SMW施工工藝流程圖
三、SMW施工機械
SMW工法與傳統的深層攪拌樁施工的區別在于,深層攪拌樁是采用傳統的雙軸十字頭攪拌鉆機,施工時水泥漿液充填在原土間隙中;而SMW工法采用的新型三軸中空葉片螺旋式攪拌機則在充填水泥漿時加入高壓空氣,同時鉆機對水泥土進行充分攪拌,并置換出大量原狀土。
由于采用的設備不同和成樁機理不同,新型的三軸鉆機成樁的樁體強度及樁身均勻性明顯優于傳統的雙軸鉆機,樁體的垂直性、樁與樁的平行性和搭接程度都十分良好,保證了優良可靠的防水性能,同時也有利于型鋼的插入和回收。
1996年至1997年,國內開始從日本引進三軸水泥土攪拌機整套施工機械設備。經過十幾年時間的實踐應用,型鋼水泥土攪拌墻施工工藝和施工機械逐步成熟,尤其在沿海軟土地區積累了比較豐富的經驗,并在實踐過程中對原有施工機械進行不斷的改良,使之更符合中國國情。如為了擴大型鋼水泥土攪拌墻的應用深度,開發了加接鉆桿施工工藝;為了加強三軸水泥土攪拌樁的均勻性和止水效果,TRD工法等更先進的施工機械和工藝開始出現。

圖-5 三軸深層攪拌樁機DH508型

圖-6 三軸深層攪拌樁機DH608型

圖-7 三軸深層攪拌樁機JB160型

圖-9 鉆頭類型

圖-10 型鋼拔除專用機具

圖-11 三軸攪拌樁施工現場

圖-12 履帶式吊車
四、SMW相對傳統工法的優勢
SMW工法作為開挖深度在6~10米的基坑圍護形式,同地下連續墻、組合排樁(咬合式鉆孔灌注樁或鉆孔灌注樁+水泥攪拌樁隔水帷幕)等其他基坑圍護形式相比,主要優勢反映在如下幾個方面:
a)對周圍環境影響小
型鋼水泥土攪拌墻施工采用三軸水泥土攪拌樁機就地切削土體、使土體與水泥漿液充分攪拌混合形成水泥土,并用低壓持續注入的水泥漿液置換處于流動狀態的水泥土,保持地下水泥土總量平衡。該工法無須開槽或鉆孔,不存在槽(孔)壁坍塌現象,從而可以減少對鄰近土體的擾動,降低對鄰近道路、建筑物的危害。
b)防滲性能好
由于攪拌樁采用套接一孔施工,實現了相鄰樁體完全無縫銜接。鉆削與攪拌反復進行,使漿液與土體得以充分混合形成較為均勻的水泥土,與傳統的圍護形式相比具有更好的截水性,水泥土滲透系數很小,一般可以達到10-7~10-8cm/sec。
c)環保節能
三軸水泥土攪拌樁施工過程無需回收處理泥漿。少量水泥土浮漿可以存放至事先設置的基槽中,限制其溢流污染,待自然固結后運出場外。如果將其處后還可以用于敷設場地道路,達到降低造價,消除建筑垃圾公害的目的。型鋼在地下室施工完畢后可以回收利用,避免遺留在地下形成永久障礙物,是一種綠色工法。
d)適用土層范圍廣
三軸水泥土攪拌樁施工時采用三軸螺旋鉆機,適用土層范圍較廣,包括填土、淤泥質土、黏性土、粉土、砂性土、飽和黃土等。
e)工期短,投資省
型鋼水泥土攪拌墻與地下連續墻、鉆孔灌注樁等圍護形式相比,工藝簡單、成樁速度快,工期縮短近一半。在一般入土深度 20~25m情況下,日平均施工長度 8~10m,最高可達 12m;造價方面,除特殊情況由于受到周邊環境條件的限制,型鋼在地下室施工完畢后不能拔除外,絕大多數情況內插型鋼可以拔除,實現型鋼的重復利用,降低工程造價。型鋼水泥土攪拌墻如果考慮型鋼回收,當租賃期在半年以內時,圍護結構本身成本約為鉆孔灌注樁的70~80%左右,約為地下連續墻的50~60%左右。
五、SMW工法的應用現狀及前景
5.1 SMW的應用現狀
1993年,SMW工法通過技術引進并創新在我國發展起來,并在上海靜安寺“環球世界”商廈基坑圍護中最先得到應用。1994年上海隧道工程股份有限公司等單位對型鋼水泥土攪拌墻的施工方法、施工設備、型鋼水泥土的組合受力性能及設計計算方法、型鋼起拔回收技術等進行了系統的研究。1999年被建設部和上海市確定為科技成果重點推廣項目,SMW工法在我國尤其是長三角軟土地區得到了廣泛的應用,應用范圍涵蓋了基坑圍護工程、地鐵工程、南水北調工程以及世博園建設工程等。
在上海地區主要工程有:地鐵二號線靜安寺站下沉式廣場、陸家嘴站五號出入口地下人行通道、浦東國際會議中心和明珠線二期工程藍村路站、上海軌道交通1號線北引伸段,2號線東延伸段、西延伸段,7號線顧村站,8號線IC標段,9號線K404標段,11號線10標段,中環線A3.4標段,A2.1標段,新建路越江隧道,軍工路越江隧道,浦東鐵路化工區支線等等;
在浙江地區主要應用工程有:杭州波浪文化城二期、泛海光彩國際大廈、錢江新城地下空間連接工程、杭州市南都研發中心大樓、地鐵1號線下沙西站、慶春路過江隧道、杭州市婦女中心、杭州市第三人民醫院、浙江三立時代廣場、紹興世茂新城、紹興匯金大廈、湖州市江南工貿大街、寧波恒豐金融商貿、寧波市江澄路二期、湖州鳳凰污水處理廠擴建工程、鎮海電廠循環水管擋土工程等等;
在其他地區也逐步得到推廣,如南京大觀天地、南京中海凱旋門、南京地鐵二號線一期延伸段工程、無錫市青祁路南段快速路工程A標段工程、無錫市通江大道(高墩橋~勤儉橋)近期改善工程、無錫市湖濱路蠡湖隧道工程、武漢長江隧道,武漢軌道交通2號線金色雅園站,天津站交通樞紐9標段,天津空客A320項目,馬鋼“十一五”焦化煤場受料槽、南水北調中線一期工程、青草沙水源地原水工程、葛洲壩國際廣場等工程。
隨著SMW工法應用范圍和影響區域的不斷擴大,為了在SMW工法基坑支護中做到安全可靠和經濟合理,上海市于2005年率先推出地方性規范《型鋼水泥土攪拌墻技術規程》(DGJ08-116-2005),而國家規范《型鋼水泥土攪拌墻技術規程》(JGJ T199-2010)也已經于2010年10月1日開始實施。

5.2 SMW工法在溫州地區的適用性及現狀
從廣義上講,型鋼水泥土攪拌墻以水泥土攪拌樁為基礎,凡是能夠施工三軸水泥土攪拌樁的場地都可以考慮使用該工法。從黏性土到砂性土,從軟弱的淤泥和淤泥質土到較硬、較密實的砂性土,甚至在含有砂卵石的地層中經過適當的處理都能夠進行施工,適用土質范圍較廣。


目前型鋼水泥土攪拌墻主要應用于沿海軟土地區,并積累了一定的經驗。溫州地區屬于典型的濱海相軟土地質,有深厚的淤泥質土,對應于這種土質,SMW工法施工較容易,采用三軸水泥土攪拌樁機就地切削土體,使土體與水泥漿液均勻攪拌混合形成一定強度水泥土。
溫州地區地下水水位較高,通常采用鉆孔灌注樁圍護結構外側施工一排截水帷幕,而型鋼水泥土攪拌墻是在三軸水泥土攪拌樁中內插H型鋼,鉆削與攪拌反復進行,使漿液與土體得以充分混合形成較為均勻的水泥土,與傳統的圍護形式相比具有更好的截水性。
同時,隨著城市基礎設施建設的迅速發展,建筑物之間的距離越來越近,采用鉆孔灌注樁加截水帷幕等圍護方案常常不具備足夠的施工空間,而型鋼水泥土攪拌墻只需在三軸水泥土攪拌樁中內插型鋼,所需施工空間僅為三軸水泥攪樁的厚度和施工機械必要的操作空間,具有明顯的優勢。
土地已成為一種稀缺資源,城市發展將逐步由地上向地下轉移,地下空間將得到進一步開發利用,而傳統工法的圍護結構將成為這一轉變的障礙,而如果采用SMW工法作為圍護結構,就不會產生如此問題。
2010年7月,瑞安市馬鞍山實驗小學二期教學綜合樓的基坑工程成為溫州地區首個SMW工法的應用項目,該項目的實施為SMW工法在溫州地區的推廣應用打下基礎。同時,在建的項目如瑞安市檔案館大樓、瑞安市下埠村現代化新農村試點工程3#車庫、瑞安市建材市場等基坑圍護工程均將采用SMW工法。
5.3 SMW工法的推廣意義及前景
隨著國家經濟的高速發展,資源和能源問題正成為制約增長的主要問題,因此國務院及時提出了建設節約型社會和發展循環經濟的政策。針對土建施工行業實現上述目標,主要的方法為:爭取在施工中使用能周轉的施工材料和采用保證施工材料能重復使用的施工工藝,實現循環使用,提高資源利用率,盡量減少采用一次性材料消耗的施工工藝。SMW工法的H型鋼可以重復使用,一般至少可使用四次以上。而在地下連續墻和鉆孔灌注樁作為圍護的施工工藝中,使用了大量的鋼筋,而不能回收重復利用,造成了極大鋼鐵資源的消耗。我國目前已經成為世界上鋼鐵產量和消耗第一大國,而且我國的鋼鐵對外依賴度很高,主要體現在鐵礦石資源上的緊缺,大部分需要進口。因此須盡量采用像SMW工法這樣能降低鋼鐵等資源消耗的施工工藝。
為了合理開發利用地下空間資源,促進土地節約集約利用,城市地下空間開發利用的管理將進一步得到加強,作為施工期間的圍護結構大部分永久性的埋在了地下,因此該地下建筑物底板下面的地下空間資源受到了原圍護結構的污染,給后面底板下地下資源的開發造成了極大困難。而如果采用SMW工法作為圍護結構,就不會產生如此問題,目前在我國SMW工法中H型鋼大部分都拔除回收。
同時,在選用地下連續墻或鉆孔灌注樁作為圍護結構時,施工中會產生大量的廢棄泥漿,由于該泥漿中PH值高,不符合環境保護規定,因此必須采取措施進行處理,除增加工程費用外,如處理不當,還會造成新的環境污染。而選用SMW工法作為圍護結構雖然在施工過程中也產生需廢棄的水泥土漿液,但不會污染環境,而且若處理得當,還可作為較好的地基填料。
SMW工法是符合建設節約性社會和發展循環經濟這一國家政策的良好基坑圍護形式,具有獨特的優勢,值得大力推廣。隨著SMW工法理論的完善和施工的創新發展,SMW工法會憑借其獨特的優勢在沿海軟土地區的地下空間資源開發中發揮更大作用。

研究課題
SMW工法簡介 浙江省建設科研課題
 
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