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研究课题
SMW工法简介
字体大小:   发布时间:2011-8-30   关闭窗口 

型钢水泥土搅拌墙,通常称为SMW工法(Soil Mixing Wall),是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘,同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌,在各施工单元之间则采取重叠搭接施工,然后在水泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材,至水泥结硬,便形成一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体。
SMW工法是基于深层搅拌桩施工工艺发展而来,这种结构充分发挥了水泥土混合体和型钢的力学特性,具有经济、工期短、隔水性强、对周围环境影响小等特点。SMW围护结构的地下室施工完成后,可以将H型钢从水泥土搅拌桩中拔出,达到回收和再次利用的目的。在倡导建设节约型和循环经济的社会,实现可持续发展的今天,推广应用该工法更加具有现实意义。
一、型钢水泥土搅拌墙工作机理
型钢水泥土搅拌墙实质上是由型钢和搅拌桩组成的一种复合围护结构。目前对水泥土与型钢之间黏接强度的研究还不充分,一般认为水泥土与型钢之间的黏接是一种柔性黏结,其黏结强度不能与混凝土与钢筋之间的刚性黏结相比。因此通常认为水土侧压力全部由型钢承担,水泥土搅拌桩的主要作用是抗渗截水,但这并不是意味着水泥土搅拌桩对型钢不起作用,试验研究表明水泥土对型钢的包裹作用能够提高型钢的刚度,防止型钢失稳。
型钢水泥土搅拌墙的应用设计主要需确定型钢的入土深度、水泥土搅拌桩入土深度、型钢截面的选择以及型钢的间距。型钢常规布置形式有:密插、插二挑一和插一跳一三种,则如图-1所示,

图-1 型钢布置形式
二、SMW的施工顺序和工艺流程
2.1 SMW施工顺序
三轴水泥土搅拌桩应采用套接一孔施工。为保证搅拌桩质量,在土性较差或者周边环境较复杂的工程,搅拌桩底部采用复搅施工。对沿海软土地区,搅拌桩的施工顺序一般采用以下两种方式:
(1) 跳打方式
该方式适用于N(标贯基数)值50以下的土层。施工时先施工第一单元,然后施工第二单元。第三单元的A轴及C轴分别插入到第一单元的C轴孔及第二单元的A轴孔中,完全套接施工。依次类推,施工第四单元和套接的第五单元,形成连续的水泥土搅拌墙体,如图-2所示。

图-2 跳打方式施工顺序
(2) 单侧挤压式
该方式适用于N值50以下的土层,一般在施工受限制时采用,如:在围护墙体转角处,密插型钢或施工间断的情况下。施工顺序如图-3所示,先施工第一单元,第二单元的A轴插入第一单元的C轴中,边孔套接施工,依次类推施工完成水泥土搅拌墙体。


图-3 单侧挤压式施工顺序
2.2 SMW施工工艺流程
型钢水泥土搅拌墙的施工工艺是由三轴钻孔搅拌机,将一定深度范围内的地基土和由钻头处喷出的水泥浆液、压缩空气进行原位均匀搅拌,在各施工单元间采取套接一孔法施工,然后在水泥土未结硬之前插入H型钢,形成一道有一定强度和刚度,连续完整的地下连续墙复合挡土截水结构。施工工艺流程图如图-4所示。


图-4 SMW施工工艺流程图
三、SMW施工机械
SMW工法与传统的深层搅拌桩施工的区别在于,深层搅拌桩是采用传统的双轴十字头搅拌钻机,施工时水泥浆液充填在原土间隙中;而SMW工法采用的新型三轴中空叶片螺旋式搅拌机则在充填水泥浆时加入高压空气,同时钻机对水泥土进行充分搅拌,并置换出大量原状土。
由于采用的设备不同和成桩机理不同,新型的三轴钻机成桩的桩体强度及桩身均匀性明显优于传统的双轴钻机,桩体的垂直性、桩与桩的平行性和搭接程度都十分良好,保证了优良可靠的防水性能,同时也有利于型钢的插入和回收。
1996年至1997年,国内开始从日本引进三轴水泥土搅拌机整套施工机械设备。经过十几年时间的实践应用,型钢水泥土搅拌墙施工工艺和施工机械逐步成熟,尤其在沿海软土地区积累了比较丰富的经验,并在实践过程中对原有施工机械进行不断的改良,使之更符合中国国情。如为了扩大型钢水泥土搅拌墙的应用深度,开发了加接钻杆施工工艺;为了加强三轴水泥土搅拌桩的均匀性和止水效果,TRD工法等更先进的施工机械和工艺开始出现。

图-5 三轴深层搅拌桩机DH508型

图-6 三轴深层搅拌桩机DH608型

图-7 三轴深层搅拌桩机JB160型

图-9 钻头类型

图-10 型钢拔除专用机具

图-11 三轴搅拌桩施工现场

图-12 履带式吊车
四、SMW相对传统工法的优势
SMW工法作为开挖深度在6~10米的基坑围护形式,同地下连续墙、组合排桩(咬合式钻孔灌注桩或钻孔灌注桩+水泥搅拌桩隔水帷幕)等其他基坑围护形式相比,主要优势反映在如下几个方面:
a)对周围环境影响小
型钢水泥土搅拌墙施工采用三轴水泥土搅拌桩机就地切削土体、使土体与水泥浆液充分搅拌混合形成水泥土,并用低压持续注入的水泥浆液置换处于流动状态的水泥土,保持地下水泥土总量平衡。该工法无须开槽或钻孔,不存在槽(孔)壁坍塌现象,从而可以减少对邻近土体的扰动,降低对邻近道路、建筑物的危害。
b)防渗性能好
由于搅拌桩采用套接一孔施工,实现了相邻桩体完全无缝衔接。钻削与搅拌反复进行,使浆液与土体得以充分混合形成较为均匀的水泥土,与传统的围护形式相比具有更好的截水性,水泥土渗透系数很小,一般可以达到10-7~10-8cm/sec。
c)环保节能
三轴水泥土搅拌桩施工过程无需回收处理泥浆。少量水泥土浮浆可以存放至事先设置的基槽中,限制其溢流污染,待自然固结后运出场外。如果将其处后还可以用于敷设场地道路,达到降低造价,消除建筑垃圾公害的目的。型钢在地下室施工完毕后可以回收利用,避免遗留在地下形成永久障碍物,是一种绿色工法。
d)适用土层范围广
三轴水泥土搅拌桩施工时采用三轴螺旋钻机,适用土层范围较广,包括填土、淤泥质土、黏性土、粉土、砂性土、饱和黄土等。
e)工期短,投资省
型钢水泥土搅拌墙与地下连续墙、钻孔灌注桩等围护形式相比,工艺简单、成桩速度快,工期缩短近一半。在一般入土深度 20~25m情况下,日平均施工长度 8~10m,最高可达 12m;造价方面,除特殊情况由于受到周边环境条件的限制,型钢在地下室施工完毕后不能拔除外,绝大多数情况内插型钢可以拔除,实现型钢的重复利用,降低工程造价。型钢水泥土搅拌墙如果考虑型钢回收,当租赁期在半年以内时,围护结构本身成本约为钻孔灌注桩的70~80%左右,约为地下连续墙的50~60%左右。
五、SMW工法的应用现状及前景
5.1 SMW的应用现状
1993年,SMW工法通过技术引进并创新在我国发展起来,并在上海静安寺“环球世界”商厦基坑围护中最先得到应用。1994年上海隧道工程股份有限公司等单位对型钢水泥土搅拌墙的施工方法、施工设备、型钢水泥土的组合受力性能及设计计算方法、型钢起拔回收技术等进行了系统的研究。1999年被建设部和上海市确定为科技成果重点推广项目,SMW工法在我国尤其是长三角软土地区得到了广泛的应用,应用范围涵盖了基坑围护工程、地铁工程、南水北调工程以及世博园建设工程等。
在上海地区主要工程有:地铁二号线静安寺站下沉式广场、陆家嘴站五号出入口地下人行通道、浦东国际会议中心和明珠线二期工程蓝村路站、上海轨道交通1号线北引伸段,2号线东延伸段、西延伸段,7号线顾村站,8号线IC标段,9号线K404标段,11号线10标段,中环线A3.4标段,A2.1标段,新建路越江隧道,军工路越江隧道,浦东铁路化工区支线等等;
在浙江地区主要应用工程有:杭州波浪文化城二期、泛海光彩国际大厦、钱江新城地下空间连接工程、杭州市南都研发中心大楼、地铁1号线下沙西站、庆春路过江隧道、杭州市妇女中心、杭州市第三人民医院、浙江三立时代广场、绍兴世茂新城、绍兴汇金大厦、湖州市江南工贸大街、宁波恒丰金融商贸、宁波市江澄路二期、湖州凤凰污水处理厂扩建工程、镇海电厂循环水管挡土工程等等;
在其他地区也逐步得到推广,如南京大观天地、南京中海凯旋门、南京地铁二号线一期延伸段工程、无锡市青祁路南段快速路工程A标段工程、无锡市通江大道(高墩桥~勤俭桥)近期改善工程、无锡市湖滨路蠡湖隧道工程、武汉长江隧道,武汉轨道交通2号线金色雅园站,天津站交通枢纽9标段,天津空客A320项目,马钢“十一五”焦化煤场受料槽、南水北调中线一期工程、青草沙水源地原水工程、葛洲坝国际广场等工程。
随着SMW工法应用范围和影响区域的不断扩大,为了在SMW工法基坑支护中做到安全可靠和经济合理,上海市于2005年率先推出地方性规范《型钢水泥土搅拌墙技术规程》(DGJ08-116-2005),而国家规范《型钢水泥土搅拌墙技术规程》(JGJ T199-2010)也已经于2010年10月1日开始实施。

5.2 SMW工法在温州地区的适用性及现状
从广义上讲,型钢水泥土搅拌墙以水泥土搅拌桩为基础,凡是能够施工三轴水泥土搅拌桩的场地都可以考虑使用该工法。从黏性土到砂性土,从软弱的淤泥和淤泥质土到较硬、较密实的砂性土,甚至在含有砂卵石的地层中经过适当的处理都能够进行施工,适用土质范围较广。


目前型钢水泥土搅拌墙主要应用于沿海软土地区,并积累了一定的经验。温州地区属于典型的滨海相软土地质,有深厚的淤泥质土,对应于这种土质,SMW工法施工较容易,采用三轴水泥土搅拌桩机就地切削土体,使土体与水泥浆液均匀搅拌混合形成一定强度水泥土。
温州地区地下水水位较高,通常采用钻孔灌注桩围护结构外侧施工一排截水帷幕,而型钢水泥土搅拌墙是在三轴水泥土搅拌桩中内插H型钢,钻削与搅拌反复进行,使浆液与土体得以充分混合形成较为均匀的水泥土,与传统的围护形式相比具有更好的截水性。
同时,随着城市基础设施建设的迅速发展,建筑物之间的距离越来越近,采用钻孔灌注桩加截水帷幕等围护方案常常不具备足够的施工空间,而型钢水泥土搅拌墙只需在三轴水泥土搅拌桩中内插型钢,所需施工空间仅为三轴水泥搅桩的厚度和施工机械必要的操作空间,具有明显的优势。
土地已成为一种稀缺资源,城市发展将逐步由地上向地下转移,地下空间将得到进一步开发利用,而传统工法的围护结构将成为这一转变的障碍,而如果采用SMW工法作为围护结构,就不会产生如此问题。
2010年7月,瑞安市马鞍山实验小学二期教学综合楼的基坑工程成为温州地区首个SMW工法的应用项目,该项目的实施为SMW工法在温州地区的推广应用打下基础。同时,在建的项目如瑞安市档案馆大楼、瑞安市下埠村现代化新农村试点工程3#车库、瑞安市建材市场等基坑围护工程均将采用SMW工法。
5.3 SMW工法的推广意义及前景
随着国家经济的高速发展,资源和能源问题正成为制约增长的主要问题,因此国务院及时提出了建设节约型社会和发展循环经济的政策。针对土建施工行业实现上述目标,主要的方法为:争取在施工中使用能周转的施工材料和采用保证施工材料能重复使用的施工工艺,实现循环使用,提高资源利用率,尽量减少采用一次性材料消耗的施工工艺。SMW工法的H型钢可以重复使用,一般至少可使用四次以上。而在地下连续墙和钻孔灌注桩作为围护的施工工艺中,使用了大量的钢筋,而不能回收重复利用,造成了极大钢铁资源的消耗。我国目前已经成为世界上钢铁产量和消耗第一大国,而且我国的钢铁对外依赖度很高,主要体现在铁矿石资源上的紧缺,大部分需要进口。因此须尽量采用像SMW工法这样能降低钢铁等资源消耗的施工工艺。
为了合理开发利用地下空间资源,促进土地节约集约利用,城市地下空间开发利用的管理将进一步得到加强,作为施工期间的围护结构大部分永久性的埋在了地下,因此该地下建筑物底板下面的地下空间资源受到了原围护结构的污染,给后面底板下地下资源的开发造成了极大困难。而如果采用SMW工法作为围护结构,就不会产生如此问题,目前在我国SMW工法中H型钢大部分都拔除回收。
同时,在选用地下连续墙或钻孔灌注桩作为围护结构时,施工中会产生大量的废弃泥浆,由于该泥浆中PH值高,不符合环境保护规定,因此必须采取措施进行处理,除增加工程费用外,如处理不当,还会造成新的环境污染。而选用SMW工法作为围护结构虽然在施工过程中也产生需废弃的水泥土浆液,但不会污染环境,而且若处理得当,还可作为较好的地基填料。
SMW工法是符合建设节约性社会和发展循环经济这一国家政策的良好基坑围护形式,具有独特的优势,值得大力推广。随着SMW工法理论的完善和施工的创新发展,SMW工法会凭借其独特的优势在沿海软土地区的地下空间资源开发中发挥更大作用。

研究课题
SMW工法简介 浙江省建设科研课题
 
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