SMW工法在天津石化乙烯配套项目卸煤沟中的应用

摘要：介绍了天津100万吨/年乙烯及配套项目热电工程卸煤沟的工程特点，阐述了基坑支护的选型和SMW工法的设计方法，结合工程实际陈述了施工技术措施。

关键词：基坑支护SMW工法旋喷桩施工工艺

中图分类号： U215.14文献标识码： A

1 工程及地质概况

1.1 工程概况

天津100万吨/年乙烯及配套项目热电工程卸煤沟，位于天津市大港区东南部。考虑设备增容需求，需要在原有卸煤沟南侧扩建一段长84m，宽9.5m的卸煤沟。卸煤沟结构形式为筏板基础，混凝土框架结构，基坑开挖深度为8.6m。拟建卸煤沟位置极为特殊，南侧为原有铁路线，北侧需与原有卸煤沟对接，东侧为另一条正运行的铁路线距扩建卸煤沟最近距离仅为9.5m，西南侧为新建卸焦沟，施工场地极为狭窄。

1.2 工程地质及水文条件

根据地勘报告分析，拟扩建卸煤沟基坑底部为淤泥质粘土，土质不均，呈流塑态，且很厚，工程性质极差，容易产生不良地质现象。本场地地下水类型主要为潜水类型，以大气降水及邻区其它类型地下水渗入补给为主，土层富水性及透水性较弱。强风化岩透水性相对较强。地下水埋深1.77～3.17m，地下水位高低受季节性影响较小，土层为微、弱渗透性。

2 基坑围护结构设计

2.1 基坑支护方案的选择

拟建物基坑开挖深度约8.6m，根据场地施工环境、工程地址及水文地质条件，拟考虑从以下3种方案中选取：

方案一为水泥土重力式围护结构方案。由于基坑周围建筑物和铁路线都很重要，其位移很难控制，特别是其施工时占用场地大，施工现场不能满足其要求。

方案二为钻孔灌注桩加内支撑方案。灌注桩支护是一种成熟、可靠的工艺，在基坑支护中被广泛选用，其止水处理一般采用1～2 排深层搅拌桩，但其占地也较大，对东侧铁路的正常运营有影响，同时其施工工期长，造价高。

方案三为采用SMW工法加两道钢管水平内支撑方案。它集挡土与止水为一体，占地小，工期短，费用低等特点，尤其是对东侧铁路的正常运营和北侧原有卸煤沟的位移无影响。

综合各种因素考虑决定采用SMW工法加两道钢管水平内支撑方案。

2.2 基坑支护的布置及设计

2.2.1 基坑支护结构的布置

综合考虑本基坑开挖所处地理、地质及地下水条件，支护结构体系采用“高压旋喷桩+ H型钢+冠梁+钢管支撑”方案。此方案的四部分形成受力、止水较为有利的有机整体，内支撑充分利用角撑与组合撑结合的单层支撑，为土方开挖提供了较大的空间，同时帽梁上相应部位有预埋螺栓，支撑与帽梁，以及支撑中钢管的连接均为高强螺栓连接，有利于挖土施工。

（1）沿基坑设置Ф850三轴搅拌桩内插H700×300×13×24（三插二）间距为900mm，桩长18.0m。为了减小桩长的同时又控制桩顶变形，采取如下措施：

1）桩顶下压1.0m，尽可能减小支护桩悬臂高度；在桩顶设置钢筋混凝土帽梁；钢筋混凝土梁采用C35 混凝土；梁底保护层为50mm，其他3侧均为25mm。钢筋焊接长度满足规范要求。

2）角部设置Ф609mm×12mm轧制钢管角撑。

3）由于基坑长度较大，在跨中部分设置1 道Ф609mm×12mm轧制钢管对撑。其剖面图及围护桩大样图如图2.2.1-1。

图2.2.1-1基坑支护剖面图及围护桩大样图568803438682

（2）沿支护桩顶设置钢筋混凝土冠梁（700mm×1100mm），使支护桩连成整体，共同工作；冠梁四角设置Ф609mm×12mm轧制钢管角撑，具体设置如图2.2.1-2所示。

图2.2.1-2基坑支护布置平面图568803438682

2.2.2 基坑结构的计算

（1）确定入土深度

根据天津地区经验，旋喷桩插入基坑底深度D一般为D/H≥1.1～1.2，且宜插到不透水层，以阻止地下水的渗流，则支护总深度18m，型钢插入开挖面以下9.4m。

（2）整体稳定性验算

按规范的条分法进行验算，结果显示最小安全系数K0=1.42>1.3。按Terzaghi-Peck方法验算，基坑抗隆起稳定性结果K=4.18>1.5；按Prandtl方法验算，基坑抗隆起稳定性结果K =3.52>1.5；基坑抗管涌稳定性验算结果Kp =2.10>1.5。由此可知基坑是安全稳定的。

（3）内力及位移计算

通过杆系有限元程序计算，围护桩顶水平最大位移D=16mm，围护桩桩身最大位移95mm，墙体最大剪力为Q =200kN·m- 1，墙体的最大弯矩为M =321.7(kN·m).m- 1。

（4）强度验算

根据SMW工法中的假定，支护结构剪力、弯矩由型钢承担，则水泥土墙体的σmax=166.2MPa<[σ]=310MPa，τmax=66.36MPa<[τ]=145MPa，满足要求。

3 施工工艺

3.1 工艺流程

在旋喷机就位前，先顺水泥土墙位挖导向沟槽，作泥水沟，然后放线定旋喷桩位及要插入型钢的位置；旋喷机就位后，钻进下沉到设计桩底深度，上提喷浆，控制好提升速度，旋转速度，注浆压力、流量和浆液水灰比等；在旋喷桩施工注入水泥浆过程中，有一部分浆液会返回地面，要尽快清除；在成桩后水泥浆初凝前，按设计型钢的位置在旋喷桩中插入型钢，并按设计标高固定型钢，即完成SMW 工法施工。具体工艺流程如图3.1。

图3.1施工工艺流程图568803438682

3.2 主要工序施工方法

（1）导沟开挖

根据基坑围护内边控制线、围护中心线开挖工作沟槽,采用0.4m３挖掘机开挖导槽，并清除地下障碍物，导槽尺寸如下图3.2，导槽尺寸要求中心线两侧宽各0.6m，深1.0m，在施工中随打随挖，保证浆液不外溢，挖出的余土和废浆液应及时处理。

图3.2导槽开挖及型钢导架设置图568803438682

（2）设置导架、定位

平行导槽方向放置两根定位型钢，规格为200mm×200mm，长约2.5m，按型钢尺寸做出型钢定位卡，以保证型钢插入垂直度。在平行导槽方向放置两根定位型钢规格300mm×300mm，长约8～20m，在型钢上做出0.9m一个标记，便于施工中找桩位。在开挖的工作沟槽时两侧做好定位辅助线,定位辅助线要标识出钻孔位置和H型钢的插入位置。

（3）水泥浆的配置

水灰比为1.5，即可确定不同施工幅段中用水量。另外，在施工中除了控制水灰比以外，还应测定搅拌浆液的比重，定时抽查，发现问题及时纠正。按照SMW工法的施工工艺，三轴搅拌机在下钻时，注浆的水泥用量约占总数的70%～80%，而提升时为20%～30%。

（4）钻进与搅拌

钻机在钻孔和提升全过程中，应保持螺杆均速转动、匀速下钻和匀速提升。钻进搅拌速度和地质土层有关；对于粘性土一般在0.5～1m/min，砂土1～1.5m/min。而钻机提升搅拌速度一般为1～2m/min。根据设计孔深，同时根据下钻和提升两种不同的速度，注入不同掺量、搅拌均匀的水泥浆液，并采取高压喷气进行孔内水泥土搅拌，使水泥土搅拌桩在初凝前达到充分搅拌，确保搅拌桩的成孔质量。

（5）型钢的插入

待搅拌桩水泥土搅拌均匀又未凝固结硬时，用大型吊车将型钢吊起插入至设计制定位置。本工程采用H型钢长达18m，仅靠型钢自重难以插入到位。因此型钢定位入土后，除了靠自重下插一部分深度外，尚须靠振动锤的振动，使型钢下插至设计标高。

3.3 主要施工控制措施

3.3.1 施工技术保证措施

（1）施工时应准确定位，保证桩互相咬合200 mm，其偏差为50 mm，严禁漏桩；施工前在现场选点进行旋喷试验，检验旋喷效果，校核旋喷桩施工设计参数，最终确定参数。

（2）严格按图纸确定深层搅拌桩桩位，孔位误差不大于5cm；搅拌机垂直度误差不大于1%；桩底标高误差不大于10cm。

（3）旋喷桩成桩时宜均匀上提，无论何种原因停喷，再喷时，必须下钻到停喷位置200 mm以下进行搭接，以防止桩体夹泥夹砂、断桩。

（4）旋喷桩成桩后,立即插入型钢，保证其垂直度与平行度，插入的型钢制作必须平直,不得发生扭曲和弯曲。

（5）水泥土应做到配比准确、搅拌均匀，配比准确和搅拌均匀是控制水泥土搅拌桩质量的两大关键。

（6）钻进搅拌速度需比提升速度慢1倍左右，以保证水泥土能够充分搅拌混合均匀，有利于型钢的顺利插入。提升速度不宜过快，避免出现真空负压、孔壁塌方等现象。

（7）旋喷桩必须达到强度的70 %～80 %，方可分步开挖，开挖前至少地下水位降至基坑底面以下0.5 m，严禁施工机械对支护结构的破坏。

（8）开挖时，及时支撑，并不得超挖；基坑周围荷载不得堆放超重；雨季开挖应设置盖板，防止地表水侵入；如有局部漏水，应立即堵漏;基坑挖至坑底标高后迅速封底，尽量减少其暴露时间。

（9）为防止支护结构变形对周围建筑、道路及管线的影响，采用信息施工，边开挖边监测，用监测到的信息及时反馈来指导开挖的顺利进行，也杜绝较大安全事故的发生。

3.3.2 施工安全技术措施

（1）操作工人进场，必须经过三级安全教育，施工过程中，定期召开安全工作会议，定期开展现场安全检查工作。

（2）机电设备必须专人操作，操作时必须遵守操作规程，特殊工种（电工、焊工、起重工等）操作工必须持证上岗。

（3）在保护设施不齐全、监护人不到位的情况下，严禁人员下坑处理障碍物。

（4）配电箱的电缆应有套管，电线进出不混乱。大容量电箱上进线加滴水弯。照明灯具的金属外壳必须接地或接零。电箱内应设置漏电保护器，选用合理的额定漏电动作电流进行分级配合。

（5）基坑围护施工前，调查好管线的具体位置，对距离基坑边线近的管线，施工前要挖除覆土，暴露管线，以减小围护桩施工对管线的挤压影响。同时还要加强对管线位移、变形的监测，确保管线的安全。

4 监测结果

（1）道路和地面沉降共30个观测点，无明显沉降。

（2）距基坑9.5m 的原有铁路线导轨上设置变形观测点6点，最大沉降1.2cm。

（3）对支护结构及帽梁顶面的沉降和位移观测点20点，最大位移5cm。

（4）对基坑土体侧向位移测试，6 组共138 点，最大位移除个别由于施工因素引起的较大变形外，其余都控制在5 cm 内。

（5）对型钢应力测试，4 组共24 点，与计算结果基本接近。

5 结束语

从卸煤沟基坑支护工程的应用实践来看，由于土质较差，地下水压力较大，在围护结构设计施工中应重视挡土与防水问题。传统的水泥土重力式围护和钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩在施工中容易出现漏泥、漏水、桩孔偏斜、槽壁坍塌等质量通病。而SMW工法是一种质量可靠、缩短工期并能在狭窄场地上安全施工的围护结构新工艺，与传统的水泥土重力式围护和钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩相比，可节约造价10%～40%，在我国沿海软土地区软弱土层及地下水位较高情况下，具有很好的应用前景。

参考文献

[1]龚晓南等.深基坑工程设计施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1998

[2]黄强.深基坑支护结构实用内力计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995

[3]蔚希成.支护结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995

作者简介：李靖，男，项目经理，工程师，研究方向为工业与民用建筑施工技术。