SMW 工法桩在基坑围护设计与实施过程中监测反分析的工程应用

周东升，赵永洪

ZHOU Dongsheng，ZHAO Yonghong

(浙江中材工程勘测设计有限公司，浙江 杭州310022)

自20 世纪70年代SMW 工法桩在日本出现以来，由于其良好的止水性能和施工便捷性，在基坑支护中得以迅速推广［1］;特别是21 世纪前十年，关于工法桩的施工技术应用研究已趋成熟，多次成功运用于深基坑支护，使用深度已近三十米［2］，特别是在东南沿海粉砂土场地和软土地区得以广泛运用。

进入20 世纪60年代以来，随着监测技术在基坑开挖中的应用［3］，利用监测数据判断基坑的结构安全和对周围环境的影响，实现可控的信息化设计，特别是在开挖过程中通过对监测数据的分析进行变形预测，预判其后续工况的安全性和对周围环境的影响成为设计人员追求的目标。但目前这方面的实践，见诸论文的并不多，所以本文在这方面进行了尝试。

本文通过对某基坑工程的实例介绍，对SMW工法桩在粉土地区的设计选型过程与实施效果进行讨论和介绍，并通过监测数据进行实时反分析，验证了设计的合理性及与工程的符合性，实现了过程控制的信息化设计。

1 工程概况

该工程位于杭州市余杭区临平镇，拟建建筑物为4 幢17～23 层办公楼，为框剪结构，下设3 层地下室，周边局部为2 层地下室，地下总建筑面积为37750 m2。

其3 层地下室，代表性断面(①-1)开挖深度为13.65 m。周边有在建建筑、道路和管线若干，环境较为复杂，对变形控制要求较为严格，不具备放坡开挖条件，根据本工程基坑开挖深度，为一级基坑。

2 地质情况

根据勘察报告，从上至下各土层的分布及物理力学性质见表1。

表1 各土层分布及物理力学性质

本场地地下水埋藏较浅，勘察期间，测得钻孔内地下水稳定水位在地表下1.40～3.00 m 之间，浅部主要为接受大气降水和地表水渗入补给的孔隙潜水，水位受季节性影响，枯水期水位略有下降，丰水期水位略有抬高，水位年变化幅度为0. 50～1.00 m。

3 围护选型与设计

3.1 围护型式的选取

根据现场环境条件，要求地面位移控制在30 mm以内，沉降控制在25 mm 以内，深层位移控制在45 mm以内，可采用的支护形式有钻孔桩加内支撑、地下连续墙加内支撑和SMW 工法桩加内支撑支护形式。

结合地质情况，分析比较各方案的优缺点和经济性后，决定采用SMW 工法桩作为支护结构，工法桩主要具有以下特点:

采用在搅拌桩内插加劲型钢的方式，使得止水与造墙相统一，加插型钢后，墙体强度、刚度大为提高，形成坑壁支撑体，起到类似连续墙的作用。适用于软土、黏土、粉土、砂土地质区。由于其将止水和插槽钢同步完成，所以施工周期短;由于型钢插入后即形成墙体，所以基本无须特别养护，即可承受外力;由于型钢可以拔除重复使用，所以费用较低;由于原位搅拌形成桩体，施工时不产生大量泥浆，所以环保节能。故近年来在我国得到广泛应用，适用基坑开挖深度已经达到近三十米。一般可以用于开挖深度10～20 m 的基坑支护。

本工程采用SMW 工法结合二道钢筋混凝土内支撑的围护体系。SMW 工法采用850@600 三轴水泥搅拌桩内插型钢，内支撑采用钢筋混凝土结构。开挖深度内有较厚的粉土、粉砂层，土层的渗水性较好，为防止地下水渗透引起管涌和大范围超深降水对周边环境的影响，坑外另设管井进行控制性降水。降水深度5.0～6.6 m(至地表下8 m)。

3.2 围护工况设计

工况1:1：0.8 放坡开挖3 m，坡面分步设2 道8 m 长度的搅拌式土钉，设2 m 宽度卸载平台，下部施工SMW 工法桩。

工况2:开挖至第一道支撑底面(地面下-3.80 m)，施工第一道钢筋混凝土(C30)支撑(支撑中心高度地面下-3.40 m，支撑规格800 mm ×1000 mm)。

工况3:待第一道支撑强度达到80%设计强度后，开挖至第二道支撑底面(地面下-9.50 m)，施工第二道钢筋混凝土(C30)支撑(支撑中心高度地面下-9.05 m，支撑规格900 mm×1000 mm)。

工况4:待第二道支撑强度达到80%设计强度后，开挖至坑底。

工况5:施工建筑结构底板，施工换撑带(地面下-12.20 m)，待强度达到设计强度80%后拆除第二道支撑体系。

工况6:施工建筑地下室结构，在地面下-8.10 m、-4.50 m 处设置换撑。拆除第一道支撑体系。

3.3 围护体内力计算

采用同济启明星深基坑支挡结构分析计算软件(FRW7.2 版)进行计算分析，以1-1 剖面为典型剖面分析如下:

1-1 剖面:基坑开挖深度为13.65 m，采用厚度为0.85 m 的搅拌桩围护结构，桩长23.5 m，桩顶标高为-3.85 m(地表标高-0.85 m)，采用SMW 工法，在D850 搅拌桩中加型钢，型钢采用H700 ×300 ×13 ×24，惯性矩为2.01 ×109mm4，型钢间中心距为900 mm(插二隔一)。计算时考虑地面超载20 kPa(图1)。

图1 1 -1 剖面图

计算显示(图2)，其第一道支撑轴力为261 kN/m，第二道支撑轴力为579.3 kN/m;水平位移约38.1 mm。发生在地表下约6 m 的位置。按上述对平面支撑进行计算，第二道支撑计算段轴力设计值为6249 kN。

图2 计算抗力及位移图

4 工程实施过程反分析情况

工程于2012年7月开始实施，至2013年8月基坑工程结束，根据长边中点的监测数据(CX13#测孔深层位移数据)对工程进行适时反分析，情况如下。

4.1 根据开挖至第一道支撑梁高程实测位移情况预测

4.1.1 位移监测

位移监测情况见表2。

表2 位移监测数据

4.1.2 预测情况

预测包括四部分，

(1)开挖到第二道支撑面(图3)。

图3 开挖至第二道支撑面时的抗力图和位移图

预测第一道支撑轴力为187.9 kN/m，位移最大值为16.5 mm。

(2)开挖到坑底(图4)。

图4 开挖至坑底时的抗力图和位移图

预测第二道支撑轴力为551.7 kN/m，位移最大值约为27.8 mm。

(3)坑底换撑完成拆除第二道支撑时(图5)。

图5 坑底换撑完成拆除第二道支撑时的抗力图和位移图

预测第一道支撑轴力为257.4 kN/m，位移最大值为33.7 mm。

(4)所有换撑完成，拆除第一道支撑时(图6)。

图6 所有换撑完成后拆除第一道支撑时的抗力图和位移图

预测位移最大值为33.7 mm。

4.2 根据开挖到第二道支撑高程的实测值预测

4.2.1 位移监测

位移监测情况见表3。

表3 位移监测情况

4.2.2 预测情况

在三个时间进行预测。

(1)开挖到坑底时(图7)。

图7 预测情况一

预测位移最大值为36.3 mm，第二道支撑轴力为583.0 kN/m。

(2)坑底换撑完成拆除第二道支撑时(图8)。

图8 预测情况二

预测第一道支撑轴力为269.5 kN/m，位移最大值为42.2 mm。

(3)所有换撑完成，拆除第一道支撑时(图9)。

图9 预测情况三

预测位移最大值为42.4 mm。

由于后续监测数据对基坑工程预测主要是换撑工况下内力、变形，其大小主要与结构体情况(如支点刚度)、施工质量(如换撑带设置)、施工环境(如施工超载)等因素相关，与岩土体性质关系很小;另一方面，当基坑开挖到坑底时，变形已经完成90%以上［4］，故不再对后续数据进行反分析验证。

5 工程监测情况

至2013年8月完成，CX13#孔的最终监测成果见表4。

表4 最终监测成果

监测的最大值为36.2 mm，位于地表下5～6 m 处。

就基坑整体而言，监测情况如下:

(1)深层土体水平位移监测。最大值:36.21 mm，最小值:23.90 mm，平均值:30.18 mm。

(2)水位监测。最大值:- 3. 90 m，最小值:-0.40 m，平均值:-2.50 m。

(3)钢筋混凝土支撑轴力监测。计算点监测值:4843 kN，达到设计值的77.5%。

(4)地表沉降监测。最大值:-10.27 mm，最小值-2.28 mm，平均值:6.37 mm。

6 监测结果

基坑支撑轴力及深层位移的计算值、预测值及实测值见表5。

表5 监测反分析成果表

可见，根据开挖到第一道支撑时的实测位移值，进行工程反分析的结果与设计时计算的结果很接近，主要表现在支撑力计算值第一道为261.0 kN/m，预测值为257.4 kN/m;第二道为579.3 kN/m，预测值为551.7 kN/m。最大变形计算值为38.1 mm，预测值为33.9 mm。

根据开挖到第二道支撑时的实测位移值，进行工程反分析的结果与设计时计算的结果也很接近，主要表现在支撑力计算值第一道为261.0 kN/m，预测值为269.5 kN/m;第二道为579.3 kN/m，预测值为583.0 kN/m。最大变形计算值为38.1 mm，预测值为42.4 mm。

7 结 语

(1)以上分析表明，基坑变形和内力正向分析计算结果与实际情况吻合度很好，能够较好地指导设计工作。

(2)就具体计算分析情况看，支撑轴力、桩体位移计算值略大于实测值，但相差不大。本例支撑轴力达到设计值的77.5%，位移差值更在5%以内，均较好地符合施工实际。由于实际施工中地下水位、坑边超载均略低于设计值，所以计算在具有应有的安全度的同时也具有较好的经济性。

(3)应用施工监测数据，对后续工况下基坑变形与内力进行实时反分析预测，反分析与实测误差一般在20%以内，实现了信息化过程控制的施工要求，对指导设计具有现实意义。

(4)变形预测的方法有有限单元法和监测值反分析预测法，有限单元法需要正确模拟岩土体的本构关系和物理力学性质，参数多、误差大，而反分析法通过实时的变形监测数据预测结构在后续工况下的变形，所依据的参数较少，在结构体受力明确、刚度准确的情况下，其预测值显然足够精确，计算量也较小，能够达到指导设计与施工实现信息化过程控制的意图。

(5)实践表明，采用SMW 工法桩结合内支撑结构，在深厚粉砂土地区和软土地区作为基坑支护体是适宜的，且其工艺已经趋于成熟，具有良好的适应性和可靠度。

(6)工程采用了控制性降水(降深5～6 m)，总体而言所引起的地面沉降变形并不大，但有效地降低了水压力，围护设计时应优先考虑。

［1]陈琦.SMW 工法桩施工工艺及技术要点［J］. 福建建筑，2011(7):75 -77.

［2]任刚，唐黎明.30 m 深SMW 工法桩在基坑围护中的应用［J］.建筑施工，2005，27(2):4 -5.

［3]朱辉.尹正贵基坑监测在深基坑工程中的应用［J］.河南科技，2012(12):88 -89.

［4]谭儒娇，李明生.天津滨海新区SMW 工法桩围护结构基坑安全监测分析［J］.工程勘察，2011(3):27 -30.