SMW工法在基坑围护结构中的应用综述

SMW工法在基坑围护结构中的应用综述

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（上海大学 土木工程系）

［摘要］SMW 工法自从日本引进后，作为围护结构在国内得到了一定程度的应用，但是使用中也发现了不少问题。本文从经济性、机械设备、设计方法和施工技术等方面进行了分析总结，并提出了一些问题，以便此工法能得到深入研究和广泛应用。 ［关键词］SMW工法；组合结构；变形

SMW工法是Soil Mixing Wall的简称，它是一种劲性复合围护结构，通过特殊的多轴深层搅拌机在现场按设计深度将土体切散,同时从钻头前端将水泥桨强化剂注入土体,使之在搅拌过程中与地基土反复混合搅拌。在各施工平面之间,采取重叠搭接,在水泥土混合体未硬之前插入受拉材料(常为H型钢),作为应力加强材料,直至水泥结硬、形成劲性复合围护墙体。这种结构充分发挥了水泥土混合体和受拉材料的力学特性[1]，同时具有经济、工期短、高止水性、对周围环境影响小等特点。

1987年，我国冶金建研院列项研究，1994年通过部级鉴定。上海隧道公司进一步结合上海软土深基坑围护工程的特点，进行了型钢水泥土复合桩结构试验、型钢减摩擦剂研制、型钢起拔模拟试验、专用桩机及起拔型钢设备研制，取得了重要成果，1997年8月经鉴定认为其达到国际先进水平[2]。SMW工法在国内应用时仍受到不少限制，机械设备、设计理论、施工技术等方面还存在一些问题，SMW工法围护结构的基坑塌方频率较其它围护型式要高，应该引起工程界的重视。

1 国外应用情况

SMW工法由日本成幸工业株式会社1976年开发成功。作为基坑围护结构的一种施工方法，它在日本、美国、法国以及东南亚和台湾等许多地方得到了广泛应用。归正[3]等人对日本成幸工业株式会社1984~1996年的SMW工法施工情况进行了统计分析，在台湾和美国等地施工73项工程，总面积1003419m2，1992～1996年平均每年施工249.5项工程，每项工程平均施工面积16555m2。傅德明[4]认为，SMW围护为日本国内基坑围护的

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主要工法，约占地下围护结构的80%。

日本SMW桩的搅拌钻机一般采用3轴钻机，也开发了4轴～6轴钻机，一次成墙长度达1.5m～3m，最大搅拌深度达65m，水泥土强度达1.0MPa～3.0Mpa，钻孔垂直精度可达1/200。为适应不同的工程要求，日本目前主要开发了三类机型[5]。标准机型按钻头规格分两种，φ550的机型，桩架高18m、成墙深35.0m；φ850的机型，桩架高30m、成墙深45.0m。低高度机型有SMW15M机型、SMW5000机型、STS机型三种系列。TMW(Touatsu Soil Mixing Wall)机型与SMW机型相比则可形成等厚度混合土连续墙,提高了防水能力。钻机功率主要有90kW、120kW、150kW、180kW等, 其中90kW、120kW 最为常用，150kW以上主要用于软岩地层。

2 国内研究进展

2.1 机械设备

国内SMW工法的施工机械，主要有国产的双轴搅拌机（SJB-40型），也有引进的三轴搅拌机（日本的PAS-120VAR型）。建设部北京建筑机械综合研究所[8]吸收国外的先进技术,开发出了ZKD110型多轴式连续墙钻孔机，该机根据土质不同有砂质土用、粘性土用砂砾及岩盘用三种钻具，电机功率为55(4P)/40(8P)×2kW，钻孔深度最深达30m。黄均龙和张冠军[9]对国产双轴搅拌机（SJB-37×2）、日本三轴搅拌机（PAS-120VAR）和国产四轴搅拌机（SJB-42/30×4）的性能进行了比较，三种机型的电机功率分别为2×37kW、2×45kW、4×42/30kW，成墙深度分别为20m左右、27m、28m左右。 由于国内通用机械制造业与国际上先进国家的差距，SMW工法的施工机械、成桩深度、施工效率以及施工质量上存在着一些缺陷，阻碍了SMW工法的进一步发展，其推广与普及受到一定限制。

2.2 设计方法

通常认为[10]，水土侧压力由型钢单独承担，水泥土作用是抗渗止水。试验表明，水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢刚度、减少了位移。此外，水泥土起到套箍作用，可以防止型钢失稳。SMW支护结构的设计内容主要包括如下几个方面： ① 水泥掺入比

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水泥掺入比一般在综合考虑土质、侧压、芯材间隔等因素的基础上,根据室内试验确定。丁克等[11]通过试验得出试验数据结论,主要有（1）~（4）式的关系。

水泥土单轴抗压强度qu与水泥掺入比aw的关系： 水泥土的设计抗压强度： 设计抗剪强度： 设计抗拉强度：

qukwawquo （1）

fcqu28/2 （2） （3） （4）

fcqu28/6fcqu28/10

式中kw为强度增长系数，qu0为原状土无侧限抗压强度，qu28为水泥土28天单轴抗压强度。 ② 型钢入土深度DH

型钢入土深度主要由基坑抗隆起稳定性、挡墙内力和变位不超过允许值、能顺利拔出等条件决定，按式（5）验算抗隆起安全系数Ks来确定型钢入土深度(要求Ks≥1.10～1.20、型钢埋入水泥土长度lHDHH)，若该数值使结构内力和变位过大，则需加大入土

深度后再进行挡墙结构分析。

Ks(DHNqcNc)/[(HDH)q] （5）

式中:DH —型钢入土深度，H—基坑开挖深度，γ—坑底及墙外侧土体重度，c —坑底土体凝聚力，q —地面超载，Nq、Nc —地基承载力系数。 ③ 水泥土桩入土深度Dc

SMW工法中水泥土桩入土深度Dc主要有三方面的水力条件决定：确保坑内降水不影响到基坑以外环境、防止管涌发生、防止底鼓发生。 ④ 型钢抗拔验算

H型钢的抗拔力Pm主要由静摩擦力Pf 、变形阻力Pd及自重G等三部分组成,即

PmPfPdG （6）

⑤ SMW工法截面设计

截面应符合以下设计要求：型钢净间距、芯材与孔壁之间最小保护层厚度、水泥土墙体厚度。

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⑥ 挡墙强度及变形验算

多层支撑挡墙结构常采用等值梁法、逐层开挖支撑支承力不变法和弹性梁法等方法。局部验算时主要包括[1]：型钢底端截面水泥土抗剪强度、水泥土与型钢联接部位错动剪力、水泥土搭接处抗剪强度、侧压力作用下承载拱的轴力强度。软土地区还要进行整体稳定性、抗倾覆、抗滑动等验算。

2.3 经济效益

SMW挡墙成本一般为地下连续墙的70%左右，若考虑H型钢的回收，则成本可再下降20%～30%。表1为镇江市新河桥泵站基坑三种围护方案的工程造价[6]，实际费用比设计测算一般还要多。上海市轨道交通明珠线二期工程溧阳路车站[7]设计围护结构时，考虑了地下连续墙，钻孔灌注桩及SMW工法三个方案。按每延米折算，三个方案测算造价分别为4.8万元、3.7万元、2.82万元。

表1 三种施工方法经济分析 工程直接工程间接费/万元 工程总工

支护方法

费 /万元

沉井法 深层搅拌桩加灌注桩 SMW

153.5

措施

费用

拆迁

/万元 33.0 217.9

期 /d 85

分析 结果 设计测算

115.0

81.5

0.0 196.5

75

设计测算 实际费用

31.4

115.0 74.0 0.0 189.0 55

2.4 一些试验成果

SMW工法中由于型钢与水泥土的相互作用，使型钢抗弯刚度得到提高。图1[12]为日本材料协会对H型钢与水泥土共同作用的试验结果曲线，曲线a表示水泥土与H型钢混合体荷载挠度的关系，曲线b为H型钢的相应关系。由图1可见，相同荷载作用下水泥土与H型钢的混合体挠度要小一些，其抗弯刚度比相应H型钢的刚度要大20%，刚度的提高

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可用刚度提高系数表示：

(ECSICS)/(ESIS) （7）

式中，Ecs、Es分别为H型钢混合体与H型钢的弹性模量，Ics、Is分别为H型钢混合体与H型钢的惯性矩。

型钢起拔回收和重复利用是SMW工法的一个最大特点。试验表明，起拔力P0与型钢垂直度、变形形状密切相关，由拔出力P与拔出长度H的特征曲线（图2）看出，P0在静止摩擦力变为动摩擦力后迅速减少，拔出型钢的P0应小于最大抗拔力Pm，若AH为型钢截面积、σs为型钢屈服强度，则

Pm0.7sAH （8）

图1 劲性桩与H型钢压弯比较

图2 型钢拔出特征曲线

王健（1997）对两种土质三种断面组合形式的H型钢-水泥土组合梁进行抗弯试验，

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分析了组合梁受力和变形过程中不同的作用形式，并提出了水泥土贡献系数的经验公式。上海隧道股份有限公司[4]对起拔技术的研究主要是：减摩隔离材料的选定，型钢垂直度、水泥土的强度和起拔型钢的温度等对型钢起拔的影响，起拔装置的研制。 搅拌桩体对型钢的适应性是SMW工法的关键。如果型钢与搅拌桩变形不协调，可造成桩体开裂、大量漏水、工程失败。研究表明，搅拌桩强度在空气中增加较快、在土中较慢。开挖过程中搅拌桩变形在土中即已发生，桩体强度较低、变形适应性较好；开挖出来后桩体强度迅速提高、变形已基本完成。大量工程实例证明,一般基坑计算变形在30mm左右时不会导致搅拌桩体大量开裂。

国外曾对SMW挡墙组成材料的力学特性和受力机理进行了大量试验研究[13]，铃木健夫、国藤祚光(1994)对水泥土进行了室内实验研究；Yoshio Suzuki(1982)通过固结排水和不排水三轴压缩试验，对水泥掺入比15%的水泥土试样进行了研究；铃木健夫(1982)取现场养护的SMW墙体制作试件进行了抗弯试验研究；青木雅路等(1993)对某建筑13年前施工的SMW地下墙进行了耐久性调查试验。这些研究取得了不少实用性成果，为制定SMW工法设计施工标准或规范提供了依据。

国内一些人员将有限元应用于SMW工法围护结构分析，佘跃心等[14]用接触面单元模拟桩土界面，考虑周围建筑物荷载、施工荷载、施工降水的影响，探讨了FEM模拟原理，建立了二维平面有限元模型；王健[15]用Duncan-Chang模型模拟土、用有厚度接触面单元模拟接触面、用平面八节点等参单元模拟土、用梁单元模拟墙体、用一维杆单元模拟支撑，编制了相应程序FE-SMW1.0。

3 SMW工法设计和施工中的存在问题

3.1 设计方面

（1）目前我国还没有一套完备的SMW围护结构设计规范或标准，整个设计过程只能参照有关资料，缺乏统一理论。从基坑结构计算可以看出，基坑整体稳定性分析采用上海市标准《基坑工程设计规程》,为总安全度表达方式，而围护结构局部构件检算采用极限状态表达方式。

（2）水泥土与型钢组合构件受力机理尚不十分明确，尤其是减摩剂采用使这种关

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系变的更加复杂，型钢“全位”和“半位”布置时，组合构件整体刚度难以确定。用式（7）计算出的提高系数值与实测值相差较远, 而准确确定值对于计算墙体变位具有重要意义。

（3）水泥土抗压、抗剪强度设计值及H型钢与水泥土之间单位面积摩擦μf只能依据工程经验采用, 变形阻力的定量化很困难，给设计带来不明确因素。

（4）有限元法对SMW工法围护结构的研究还不充分，会碰到土层变形模量、支撑刚度和桩墙刚度等参数的选择问题。

3.2 施工方面

（1）SMW工法围护结构施工中，组合结构变形刚度相对较小，围檩对提高围护结构整体性起到很重要的作用，如何将围檩的施加方式与基坑开挖方法相结合是一个值得考虑的问题。

（2）基坑开挖所造成的SMW挡墙变形使型钢产生弯曲，减摩剂性能或施工质量等原因，都会致使H型钢的拔出存在困难，或拔出后较难重复使用,因此必须解决好型钢有效拔出问题。

（3）就目前施工机械能力和施工水平以及工程经验，围护结构形式对于基坑深度>14m的基坑应慎重采用，开挖深度超过12m，基坑变形明显增大。解决此瓶颈是进一步发展的关键问题。

（4）在基坑开挖过程中，SMW工法围护结构变形受水位变化的影响比较大，必须考虑周边的降水，以达到减少变形的目的。

4 结束语

SMW工法围护结构在国外（尤其日本）应用很广泛，具有很高的经济效益，工程适应性也比较强。但是近几年来，SMW工法围护结构在上海等地区的应用情况却不容乐观，本文提出了部分问题，希望能抛砖引玉，重新引起广大工程科技人员对此工法的注意。

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参考文献

[1] 仓恒芳.SMW工法在新模范马路地下人行过街通道基坑支护中的应用[J].江苏建筑,2002,86(3)：48~51.

[2] 张剑锋等.型钢水泥土复合搅拌桩(SMW工法)支护结构的应用[J].电力勘测,2000,27(3)：4~7.

[3] 归正等.SMW工法及其应用[J].建筑机械化,2000(2)：49~51.

[4] 傅德明.SMW围护桩在上海地区的开发和应用[J].江苏地质,2002,26(2)：101~105. [5] 归正等.SMW工法机械及其改进[J].建筑机械,2000(6)：26~28.

[6] 钱玉林等.SMW支护结构及其经济分析[J].水利水电技术,2002,18(6)：84~85. [7] 徐向辉.SMW围护结构设计[J].西部探矿工程,2002,76(3)：112~115. [8] 郭传新.SMW工法及所用多轴式连续墙钻孔机[J].建筑机械,1999(4)：45~47. [9] 黄均龙等.SMW工法四轴深层搅拌机研制与应用的工程实例[J].岩土工程界,2000,3(3)：21~25.

[10] 陈忠汉等.深基坑工程[M].北京：机械工业出版社,2003.211~217.

[11] 丁克等.SMW工法围护结构的设计[J].江西水利科技,2002,28(3)：129~134. [12] 张璞，柳荣华.SMW工法在深基坑工程中的应用[J].岩石力学与工程学报,2000,19(增)：1104~1107.

[13] 王健.劲性水泥土地下连续墙试验研究[J].建筑技术开发,2000,27(6)：2~4. [14] 佘跃心等.基于有限元的SMW支护结构基坑开挖施工模拟[J].四川建筑科学研究,2002,28(2)：26~28.

[15] 王健.上海某基坑SMW围护的实测与分析[J].工业建筑,2001,31(2)：27~30.

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