SMW工法及扩孔锚杆在深大基坑中的工程实践

SMW工法及扩孔锚杆在深大基坑中的工程实践 黄伟达，张 明，蓝永基，罗贞海，赵剑豪，方家强

（1. 福建省建筑科学研究院，福建 福州 350025；2. 中建四局厦门公司，福建 厦门 361004）

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摘 要：在深大规模的基坑中，采用传统的排桩＋内支撑体系不仅支护成本高，对施工工期及空间也造成很大影响。以福州万达广场为例，详细介绍了SMW工法与扩孔大直径锚杆在沿江深大基坑中的应用，现场实测表明该支护结构体系是安全的、有效的，与排桩＋内支撑体系相比有很强的优越性，值得进一步开发和应用。 关键词：深大基坑；SMW工法；扩孔锚杆

中图分类号：TU463 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)S1–0261–04 作者简介：黄伟达(1979– )，男，硕士，主要从事岩土工程设计。E-mail: 50656811@qq.com。

Practice of SMW method and reamering anchors in deep and large foundation pits

HUANG Wei-da1, ZHANG Ming2, LAN Yong-ji2, LUO Zhen-hai1 , ZHAO Jian-hao1, FANG Jia-qiang1

（1. Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025, China; 2 Xiamen Branch of China Construction Fourth Engineering Division

Co., Ltd., Xiamen 361004, China）

Abstract: The traditional retaining system with row-pile and inner-support used in deep and large foundation pits needs high cost and has prodigious influences on the construction. Based on the project of Wanda Plaza in Fuzhou City, the application of SMW method and reamering anchors in the deep and large foundation pit is introduced, and it is safe and effectively proved by the measured data. Such system is superior to the traditional retaining system. Key words: deep and large foundation pit; SMW method; reamering anchor

0 引 言

近年来，随着城市化进程的不断推进，城市地下空间开发逐步向深挖方向发展，特别是在沿江地区产生了众多深、大基坑，给基坑支护带来很多挑战性的技术难题。

在福州地区闽江沿岸往往分布有中砂、淤泥等交互的复杂地层，进行深大基坑开挖时既要充分考虑软土地基的特性，还要进行深部降水。因此，对于超过10 m的软土基坑，一般采用排桩＋多道内支撑的结构形式进行挡土，以控制其变形和受力。但是，实践表明排桩＋内支撑体系造价高，且不利于土方开挖和地下结构施工，工期也长，对工程建设影响很大。

笔者在设计福州万达广场深基坑时，根据基坑自身特点及工期要求，在省内首次将SMW工法与扩孔锚杆相结合的支护结构体系开发应用于深基坑支护中，既有效避开了设置内支撑带来的施工空间问题，基坑可完全敞开施工，又兼顾解决了沿江基坑的降水难题。从监测数据可以看出，基坑侧壁变形基本上控制在允许范围内，周边环境未出现严重开裂现象，支护效果与设计预期基本相符，无论在技术上还是经济性方面，都优于传统的排桩＋内支撑或排桩＋普通锚杆方案。

1 基坑工程概况

福州万达广场位于江滨大道和鳌峰路之间，为金融街地块，场地东、西两侧空旷，而场地南侧用地红线距离闽江仅约80 m。根据岩土工程勘察报告，场地土层主要由①杂填土、②淤泥、③中砂、④淤泥夹砂、⑤中砂等土层构成，各土层设计计算参数见表1所示。

根据项目总平规划（见图1），场地拟建6幢高层建筑及相应附楼，设有联体地下室二层，局部一层。附楼处开挖计算深度约为10.0～11.0 m，主楼处约为12.0～14.0 m，地下室一层处约为5.8 m，基坑支护总周长为1100 m。

综合上述因素，该基坑具有以下特点：

a）开挖深度达10～14 m，平面尺寸约为300 m×130 m，属于一级深、大规模基坑，在福建省内罕见。

b）基坑开挖影响范围内分布有较厚的②淤泥及④淤泥夹砂层等高压缩性土层，属于软土基坑。

c）开挖深度内含有③中砂等强透水层，且靠近闽江水域，地下水量丰富，基坑降排水是一大难题。

d）周边环境较复杂，应严格控制基坑侧壁变形。

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收稿日期：2010–03–18

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表1 场地土层物理力学参数

Table 1 Physical and mechanical parameters of field soils

土层

重度

-/(kN·m3)

抗剪强度 指标 c/kPa

①填土 ②淤泥 ③中砂 ④淤泥夹砂 ⑤中砂

土体与锚固体极限摩阻力标准值 qsik/kPa

15

地基承载力特征值fak /kPa 80～120 40～70

ϕ/(°)

17.0* 10.0* 15.0* 16.3 14.6 7.1

18.5 26.0 70* 140～20015.8 16.1 8.4

20 60～100

19.5 34.0 200～300

工法成桩（见图3），型钢为HN700×300，桩长为15～

24 m，排布方式主要为插一隔一、插二隔一；水泥搅拌桩为Φ850@600，长度同型钢。扩孔锚杆杆体采用Φ25高强精扎螺纹钢，锚固土层主要为③中砂，锚固段长度6 m，扩孔直径不少于300 mm，承载力设计值为250 kN。

该支护结构的施工顺序主要为：分层分段土方开挖、土钉墙施工至平台→SMW工法、扩孔锚杆、降水井施工→土方开挖至坑底、地下室结构施工。

上部土钉墙、下部SMW工法＋扩孔锚杆的复合型支护体系最大程度上发挥了深大基坑无撑式支护的优点，施工方便、快速，具有无可比拟的优势。

表2 支护方案 Table 2 Retaining schemes

方 案

主 要 措 施

优 点

排桩＋内支撑

排桩采用灌注桩或H型钢；桩间设置止水帷幕；内支撑为2~3道钢筋砼或型钢 排桩同上；外拉锚为普通锚杆，4~5道 结合地下室梁板结构，自地面往下施工 支护桩为SMW工法桩；锚杆为旋喷式大直径锚孔，1～2道

优 缺 点

不 足

内支撑跨度太大，且影响施工；为排桩提供有效抗侧刚度的代价高；工期较长

排桩同上；锚杆道数偏多，影响施工进度，锚杆较长容易超越红线；水位以下难以成锚

施工工序复杂，工艺多，工作面小 福州地区缺少工程应用

安全可靠

排桩＋外拉锚（半）逆作法SMW工法＋扩孔 锚杆

施工 空间大

安全可靠 兼作止水帷幕，施工方便，工期短

图1 基坑总平面图 Fig. 1 Plan of foundation pit

2 SMW工法＋扩孔锚杆联合支挡技术

2.1 支护方案比选

由于基坑开挖及坑底一定深度内含有较厚②淤泥及④淤泥夹砂层，支护设计必须着重解决基坑深层滑动问题，并严格控制基坑侧壁变形，避免对周边环境造成不利影响。此外，地下水位降深达10～12 m，须采取有效的降水及止水措施，确保基坑顺利下挖。

综合考虑以上因素，可供采用的支护方式详见表2所示。从表2中可以看出，SMW工法+扩孔锚杆方案施工空间大，施工速度快，在技术上及经济性方面均有很大优势，在方案竞标时得到业主的青睐而中标。

图2为基坑典型剖面图，为减少支护体系的侧向土压力，结合场地土层分布及地下水情况，基坑分二级支护，中间留设约6 m宽平台（兼作拔桩走道）。第一级高度约为5 m，按1∶1放坡，采用土钉墙支护，土钉为3道打入式Φ48锚管，长度6～9 m不等，倾角为25°，水平间距为1200～1500 mm。

第二级采用桩锚支护结构体系，支护桩采用SMW

图2 基坑典型剖面图

Fig. 2 Typical section of foundation pit

2.2 支护结构关键技术

万达广场基坑的最大特色是有机融合了SMW工

法与扩孔锚杆这两种关键技术的固有优点，采用SMW工法＋1道扩孔锚杆即解决了挖深超过10 m的软土地

增刊1 黄伟达，等. SMW工法及扩张锚杆在深大基坑中的工程实践

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基超大基坑支护难题。

图3 SMW工法平面大样

Fig. 3 Detailed drawing of SMW method

SMW工法因其施工速度快，施工质量容易得到保证，并可兼作止水、止泥帷幕[1]，近年来逐渐应用于福州地区软土基坑支护，取代传统的灌注桩成为深基坑支护的主要构件。在砂层或淤泥夹砂场地中，采用SMW工法可充分发挥搅拌桩的特性，不仅止水效果好，也有助于H型钢桩与搅拌桩之间形成抗侧刚度更大的桩墙结构。

SMW工法往往与内支撑或外拉锚配套应用。目前，外拉锚普遍采用注浆型锚杆（索），其承载能力较低、杆体较长，由于施工工艺简单、技术成熟，在工程上得到广泛应用。然而在深大基坑中，采用普通注浆锚杆（索）显然无法满足支护要求，锚杆（索）道数多，支护成本高，对施工工期也造成严重影响。采用扩孔锚杆可有效弥补以上不足，单根锚杆承载力高，可大幅较低支护成本。扩孔锚杆机械设备简单，扩孔效果与土层密切相关，在砂层或淤泥夹砂场地中效果最佳，现场试验结果发现在这两种土层中锚杆承载力相差不大。

根据剖面计算结果，H型钢桩的桩身弯矩设计值约为600～1400 kN·m/m，满足要求；桩身最大水平位移约为20～30 mm，最大值位于坑底以上约1～3 m处。锚杆拉力设计值达180～220 kN。 2.3 地下水控制技术

万达广场基坑的另一个关键问题是地下水的控制，由于地下水位降深超过10 m，且基坑中心距离闽江仅约130 m，采用普通的深井系统进行强降水难以达到预期效果。

考虑各方面因素，该基坑采用了两层止水帷幕和两级深井降水系统（见图4）。第一层止水帷幕为基坑坡顶的双排Φ500@350水泥搅拌桩，桩长12 m，其目的是确保土方开挖至平台过程中基坑中间土方开挖、四周桩锚结构的施工。第二层止水帷幕即为SMW工法的Φ850 @600水泥搅拌桩，基坑南侧桩底落至④淤泥夹砂，而北侧桩底落至③中砂，其止水性能优于单头水泥搅拌桩墙，下一级开挖后桩间土极少有渗漏或崩塌等现象。两层止水帷幕距离仅约6 m，渗流分析结

果发现设置第一层水泥搅拌桩后水力梯度降低很多，对SMW工法桩的受力有利。

第一级深井系统布置于5 m深平台处，沿平台外侧约15～20 m布置一口，井深12 m，首先确保在土方开挖至平台过程中、坑内深井系统尚未发挥作用时将地下水位降至相应位置，方便扩孔锚杆的施工；其次在下挖时继续启动降水，降低H型钢桩坑外侧水头（特别是在雨季），减少桩身受力。施工过程中，因地下室结构调整，主楼处的开挖深度比原设计深1～2 m，而此时桩锚体系均已施工，经验算后决定利用第一级深井将桩背地下水维持在平台以下4 m处，结果表明支护桩变形未出现大的变化。

第二级深井系统布置于坑内，主要沿基坑边布置，用于降低基坑内的地下水位。

图4 止水帷幕及降水井示意图 Fig. 4 Sealing curtain and dewatering well

3 监测成果分析

万达广场基坑为一级深基坑工程，根据支护结构特点对坡顶及平台处的深层水平位移及竖向位移（沉降）、锚杆应力、地下水位等进行观测，准确判断基坑开挖及降水对基坑侧壁和周边环境的影响程度，为动态设计和信息化施工提供准确依据。 3.1 深层水平位移

在基坑平台处支护桩桩边，共埋设12根测斜管，其中9根正常工作。管身变形基本上呈现出顶部小、中间大的鼓出模式，最大位移位于平台以下约7 m深即基坑开挖底部位，最大值在25～35 mm范围内，基本上控制在基坑总深度的1/350范围以内，而顶部因为受到锚杆约束，变形较小，可见扩孔锚杆的作用相当显著。

264 岩 土 工 程 学 报 2010年

此外，沿基坑坡顶四周埋设了18根测斜管（北侧因附楼施工无法埋设），管深20 m，距离基坑开挖底边线约为12 m，观测基坑周边的变形趋势。管身位移基本上也为外鼓形分布模式，其中场地东侧最大位移约为25～32 mm，最大值位于地面以下约10～11 m深；场地南侧靠近闽江，场地外地下水位较高，深层水平位移呈现双鼓型，即在土钉墙内和基坑坑底面以下均有较大位移，最大值达40 mm；场地西侧的变形趋势基本上与场地东侧相同，最大位移约为25～35 mm，最大值位于地面以下约10～12 m深处。

可见基坑坡顶及平台处的深层水平位移分布模式及变形值基本上是一致的，这也说明了基坑侧壁变形随着开挖深度的增加而向外发展，在1.0倍开挖深度范围内其变形趋势基本是一样的。基坑水平位移变化曲线见图5。

监测值达150 kN，其它21根锚杆应力监测值大部分在40～60 kN范围内，小于锚杆锁定荷载值120 kN，在基坑开挖过程中，锚杆应力的增长幅度比较平缓。

基坑平台处的地下水位基本上维持在平台以下3～5 m范围内，基本上达到设计要求。基坑内的地下水在地面以下约15 m深度处，满足施工需要。

总之，基坑侧壁最大水平位移小于40 mm，最大沉降量小于35 mm，变形值比排桩＋内支撑结构略大，但仍然在允许范围内，锚杆应力及地下水位均满足设计要求，且周边环境未出现开裂等破坏特征，这都表明SMW工法＋扩孔锚杆这种新型组合结构的应用是成功的，在地下水控制方面也圆满达到预期目标。

4 结 论

综上所述，在沿江深大基坑中地采用SMW工法及扩孔锚杆作为支护结构是切实可行的，并对扩孔锚杆的工程应用进行了卓有成效的探索。这种复合型支护体系与地下水的控制紧密结合，使基坑支护获得了成功，对以后类似工程有着积极的借鉴意义。通过以上分析主要得出以下结论：

（1）SMW工法及扩孔锚杆为无内撑式组合结构，能为土方开挖及地下室腾出最大的施工空间，特别适用于施工工期紧张的深基坑工程。

（2）为减少外拉锚道数，并改善支护桩受力性状，在场地允许条件下应在一定范围内结合放坡开挖的形式进行。

（3）扩孔锚杆采用大直径锚固体，在含砂量高的地基中适用性很强。现场试验表明，杆体与锚固体之间的接触构造尤为重要。

（4）沿江砂土地基中，地下水的控制是一大难题，若能与SMW工法相结合，止水效果更好，降水难度也得到降低。 参考文献：

[1] 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(增刊1): 280–283. (ZHANG Pu, LIU Rong-hua. The application of SMW method in foundation pit[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 2008, 19(S1): 280–283. (in Chinese))

图5 深层水平位移

Fig. 5 Variation of horizontal displacement with depth

3.2 其它

监测结果表明，基坑坡顶和平台处的沉降量相差不大，沉降值基本上为20～35 mm，周边地面未出现开裂等险情。场地东侧距离基坑坡顶约40 m处为鳌峰洲小学，沉降量约为10～12 mm。江滨中路段的沉降量约为20～37 mm，鳌峰路段沉降量约为20～35 mm。可见，周边建（构）筑物的变形基本上在控制范围内。

在锚杆应力观测中，除基坑西侧有1根锚杆的应力

（本文责编 明经平）