淺議SMW工法應用的技術管理及其經(jīng)濟與社會價值

摘 要：常見的基坑圍護形式有地下連續(xù)墻、組合排樁和SMW工法等幾種。SMW工法以其經(jīng)濟、適用、環(huán)保等優(yōu)勢而越來越被廣泛應用，本文就SMW工法引進與創(chuàng)新這一建筑施工技術創(chuàng)新的典型探討新技術應用研究的重要性及其經(jīng)濟與社會價值。
關鍵詞：基坑維護 SMW工法 技術創(chuàng)新 技術管理

0 前言
SMW工法是我國建筑施工技術創(chuàng)新中的技術引進與創(chuàng)新的典型。二次世界大戰(zhàn)后，地基處理施工方法得到了長足發(fā)展。繼美國首先研制出水泥攪拌樁施工方法后，1971年經(jīng)日本成幸株式會社改進，研制出多軸攪拌機，使得滲漏、流砂等問題得到極大程度的改觀。因此應用該工法的工程逐漸增多，成為日本國內基坑圍護的主要方法，約占地下圍護結構的80%。該工法可適用于粘性土、砂性土以及砂礫石等地層中施工。1993年，SMW工法通過技術引進并創(chuàng)新在我國發(fā)展起來，并在上海靜安寺“環(huán)球世界”商廈基坑圍護中最先得到應用，目前該工法主要應用于我國東南沿海地區(qū)的軟土深基坑圍護中，并逐步向內地推廣。
1 SMW工法的內容及特點
SMW（Soil-cement Mixed Wall）工法是基于深層攪拌樁施工方法發(fā)展起來的，它通過在相互搭接的水泥土攪拌樁內插入H型鋼或其他種類的受拉材料，連續(xù)并排形成地下柱列式復合擋土圍護結構，從而起到防滲、支護作用。
SMW工法作為開挖深度在6～10米的基坑圍護形式，同地下連續(xù)墻、組合排樁（咬合式鉆孔灌注樁或鉆孔灌注樁+水泥攪拌樁隔水帷幕）等其他基坑圍護形式相比，具有明顯的工藝簡單、造價低、節(jié)約資源、減少地下空間資源的污染以及工期短等優(yōu)勢，具有很大的潛在應用推廣市場。
然而，目前由于沒有SMW工法基坑的設計規(guī)范和施工技術規(guī)范，造成了SMW工法的施工質量參差不齊，差異很大，有些甚至影響了基坑的安全，造成了一些事故。為此，本文通過分析SMW工法本身施工應用存在的問題，探討新技術的應用研究的必要性及其經(jīng)濟與社會價值。
2 SMW工法應用存在的典型技術管理問題
2.1 忽視水泥土強度對基坑施工的影響
SMW工法中水泥土強度低對基坑失穩(wěn)可能造成的影響：在基坑開挖過程中，隨著開挖深度的加深，SMW工法圍護的內外壓力差加大，挖到基底時達到最大，隨著開挖的進行，基底以上的SMW工法水泥土暴露于空氣中，強度很快可以達到設計指標，能夠滿足H型鋼之間水泥土局部抗剪的要求。而基底下SMW工法的水泥土強度根據(jù)試驗數(shù)據(jù)推斷可能很低，不能夠滿足H型鋼之間水泥土局部抗剪的要求，在巨大的內外壓力差下，坑外的土體可能從H型鋼之間流入基坑內，造成基坑隆起，基坑失穩(wěn)。我們認為不排除這是SMW工法圍護基坑失穩(wěn)的一種可能，特別是在上海基坑開挖10米左右時，基底下土層一般為③3灰色淤泥質粉質粘土和④1灰色淤泥質粘土，該土層被動區(qū)土壓力值非常低，而且該土層中具有明顯的觸變流動性。這也是SMW工法圍護樁外土體通過H型鋼之間流入基坑內的重要因素。因此必須對基坑內該土層進行加固，改變其土體物理力學性能，提高被動區(qū)土壓力。
然而，SMW工法理論上通常認為：水土側壓力全部由型鋼單獨承擔，水泥土樁的作用在于抗?jié)B止水。所以設計中受力計算一般僅考慮由H型鋼獨立承受作用在圍護體上的力，水泥土攪拌樁體僅作為一種安全儲備加以考慮。因此造成許多工程管理人員、技術人員忽視了SMW工法中水泥土強度的重要性，甚至以此為借口推脫施工中水泥土強度達不到設計指標的問題。
2.2 忽視基坑坑底加固
目前一些業(yè)主、設計單位為了降低造價，減少了對坑底加固的設計措施，施工經(jīng)驗證明：采用坑底土體加固措施對采用SMW工法圍護形式的基坑安全非常重要，可以起到暗撐的作用，為降低造價可采用裙邊加固加抽條加固的方式。其中裙邊加固對提高SMW工法整體性穩(wěn)定意義很大，同時提高了基坑內側被動區(qū)土體的抗側壓能力，對確保基坑的整體穩(wěn)定和絕對安全作用重大。但目前實際施工中，地基加固的施工質量差異很大，造成較多地基加固達不到設計要求，效果不明顯，因此必須加強地基加固施工作業(yè)隊伍的市場準入管理和加強現(xiàn)場施工過程控制，確保地基加固效果的實現(xiàn)，提高基坑的整體穩(wěn)定性。
2.3 SMW工法支護體系的設計與施工問題
（1）SMW工法支護體系的設計問題
根據(jù)以往的基坑施工經(jīng)驗，支護體系中支撐的設計至關重要，特別是首道支撐形式的選擇。首道采用鋼筋混凝土支撐能有效地控制基坑變形，對基坑施工的安全性能起到重大作用。最近在一些SMW工法作為圍護形式的支護體系的設計中，已經(jīng)有一些基坑圍護的第一道支撐采用了鋼筋混凝土支撐，例如：上海市軌道交通9號線虹梅路站（R409B標）工程、上海中環(huán)線五角場立交工程。
（2）開挖過程中支撐體系施工控制問題
在支撐體系中，圍檁的剛度對整個支撐結構的剛度影響很大，但目前普遍存在對型鋼圍檁制作不規(guī)范、認識不足的現(xiàn)象，造成了一些因圍檁失穩(wěn)引起的基坑事故。因此設計、施工單位都必須高度重視這個問題。
3 SMW工法技術管理問題的對策
3.1 從技術和管理兩方面提高SMW工法的水泥土強度
3.1.1 SMW工法水泥土強度低的原因分析
從目前SMW工法施工中水泥土強度來看：在SMW工法設計圖紙中設計會提出如下設計要求，SMW工法中水泥土28天無側限抗壓強度不小于1.2MPa。但是在實際施工中，通過采用鉆孔取芯進行水泥土強度試驗證明：普遍地遠遠達不到1.2MPa的設計要求，而且水泥土強度的離散性很大，同時呈現(xiàn)隨深度增加強度遞減的規(guī)律。某工程水泥土強度試驗數(shù)據(jù)顯示：最大0.10MPa，最小0.03MPa，甚至低于相應土層的土體強度。但SMW工法水泥土強度還有一個重要現(xiàn)象：埋在地下時，強度形成非常慢，而一旦隨著基坑的開挖暴露于空氣中，強度上升非常快，基本三天可以達到設計指標。
在水泥制品中，在能夠滿足水泥水化反應和施工可行性的前提下，水灰比越低，強度越高，因此選擇低水灰比的方案是一個施工原則。
目前SMW工法施工時水泥漿液的水灰比一般為：1.5:1～2:1，主要考慮攪拌后的水泥土中的含水量不能太小，以便H型鋼可以靠自重下沉到位。作者認為這么高的水灰比存在兩點問題：第一，如此高的水灰比，勢必造成水泥土強度較低；第二，在水泥土中水泥摻量一定的前提下，越高的水灰比，勢必造成水泥漿液灌注量的增加，同時造成產(chǎn)生更多的水泥土漿液溢出，增加外溢水泥土處理成本。
根據(jù)資料顯示，日本公司在施工時，水灰比W/C為0.3~0.8，根據(jù)工程類別及土性選擇使用，而且目前日本有的水泥土強度已達到了3~5MPa。
綜上所述，降低水泥漿液中水灰比是提高SMW工法中水泥土強度的一個重要因素。
3.1.2 提高水泥土強度的對策
（1）技術手段：在采用輔助措施，能解決H型鋼下沉到位的前提下，盡可能采用較低的水灰比，例如：采用振動錘輔助H型鋼下沉。其次還可在水泥漿液中摻加一些外摻劑，例如膨潤土等。最好的方法是通過現(xiàn)場試驗，確定其合理的配比及其強度值。
（2）施工管理手段：目前水泥漿液的拌制大部分采用人工拌制，對漿液的質量人為影響比較大，往往造成水泥用量的減少，水灰比過大，造成水泥土強度低，因此必須加強操作人員的素質教育和質量管理工作，最好是采用先進的自動拌漿系統(tǒng)，減少人為因素的影響，例如：上海隧道股份注漿公司研制的Z－20自動拌漿系統(tǒng)就很好，水泥漿液拌制質量穩(wěn)定可靠。
3.2 確保開挖過程中的基坑穩(wěn)定
施工單位應根據(jù)設計對基坑開挖提出的參數(shù)和挖土和支撐施工方案，運用“時空效應”理論，采用分段、分層、平衡、對稱的開挖方式，快挖快撐，在限定的時間內和限定的空間內完成開挖及支撐，做到不超時、不超挖。
3.3 改善圍檁的設計與施工
首先設計單位在設計時應對圍檁型鋼原材料、圍檁桿件的加強和焊接制作工藝提出具體的設計要求，例如：雙拼型鋼的規(guī)格型號、雙拼型鋼之間的焊接要求、雙拼型鋼焊接后兩側加勁板和型鋼腹板處加勁板的具體布置要求、相鄰兩節(jié)圍檁接頭之間的構造要求等等；在施工過程中，施工單位要嚴格按照設計圖紙采購材料和加工制作鋼圍檁。建議實現(xiàn)鋼圍檁的標準化、規(guī)范化。
通常鋼圍檁與SMW工法圍護樁H型鋼之間的縫隙用快硬細石混凝土填實，待達到強度時，支撐才能施加預應力。目前還有一種較好的工藝，為了保證支撐及時施加預應力，先在鋼圍檁與H型鋼之間的縫隙安放一些鐵墊塊，施加完預應力后在縫隙間及時填筑細石混凝土。
3.4 加強監(jiān)測，做到信息化施工
加強監(jiān)測監(jiān)控，做到信息化施工是保證基坑工程安全施工的重要手段。施工單位項目經(jīng)理、技術負責人要高度重視并認真分析每日的監(jiān)測數(shù)據(jù)報表，通過對地下水位、地表沉降、圍護體位移、支撐軸力等參數(shù)的監(jiān)測，及時根據(jù)特征參數(shù)的變化，調整施工參數(shù)，控制支撐的間排距、支撐軸力的大小、開挖的坡度等，以確保基坑的變形始終處于受控狀態(tài)，將基坑失穩(wěn)事故消滅在萌芽中。另外建議監(jiān)測單位在做好日常監(jiān)測數(shù)據(jù)報表外，還應對監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的原因，從監(jiān)測單位角度做出必要的分析。對于超過報警值的，及時通知總包管理人員。施工管理人員還必須深入施工現(xiàn)場加強全面的檢查，主要為：鋼圍檁是否有局部受損變形的情況、個別鋼支撐是否有松開脫落的可能、SMW工法水泥土樁體是否有局部滲漏及局部松動等現(xiàn)象，對于發(fā)現(xiàn)的問題及時采取措施，避免事故發(fā)生。
4 SMW工法的經(jīng)濟與社會價值
4.1 降低施工成本，增強企業(yè)競爭力
盡管目前SMW工法在應用中還存在上述的各種問題和值得關注的焦點，但是作為一項推廣應用的新技術而言，在滿足工程技術要求的前提下，選用SMW工法作為圍護結構，具有地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁加隔水帷幕作為圍護結構不可比擬的優(yōu)勢。因此作為投資方、設計方在經(jīng)過技術經(jīng)濟論證比較后，一般會優(yōu)先選用SMW工法作為圍護結構。因此作為施工企業(yè)就必須加強SMW工法的施工管理和技術創(chuàng)新工作，樹立在SMW工法施工方面的品牌效應，提高企業(yè)在競標方面的競爭力。
4.2 適應于建設節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟需要
隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，資源和能源問題正成為制約增長的主要問題，因此國務院及時提出了建設節(jié)約型社會和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的政策。針對土建施工行業(yè)實現(xiàn)上述目標，主要的方法為：爭取在施工中使用能周轉的施工材料和采用保證施工材料能重復使用的施工工藝，實現(xiàn)循環(huán)使用，提高資源利用率，盡量減少采用一次性材料消耗的施工工藝。SMW工法的H型鋼可以重復使用，一般至少可使用四次以上。而在地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁作為圍護的施工工藝中，使用了大量的鋼筋，而不能回收重復利用，造成了極大鋼鐵資源的消耗。我國目前已經(jīng)成為世界上鋼鐵產(chǎn)量和消耗第一大國，而且我國的鋼鐵對外依賴度很高，主要體現(xiàn)在鐵礦石資源上的緊缺，大部分需要進口。因此須盡量采用像SMW工法這樣能降低鋼鐵等資源消耗的施工工藝。
4.3 減少地下空間資源污染
隨著地鐵車站、地下市政道路、地下變電站及地下商場等地下空間的開發(fā)利用，作為施工期間的圍護結構大部分永久性的埋在了地下，在上海根據(jù)設計規(guī)范計算，圍護結構的插入比在1：0.8~1：1.1之間，因此該地下建筑物底板下面相當于該建筑物的深度的地下空間資源受到了原圍護結構的污染，給后面底板下地下資源的開發(fā)造成了極大困難。例如：目前為施工地鐵7號線靜安寺站工程北端頭井，必須拔除10根左右原來作為圍護結構的?1000mm鉆孔灌注樁(深度25m左右)，每根樁的自重達52噸之多，拔除的施工難度極大。類似這樣原來的圍護結構影響后續(xù)地下空間資源開發(fā)的情況還有很多。而如果采用SMW工法作為圍護結構，就不會產(chǎn)生如此問題，目前在我國SMW工法中H型鋼大部分都拔除回收。雖然在日本SMW工法作為圍護結構時，H型鋼大部分不拔除，同樣會造成地下空間資源污染的問題，但是我們中國土木工程師們應該在研究和消化吸收日本成功的SMW工法工藝上，通過創(chuàng)新，研究出更好的施工方法和施工工藝。
4.4 有助于環(huán)境保護
首先，在選用地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁作為圍護結構時，施工中會產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，由于該泥漿中PH值高，不符合環(huán)境保護規(guī)定，因此必須采取措施進行處理，除增加工程費用外，如處理不當，還會造成新的環(huán)境污染。而選用SMW工法作為圍護結構雖然在施工過程中也產(chǎn)生需廢棄的水泥土漿液，但不會污染環(huán)境，而且若處理得當，還可作為較好的地基填料；另外，在選用地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁作為圍護結構時，若施工不當，會產(chǎn)生槽壁、鉆孔坍塌事故，輕則引起相鄰地面沉降，重則危害臨近建筑物和地下管線的安全，影響周圍環(huán)境的安全，而目前SMW工法作為圍護結構尚未發(fā)生該類事故。
5 結論與建議
（1）SMW工法引進我國已有十幾年，盡管由于客觀、主觀的一些因素造成了少數(shù)工程事故，但總的來說，SMW工法作為開挖深度在6~10米的基坑圍護形式是成功的，希望工程參與各方加強施工過程質量控制，杜絕工程事故發(fā)生。
（2）作為建筑施工技術創(chuàng)新的成果，在新技術的實際應用中必須將其融入到其他相關技術中，有效實現(xiàn)系統(tǒng)創(chuàng)新，才能確保技術的可建造性以及產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)濟效益。
（3）SMW工法是符合建設節(jié)約性社會和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟這一國家政策的良好基坑圍護形式，具有獨特的優(yōu)勢，值得大力推廣。
（4）呼吁建設管理部門組織科研人員、設計人員、工程技術人員進一步加強SMW工法的理論完善工作和施工工藝的創(chuàng)新工作，使該工法在我國具有更大的使用空間，為地下空間資源的開發(fā)做出更大貢獻。
（5）呼吁建設管理部門組織相關單位和技術人員加快完善SMW工法的設計規(guī)范和施工規(guī)范的編制工作，使SMW工法的應用更加規(guī)范，施工質量更加可靠。
我們相信隨著SMW工法理論的完善和施工的創(chuàng)新發(fā)展，SMW工法會憑借其獨特的優(yōu)勢在沿海軟土地區(qū)的地下空間資源開發(fā)中發(fā)揮更大作用。

參考文獻：
劉建航，侯學淵. 基坑工程手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997