淺議SMW工法應(yīng)用的技術(shù)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(yīng)用，本文就SMW工法引進與創(chuàng)新這一建筑施工技術(shù)創(chuàng)新的典型探討新技術(shù)應(yīng)用研究的重要性及其經(jīng)濟與社會價值。
關(guān)鍵詞：基坑維護 SMW工法 技術(shù)創(chuàng)新 技術(shù)管理

0 前言
SMW工法是我國建筑施工技術(shù)創(chuàng)新中的技術(shù)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(yīng)用該工法的工程逐漸增多，成為日本國內(nèi)基坑圍護的主要方法，約占地下圍護結(jié)構(gòu)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(shù)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(yīng)用，目前該工法主要應(yīng)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(nèi)地推廣。
1 SMW工法的內(nèi)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(nèi)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(fù)合擋土圍護結(jié)構(gòu)，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(yīng)用推廣市場。
然而，目前由于沒有SMW工法基坑的設(shè)計規(guī)范和施工技術(shù)規(guī)范，造成了SMW工法的施工質(zhì)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(yīng)用存在的問題，探討新技術(shù)的應(yīng)用研究的必要性及其經(jīng)濟與社會價值。
2 SMW工法應(yīng)用存在的典型技術(shù)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(nèi)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(shè)計指標(biāo)，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(nèi)外壓力差下，坑外的土體可能從H型鋼之間流入基坑內(nèi)，造成基坑隆起，基坑失穩(wěn)。我們認(rèn)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(zhì)粉質(zhì)粘土和④1灰色淤泥質(zhì)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(nèi)的重要因素。因此必須對基坑內(nèi)該土層進行加固，改變其土體物理力學(xué)性能，提高被動區(qū)土壓力。
然而，SMW工法理論上通常認(rèn)為：水土側(cè)壓力全部由型鋼單獨承擔(dān)，水泥土樁的作用在于抗?jié)B止水。所以設(shè)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(shù)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(shè)計指標(biāo)的問題。
2.2 忽視基坑坑底加固
目前一些業(yè)主、設(shè)計單位為了降低造價，減少了對坑底加固的設(shè)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(nèi)側(cè)被動區(qū)土體的抗側(cè)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(zhì)量差異很大，造成較多地基加固達不到設(shè)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(zhǔn)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(shè)計與施工問題
（1）SMW工法支護體系的設(shè)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(shè)計至關(guān)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(shè)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(biāo)）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(jié)構(gòu)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(rèn)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(shè)計、施工單位都必須高度重視這個問題。
3 SMW工法技術(shù)管理問題的對策
3.1 從技術(shù)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(shè)計圖紙中設(shè)計會提出如下設(shè)計要求，SMW工法中水泥土28天無側(cè)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(shè)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(yīng)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(shè)計指標(biāo)。
在水泥制品中，在能夠滿足水泥水化反應(yīng)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(rèn)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(shù)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(zhì)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(zhì)教育和質(zhì)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(zhì)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(yīng)根據(jù)設(shè)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(yīng)”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(nèi)和限定的空間內(nèi)完成開挖及支撐，做到不超時、不超挖。
3.3 改善圍檁的設(shè)計與施工
首先設(shè)計單位在設(shè)計時應(yīng)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(shè)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(cè)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(gòu)造要求等等；在施工過程中，施工單位要嚴(yán)格按照設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yù)應(yīng)力。目前還有一種較好的工藝，為了保證支撐及時施加預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(shù)負責(zé)人要高度重視并認(rèn)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(diào)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(yīng)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(yīng)用中還存在上述的各種問題和值得關(guān)注的焦點，但是作為一項推廣應(yīng)用的新技術(shù)而言，在滿足工程技術(shù)要求的前提下，選用SMW工法作為圍護結(jié)構(gòu)，具有地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁加隔水帷幕作為圍護結(jié)構(gòu)不可比擬的優(yōu)勢。因此作為投資方、設(shè)計方在經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟論證比較后，一般會優(yōu)先選用SMW工法作為圍護結(jié)構(gòu)。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(shù)創(chuàng)新工作，樹立在SMW工法施工方面的品牌效應(yīng)，提高企業(yè)在競標(biāo)方面的競爭力。
4.2 適應(yīng)于建設(shè)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(wù)院及時提出了建設(shè)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(biāo)，主要的方法為：爭取在施工中使用能周轉(zhuǎn)的施工材料和采用保證施工材料能重復(fù)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(fù)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(fù)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(jié)構(gòu)大部分永久性的埋在了地下，在上海根據(jù)設(shè)計規(guī)范計算，圍護結(jié)構(gòu)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(dāng)于該建筑物的深度的地下空間資源受到了原圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(dāng)，還會造成新的環(huán)境污染。而選用SMW工法作為圍護結(jié)構(gòu)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(dāng)，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(jié)構(gòu)時，若施工不當(dāng)，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(jié)構(gòu)尚未發(fā)生該類事故。
5 結(jié)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(zhì)量控制，杜絕工程事故發(fā)生。
（2）作為建筑施工技術(shù)創(chuàng)新的成果，在新技術(shù)的實際應(yīng)用中必須將其融入到其他相關(guān)技術(shù)中，有效實現(xiàn)系統(tǒng)創(chuàng)新，才能確保技術(shù)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(shè)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(shè)管理部門組織科研人員、設(shè)計人員、工程技術(shù)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(shè)管理部門組織相關(guān)單位和技術(shù)人員加快完善SMW工法的設(shè)計規(guī)范和施工規(guī)范的編制工作，使SMW工法的應(yīng)用更加規(guī)范，施工質(zhì)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(xué)淵. 基坑工程手冊.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997