基坑GFRP筋錨桿支護施工技術研究*

劉 軍，劉 鵬，張 舉，鄭仔弟

(1.北京建筑大學土木與交通工程學院，北京 100044； 2.北京市市政四建設工程有限責任公司，北京 100176)

0 引言

目前，基坑錨桿支護基本采用鋼絞線錨索，而基坑支護為典型的臨時性工程，使用壽命短，采用鋼絞線錨桿不僅浪費大、能耗高且給鄰近后續的新建工程施工帶來諸多不便。

GFRP(glass fiber reinforced polymer)筋是一種以玻璃纖維為增強材料、以樹脂為基體材料的復合材料，其具有抗拉強度高、質輕、易切割、耐腐蝕等諸多優良特性，且綠色、環保，已作為鋼筋的替代品廣泛應用于土木工程領域。

國外早在20世紀就開始對GFRP筋進行研究，并逐步應用于隧道工程、道路橋梁、邊坡支護等多個領域，我國在此方面起步較晚，目前研究較多的是GFRP筋強度試驗[1-2]及其與混凝土的黏結性能分析[3-5]，對于GFRP筋錨桿支護則主要應用于邊坡工程[6-9]，在基坑工程領域中的研究與應用較少。

本文以北京地鐵12號線軌排井基坑采用GFRP筋錨桿為背景，對GFRP筋錨桿的施工工藝進行了應用研究，結果表明，基坑采用GFRP筋錨桿效果良好，可替代鋼絞線錨索支護，研究結果為GFRP筋錨桿的深入研究與應用提供了參考。

1 工程概況

北京地鐵12號線工程土建施工18合同段北崗子車站總長300.6m，本站為地下2層島式站臺車站，標準段寬23.1m，車站底板埋深約16.69m，頂板覆土約3.3m。

車站軌排井段基坑采用地下連續墻+鋼絞線錨索的支護結構體系，如圖1所示，墻厚600mm，幅寬4 500～6 000mm，入土深度11m。軌排井基坑側壁安全等級為一級，采用4道鋼絞線錨索，鋼絞線采用1×7型(fptk=1 860N/mm2)。軌排井段共設置12幅地下連續墻，由于GFRP筋錨桿首次在北京基坑工程中應用，本次GFRP筋錨桿段設定在第②幅地下連續墻中，墻幅寬4 500mm，圍護結構如圖2所示。

圖1 北崗子車站圍護結構平面

圖2 北崗子車站圍護結構

2 GFRP筋錨桿構造組成及設計與施工參數

2.1 GFRP筋錨桿構造組成

GFRP筋錨桿由錨具、桿體和錨固體組成，如圖3所示。

圖3 GFRP筋錨桿構造組成

1)錨具 為兩夾片式的新研發錨具。

2)桿體 為大直徑GFRP筋，公稱直徑為32mm；桿體間的連接采用鋼套筒；桿體末端安裝一承壓板，承壓板上預留螺旋絲，防止此處的水泥土壓碎。

3)錨固體 為水泥漿液，其1d抗壓強度≥15MPa，與GFRP筋間的泌水率為0，且具有一定的膨脹性。

2.2 GFRP筋錨桿設計與施工參數

工程施工前對公稱直徑32mm GFRP筋進行了拉伸試驗，以其中1根為例，試驗結果如圖4所示。

圖4 GFRP筋應力-應變曲線

由圖4可看到GFRP筋應力、應變近似呈直線，破壞呈脆性。

因此，對GFRP筋抗拉強度標準值取值可參考高強鋼絲的名義屈服強度，取其極限抗拉強度的80%左右。在進行設計時采用標準值除以材料性能分項系數得到設計值，由于GFRP筋的延展性較差，考慮取材料性能分項系數為1.2。

軌排井基坑南、北兩側各設置4道錨索，第1道錨索中心標高為26.000m，第2道中心標高為21.500m，第3道中心標高為18.500m，第4道中心標高為15.500m，每道錨索水平間距為1.5m，水平傾角均為15°，鉆孔直徑為200mm，錨索注漿采用水泥漿。

軌排井基坑中第②幅地下連續墻采用GFRP筋代替鋼絞線，其布置位置、間距、鉆孔深度和大小、水平傾角均與普通鋼絞線錨索相同。每個鉆孔采用2根直徑為32mm GFRP筋代替4根或5根鋼絞線。GFRP筋抗拉強度標準值560MPa，剪切強度110MPa，極限拉應變1.2%，彈性模量46GPa。

GFRP筋錨桿桿體角度均為15°，水平間距均為1.5m，其余設計與施工參數如表1所示。

表1 GFRP筋錨桿設計與施工參數

3 GFRP筋錨桿施工流程

施工流程為：確定孔位→鉆機就位→鉆孔→清孔→一次注漿→安裝錨桿→二次補漿→施工錨桿支座→張拉→錨頭鎖定→割除錨頭多余GFRP筋，對錨頭進行保護。下面對主要工藝進行闡述。

3.1 鉆孔

鉆孔直徑為200mm，成孔傾角為15°。錨桿鉆機應保證孔位、孔深和傾角等的準確性，鉆孔一次成孔，成孔深度應超過錨桿設計長度至少0.5m。鉆孔結束后應逐根拔出鉆桿。

3.2 桿體制作與安裝

3.2.1桿體制作與存儲

4道GFRP筋錨桿自由段應涂潤滑油和外包塑料布或套塑料管，兩端應包裹嚴密，不得漏入水泥漿；沿桿體軸線設置支架，錨固段支架間距為0.5～1m，其余段1.5～3m，注漿管與GFRP筋桿體采用鐵絲綁扎牢固(見圖5)，并安放可重復注漿套管和止漿密封裝置。

圖5 注漿管安裝

GFRP筋桿體的制作、存儲在施工現場的專屬作業棚內進行。GFRP筋桿體必須在平坦無泥的地面加工，加工檢查合格后方可下放。GFRP筋應采用切割機切斷；桿體制作時無須進行防腐處理。加工完后的桿體應碼放整齊，并標識清楚。

在錨固段長度范圍，桿體上不得有可能影響與注漿體有效黏結和錨桿使用壽命的有害物質。

GFRP筋桿體的制作與存儲要求為：①應嚴格按設計尺寸下料，每根GFRP筋的下料長度誤差應≤50mm； ②應平直排列，注漿管應與桿體綁扎牢固，綁扎材料不宜采用鍍鋅材料；③GFRP 筋桿體間的搭接采用套筒連接，套筒內應灌注環氧樹脂，承壓板要安裝牢固(見圖6)；④桿體制作完成后應盡早使用，制作完成的桿體不得露天存放，宜存放在干燥清潔場所。應避免機械損傷桿體或油漬濺落到桿體上。

圖6 承壓板安裝

3.2.2桿體安裝

GFRP筋桿體輕質，易于人工搬運與安裝；搬運與安裝中需配置適當人力，以防止桿體被污染和碰撞。安裝前要檢查對中支架，安裝中要對準鉆孔，緩緩下放。

3.3 灌漿

錨桿一般采用排氣法注漿，第1次注漿時應從孔底開始，邊注漿邊拔管，直到漿液從孔口溢出，在一次注漿達到一定強度后進行第2次注漿，第2次注漿應具有一定壓力，保證水和空氣順利排出。注漿材料根據設計要求采用固定配合比的水泥漿，漿液應攪拌均勻，隨攪隨用。孔口有漿液溢出時可停止注漿。

3.4 張拉鎖定

由于GFRP筋的各向異性導致其層間抗剪強度較低，采用傳統的鋼筋與錨具直接接觸方式會產生較大應力集中導致GFRP筋過早破壞，進而發生錨固失效，因此GFRP筋錨桿的錨固思路是在桿體與錨具間建立牢固連接，通過筋材回縮擠壓產生較大靜摩擦力和握裹力進而完成鎖定。

本文采取的預應力施加裝置如圖7所示，穿心千斤頂坐在限位板上，通過反復張拉由工具錨進行鎖定，限位板可有效限制夾片位移。

圖7 預應力施加裝置

加載裝置中的工作錨為新研發的夾片式錨具，與GFRP筋配套使用，事先在夾片內側涂抹環氧樹脂用于增強荷載初期與桿體的握裹力，如圖8所示。預應力加載裝置的工作原理為：張拉時千斤頂伸長，工作錨夾片處于松弛狀態，工具錨的夾片隨著循環張拉不斷夾緊，預應力施加完畢后，工作錨中的夾片開始承受荷載，通過夾片擠壓變形增大與GFRP筋間摩擦力，進而完成錨桿鎖緊。

圖8 夾片

在錨固體達到一定強度后通過預張拉1～2次進行預緊。通常情況下預應力在張拉后會有一定損失，分為2個主要階段，如圖9所示。

圖9 預應力變化曲線示意

Ⅰ階段是錨固系統張拉鎖定完畢后，該階段的應力損失量占主導，引起的主要原因是張拉鎖定后桿體的回縮及承壓板變形；Ⅱ階段是由于錨桿錨固段及被錨固土體長期作用下的徐變導致的應力虧損。

由于GFRP筋比鋼筋的松弛率高，因此必要時需對GFRP筋錨桿進行超張拉，超張拉荷載為1.05～1.1 倍設計值。此外，在第1次張拉鎖定后對錨桿進行二次補償張拉，可有效減小相鄰錨桿張拉帶來的預應力損失。

本文采用與GFRP筋配套的新研發錨具、夾片，限位板的尺寸與錨具相匹配，最大限度減少了施工操作引起的應力松弛。

雖然GFRP筋具備優異的抗拉強度，但破壞較突然，因此張拉時應嚴格記錄桿體的伸長量。

3.5 封錨

張拉完成后，對外錨段進行保護并對錨桿軸力進行監測。施工完成的1，2道錨桿如圖10所示。

圖10 1，2道施工完成

4 監控量測

將軌排井北側從西往東第2幅地下連續墻作為GFRP筋錨桿現場應用的試驗段。按設計要求共設計4道錨桿，每道有4束，每束均采用2根直徑32mm GFRP筋。隨基坑開挖及時施作每道錨桿，每道錨桿張拉完成后方可繼續挖下一步土。

監測項目分為2種：①地下連續墻水平位移監測 通過在墻體外表面設置監測點，以冠梁底為基準零點，觀測墻體水平位移情況，監測點位于墻面寬度中心位置，監測點豎向距離為1m；②錨桿軸力監測 每束錨桿均安裝了軸力計，實時監測錨桿拉力變化情況，如圖11所示。

圖11 試驗段錨桿軸力監測

地下連續墻水平位移監測結果如圖12所示，可看到隨基坑深度增大，地下連續墻水平位移逐漸減小，基坑最大水平位移發生在第2道錨桿支護位置，最大值約為15.7mm，整體來看基坑側壁的位移較小，滿足現行規范要求，施工過程安全可控。

圖12 試驗段墻體水平位移情況

錨桿的軸力監測曲線如圖13所示，可看到錨桿的軸力隨基坑土方開挖變化幅度較小，在進行張拉后基本維持在穩定水平，其中第1道錨桿最大軸力為245kN左右，如圖13a所示，第2道錨桿最大軸力約為330kN，第3，4道錨桿的最大軸力相差不大，均在440kN左右。整體來看，每道錨桿的軸力變化隨基坑土方開挖的變化情況較小，未出現軸力突變等情況，GFRP筋錨桿支護結構較穩定。

圖13 錨桿軸力監測

5 結語

基于北京地鐵12號線地鐵軌排井基坑GFRP筋錨桿支護的應用，得出如下結論。

1)GFRP筋錨桿的施工工藝與鋼絞線錨索的大致相同，可充分利用現有設備。

2)在處理好桿體的連接、錨具和鎖定后，可充分發揮GFRP筋的優良特性；GFRP筋采用鋼套筒并灌入環氧樹脂可解決其連接問題；GFRP筋錨桿進行張拉鎖定時采用新研發的夾片式錨具，通過夾片的擠壓變形鎖緊桿體，錨固性能較好。

3)監測數據表明，基坑地下連續墻最大水平位移為15.7mm，整體變形較小。錨桿軸力隨基坑開挖變化幅度較小，受力較穩定。

由于GFRP筋易于切割，即便侵入紅線外也不造成鄰近作業的障礙，因此GFRP筋錨桿作為臨時性基坑支護結構具有廣闊的應用前景。