玻璃纖維土釘墻在地鐵基坑支護(hù)中的應(yīng)用

徐永浩

（中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，650206，昆明∥工程師）

玻璃纖維土釘墻在地鐵基坑支護(hù)中的應(yīng)用

徐永浩

（中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司，650206，昆明∥工程師）

針對傳統(tǒng)鋼筋土釘墻支護(hù)存在鋼筋殘留、影響基坑周邊樁基礎(chǔ)施工的問題，提出了玻璃纖維土釘墻支護(hù)方案。以昆明南站站的地鐵基坑支護(hù)為背景，以普通土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，對玻璃纖維土釘?shù)牟牧咸匦?、設(shè)計(jì)計(jì)算方法作了較詳細(xì)的論述。通過與傳統(tǒng)土釘墻的綜合對比，論證了該方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)合理性，提出了對應(yīng)玻璃纖維筋土釘?shù)臉?gòu)造要求及施工注意事項(xiàng)，并成功指導(dǎo)施工，可為類似基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)提供參考。

地鐵；基坑支護(hù)；玻璃纖維土釘墻

Author’s addressChina Railway Siyuan Group Southwest Survey and Design Co.，Ltd.，650206，Kunming，China

1 工程概況

新建昆明南站地處呈貢縣吳家營片區(qū)，位于呈貢新城東面龍?zhí)渡较隆＠ッ髂险臼羌F路、地鐵、道路公交、出租等市政交通設(shè)施為一體的特大型綜合交通樞紐。昆明市地鐵1號線支線工程昆明南站站為地鐵1、4號線平行換乘車站，站廳位于昆明南站出站層并與其共用出站廳，站臺層位于昆明南站站房之下。該區(qū)域如圖1所示。

圖1 昆明南站樞紐工程圖

2 地質(zhì)條件

地鐵昆明南站站場地地貌為沖洪積傾斜平原盆地邊緣的剝蝕殘丘及丘間谷地地貌。擬建站址地形起伏較大，南部（線路右側(cè)）高，北部（線路左側(cè)）低。地下水主要為松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水，穩(wěn)定水位標(biāo)高約為1 921.725 mm，分布土層主要有粉土及粉質(zhì)黏土。

粉質(zhì)黏土（2）1-3：灰黃色，棕黃色，可塑；主要成份為黏粒，中等壓縮性土，具中等強(qiáng)度，層狀分布，埋深較淺；屬微透水層，富水性貧乏，可視為相對隔水層。

粉土（2）4-3：灰白色，潮濕，中密，局部稍密，屬中等壓縮性土，呈層狀分布；富水性一般，屬弱透水層。

表1為巖土特殊物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)建議表。

3 支護(hù)方案設(shè)計(jì)

擬建場地現(xiàn)狀地面起伏較大，自然地面標(biāo)高1 920.030~1 939.780 mm，樞紐工程場平標(biāo)高1 932.500 mm，地鐵工程基底標(biāo)高約為1 923.070 mm，地鐵基坑開挖深度約0~9.3 m。該工程為樞紐工程的坑中坑，采用明挖法施工，涉及土方開挖11.62萬m3，回填8.12萬m3。

3.1 工期

樞紐工程土建總工期約30個(gè)月，場地內(nèi)鐵路站房、站場、地鐵及市政配套項(xiàng)目均同期實(shí)施。地鐵部分需在12個(gè)月內(nèi)完成并移交場地，以便于進(jìn)行站房等上部結(jié)構(gòu)的施工。

2018年中秋和國慶雙節(jié)來臨，旅游成為一個(gè)熱詞。中國游客瑞典被逐一事，給出國旅游者敲響了警鐘。是瑞典警方暴力執(zhí)法、旅店服務(wù)粗暴，還是走出國門的當(dāng)事人撒潑碰瓷，蠻不講理，爭論雙似乎誰也說服不了誰。

3.2 周邊場地條件

樞紐工程施工場地開闊，無控制線管線、建構(gòu)筑物，但地鐵位于鐵路站房4~6軸地下，地鐵基坑施工期間，影響范圍外的鐵路樁基、承臺及結(jié)構(gòu)需同步施工，影響范圍內(nèi)的鐵路工程待地鐵施工完成后施作，因此需盡量減小地鐵施工的影響范圍。

3.3 基坑圍護(hù)形式選擇

基坑兩側(cè)高差較大，對撐體系難以實(shí)施，只能采用放坡及懸臂支擋方案。按昆明南站的規(guī)模，若采用懸臂支擋，至少需16個(gè)月工期，不滿足要求，因此，考慮放坡開挖或土釘墻支護(hù)［1］，其優(yōu)缺點(diǎn)及本工程的適應(yīng)性詳見表2。

表1 巖土特殊物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)建議表

表2 施工工法比較表

相對直接放坡方案，采用土釘墻支護(hù)方案可縮小土方開挖、回填范圍，減小對鐵路23個(gè)承臺110根樁基施工的影響。但是，土釘施工完成后，土釘鋼筋會(huì)影響后續(xù)緊鄰的鐵路樁基施工，會(huì)對后續(xù)工期產(chǎn)生一定的影響，因此需對殘留鋼筋進(jìn)行清除。經(jīng)綜合分析，兩方案雖能滿足地鐵施工工期要求，但工期安排均較為緊湊，地鐵施工完成后，對鐵路施工綜合影響較大。

借鑒玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護(hù)樁中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［2］，本工程采用玻璃纖維筋土釘墻支護(hù)方案。將玻璃纖維筋引入本工程土釘墻支護(hù)，充分利用玻璃纖維筋抗拉強(qiáng)、抗剪弱的特點(diǎn)，結(jié)合土釘墻方案的優(yōu)點(diǎn)，消除土釘鋼筋對后續(xù)樁基施工的影響，滿足交叉施工的工期要求。

3.4 玻璃纖維土釘墻設(shè)計(jì)

3.4.1 土釘墻的概念

土釘墻是用于土體開挖時(shí)保持邊坡穩(wěn)定的一種擋土結(jié)構(gòu)，主要由密布于原位土體的土釘、粘附于土體表面的鋼筋混凝土面層及土釘之間的被加固土體組成，是具有自穩(wěn)能力的原位擋土墻，可抵抗水土壓力及地面附加荷載等作用力，從而保持開挖面穩(wěn)定［3-5］。

在通常情況下，土釘鋼筋與注漿體的粘結(jié)強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于注漿體與土層的粘結(jié)強(qiáng)度，特別是螺紋鋼筋與水泥結(jié)石體，其粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2~3 MPa。土釘墻結(jié)構(gòu)的破壞形式為鋼筋拉斷而不是被拔出破壞［6-7］。

3.4.2 玻璃纖維筋特性

玻璃纖維（GFRP）筋是一種連續(xù)纖維增強(qiáng)材料。1970年，歐洲首先將其應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)，國內(nèi)目前已經(jīng)將GFRP筋應(yīng)用于地鐵車站端部盾構(gòu)進(jìn)出洞的基坑圍護(hù)［8-9］。GFRP筋有如下特點(diǎn)：抗拉強(qiáng)度高、密度??；熱脹系數(shù)與混凝土接近，適合作為加強(qiáng)筋在混凝土中應(yīng)用，保證玻璃纖維筋與混凝土之間的黏結(jié)；彈性模量低；耐腐蝕性能好，適合于作為鋼筋的替代材料；抗剪強(qiáng)度較低，具有優(yōu)良的切割性［10-11］。玻璃纖維筋力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 不同直徑玻璃纖維筋的力學(xué)參數(shù)

3.4.3 玻璃纖維筋土釘設(shè)計(jì)

玻璃纖維土釘墻的受力機(jī)理與普通土釘墻類似，只是玻璃纖維與普通鋼筋材料不同，因此本工程以普通土釘墻的設(shè)計(jì)理論為依據(jù)，結(jié)合玻璃纖維材料的特性進(jìn)行玻璃纖維土釘墻的設(shè)計(jì)。

取單位支護(hù)長度并按平面應(yīng)變問題分析，結(jié)構(gòu)按施工過程采用“增量法”進(jìn)行受力計(jì)算。開挖期間土釘墻作為支擋結(jié)構(gòu)，承受水土壓力。施工階段受力分析模擬了施工過程，遵循“分層開挖，分層支護(hù)”的原則，在計(jì)算中對每一開挖工況都要進(jìn)行土釘穩(wěn)定性及土釘抗拔計(jì)算。

設(shè)計(jì)方案如圖2、圖3所示（取最大開挖深度斷面），基坑高度9.4 m，安全等級為二級；坡率1：0.5，分兩級放坡，中間平臺寬2 m；采用普通鋼筋土釘與玻璃纖維土釘分別計(jì)算；鉆孔直徑100 mm、傾角15°、間距1.5 m×1.5 m；表面掛鋼筋網(wǎng)φ8@150 mm× 150 mm，噴射C20早強(qiáng)混凝土面層100 mm；土釘抗拔安全系數(shù)1.6，整體滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)1.3。

因GFRP筋首次應(yīng)用于本地區(qū)土釘墻支護(hù)，故其實(shí)用性暫不明確。計(jì)算中材料抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取規(guī)范規(guī)定的最小值500 MPa［12］。

采用HRB400鋼筋土釘與GFRP土釘計(jì)算得到每道土釘長度與拉力基本相同，但GFRP筋直徑均小于鋼筋直徑。計(jì)算結(jié)果見表4。

圖2 HRB400鋼筋土釘支護(hù)方案

圖3 GFRP筋土釘支護(hù)方案

表4 土釘拉力及配筋結(jié)果對照表

鋼材密度為7 850 kg/m3，而GFRP的密度僅為2 100 kg/m3。本工程全基坑面層面積2 218 m2，支護(hù)若采用GFRP筋需4.19 t，若采用HRB400則需19.56 t。綜合比較，采用GFRP筋材料費(fèi)僅增加1.53萬元，但可避免基坑回填時(shí)需拔除土釘?shù)膯栴}，故其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較合理。

3.4.4 施工流程、工藝及注意事項(xiàng)

GFRP筋土釘墻施工工藝流程依次為挖土、修坡、噴射第一層混凝土、安設(shè)土釘（包括成孔、插GFRP筋、注漿、安設(shè)連接件等）、掛網(wǎng)、焊接骨架鋼筋、噴射第二層混凝土、養(yǎng)護(hù)。

GFRP土釘成孔工藝需與現(xiàn)場條件適應(yīng)，允許偏差為：孔深±50 mm，孔徑±5 mm，孔位±100 mm，成孔偏角±3°。

GFRP筋抗剪強(qiáng)度低，作為土釘使用必須采用配套螺母、鋼制托盤，并與混凝土面層有效黏接，如圖4、圖5所示。

圖4 GFRP土釘構(gòu)造圖

為保證GFRP筋與砂漿、周邊土體的有效黏結(jié)，根據(jù)本工程條件應(yīng)采用兩次注漿施工工藝。初次灌注1：1的水泥砂漿，水灰比為0.4，灌漿量為鉆孔體積的1.2倍；水泥砂漿初凝后，進(jìn)行二次壓注純水泥漿，水灰比為0.5，注漿量約為第一次注漿量的30%，注漿壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。

圖5 現(xiàn)場照片

4 結(jié)語

（1）本文針對昆明南站地鐵基坑支護(hù)與周邊鐵路樁基、站房同時(shí)施工的特殊情況，介紹了GFRP筋土釘墻支護(hù)的設(shè)計(jì)方法和施工工藝。GFRP筋具有強(qiáng)度高、輕質(zhì)、易切割的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)土釘墻鋼筋殘留影響基坑周邊工程施工的問題。該工法施工安全、投資合理、場地小、省工期，在后續(xù)交叉作業(yè)的地鐵基坑工程中有較大的推廣價(jià)值。

（2）GFRP筋以聚合物樹脂為基體，容易因表面損傷或堿性介質(zhì)滲入造成強(qiáng)度、耐久性降低，因此在運(yùn)輸及存放時(shí)應(yīng)避免高溫、紫外線、化學(xué)物質(zhì)的影響。為保持GFRP筋的清潔，需將其放置在墊板上，使用前需用溶劑將其表面污染物質(zhì)擦拭干凈?，F(xiàn)場操作時(shí)應(yīng)佩戴手套以防止對GFRP筋表面纖維造成傷害。

［1］ 施仲衡.地下鐵道設(shè)計(jì)與施工［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

［2］ 林剛，羅世培.玻璃纖維筋在盾構(gòu)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009（8）：77.

［3］ 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］ JGJ 120—2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］ GB 50330—2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］ 陳良奎，楊志銀.噴射混凝土與土釘墻［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998

［7］ 楊志銀，張俊，王凱旭.復(fù)合土釘墻技術(shù)的研究及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（2）：153.

［8］ 蘇明，張宏斌.玻璃纖維筋在連續(xù)墻中的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2011，31（2）：73.

［9］ 朱兆斌.玻璃纖維（GFRP）筋在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用與計(jì)算［J］.鐵道勘察，2012（1）：88.

［10］ 任慧韜.纖維增強(qiáng)符合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)基本力學(xué)性能和長期受力性能研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2003.

［11］ 晏石林，張炎，王偉，等.GFRP筋加強(qiáng)混凝土的粘結(jié)性能研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26（7）：34.

［12］ GB 50608纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

Application of GFRPSoil Nailing Wall in Foundation Pit Support of Subway

Xu Yonghao

In traditional soil nailing wall construction，the residual steel often influences the pile construction near the foundation pit.To solve this problem，a scheme of adopting GFRP soil nailing wall in foundation pit support scheme is put forward.According to practical conditions of Kunming South Station and the theory of steel soil nailing support，the material properties，design calculation and constructional requirements of this scheme are discussed in detail.Compared with traditional nailing wall，the GFRP one is proved to be economic and feasible，then structure requirements and precautions are pointed out to serve as a reference for the similar projects.

subway；foundation pit support；grass fiber reinforce polymer（GFRP）soil nailing wall

TU 472.3+4

2013-03-02）