基坑GFRP筋錨桿支護(hù)施工技術(shù)研究*

劉 軍，劉 鵬，張 舉，鄭仔弟

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

0 引言

目前，基坑錨桿支護(hù)基本采用鋼絞線錨索，而基坑支護(hù)為典型的臨時(shí)性工程，使用壽命短，采用鋼絞線錨桿不僅浪費(fèi)大、能耗高且給鄰近后續(xù)的新建工程施工帶來(lái)諸多不便。

GFRP(glass fiber reinforced polymer)筋是一種以玻璃纖維為增強(qiáng)材料、以樹脂為基體材料的復(fù)合材料，其具有抗拉強(qiáng)度高、質(zhì)輕、易切割、耐腐蝕等諸多優(yōu)良特性，且綠色、環(huán)保，已作為鋼筋的替代品廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。

國(guó)外早在20世紀(jì)就開始對(duì)GFRP筋進(jìn)行研究，并逐步應(yīng)用于隧道工程、道路橋梁、邊坡支護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域，我國(guó)在此方面起步較晚，目前研究較多的是GFRP筋強(qiáng)度試驗(yàn)[1-2]及其與混凝土的黏結(jié)性能分析[3-5]，對(duì)于GFRP筋錨桿支護(hù)則主要應(yīng)用于邊坡工程[6-9]，在基坑工程領(lǐng)域中的研究與應(yīng)用較少。

本文以北京地鐵12號(hào)線軌排井基坑采用GFRP筋錨桿為背景，對(duì)GFRP筋錨桿的施工工藝進(jìn)行了應(yīng)用研究，結(jié)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(hù)，研究結(jié)果為GFRP筋錨桿的深入研究與應(yīng)用提供了參考。

1 工程概況

北京地鐵12號(hào)線工程土建施工18合同段北崗子車站總長(zhǎng)300.6m，本站為地下2層島式站臺(tái)車站，標(biāo)準(zhǔn)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(xù)墻+鋼絞線錨索的支護(hù)結(jié)構(gòu)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(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，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(shè)置12幅地下連續(xù)墻，由于GFRP筋錨桿首次在北京基坑工程中應(yīng)用，本次GFRP筋錨桿段設(shè)定在第②幅地下連續(xù)墻中，墻幅寬4 500mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 北崗子車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面

圖2 北崗子車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)

2 GFRP筋錨桿構(gòu)造組成及設(shè)計(jì)與施工參數(shù)

2.1 GFRP筋錨桿構(gòu)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(gòu)造組成

1)錨具 為兩夾片式的新研發(fā)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(yù)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(qiáng)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(shè)計(jì)與施工參數(shù)

工程施工前對(duì)公稱直徑32mm GFRP筋進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，以其中1根為例，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 GFRP筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖4可看到GFRP筋應(yīng)力、應(yīng)變近似呈直線，破壞呈脆性。

因此，對(duì)GFRP筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值可參考高強(qiáng)鋼絲的名義屈服強(qiáng)度，取其極限抗拉強(qiáng)度的80%左右。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)值除以材料性能分項(xiàng)系數(shù)得到設(shè)計(jì)值，由于GFRP筋的延展性較差，考慮取材料性能分項(xiàng)系數(shù)為1.2。

軌排井基坑南、北兩側(cè)各設(shè)置4道錨索，第1道錨索中心標(biāo)高為26.000m，第2道中心標(biāo)高為21.500m，第3道中心標(biāo)高為18.500m，第4道中心標(biāo)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(xù)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(gè)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值560MPa，剪切強(qiáng)度110MPa，極限拉應(yīng)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(shè)計(jì)與施工參數(shù)如表1所示。

表1 GFRP筋錨桿設(shè)計(jì)與施工參數(shù)

3 GFRP筋錨桿施工流程

施工流程為：確定孔位→鉆機(jī)就位→鉆孔→清孔→一次注漿→安裝錨桿→二次補(bǔ)漿→施工錨桿支座→張拉→錨頭鎖定→割除錨頭多余GFRP筋，對(duì)錨頭進(jìn)行保護(hù)。下面對(duì)主要工藝進(jìn)行闡述。

3.1 鉆孔

鉆孔直徑為200mm，成孔傾角為15°。錨桿鉆機(jī)應(yīng)保證孔位、孔深和傾角等的準(zhǔn)確性，鉆孔一次成孔，成孔深度應(yīng)超過(guò)錨桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度至少0.5m。鉆孔結(jié)束后應(yīng)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(chǔ)

4道GFRP筋錨桿自由段應(yīng)涂潤(rùn)滑油和外包塑料布或套塑料管，兩端應(yīng)包裹嚴(yán)密，不得漏入水泥漿；沿桿體軸線設(shè)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(fù)注漿套管和止?jié){密封裝置。

圖5 注漿管安裝

GFRP筋桿體的制作、存儲(chǔ)在施工現(xiàn)場(chǎng)的專屬作業(yè)棚內(nèi)進(jìn)行。GFRP筋桿體必須在平坦無(wú)泥的地面加工，加工檢查合格后方可下放。GFRP筋應(yīng)采用切割機(jī)切斷；桿體制作時(shí)無(wú)須進(jìn)行防腐處理。加工完后的桿體應(yīng)碼放整齊，并標(biāo)識(shí)清楚。

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

GFRP筋桿體的制作與存儲(chǔ)要求為：①應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)尺寸下料，每根GFRP筋的下料長(zhǎng)度誤差應(yīng)≤50mm； ②應(yīng)平直排列，注漿管應(yīng)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(nèi)應(yīng)灌注環(huán)氧樹脂，承壓板要安裝牢固(見圖6)；④桿體制作完成后應(yīng)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(chǎng)所。應(yīng)避免機(jī)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(zhì)，易于人工搬運(yùn)與安裝；搬運(yùn)與安裝中需配置適當(dāng)人力，以防止桿體被污染和碰撞。安裝前要檢查對(duì)中支架，安裝中要對(duì)準(zhǔn)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(shí)應(yīng)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(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行第2次注漿，第2次注漿應(yīng)具有一定壓力，保證水和空氣順利排出。注漿材料根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用固定配合比的水泥漿，漿液應(yīng)攪拌均勻，隨攪隨用。孔口有漿液溢出時(shí)可停止注漿。

3.4 張拉鎖定

由于GFRP筋的各向異性導(dǎo)致其層間抗剪強(qiáng)度較低，采用傳統(tǒng)的鋼筋與錨具直接接觸方式會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力集中導(dǎo)致GFRP筋過(guò)早破壞，進(jìn)而發(fā)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(guò)筋材回縮擠壓產(chǎn)生較大靜摩擦力和握裹力進(jìn)而完成鎖定。

本文采取的預(yù)應(yīng)力施加裝置如圖7所示，穿心千斤頂坐在限位板上，通過(guò)反復(fù)張拉由工具錨進(jìn)行鎖定，限位板可有效限制夾片位移。

圖7 預(yù)應(yīng)力施加裝置

加載裝置中的工作錨為新研發(fā)的夾片式錨具，與GFRP筋配套使用，事先在夾片內(nèi)側(cè)涂抹環(huán)氧樹脂用于增強(qiáng)荷載初期與桿體的握裹力，如圖8所示。預(yù)應(yīng)力加載裝置的工作原理為：張拉時(shí)千斤頂伸長(zhǎng)，工作錨夾片處于松弛狀態(tài)，工具錨的夾片隨著循環(huán)張拉不斷夾緊，預(yù)應(yīng)力施加完畢后，工作錨中的夾片開始承受荷載，通過(guò)夾片擠壓變形增大與GFRP筋間摩擦力，進(jìn)而完成錨桿鎖緊。

圖8 夾片

在錨固體達(dá)到一定強(qiáng)度后通過(guò)預(yù)張拉1～2次進(jìn)行預(yù)緊。通常情況下預(yù)應(yīng)力在張拉后會(huì)有一定損失，分為2個(gè)主要階段，如圖9所示。

圖9 預(yù)應(yīng)力變化曲線示意

Ⅰ階段是錨固系統(tǒng)張拉鎖定完畢后，該階段的應(yīng)力損失量占主導(dǎo)，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(zhǎng)期作用下的徐變導(dǎo)致的應(yīng)力虧損。

由于GFRP筋比鋼筋的松弛率高，因此必要時(shí)需對(duì)GFRP筋錨桿進(jìn)行超張拉，超張拉荷載為1.05～1.1 倍設(shè)計(jì)值。此外，在第1次張拉鎖定后對(duì)錨桿進(jìn)行二次補(bǔ)償張拉，可有效減小相鄰錨桿張拉帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失。

本文采用與GFRP筋配套的新研發(fā)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(yīng)力松弛。

雖然GFRP筋具備優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度，但破壞較突然，因此張拉時(shí)應(yīng)嚴(yán)格記錄桿體的伸長(zhǎng)量。

3.5 封錨

張拉完成后，對(duì)外錨段進(jìn)行保護(hù)并對(duì)錨桿軸力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(jiān)控量測(cè)

將軌排井北側(cè)從西往東第2幅地下連續(xù)墻作為GFRP筋錨桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的試驗(yàn)段。按設(shè)計(jì)要求共設(shè)計(jì)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(shí)施作每道錨桿，每道錨桿張拉完成后方可繼續(xù)挖下一步土。

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分為2種：①地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測(cè) 通過(guò)在墻體外表面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以冠梁底為基準(zhǔn)零點(diǎn)，觀測(cè)墻體水平位移情況，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于墻面寬度中心位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向距離為1m；②錨桿軸力監(jiān)測(cè) 每束錨桿均安裝了軸力計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)錨桿拉力變化情況，如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)段錨桿軸力監(jiān)測(cè)

地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖12所示，可看到隨基坑深度增大，地下連續(xù)墻水平位移逐漸減小，基坑最大水平位移發(fā)生在第2道錨桿支護(hù)位置，最大值約為15.7mm，整體來(lái)看基坑側(cè)壁的位移較小，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，施工過(guò)程安全可控。

圖12 試驗(yàn)段墻體水平位移情況

錨桿的軸力監(jiān)測(cè)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(jìn)行張拉后基本維持在穩(wěn)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(lái)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(xiàn)軸力突變等情況，GFRP筋錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

圖13 錨桿軸力監(jiān)測(cè)

5 結(jié)語(yǔ)

基于北京地鐵12號(hào)線地鐵軌排井基坑GFRP筋錨桿支護(hù)的應(yīng)用，得出如下結(jié)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(xiàn)有設(shè)備。

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

3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑地下連續(xù)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(wěn)定。

由于GFRP筋易于切割，即便侵入紅線外也不造成鄰近作業(yè)的障礙，因此GFRP筋錨桿作為臨時(shí)性基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景。