玻璃纤维土钉墙在地铁基坑支护中的应用

徐永浩

（中铁四院集团西南勘察设计有限公司，650206，昆明∥工程师）

玻璃纤维土钉墙在地铁基坑支护中的应用

徐永浩

（中铁四院集团西南勘察设计有限公司，650206，昆明∥工程师）

针对传统钢筋土钉墙支护存在钢筋残留、影响基坑周边桩基础施工的问题，提出了玻璃纤维土钉墙支护方案。以昆明南站站的地铁基坑支护为背景，以普通土钉墙支护设计理论为依据，对玻璃纤维土钉的材料特性、设计计算方法作了较详细的论述。通过与传统土钉墙的综合对比，论证了该方案的经济技术合理性，提出了对应玻璃纤维筋土钉的构造要求及施工注意事项，并成功指导施工，可为类似基坑支护工程设计提供参考。

地铁；基坑支护；玻璃纤维土钉墙

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

1 工程概况

新建昆明南站地处呈贡县吴家营片区，位于呈贡新城东面龙潭山下。昆明南站是集铁路、地铁、道路公交、出租等市政交通设施为一体的特大型综合交通枢纽。昆明市地铁1号线支线工程昆明南站站为地铁1、4号线平行换乘车站，站厅位于昆明南站出站层并与其共用出站厅，站台层位于昆明南站站房之下。该区域如图1所示。

图1 昆明南站枢纽工程图

2 地质条件

地铁昆明南站站场地地貌为冲洪积倾斜平原盆地边缘的剥蚀残丘及丘间谷地地貌。拟建站址地形起伏较大，南部（线路右侧）高，北部（线路左侧）低。地下水主要为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水，稳定水位标高约为1 921.725 mm，分布土层主要有粉土及粉质黏土。

粉质黏土（2）1-3：灰黄色，棕黄色，可塑；主要成份为黏粒，中等压缩性土，具中等强度，层状分布，埋深较浅；属微透水层，富水性贫乏，可视为相对隔水层。

粉土（2）4-3：灰白色，潮湿，中密，局部稍密，属中等压缩性土，呈层状分布；富水性一般，属弱透水层。

表1为岩土特殊物理力学设计参数建议表。

3 支护方案设计

拟建场地现状地面起伏较大，自然地面标高1 920.030~1 939.780 mm，枢纽工程场平标高1 932.500 mm，地铁工程基底标高约为1 923.070 mm，地铁基坑开挖深度约0~9.3 m。该工程为枢纽工程的坑中坑，采用明挖法施工，涉及土方开挖11.62万m3，回填8.12万m3。

3.1 工期

枢纽工程土建总工期约30个月，场地内铁路站房、站场、地铁及市政配套项目均同期实施。地铁部分需在12个月内完成并移交场地，以便于进行站房等上部结构的施工。

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3.2 周边场地条件

枢纽工程施工场地开阔，无控制线管线、建构筑物，但地铁位于铁路站房4~6轴地下，地铁基坑施工期间，影响范围外的铁路桩基、承台及结构需同步施工，影响范围内的铁路工程待地铁施工完成后施作，因此需尽量减小地铁施工的影响范围。

3.3 基坑围护形式选择

基坑两侧高差较大，对撑体系难以实施，只能采用放坡及悬臂支挡方案。按昆明南站的规模，若采用悬臂支挡，至少需16个月工期，不满足要求，因此，考虑放坡开挖或土钉墙支护［1］，其优缺点及本工程的适应性详见表2。

表1 岩土特殊物理力学设计参数建议表

表2 施工工法比较表

相对直接放坡方案，采用土钉墙支护方案可缩小土方开挖、回填范围，减小对铁路23个承台110根桩基施工的影响。但是，土钉施工完成后，土钉钢筋会影响后续紧邻的铁路桩基施工，会对后续工期产生一定的影响，因此需对残留钢筋进行清除。经综合分析，两方案虽能满足地铁施工工期要求，但工期安排均较为紧凑，地铁施工完成后，对铁路施工综合影响较大。

借鉴玻璃纤维筋在盾构井围护桩中的应用经验［2］，本工程采用玻璃纤维筋土钉墙支护方案。将玻璃纤维筋引入本工程土钉墙支护，充分利用玻璃纤维筋抗拉强、抗剪弱的特点，结合土钉墙方案的优点，消除土钉钢筋对后续桩基施工的影响，满足交叉施工的工期要求。

3.4 玻璃纤维土钉墙设计

3.4.1 土钉墙的概念

土钉墙是用于土体开挖时保持边坡稳定的一种挡土结构，主要由密布于原位土体的土钉、粘附于土体表面的钢筋混凝土面层及土钉之间的被加固土体组成，是具有自稳能力的原位挡土墙，可抵抗水土压力及地面附加荷载等作用力，从而保持开挖面稳定［3-5］。

在通常情况下，土钉钢筋与注浆体的粘结强度要远高于注浆体与土层的粘结强度，特别是螺纹钢筋与水泥结石体，其粘结强度标准值为2~3 MPa。土钉墙结构的破坏形式为钢筋拉断而不是被拔出破坏［6-7］。

3.4.2 玻璃纤维筋特性

玻璃纤维（GFRP）筋是一种连续纤维增强材料。1970年，欧洲首先将其应用于混凝土结构，国内目前已经将GFRP筋应用于地铁车站端部盾构进出洞的基坑围护［8-9］。GFRP筋有如下特点：抗拉强度高、密度小；热胀系数与混凝土接近，适合作为加强筋在混凝土中应用，保证玻璃纤维筋与混凝土之间的黏结；弹性模量低；耐腐蚀性能好，适合于作为钢筋的替代材料；抗剪强度较低，具有优良的切割性［10-11］。玻璃纤维筋力学参数见表3。

表3 不同直径玻璃纤维筋的力学参数

3.4.3 玻璃纤维筋土钉设计

玻璃纤维土钉墙的受力机理与普通土钉墙类似，只是玻璃纤维与普通钢筋材料不同，因此本工程以普通土钉墙的设计理论为依据，结合玻璃纤维材料的特性进行玻璃纤维土钉墙的设计。

取单位支护长度并按平面应变问题分析，结构按施工过程采用“增量法”进行受力计算。开挖期间土钉墙作为支挡结构，承受水土压力。施工阶段受力分析模拟了施工过程，遵循“分层开挖，分层支护”的原则，在计算中对每一开挖工况都要进行土钉稳定性及土钉抗拔计算。

设计方案如图2、图3所示（取最大开挖深度断面），基坑高度9.4 m，安全等级为二级；坡率1：0.5，分两级放坡，中间平台宽2 m；采用普通钢筋土钉与玻璃纤维土钉分别计算；钻孔直径100 mm、倾角15°、间距1.5 m×1.5 m；表面挂钢筋网φ8@150 mm× 150 mm，喷射C20早强混凝土面层100 mm；土钉抗拔安全系数1.6，整体滑动稳定安全系数1.3。

因GFRP筋首次应用于本地区土钉墙支护，故其实用性暂不明确。计算中材料抗拉强度标准值取规范规定的最小值500 MPa［12］。

采用HRB400钢筋土钉与GFRP土钉计算得到每道土钉长度与拉力基本相同，但GFRP筋直径均小于钢筋直径。计算结果见表4。

图2 HRB400钢筋土钉支护方案

图3 GFRP筋土钉支护方案

表4 土钉拉力及配筋结果对照表

钢材密度为7 850 kg/m3，而GFRP的密度仅为2 100 kg/m3。本工程全基坑面层面积2 218 m2，支护若采用GFRP筋需4.19 t，若采用HRB400则需19.56 t。综合比较，采用GFRP筋材料费仅增加1.53万元，但可避免基坑回填时需拔除土钉的问题，故其技术经济性较合理。

3.4.4 施工流程、工艺及注意事项

GFRP筋土钉墙施工工艺流程依次为挖土、修坡、喷射第一层混凝土、安设土钉（包括成孔、插GFRP筋、注浆、安设连接件等）、挂网、焊接骨架钢筋、喷射第二层混凝土、养护。

GFRP土钉成孔工艺需与现场条件适应，允许偏差为：孔深±50 mm，孔径±5 mm，孔位±100 mm，成孔偏角±3°。

GFRP筋抗剪强度低，作为土钉使用必须采用配套螺母、钢制托盘，并与混凝土面层有效黏接，如图4、图5所示。

图4 GFRP土钉构造图

为保证GFRP筋与砂浆、周边土体的有效黏结，根据本工程条件应采用两次注浆施工工艺。初次灌注1：1的水泥砂浆，水灰比为0.4，灌浆量为钻孔体积的1.2倍；水泥砂浆初凝后，进行二次压注纯水泥浆，水灰比为0.5，注浆量约为第一次注浆量的30%，注浆压力根据现场试验确定。

图5 现场照片

4 结语

（1）本文针对昆明南站地铁基坑支护与周边铁路桩基、站房同时施工的特殊情况，介绍了GFRP筋土钉墙支护的设计方法和施工工艺。GFRP筋具有强度高、轻质、易切割的优点，解决了传统土钉墙钢筋残留影响基坑周边工程施工的问题。该工法施工安全、投资合理、场地小、省工期，在后续交叉作业的地铁基坑工程中有较大的推广价值。

（2）GFRP筋以聚合物树脂为基体，容易因表面损伤或碱性介质渗入造成强度、耐久性降低，因此在运输及存放时应避免高温、紫外线、化学物质的影响。为保持GFRP筋的清洁，需将其放置在垫板上，使用前需用溶剂将其表面污染物质擦拭干净。现场操作时应佩戴手套以防止对GFRP筋表面纤维造成伤害。

［1］ 施仲衡.地下铁道设计与施工［M］.西安：陕西科学技术出版社，2006.

［2］ 林刚，罗世培.玻璃纤维筋在盾构端头井围护结构中的应用［J］.铁道工程学报，2009（8）：77.

［3］ 刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［4］ JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程［S］.

［5］ GB 50330—2002建筑边坡工程技术规范［S］.

［6］ 陈良奎，杨志银.喷射混凝土与土钉墙［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998

［7］ 杨志银，张俊，王凯旭.复合土钉墙技术的研究及应用［J］.岩土工程学报，2005，27（2）：153.

［8］ 苏明，张宏斌.玻璃纤维筋在连续墙中的应用［J］.隧道建设，2011，31（2）：73.

［9］ 朱兆斌.玻璃纤维（GFRP）筋在深基坑支护中的应用与计算［J］.铁道勘察，2012（1）：88.

［10］ 任慧韬.纤维增强符合材料加固混凝土结构基本力学性能和长期受力性能研究［D］.大连：大连理工大学，2003.

［11］ 晏石林，张炎，王伟，等.GFRP筋加强混凝土的粘结性能研究［J］.武汉理工大学学报，2004，26（7）：34.

［12］ GB 50608纤维增强复合材料建设工程应用技术标准［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）