GFRP筋材锚杆在基坑支护中的应用前景展望

陈娟娟

中化地质矿山总局河北地质勘查院

1 前言

现在工民建项目的基坑支护中，涉及锚杆（或土钉）设计时其杆体材料基本上是钢筋或者钢绞线（即铁磁性材料），虽也有个别项目采用一些新型材料，比如中空锚杆、GFRP锚杆等，受限于在设计和施工时缺少依据或经验等原因，未得到广泛应用。对于深基坑支护对周边环境的影响，设计时更多的是考虑如何确保基坑本身的安全以及保护周边建筑物、管线等的安全，较少考虑或回避对后期其他建筑施工的影响。这就存在谁先建谁占优势，可以先行占用更多的地下空间，而很少考虑后期拟建物的影响。

伴随着环保节能要求以及对支护结构型式、材料等对后期影响的要求等，技术人员就要引起足够重视，在采用传统的支护方式的同时，也要做到与时俱进。可以预见的是，未来基坑支护支护工艺和材料等将有较大的变更，从目前市场及公开报道的科技方面来讲，主要向着以下几个方面发展。

（1）装配式回收式：主要向着现场装配式发展，在完成支护后，全部或部分构件回收再利用。（2）节能环保型：直接或间接采用节能型、环保型材料或施工工艺、施工方法。（3）采用内支撑支护方式及非降水的止水支护方式：向着减少征地红线外环境的占用及影响，采用对周边环境影响较小的截止水方式等。（4）复合材料及非铁磁性材料的应用：在采用新型复合材料的同时，减少后期施工的影响（如地铁、地下管廊施工等），非铁磁性材料也会得到应用等。

本文重点对一种目前已经在一定范围内应用，且具有一定应用前景的的一种复合型筋材----GFRP 筋材的应用进行远景分析展望。

2 当前通常深基坑支护现状及对周边环境的影响

基坑支护的方式很多，比如土钉墙、护坡桩、内支撑、SMW工法等，我们地处于北方内陆，用得最多的支护方式为土钉墙和护坡桩或者几种支护方法的组合，而所使用的主要材料是混凝土和钢筋或锚索。虽然在部分地区修建地铁时有的在马头门位置使用GFRP筋代替了钢筋，但使用量都不大。

目前我们在完成深基坑支护以后,除少量比如钢腰梁等可回收以外，大部分支护体都留在了原地，而这些留在原地未处理的支护构件，影响是多方面的，最常见的对周边后期不利的影响包括以下几种。

2.1 破坏周边地基土体

这种破坏或影响包括二个方面，一是由于放坡开挖，在后期回填后造成的不利影响，主要是因为回填土质量不易达到设计的要求。二是指采用锚杆或者其他支护方式以后，或多或少都在地下空间内设置一些支护构件，从而改变了该区的土的性状。

2.2 支护体变形的影响

支护体在施工中和正常使用期间，会存在微变形，虽然一般情况下对既有建筑物管线等都在可控范围内，这种变形都会形成一个潜在的破坏面趋势，对后期工程或多或少产生不利影响，这种影响也是不可预测的。

2.3 支护体构件留存在原地对地基土的影响

由于土钉或锚杆等一类的支护体置换了部分土体，对其影响区内的地基土强度及变化参数产生一定的影响，这个影响更多表现在对后期建筑物变形的影响，会造成地基的不均匀性及建筑物不均匀沉降。

2.4 对后期施工的地基处理或隧道、管廊等工程的影响

当前期施工了锚杆（或土钉）留置在原位后，对于其内的杆筋材料（钢筋、钢绞线等）无法处理，对机械设备有很大的损坏，特别是对后期规划的隧道施工，钢筋或者钢绞线等铁磁性材料对盾构机的损坏非常大。

对于前面所述几种影响，除非改变整体支护方式，否则其影响是不能避免的，即使采用了回收式支护方式，也不可避免对周边土体的影响。而第四种情况，对于城市规划，特别是对地铁隧道及管廊等来讲，尤其重要，现在已经有一些地方出台了文件，要求靠近地铁或者其他公共地下建筑物的基坑工程限制使用铁磁性材料。

除了以上影响其他这里不再多叙述，以上至少是需要考虑的。

3 钢筋类材料的市场优势和深基坑支护材料发展趋势

根据现在的市场情况，在深基坑工程中使用的锚杆（或土钉）或者护坡桩用的筋材基本上都是钢筋或钢绞线类的铁磁性材料，目前有相当大的优势，下面简要叙述。

3.1 钢筋类材料的市场优势

钢筋类材料在工程中的应用历史悠久，绝大多数工程中是不可代替的主要材料，具有无比巨大的优势。

（1）生产工艺成熟，质量稳定：由于市场的整治，小的地条钢厂几乎绝迹，现在的生产厂家都是正规工厂，生产工艺成熟，出现质量问题的概率很低，质量稳定。（2）市场广阔，采购方便：现在钢材供应商分布广,供应及时。（3）型号种类齐全，选择性强：现在不论是钢筋还是钢绞线类的材料，种类品种繁多，选择性强，包括与之配套的其他辅材也较多，比如锚头、成型垫块等。（4）规范依据充分，可控性强：现在不论是生产，还是加工等，规范依据充分，操作规程齐全，易于管理等。

3.2 深基坑支护材料发展趋势

在不断发展的技术领域，再适用的东西也出现不足来。目前钢材类的主要不利因素已经有所体现，主要有以下几点。

3.2.1 材料成本的不稳定

受大市场环境影响，近几年钢材市场价格波动较大，同样受环保因素影响上游采矿业是受影响最大的，从而也影响下游市场的价格。当管制严格时，钢材市场价格的波动很大，如1998年奥运会期间，河北省的钢材价格就从2800 元/吨上涨到了6200元/吨，目前市场虽然较为疲软，市场价格目前稳定在4200～4500元/吨，价格受市场供应影响较大。

3.2.2 运输成本逐年上涨

由于钢材重量大，在运输过程中需要考虑运输成本，目前多为超载状态下运输，近期经常见到超载运输钢材的重型车压坏路桥的报道，由于道路管制使运输成本不断提高，从而使施工成本不断上涨。

3.2.3 现场加工对环境的影响

基坑支护中使用的钢筋总量小，尺寸多，还有较大部分需要现场焊接成型。现在已经有的地方管理部门对现场提出要求，不得在现场进行焊接作业，或者要求采用空气处理设备，而我们这类工作分散性强，对我们来说是不利的，就需要改变施工工艺了。

3.2.4 对后期施工工程的影响

对后期施工工程的影响，前面已经叙述过了，这里不再多叙述。虽然就目前技术条件，钢筋类材料仍是不可替代的，但是在支护领域已经出现了一些代替材料，比如GFRP 筋，根据市场报道情况，GFRP筋主要应用于锚杆，也有部分用于护坡桩主筋的，虽然在工民建市场上应用不广泛，但在矿山领域应用还是比较常见的，这也是向市场发出的一个信号，未来也会有更多的复合材料应用于深基坑工程中。

4 锚杆（或土钉）支护新材料的应用现状

我们做为设计和施工企业最关心的就是质量、安全、工期以及造价，还要考虑到环保的要求及对后期工程的影响。为了适应当前市场发展的需要，有很多新材料、新方法、新工艺得到了深入研究和应用。比如我们最常见的扩大头锚杆、可回收式锚杆、中空锚杆等以及复合材料，如GGFRP、AGFRP、PBO 纤维、超高强聚乙稀纤维和玄武岩纤维等。

扩大头锚杆、可回收式锚杆、中空锚杆等的筋体材料仍采用了钢质材料，但施工工艺和施工方法也有了较大的改变，也充分体现了循环利用的理念。

对于复合材料中GFRP筋使用率相对较高，对其研究也有了较大的发展，在矿山和隧道类支护工程中也取得了良好的效果，在建筑工程应用上却并不广泛，主要也是其材料性质及一些配套配件未得到解决，影响了其的使用推广。根据市场分析预测,GFRP锚杆也具有较好的应用前景的。下面先就GFRP筋做为锚杆主筋的应用个简单介绍。

4.1 矿山和隧道超前支护

目前矿山和隧道中的支护锚杆，经常用到GFRP锚杆代替钢材，且经验比较成熟，也均取得了较好的效果。

4.2 山体边坡支护

目前已有报道，山坡支护采用GFRP 锚杆代替钢筋锚杆，取得了较好的支护效果和一定的经济效益。

4.3 建筑深基坑支护

为了减少后期对城市建设（比如地铁施工等）的不利影响，已经有部分基坑工程的护坡桩或者锚杆筋采用GFRP 筋代替钢筋，并取得较好的效果。比如现在北京市地铁建设中的端头处理，在盾构机施工的区域已经大部分采用了GFRP 筋代替了钢筋，在石家庄商务中心基坑支护中，对后期地铁施工有影响的区域的支护材料，均采用GFRP筋材代替了钢材。

GFRP筋材的应用，为非磁性复合型材料在建筑工程的应用打开了一扇门。

5 GFRP筋做为锚杆筋材的特性

GFRP 做为一种复合材料，我们有必要对特性进行初步了解。

5.1 GFRP筋概念

GFRP 筋又叫玻璃纤维筋，是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂和辅助剂等为基体材料，在光电热一体的高速聚合装置内受热固化，经拉挤牵引成型的一种复合材料产品。在制作时可以根据需要调整配方成分达到多种想需要效果的材料。

5.2 GFRP筋材的特点

5.2.1 质量轻

它的比重仅为钢筋的l/4 左右，因此十分有利于运输和安装，一般情况下人工操作或者小型吊车即可，省去了大型机械调装运输的环节和费用。

5.2.2 制作中可塑性强

由于是合成材料，在制作过程中可塑性强，在制作过程中可以将做成多种形状和纹路。根据这一特点，杆筋通常做成与之配套的锚头螺纹一样的螺旋状，便于现场安装使用。同样，也可将杆筋制作成需要的其他形状，如L型，T型等。

5.2.3 具有良好的电、磁绝缘性

这种复合材料，具有良好的电、磁绝缘性，不会影响磁场，因此很适合需考虑电、磁影响而不能使用钢筋的场地，同样，在现场施工时也避免电的不安全因素的影响。

5.2.4 具有较高的物理力学强度

以邯郸某厂家生产的直径18mm 的GFRP 螺纹筋抽样的试验结果见表1。

表1 GFRP筋力学性能试验统计表

从以上试验结果可以看出，GFRP 筋除了其抗弯强度较低外，其他物理力学强度相对较高。

5.2.5 伸缩性

GFRP筋材的伸缩性与水泥很接近，这对浆体材料与筋材的握裹力十分有利。

5.2.6 其他性能

除以上特点外，还具有对化学腐蚀较强抵抗能力、良好的抗徐变性、良好的抗疲劳性等。

虽然GFRP 筋材有以上优点，但也有其本身的不足，影响了其有大范围的应用，主要表现为以下几点。

（1）材料质量稳定性问题：由于这种复合材料是由多种材料按一定比例制作而成，而不同的配比，不同的生产厂家制成的产品的物理力学性能指标差别很大，从而影响工程质量。

（2）筋体毛刺问题：由于目前生产的大多数GFRP 锚杆成型产品，为了降低成本，一般不会对筋体表面做更细致的专项处理，筋体上肉眼不可见的毛刺较多，不但会刺伤人体皮肤，而且会引起皮肤红肿、骚痒等症状。如或增加毛刺处理，势必会使价格有所提高。

（3）GFRP 筋材的抗弯、抗扭强度低:于受其材料性能的限制，材料的抗弯、抗扭强度明显低于钢筋类材料，这成为其最大的短板。虽然这种性状已经引起了足够重视，但目前仍未取得较大进展。虽然的的厂家在制作时为提高这种强度，在材料中增加了钢丝类材料，但又失去了其本身具有非磁性材料的特征。

另外，GFRP筋还有热稳定性较差的特点。由于锚杆均设置在土体中，一般受热影响较小，因此可以忽略其影响。当基坑周边环境对变形要求较高，采用玻璃纤维锚杆进行支护时也应慎重，若必须采用玻璃纤维锚杆，应考虑适当增加其截面。

6 GFRP筋在基坑支护中应用中受限原因及措施

6.1 GFRP筋在应用中受限的主要因素

GFRP 筋未能在建筑市场深基坑中得到推广和应用的原因是多方面的,有宣传力度不够的原因，也有质量的原因，也存在其他诸多原因，以下为简要的原因分析。

6.1.1 缺少行业规范依据

虽然目前已经有一些相关规范，比如GB 50608—2010《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》、GB/T 26743—2011《结构工程用纤维增强复合材料筋》、JG/T 351—2013《纤维增强复合材料筋》、GJJ/T 19—2013《盾构可切削混凝土配筋技术规程》、JG/T 406—2013《土木工程用玻璃纤维增强筋》等相关标准。但是，针对建筑行业基坑支护施工设计中的规范还没有相应标准或规定,使其应用受到了制约。因此，也造成现在施工项目少，经验也相对较少。

6.1.2 市场宣传推广力度欠缺，认知度不足

现在除了内业人士对这种材料比较了解外，很多人员也不太清楚，市场认知度较小，也是造成其不能得到推广使用的原因。

6.1.3 市场价格因素

就当前市场行情，螺旋钢筋市场价格（均为不含税价格，下同）为3500 元/吨，而GFRP 筋一般在10000～12000 元/吨（不含锚头价格）。表面来看，GFRP 筋的价很高实际上，由于其比重小，从长度上来讲，则是同规格钢筋的4倍左右，还是有一定优势的，如果按抗拉强度的使用上换算，从长度上具更大的优势。

6.1.4 手工操作安全因素

由于制作原因，这种材料表面毛刺较多，会对人造成伤害，因此在操作时戴橡皮手套，做好防护措施。

6.1.5 与锚杆筋材使用的配件较少

现在成熟的配套的配件基本就是锚头（托盘和螺母）以及端部的定位支架，如图1。我们在土钉施工中需要的其他配件则较少。

图1 现有主要配件

图2 锚杆定位支架

在施工中一般还需要的配件有：杆筋连接件、锚杆支架、多杆筋的多筋锚头件紧固件等，目前这些配件市场上很少见到，也是影响其使用率的一个因素。以上仅是我们了解的一些因素，还可能有其他因素未考虑在内。

6.2 目前针对GFRP筋锚杆一些问题的技术措施

既然我们大致了解了GFRP筋锚杆的一些问题，市场已经有一些措施，主要如下。

6.2.1 设计规范依据问题

推进加大宣传力度，促进相关规范的编制，扩大其应用范围，做好示范工程作用。

6.2.2 筋体强度（质量）问题

采用信誉良好的企业产品，并根据实际需要调整配比。通常情况下GFRP锚杆材料的抗拉强度均较高，而抗弯和抗剪强度则相对较低，这也是可以通过调整材料配比而达到较为满意的效果的。对于抗剪要求也可以增大筋体直径，使抗剪强度与之想适应。

6.2.3 筋体居中定位支架问题

当前以钢筋为杆体的锚杆（土钉），基本上是以圆钢为原材通过弯成一定形状然后焊接在杆筋上，采用其他定位器的较少。而以钢绞线为主材的锚杆（锚索），由于其材料呈柔性，则是以专门的定位器使其居中定位。

而GFRP 型复合材料不能直接采用焊接方式来使筋体居中定位，目前适当的支架装置（或定位器）也较少。我们针对这种情况，发明了数种针对本类材料的锚杆（土钉）定位器，它适用不同直径、不同操作习惯、以及双杆件等情况的构件，如图二。（这几种定位支架，也完全适用于以钢筋做为杆筋的定位使用）。

这几种定位支架，均由硬质塑料原料制作，制作简单，成本仅为通常钢筋类的一半左右，并具有安装简单方便，省时省力，不用现场下料焊接，安全环保，也很有使用前景。

6.2.4 GFRP筋体搭（连）接问题

对于钢筋连接是最为简单的，采用焊接方式即可，而钢绞线类，由于成卷包装，总长度很大，按设计长度连续下料即可，也很少需要连接。而对于GFRP 筋类，则连接成为一个难题，一般都是通过事先设计确定好长度，在生产时按定尺生产。若现在下料的话，对于截断的短筋，不再符合一定长度的筋体，只能弃之。这样，在现场需要变更材料长度时很不方便，也容易造成浪费。针对这种状态,我们也设计一款专用连接件，如图3，可以将可利用的部分短的筋体连接在一起使用。但是，由于受材料本身特性限制，这种连接后的杆体，在安装时，应尽量使其处理锚杆的末端（即内端）。虽然受到一定的限制，但是，也使在实际施工中由于需要截断的短的筋体得到了充分利用，减小了浪费。

图3 GFRP 筋接头

6.2.5 锚头处加强筋的连接问题

由于GFRP 筋不能焊接，而抗弯强度相对较低，通常下设计的加强筋无法正常与杆筋焊接在一起。其实，这种通常做法，规范中也没有严格要求。只是为了锚头处对网片钢筋进行加强，并且与加强筋加强连接即可。

6.2.6 锚头的固定（锁定）问题

由于GFRP筋的锚头采用螺栓固定方式，这和土钉墙最初的插筋补强很相似，采用这种连接方式，也有较大的好处。由于紧固时增加了一个纵向拉力，使完全被动受力变形变成了相对主动受力，更利于坡体的稳定，同时也可以减少土体对杆筋的相对剪切力作用，更利于杆筋拉力的发挥。

7 GFRP筋材锚杆的应用前景展望

任何技术或产品的推广和使用都需要很多人的努力，其优势也需要事实来验证。有的如昙花一现，有的却经久不衰。对于市场来说，更注重的是实用和效益。当一项产品或者技术，从成本上，施工操作上，效益上，应用范围内等都有较大的优势时，才能被人们所接受，才能得到广泛应用。在利益不十分明显的前提下，人们会自然而然的拒绝新的东西。在涉及新的技术需要一个市场适应的过程，同时也会造成旧的设备淘汰，这也是一种既有利益的竞争。对于GFRP复合材料在深基坑中的应用，也是需要市场来检验。在环保严峻的形势下以及环境影响因素下，并伴随着一些工程的应用成功，GFRP 筋材在深基坑中的应用将会有美好的前景，同时也需要多方进行推广。