玻璃纤维增强复合筋(GFRP)土钉支护施工技术措施

玻璃纤维增强复合筋（GFRP）土钉支护施工技术措施1 前言11土钉支护在深基坑施工中是常用的一种支护技术，随着我国建筑业的不断发展，深基坑施工越来越多。在日常建筑深基坑土钉支护施工中，经常会碰到土钉超出建筑规划红线，而传统的钢筋、钢管、钢索土钉对今后的地下管线或地下建筑物施工带来严重的隐患。同时这些金属类土钉不易切割清除、切割易产生火花，特别对地下天燃气管线存在较大危险。玻璃纤维增强复合筋（GFRP）作为一种新型的钢筋代用材料已在防腐工程、道路工程中成熟应用，已有专业的厂家生产。玻璃纤维增强复合筋代替传统的钢筋等应用于土钉支护，因其易清除，很好地避免了今后地下管线或地下建筑物施工的隐患。12玻璃纤维增强复合筋是一种由玻璃纤维和树脂（如环氧树脂）、固化剂专业成型固化而成的杆件，表面形状为螺纹形（Glass Fiber Reinforced Polymer，简称为GFRP筋）。它代替传统的钢筋应用于土钉支护是一种新的技术，是一种创新。玻璃纤维增强复合筋土钉支护施工工法可以减少钢筋用量，符合并响应了国家建设节能、环保和节约型社会的能源政策。13玻璃纤维增强复合筋土钉支护施工工法是在传统的钢筋土钉支护方法上改进，结合玻璃纤维复合筋的材料特性，制定相应的施工工艺和优化设计方案、参数，通过工程应用及对玻璃纤维增强复合筋土钉在整个围护结构中的监测、总结而形成。2 技术措施特点2.1 本施工技术措施施工工艺操作性强、方便、快速、用料省，可以有效缩小工作面。随挖随支，可缩短工期，减少土体的扰动，提高土体的强度及稳定性，拓展了土钉支护的应用空间。2.2 本技术措施在土钉施工时减少了电焊、切割作业量，有效减少电焊、切割明火动用，改善作业环境、减少电焊弧光污染。土钉锚杆损耗率小且用材环保，可以提高劳动作业安全，提高施工效率。2.3玻璃纤维增强复合筋（GFRP）土钉支护紧贴围护土体，占用空间小，作业面内相对扩大了空间且不易碰撞，减少了外部施工对其影响，从而更具有安全性和可靠性。3 适用范围3.1适用于一般粘性土、粉质粘土、粉土、砂土、碎石土和有一定粘性的杂填土的边坡或基坑支护。3.2 本技术措施用于基坑支护时，适用于侧壁安全等级为二级、三级的基坑支护且基坑深度不宜大于12米。3.3 本技术措施用于砂土边坡时，不适用于N10击和不均匀系数小于2的级配不良的砂土。4 工艺原理4.1玻璃纤维增强复合筋土钉支护施工技术措施是在传统的土钉支护技术上加以改进，改变传统的钢筋等金属类筋材，以玻璃纤维增强复合筋（GFRP筋）为筋材，根据材料特性，充分利用材料顺纤维向抗拉强度高且塑性变形小的特点，优化土钉支护设计，精心施工和有效的监测形成安全、可靠的支护体系。4.2本施工技术措施采取土中造孔、置入玻璃纤维增强复合筋筋材，并沿孔全长注浆的方法做成细长土钉杆件。以土钉作为主要受力构件，依靠土钉与土体之间的界面粘结力或摩擦力，来承受土体变形条件下产生的拉力作用，从而达到支护的目的。它由土钉群、被支护的土体和喷射混凝土护坡面层组成，见下图4.2。图4.2 GFRP复合筋土钉支护工艺原理 1-玻璃纤维增强复合筋土钉 2-喷射混凝土护面层 3-土体滑裂面 H-支护深度5 施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程施工工艺流程见图5.15.2施工要点5.2.1土钉设计玻璃纤维增强复合筋(GFRP)土钉支护的设计可参建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012及锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086-2001。但对以下几项作相应调整和明确：1.单根土钉抗拉承载力计算应按公式5.2.1-11.350FjkFuj (5.2.1-1)式中: 0-基坑(边坡)侧壁重要性系数； Fjk-第j根土钉受拉荷载标准值； Fuj-第j根土钉受拉承载力设计值；2.单根土钉GFRP筋计算截面积可按下式5.2.1-2确定:AGj1.350Fjk/FG,y (5.2.1-2) 式中 : AGj第j根GFRP土钉计算截面积； FG,yGFRP土钉抗拉强度设计值； 3.土钉锚固体与土体极限摩阻力参数宜以现场测试结果为设计依据。土钉锚固体与土体极限摩阻力标准值取现场实测平均值的0.8倍，同时应考虑地下水位和土体含水量变化的不利影响。 4.土钉抗拉抗力分项系数宜取1.4,进行整体稳定性验算时其整体滑动抗力分项系数宜取1.351.5,当位移控制要求严格时应取上限值。一般设计时，深度h5M取1.35,8mh12m时取1.5, 5mh8m时取1.4。5.GFRP筋的抗拉强度标准值宜取平均抗拉强度的72%，抗拉强度设计值宜取标准值的75%，对于在极度恶劣环境条件下，如高温、强碱、干湿循环或冻融循环等，因GFRP筋的耐受时间会发生不可逆的降低，抗拉强度设计值宜取标准值的60%。6.当地表荷载小于20kN/m2时则按20kN/m2取值。7.玻璃纤维增强复合筋土钉支护的长度应通过稳定分析和抗拉拔力验算方可确定。但一般情况下不得小于支护深度的1.21.5倍,对于密实砂土和坚硬粘土可取低值，对于软塑粘性土不应小于1.5倍，对于顶部的玻璃纤维增强复合筋土钉的长度应适当增加20%。 5.2.2施工准备、测量放线1.玻璃纤维增强复合筋土钉支护施工前应编制施工组织设计及专项技术、安全措施，对于支护深度超过一定规模（5m）的深基坑，根据建质200987号文应组织做好专家论证工作。2.根据地质环境情况和设计要求精心选择施工机械，根据施工质量控制精度要求选择施工测量仪器。对于玻璃纤维增强复合筋应选择有实力的专业厂家，并根据设计土钉要求定制玻璃纤维增强复合筋和配套螺母、钢制托盘。各种支护材料、半成品进场前应进行检验合格并应向供货单位索取材料质量保证资料。3.施工前应合理组织、安排各个岗位人员,明确职责,做好各操作人员的技术、安全交底。4.根据设计要求及现场情况，利用仪器对各支护段进行放线,放线要设基准点不小于四处,以复核放线的正确性。施工过程中的测量放线要求紧跟施工进度要求并能保证坡度、标高、土钉位置定位、水平等设计要求。5.2.3土方开挖、修理边坡1.土方开挖遵循“先浅后深、分层开挖、严禁超挖”的原则，并按分层、分段、对称开挖进行。挖土分层厚度与设计土钉间距一致为宜，但一次开挖深度不应超过1.5m。分段长度宜为12m15m。逐层逐段开挖并及时施工土钉，挖一段支一段、挖一层支一层以确保土体稳定。2.边坡土方的开挖应安排技术好的挖掘机操作手，配置专人对边坡作人工修理，专人现场跟踪管理。修理边坡使其坡度、坡面平整度符合设计要求是保证支护体系施工质量的基础和关键工序之一。3.玻璃纤维增强复合筋土钉支护墙面坡度应按设计要求进行开挖、修坡，但一般不得大于1:0.1。5.2.4造孔1.造孔根据设计土钉直径及长度、土质情况可选择湿作业法或干作业法进行。造孔前应根据设计及定出的孔位标记安设稳妥机械，调整好成孔角度，其偏差必须符合质量控制要求。第一层玻璃纤维增强复合筋土钉造孔位置一般覆土深度不应小于1m，其成孔直径除设计要求外宜为100mm150mm。2.由于地质情况的复杂性,当现场施工与设计不符合时或遇到局部障碍物时,允许调整成孔位置和方向，但应适当增加密度并取得设计的同意方可进行。5.2.5玻璃纤维增强复合筋土钉杆安设1.玻璃纤维增强复合筋土钉杆的安设应根据设计定尺土钉规格、长度等与成孔对应安设。在安设过程中引起塌孔或遇阻应及时补孔。2. 玻璃纤维增强复合筋土钉杆在现场应分类堆放，储存应避免阳光直射,制作安装配套构件时应随用随装。3. 安设玻璃纤维增强复合筋土钉杆前应沿钉杆全长设置居中固定支架,其固定支架固定圆环钢筋直径不宜小于10mm，支架直径不宜小于6mm。居中固定支架沿玻璃纤维增强复合筋安设间距1.5m。居中固定支架构造见图5.2.5-2。4.土钉杆的安设应紧跟造孔进度，不宜间隔过久，以免造成塌孔。5.土钉杆入孔前应保证平直,并消除其表面的油渍和其他污物,对锚头各螺纹段应作暂时保护。5.2.6注浆1.注浆材料必须符合设计及规范要求，注浆材料不得配料随意性过大，其水泥、砂等材料应作检测合格后方可使用。2.注浆前应将孔内残留或松动的杂土清除干净，注浆材料要拌合均匀，随拌随用，一次拌合的材料应在初凝前用完。3.注浆开始或中途停止超过30min时应用水泥浆润滑注浆泵及其管路。注浆时,注浆管应插入距孔底250mm处，孔口部位宜设置止浆塞及排气管。5.2.7挂网1.挂网应在边坡喷射一层混凝土后铺设进行,钢筋保护层厚度不宜小于20mm。当采用双层钢筋网时，第二层钢筋网应在第一层钢筋网被混凝土覆盖后铺设。2.挂网应采用绑扎搭接,在土钉杆部位不得电焊作业。钢筋网应按设计要求绑扎，其间距及钢筋直径应符合设计要求，一般挂网钢筋直径不小于6mm，钢筋间距不大于300mm。3.挂网绑扎完成后,应在土钉杆位置通长绑扎加强槽钢或2根以上加强筋，加强筋直径宜为14mm以上。5.2.8锚头连接1.玻璃纤维增强复合筋土钉杆必须与钢筋网连接可靠,采用配套螺母、钢制托盘和混凝土面层有效连接。构造做法见图5.2.8-1。2.钢制托盘应垫设平整,玻璃纤维增强复合筋端部丝扣应露出螺母35个丝扣。5.2.9喷射混凝土面层1.喷射混凝土应按设计强度要求配置，配置所用的材料应符合规范规定要求。喷射混凝土其强度不得低于C20。当掺入减水剂或速凝剂的，其初凝时间宜小于5分钟，终凝时间宜小于10分钟。2.喷射混凝土作业应分段进行，同一段内顺序应自下而上，一次喷射厚度不小于40mm，不宜大于70mm，喷头与受喷面应保持垂直，距离宜为0.6m。3.喷射混凝土终凝2小时后应喷水养护,养护时间应根据天气温度调整，一般为3d7d。4.喷射混凝土时应同时做好坡顶及坡脚的排水设施、泄水孔等。在坡顶部水平面宜设置1m宽以上的喷射混凝土护面。5.2.10预应力张拉（用于预应力张拉土钉时）1.玻璃纤维增强复合筋土钉强度及养护时间达到张拉条件后先10%预定轴向力进行预张拉,使各部位紧密接触。张拉时按预定荷载的10%逐级加荷，每级观测时间5min以上，并等变形稳定后方可进行下一级荷载的张拉，达到预定荷载后稳定10min，卸荷至80%预定值锁定。2.张拉锁定系统事先经过标定，并将油压表的读数换算成张拉压力进行控制。5.2.11施工监测1.玻璃纤增强维复合筋土钉支护结构应考虑结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平、竖向变形的影响，其基坑工程监测项目可按建筑基坑支护技术规程JGJ120-99中规定。2.施工监测应编制监测方案,并应根据设计要求提交阶段性监测结果报告。3.监测项目在开挖前应取得初始值,且不应少于两次。监测项目的监控报警值应根据监测对象的有关规范及支护设计要求事先确定。对周边环境变形有限定要求的二级基坑,其最大水平变形限值应满足正常使用要求。对于周边影响范围内的重要管线或支护结构作永久性结构时，其水平、竖向变形应按满足其正常工作的要求控制。4.各项监测项目的时间间隔应按设计及现场监测情况确定。当变形达到有关要求时或变化速率过大时，应加密观测次数或连续监测。5.遇有强暴雨天气时，应及时对可能危害支护体系安全的水源进行观察并有监测数据分析。5.2.12检查验收1.玻璃纤维增强复合筋土钉支护应对下列项目进行质量检测验收:GFRP土钉抗拉承载力、注浆体抗压强度、喷射混凝土厚度及强度。2.验收合格的标准为：GFRP土钉抗拉承载力作不少于土钉总数的1%，且不少于3根，其抗拉极限承载力平均值不小于设计极限抗拔力的1.25倍。注浆体留设试块检测验收，每个台班制作2组试块，28天标准养护检测抗压强度不低于设计要求。喷射混凝土厚度用钻孔法或其他方法检查，每100m2检查厚度一组，每组不少于3点，每组平均值应不出现负值，且每点厚度不超过设计厚度15%。喷射混凝土强度留设试块检测验收，每100m2留设试块二组，其中一组为同条件养护试块，28天标准养护检测抗压强度不低于设计要求。3. 玻璃纤维增强复合筋土钉支护施工质量验收应按建筑工程施工质量验收统一标准（GB50300-2001）的规定进行。验收按主控项目和一般项目，主控项目包括：GFRP筋抗拉强度、土钉极限抗拔力、土钉长度、注浆体强度、喷射混凝土强度。一般项目包括：造孔倾斜度、注浆量、喷射混凝土面层厚度、造孔孔径、孔位偏差。6 材料与设备61 材料611 玻璃纤维增强复合筋（GFRP）GFRP筋要求表面质地均匀，应无气泡、裂纹。其形状为螺旋纹，可以左旋或右旋，要求牙距整齐。GFRP筋主要采用直径规格为25mm、28mm、30mm、32mm。1.玻璃纤维增强复合筋的尺寸玻璃纤维增强复合筋的参数应符合表6.1.1-1 表6.1.1-1 玻璃纤维增强复合筋尺寸参数 公称直径mm肋间距mm肋高mm杆体直线度(mm/m)25、28、30、321032注：公称直径允许偏差0.3mm，肋间距、肋高允许偏差0.1mm。2.玻璃纤维增强复合筋的力学性能玻璃纤维增强复合筋的力学性能应符合表6.1.1-2表6.1.1-2 玻璃纤维增强复合筋的力学性能公称直径(mm)抗拉强度平均值(Mpa)抗扭矩平均值(Mpa)抗剪强度平均值(Mpa)断裂伸长率（%）弹性模量(GPa)258001301302422875015013024230700180130242326502501202423.玻璃纤维增强复合筋的密度玻璃纤维增强复合筋的密度应为1800 g /cm32200 g/cm3。6.1.2注浆材料（水泥浆或水泥砂浆）水泥浆或水泥砂浆采用的水泥进场时应对其品种、级别、包装、或散装仓号、出厂日期等进行检查，应对其强度、安定性及其他必要的性能指标进行复验，其质量必须符合现行国家标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥GB175的规定,强度等级不应低于32.5MPa。玻璃纤维增强复合筋土钉注浆宜采用水泥浆，当采用水泥砂浆注浆时，砂应采用中砂，使用前应过筛，水泥砂浆配合比：水泥比砂宜为1：1（重量比）。水泥浆或水泥砂浆注浆材料应符合表6.1.2的规定。表6.1.2 水泥浆或水泥砂浆技术指标项目单位指标水泥浆水泥砂浆水灰比/ 0.450.50.380.45强度等级MPa标养28天抗压强度15标养28天抗压强度15粘结强度MPa226.1.3 配套螺母、钢制托盘玻璃纤维增强复合筋土钉专用配套螺母、钢制托盘的产品技术指标应符合设计要求及相关专业厂家的企业标准。6.2 设备6.2.1本技术措施涉及的主要设备见表6.2.1。6.2.2本技术措施涉及的主要测量、检测设备见表6.2.2。表6.2.1 主要施工设备序号机械设备用途单位数量备注1锚杆钻机造孔台/班1型号可根据设计确定2锚杆张拉机用于预张拉台/班1可根据实际调整3灰浆搅拌机注浆材料制作台/班1可根据实际调整4砼搅拌机喷射混凝土制作台/班1可根据实际调整5灰浆泵用于压力注浆台/班1可根据实际调整6砼喷射机及空压泵用于护砼喷射台/班1可根据实际调整7挖土机用于土方边坡开挖台/班1可根据实际调整 表6.2.2 主要测量、检测仪器序号仪器名称规格型号精度单位数量用途1自动安平水准仪S3EDS3级台1水平放线、找平2全站仪GTS-102N定位3钢卷尺5m、30m1级把5放线、测量4台称10500kg级台3计量5试模套6检测砂浆、砼强度等6液压穿孔千斤顶套1用于土钉抗拉拔试验7百分表0.01mm台1用于土钉位移量测量7 质量控制71 规范及控制标准：玻璃纤维复合筋土钉支护施工技术措施必须符合并执行下列规范和标准：7.1.1建筑地基基础设计规范GB50007-2011；7.1.2锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086-2001。7.1.3建筑地基基础工程施工质量验收规范GB50202-2002。7.1.4混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002；7.1.5混凝土结构设计规范GB50010-2010；7.1.6建筑基坑工程监测技术规范（GB50497-2009）；7.1.7岩土工程勘察规范GB50021-20017.1.8基坑土钉支护技术规程CECS 96:97；7.1.9建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012；7.1.10因国家尚无玻璃纤维增强复合筋的相关规范，可参照生产厂家的相关企业标准。7.2 施工质量控制措施7.2.1 土方开挖应根据土钉支护结构设计、降排水要求制定施工组织设计、专项施工方案。专门安排挖机及人员分层分段、分顺序进行，开挖一层支护一层。合理安排土方开挖出土路线，人机密切配合，现场跟班，边修坡边喷细石混凝土，宜连续快速施工。坡面平整度必须严格控制，以提高土钉支护结构质量，坡面平整度允许偏差宜为20mm。每层开挖深度不超过该层锚杆标高下300mm，上层喷锚结构强度达到设计75%以上才能往下开挖土方。7.2.2 土钉位置及数量、标高、间距、倾角等必须按设计放样定位准确。修整边坡后应埋设喷射混凝土厚度控制标志。对于未专设止水结构的土钉支护必须做好排水、降水工作，坡面做泄水管埋设时应紧跟进度要求，泄水管水平间距不宜大于2m。土钉等放样定位允许偏差见表7.2.2。表7.2.2 土钉放样定位允许偏差 项目允许偏差或允许值(mm)检查方法位置按设计要求现场检查标高10水准仪检查间距15尺量检查砼厚度控制标志+5尺量检查泄水孔间距100尺量检查7.2.3成孔机具的选择应保证进钻和抽出过程中不引起塌孔，工艺要适应现场土质特点和环境条件。成孔可选择湿作法，宜选择地质钻机，在易塌孔的土体中钻孔时宜采用套管成孔、挤压成孔。土钉成孔施工质量应符合表7.2.3的规定。表7.2.3 土钉成孔施工允许偏差项目允许偏差或允许值(mm)检查方法孔深50尺量检查孔径5尺量检查孔距 100尺量检查成孔倾角 3测量钻机倾角检查孔位80尺量检查7.2.4土钉安设和喷射混凝土面层应在24h内完成，在淤泥质地层中开挖时，应在12h内完成。喷射混凝土所用材料应满足现行国家规范锚杆喷射混凝土支护技术规范GB5008之规定。混凝土喷射厚度允许偏差为+10mm。 7.2.5注浆泵的规格、输浆量、压力应符合设计要求并满足现场施工要求。注浆宜采用两次注浆、多次补浆的工艺，来保证注浆的充盈度。灌浆量为钻孔体积的1. 2倍1.5 倍(即充盈系不小于1.2)。第一次注浆初凝后，方可第二次注浆，注浆压力根据现场确定，注浆量为第一次注浆量的30%。7.2.6玻璃纤维增强复合筋(GFRP筋)土钉支护的钢筋网片应与土钉连接牢固,并在连接位置设加强槽钢或2根加强筋，加强筋直径宜为14mm以上。钢筋网水平向搭接长度应大于300mm，钢筋网垂直向搭接长度应大于350mm。7.2.7土钉养护一周以上后，锚固体强度大于15Mpa，并不小于预定强度的75%方可进行预张拉。 8 安全措施8.1 执行的法规8.1.1中华人民共和国安全生产法8.1.2建设工程安全生产管理条例8.1.3建筑施工安全检查标准JGJ59-20118.2 安全保证措施8.2.1施工前应对支护作业区作业人员进行技术交底和分工,统一指挥。坚持“安全第一、预防为主”，对支护过程中可能出现的危险源进行识别并制定相应的应争措施。8.2.2严格遵守安全生产纪律，作业人员持证上岗。落实安全生产责任制，加强安全培训及教育，加强安全检查和管理。8.2.3施工机具应放置稳妥,各设备均应处于完好状态，应严格控制坡顶施工荷载并做好围护措施。在操作之前检查操作环境必须符合安全要求，各项安全设施和防护用品齐全后方可操作。8.3 施工的安全措施8.3.1,高处作业时应搭设安全可靠的脚手架，工作台应牢固可靠，并有防护栏杆。8.3.2操作作业戴好劳动保护用品，要求戴好安全帽、安全带等，玻璃纤维增强复合筋土钉施工和注浆时特别应戴好劳动手套。喷射混凝土时操作人员应戴好口罩。8.3.3材料运输时严禁投扔，利用垂直运输机械作吊运时应遵守相关吊运操作规程，专人指挥、专人持证操作。8.3.4钻孔、注浆、喷射混凝土施工时应顺序进行，严禁上下重叠作业。8.3.5特殊天气,如风大于六级、大雨、高温超过35摄氏度等应停止室外作业。8.3.6当采用张拉时,张拉设备应牢靠,拉力计前方和下方、孔口前方严禁站人。8.3.7玻璃纤维增强复合筋（GFRP）严禁接触明火。9 环保措施9.1 执行的法规9.1.1中华人民共和国环境保护法9.1.2中华人民共和国环境噪声污染防治法9.1.3中华人民共和国固体废物污染环境防治法9.2 环保措施9.2.1认真执行国家及地方现行法律法规，做好文明施工及环境保护措施。9.2.2根据设计方案做好支护工程范围内的排水系统、施工区域内的排水系统。对施工废水设净化设施、清孔及注浆等形成的污水经沉淀处理后达标排放。对进出车辆冲洗，做到净车出场。对支护过程中的垃圾固化物集中堆放，专人清理，并在城市规划指定地点处理。最大限度减少施工活动给周围环境造成的不利影响。9.2.3对不使用的、多余的速凝剂等外加剂应进行集中回收，不得随便丢弃。9.2.4积极开展并强化职业卫生宣传教育，加强职工环保知识培训，提高职工环保意识。9.2.5施工期间做好水泥防尘及喷射混凝土的飞溅措施。9.2.6严格控制作业时间,减少夜间作业,尽可能白天作业，控制作业噪声污染，防止扰民。10 效益分析10.1经济效益目前，土钉支护由于随挖随支且经济、可靠、施工简便等因素已在我国得到迅速推广和应用。但在不同工程、不同地质条件下所采用土钉支护形式各有不同。玻璃纤维增强复合筋土钉支护施工技术措施进一步拓展了土钉支护的应用空间。在适用范围内，它与其它一般采用的钢筋土钉支护、钢管土钉支护相比，其单价对比见表10.1。 表10.1 土钉支护经济效益对比表土钉类型土钉综合单价（元/m）备注钢管土钉30考虑钢管倒刺、扩大头等制作钢筋土钉39考虑电焊作业等配套工艺GERP筋土钉48考虑配套的螺母及托盘通过对比分析，GFRP筋土钉的综合单价较另外两种高，但是玻璃纤维增强复合筋随着进一步的研究和应用，呈现出替代普通钢筋的趋势。它比其他土钉易清除且对今后地下作业减少隐患，减少清除费用，更适合对传热和导电的安全有特殊要求场合，从而减少传热和导电的特殊处理费用。同时经测算，与其他桩墙