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摘 要：土钉支护在我国基坑边坡支护工程中已广泛使用。但是，常用的土钉材料（如钢筋、锚索等）有不易切断、难以回收、对后续临近工程的实施具有潜在影响等显著缺点；而近年来边坡支护中出现的自钻式土钉等材料又具有价格昂贵、后期回收过程中对边坡稳定性及基坑内工程造成干扰等不利影响。由树脂和玻璃纤维复合组成的新型材料（GlassFiberReinforcedPolymer，以下简称GFRP）具有高强、耐久、轻质等优点。其中，玻璃纤维增强树脂筋（GFRPbar）是钢筋的新型优良的代用材料。采用GFRP筋制作新型GFRP节能环保土钉代替钢筋，可以显著减少钢筋生产所带来的能源消耗，也避免了生产钢筋所产生的污染，符合建设节约型社会和节能减排的新能源政策。文章采用了郑州市轨道交通某单项工程的工程实例，验证了高边坡土钉支护中采用玻璃纤维筋的经济性和适用性。
关键词：土钉支护 土钉材料 玻璃纤维筋 设计与应用
一、引言
随着城市交通、市政等基础设施建设步伐的加快，城市地下隧道等地下工程建设项目越来越多，多数建设项目周边环境十分复杂，主要体现在建设项目周边建（构）筑物密集、距离近等。在市区市政、交通工程的边坡支护工程中，受施工场地的限制，多采用土钉支护。但目前国内常用的土钉材料，如钢筋、锚索等，具有不易切断、难以回收、对邻近后期实施的工程存在影响等缺点。由树脂和玻璃纤维复合组成的新型材料（GlassFiberReinforcedPolymer，简称GFRP）具有高强、耐久、轻质等优点，可作为普通钢筋的有效替代产品，因此迅速成为近期学术研究的重点。
徐新生、宋时言[1]等人对玻璃纤维筋的力学性能进行了实验研究，测试了玻璃纤维筋的抗拉强度、弹性模量及延伸率等主要力学性能指标，并对其实验过程、实验方法、破坏形态进行了详细介绍，通过对实验结果进行处理，提出了勇于构件设计的力学性能指标。另外，古传耀[2]则通过实验方式验证了玻璃纤维筋的横向抗剪力。
罗毅、郑乐怡[3]等人从材料力学和钢筋混凝土结构的设计理论出发，假设混凝土先受压破坏，引入修正系数，得到了修正后的玻璃纤维钢筋混凝土构件抗弯、抗剪设计理论，由此考察了玻璃纤维混凝土构件的脆性破坏机理和特征，最后通过一个玻璃纤维筋用于剪力墙结构的工程实例，初步验证了修正后的设计理论的实用性、科学性和安全性。
王晓璜[4]则通过吸取近几年在国内地铁工程建设中玻璃纤维筋应用于端头井及围护桩的施工经验，结合广州市番禺区汉溪下穿隧道工程施工1标的特点，在明挖式隧道基坑支护桩中将规划盾构范围内以玻璃纤维筋代替普通钢筋，实现盾构直接切割混凝土及筋材，为盾构预留了通道，避免了后期对支护桩的处理。
由以上研究可知，玻璃纤维筋作为一种新兴材料，已经在理论上成熟，并在工程实践上得到了成功的应用。但是，目前国内玻璃纤维筋的应用多局限于做为明挖基坑桩撑支护中钢筋笼的替代材料，而对于其作为高边坡支护工程中土钉材料的研究则相对较少，本文结合郑州地铁某基坑支护工程的实例对其加以研究及分析。
二、GFRP土钉支护设计及施工要点
（一）材料
1）GFRP土钉规格及外观标准：
GFRP土钉表面质地应均匀，无气泡、裂纹；
形状为左旋或右旋螺纹，牙距应整齐；
GFRP土钉直径宜采用25mm、28mm、30mm、32mm、36mm。
2）密度
密度为1.9g（€？.1g）/cm3。
3）力学性能
GFRP土钉的力学性能应符合下表的要求：
当GFRP土钉使用于高温、腐蚀性等特殊环境时，其力学性能指标应进行试验确定。
4）注浆材料宜采用水泥浆或水泥砂浆，强度等级不宜小于M15。
5）GFRP土钉与水泥浆或水泥砂浆粘结强度标准值应不低于1.5MPa。
（二）设计
1、一般要求
基坑支护结构应采用以分项系数表示极限状态设计表达式进行设计。
基坑支护结构应按下列两种极限状态进行设计：
承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构失效或基坑周边环境破坏；正常使用极限状态：对应于支护结构的变形或地下水作用已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。
基坑支护结构设计应根据表2选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。
2、设计要点
1）土钉支护设计的计算在平直段可取单位支护长度并按平面应变问题进行分析；在转角段可按空间问题进行三维数值分析。
2）土钉支护设计应考虑的荷载除土体自重外，还应包括地表荷载如车辆、材料堆放和起重运输造成的荷载，以及附近地面建筑物基础和地下构筑物所施加的荷载并按荷载的实际作用值作为标准值。当地表荷载小于20kN/m2时则按20kN/m2取值。此外，当施工或使用过程中有地下水时还应计入水压对支护稳定性、土钉内力和喷混凝土面层的作用。
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依据。取值时应考虑地下水位和土体含水量变化的不利影响。
4）宜对土钉加固的复合土体参照重力式挡土墙进行承载能力、抗滑动、抗倾覆稳定性及基坑底抗隆起稳定性等验算。
5）GFRP土钉的长度应通过稳定分析和抗拔力计算确定，一般可取开挖深度的1.0～2.0倍；GFRP土钉间距宜为1.2m～2.0m，局部软弱土中可适当增加密度；GFRP土钉与水平面夹角宜为5€啊？0€埃鄙喜阃两先砣跏保墒实痹龃笄憬牵庇鲇芯植空习锸保市淼髡昕孜恢煤头较颉？
6）应沿GFRP土钉全长设置居中支架，其间距1.5m～2.0m，土钉砂浆（或水泥浆）保护层不宜小于20mm。
7）第一层GFRP土钉覆土不应少于1000mm。
8）GFRP土钉钻孔直径宜为80mm～150mm。
9）喷射混凝土面层的厚度宜为80mm～150mm，混凝土强度等级不宜低于C20。 10）GFRP土钉必须采用配套螺母、钢制托盘和混凝土面层有效连接，如图1所示：
1—GFRP土钉2—钢筋网片3—螺母4—垫块5—钢制托盘6—喷射混凝土面层
11）在基坑顶部宜设置宽度为1m～2m的喷射混凝土护面。
12）基坑坡顶和坡脚应设排水设施，坡面宜设置带反滤层的泄水孔。
三、工程实例
（一）工程概况
郑州市轨道交通1号线某区间出入段线位于正线延长线左右线隧道中间，采用明挖法施工，基坑放坡开挖；正线延长线隧道未实施，计划采用盾构法施工，正线延长线下穿出入段线区间。正线延长线与出入段线区间的相互关系见图2：
（二）工程地质与水文地质
本段区间隧道地层主要为富水砂层，根据钻探、静力触探、标贯试验结果，对场地岩土按岩性及力学特征进行分层，从上到下分别为：
第（1）层：杂填土，主要由粉土、砖块、水泥块等垃圾组成。
第（2）层：粉土，干强度低，韧性低。
第（3）层：粉土，含豆状小姜石及蜗牛壳碎片，局部粘粒含量高。
第（4）层：粉土，含少量铁质斑点，偶见豆状小姜石及蜗牛壳碎片，砂感较强。
第（16）层：粉砂，颗粒成分由石英、长石、云母组成。
第（17）层：细砂，偶见蜗牛壳碎片、小姜石，颗粒级配不良，颗粒成分主要由石英、长石组成，含少量暗色矿物。
根据勘察资料，勘探深度范围内对桩基础、盾构隧道施工有影响的有两层地下水，勘察期间上层潜水水位在地面下3.0m～4.0m左右，下层承压水在地面下12.0m左右，具有微承压性。抗浮设防水位为地面下1.5m。
（三）玻璃纤维筋土钉墙支护方案简介
受场地条件限制，出入段线采用土钉墙支护，土钉与正线延长线隧道有冲突。为避免土钉支护对后期正线延长线盾构隧道有影响，设计采用玻璃纤维筋代替钢筋作为土钉材料。土钉墙设计采用三级坡，坡度分别为1：0.6、1：0.8、1：1.0，土钉横纵向间距均为1.5m，梅花形布置，与水平面夹角15€埃字本？20mm，网喷混凝土厚度80mm。土钉墙支护方案见图3：
（四）施工监测及实施效果分析
由监测结果可知，土钉墙支护的环境监测、土钉应力值均满足规范要求，玻璃纤维筋土钉墙支护的实施效果良好。工程实施后的监测结果如图4、图5所示：
四、结语
1）由工程实施经验可知，玻璃纤维筋土钉支护基坑的稳定性较好，水平位移及土钉应力等均满足相关规范，玻璃纤维筋作为土钉材料的实施效果良好。
2）玻璃纤维钢筋的单位重量价格较高，但考虑到其密度只有约1.9g/cm3，仅为钢材密度的约1/4，等面积替代后造价与钢筋相当；另外，采用GFRP筋制作新型GFRP节能环保土钉代替钢筋，可以显著减少钢筋生产所带来的能源消耗，减少环境污染，如何国家节能减排的政策要求。
3）玻璃纤维筋的抗剪强度相对较低，易于处理，对后期工程的实施干扰不大，在有条件实施时建议进行推广。
（杨捷1王小培单位：黄河勘测规划设计有限公司；包宏涛单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司）
参考文献：
[1]徐新生、宋时言等.FRP筋力学性能实验研究.建筑结构学报（增刊）.全国第九届混凝土结构基本理论及工程应用学术会议论文集，229～233
[1]古传耀.玻璃纤维增强塑料筋的抗剪性能研究，科技咨询导报，2007年，16期，57～58
[1]罗毅、郑乐怡等.玻璃纤维筋混凝土构件的设计原理.华南理工大学学报，2004年10月，第32卷第10期，71～75
关键词：土钉支护 土钉材料 玻璃纤维筋 设计与应用
一、引言
随着城市交通、市政等基础设施建设步伐的加快，城市地下隧道等地下工程建设项目越来越多，多数建设项目周边环境十分复杂，主要体现在建设项目周边建（构）筑物密集、距离近等。在市区市政、交通工程的边坡支护工程中，受施工场地的限制，多采用土钉支护。但目前国内常用的土钉材料，如钢筋、锚索等，具有不易切断、难以回收、对邻近后期实施的工程存在影响等缺点。由树脂和玻璃纤维复合组成的新型材料（GlassFiberReinforcedPolymer，简称GFRP）具有高强、耐久、轻质等优点，可作为普通钢筋的有效替代产品，因此迅速成为近期学术研究的重点。
徐新生、宋时言[1]等人对玻璃纤维筋的力学性能进行了实验研究，测试了玻璃纤维筋的抗拉强度、弹性模量及延伸率等主要力学性能指标，并对其实验过程、实验方法、破坏形态进行了详细介绍，通过对实验结果进行处理，提出了勇于构件设计的力学性能指标。另外，古传耀[2]则通过实验方式验证了玻璃纤维筋的横向抗剪力。
罗毅、郑乐怡[3]等人从材料力学和钢筋混凝土结构的设计理论出发，假设混凝土先受压破坏，引入修正系数，得到了修正后的玻璃纤维钢筋混凝土构件抗弯、抗剪设计理论，由此考察了玻璃纤维混凝土构件的脆性破坏机理和特征，最后通过一个玻璃纤维筋用于剪力墙结构的工程实例，初步验证了修正后的设计理论的实用性、科学性和安全性。
王晓璜[4]则通过吸取近几年在国内地铁工程建设中玻璃纤维筋应用于端头井及围护桩的施工经验，结合广州市番禺区汉溪下穿隧道工程施工1标的特点，在明挖式隧道基坑支护桩中将规划盾构范围内以玻璃纤维筋代替普通钢筋，实现盾构直接切割混凝土及筋材，为盾构预留了通道，避免了后期对支护桩的处理。
由以上研究可知，玻璃纤维筋作为一种新兴材料，已经在理论上成熟，并在工程实践上得到了成功的应用。但是，目前国内玻璃纤维筋的应用多局限于做为明挖基坑桩撑支护中钢筋笼的替代材料，而对于其作为高边坡支护工程中土钉材料的研究则相对较少，本文结合郑州地铁某基坑支护工程的实例对其加以研究及分析。
二、GFRP土钉支护设计及施工要点
（一）材料
1）GFRP土钉规格及外观标准：
GFRP土钉表面质地应均匀，无气泡、裂纹；
形状为左旋或右旋螺纹，牙距应整齐；
GFRP土钉直径宜采用25mm、28mm、30mm、32mm、36mm。
2）密度
密度为1.9g（€？.1g）/cm3。
3）力学性能
GFRP土钉的力学性能应符合下表的要求：
当GFRP土钉使用于高温、腐蚀性等特殊环境时，其力学性能指标应进行试验确定。
4）注浆材料宜采用水泥浆或水泥砂浆，强度等级不宜小于M15。
5）GFRP土钉与水泥浆或水泥砂浆粘结强度标准值应不低于1.5MPa。
（二）设计
1、一般要求
基坑支护结构应采用以分项系数表示极限状态设计表达式进行设计。
基坑支护结构应按下列两种极限状态进行设计：
承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构失效或基坑周边环境破坏；正常使用极限状态：对应于支护结构的变形或地下水作用已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。
基坑支护结构设计应根据表2选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。
2、设计要点
1）土钉支护设计的计算在平直段可取单位支护长度并按平面应变问题进行分析；在转角段可按空间问题进行三维数值分析。
2）土钉支护设计应考虑的荷载除土体自重外，还应包括地表荷载如车辆、材料堆放和起重运输造成的荷载，以及附近地面建筑物基础和地下构筑物所施加的荷载并按荷载的实际作用值作为标准值。当地表荷载小于20kN/m2时则按20kN/m2取值。此外，当施工或使用过程中有地下水时还应计入水压对支护稳定性、土钉内力和喷混凝土面层的作用。
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依据。取值时应考虑地下水位和土体含水量变化的不利影响。
4）宜对土钉加固的复合土体参照重力式挡土墙进行承载能力、抗滑动、抗倾覆稳定性及基坑底抗隆起稳定性等验算。
5）GFRP土钉的长度应通过稳定分析和抗拔力计算确定，一般可取开挖深度的1.0～2.0倍；GFRP土钉间距宜为1.2m～2.0m，局部软弱土中可适当增加密度；GFRP土钉与水平面夹角宜为5€啊？0€埃鄙喜阃两先砣跏保墒实痹龃笄憬牵庇鲇芯植空习锸保市淼髡昕孜恢煤头较颉？
6）应沿GFRP土钉全长设置居中支架，其间距1.5m～2.0m，土钉砂浆（或水泥浆）保护层不宜小于20mm。
7）第一层GFRP土钉覆土不应少于1000mm。
8）GFRP土钉钻孔直径宜为80mm～150mm。
9）喷射混凝土面层的厚度宜为80mm～150mm，混凝土强度等级不宜低于C20。 10）GFRP土钉必须采用配套螺母、钢制托盘和混凝土面层有效连接，如图1所示：
1—GFRP土钉2—钢筋网片3—螺母4—垫块5—钢制托盘6—喷射混凝土面层
11）在基坑顶部宜设置宽度为1m～2m的喷射混凝土护面。
12）基坑坡顶和坡脚应设排水设施，坡面宜设置带反滤层的泄水孔。
三、工程实例
（一）工程概况
郑州市轨道交通1号线某区间出入段线位于正线延长线左右线隧道中间，采用明挖法施工，基坑放坡开挖；正线延长线隧道未实施，计划采用盾构法施工，正线延长线下穿出入段线区间。正线延长线与出入段线区间的相互关系见图2：
（二）工程地质与水文地质
本段区间隧道地层主要为富水砂层，根据钻探、静力触探、标贯试验结果，对场地岩土按岩性及力学特征进行分层，从上到下分别为：
第（1）层：杂填土，主要由粉土、砖块、水泥块等垃圾组成。
第（2）层：粉土，干强度低，韧性低。
第（3）层：粉土，含豆状小姜石及蜗牛壳碎片，局部粘粒含量高。
第（4）层：粉土，含少量铁质斑点，偶见豆状小姜石及蜗牛壳碎片，砂感较强。
第（16）层：粉砂，颗粒成分由石英、长石、云母组成。
第（17）层：细砂，偶见蜗牛壳碎片、小姜石，颗粒级配不良，颗粒成分主要由石英、长石组成，含少量暗色矿物。
根据勘察资料，勘探深度范围内对桩基础、盾构隧道施工有影响的有两层地下水，勘察期间上层潜水水位在地面下3.0m～4.0m左右，下层承压水在地面下12.0m左右，具有微承压性。抗浮设防水位为地面下1.5m。
（三）玻璃纤维筋土钉墙支护方案简介
受场地条件限制，出入段线采用土钉墙支护，土钉与正线延长线隧道有冲突。为避免土钉支护对后期正线延长线盾构隧道有影响，设计采用玻璃纤维筋代替钢筋作为土钉材料。土钉墙设计采用三级坡，坡度分别为1：0.6、1：0.8、1：1.0，土钉横纵向间距均为1.5m，梅花形布置，与水平面夹角15€埃字本？20mm，网喷混凝土厚度80mm。土钉墙支护方案见图3：
（四）施工监测及实施效果分析
由监测结果可知，土钉墙支护的环境监测、土钉应力值均满足规范要求，玻璃纤维筋土钉墙支护的实施效果良好。工程实施后的监测结果如图4、图5所示：
四、结语
1）由工程实施经验可知，玻璃纤维筋土钉支护基坑的稳定性较好，水平位移及土钉应力等均满足相关规范，玻璃纤维筋作为土钉材料的实施效果良好。
2）玻璃纤维钢筋的单位重量价格较高，但考虑到其密度只有约1.9g/cm3，仅为钢材密度的约1/4，等面积替代后造价与钢筋相当；另外，采用GFRP筋制作新型GFRP节能环保土钉代替钢筋，可以显著减少钢筋生产所带来的能源消耗，减少环境污染，如何国家节能减排的政策要求。
3）玻璃纤维筋的抗剪强度相对较低，易于处理，对后期工程的实施干扰不大，在有条件实施时建议进行推广。
（杨捷1王小培单位：黄河勘测规划设计有限公司；包宏涛单位：中铁第五勘察设计院集团有限公司）
参考文献：
[1]徐新生、宋时言等.FRP筋力学性能实验研究.建筑结构学报（增刊）.全国第九届混凝土结构基本理论及工程应用学术会议论文集，229～233
[1]古传耀.玻璃纤维增强塑料筋的抗剪性能研究，科技咨询导报，2007年，16期，57～58
[1]罗毅、郑乐怡等.玻璃纤维筋混凝土构件的设计原理.华南理工大学学报，2004年10月，第32卷第10期，71～75