GRF 绿色装配式支护技术在深基坑边坡支护中的应用研究

刘敏

（中铁建工集团有限公司，北京100071）

1 引言

20 世纪60 年代， 美国建筑师Paolo Soleri 首次将建筑学与生态学融合，提出了生态建筑的新理念，标志着建筑业发展的新方向至此诞生。 现阶段，世界各国也都围绕着绿色建筑积极探索发展。 绿色装配式支护技术从产品材料的组成到施工工艺特点，都是以绿色建筑和可持续发展为要点。GRF 绿色装配式支护技术作为一项新兴起的新技术新工艺， 发展历程较短，较之传统的土钉墙喷锚支护技术应用还不广泛。 随着我国建筑业发展日益成熟，也越来越重视绿色建造。 2022 年3 月，住建部印发了《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》，明确了“十四五”时期建筑节能与绿色建筑发展的重点任务，并积极推动装配式建筑的应用。由此可见，GRF 绿色装配式支护技术拥有很好的发展潜力。 本文将通过对GRF 绿色装配式支护技术的具体研究， 对比出这项技术相对传统土钉墙喷锚支护技术的优势，对于这项新技术的推广具有重要意义。

2 项目概况

长沙市轨道交通长沙西站为3 层车站， 规划有4 条轨道交通线路接入。 本项目总建筑面积99 412.30 m2，基坑开挖面积约55 000 m2，深度约12～20 m，属于危险性较大的分部分项工程，并涉及铁路既有线施工，需编制专项施工方案并经专家论证。 项目场地周边区域暂未进行开发，多为农田、水塘，村庄等。 经勘察，项目施工区域地层从上至下依次为第四系全新统人工填土层（Q4ml），第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl），第四系残积层（Q4el）元古界冷家溪群下段地层（Pt1L）。 本项目基坑开挖分为两个阶段，第一阶段为放坡开挖，开挖深度9 m 内，支护结构形式采用GRF 绿色装配式支护，支护面积约为30 000 m2；第二阶段为垂直开挖，开挖深度9～20 m，支护结构形式采用围护桩加内支撑支护。

3 GRF 绿色装配式支护概述

3.1 GRF 绿色装配式支护技术分类

根据现有最新的分类标准，GRF 绿色装配式支护技术有以下几类：

1）GRF01 绿色装配式土钉墙支护技术， 是在传统的土钉墙喷锚支护技术上利用绿色环保的结构面层替代钢筋混凝土面层[1]；

2）GRF02 绿色装配式垂直支护技术，是一种利用绿色环保的新型材料结构面层替代钢筋混凝土面层的垂直式支护形式；

3）GRF11（GRF12）绿色装配式永久边坡（垂直）支护技术，是利用绿色环保材料构成的永久性的边坡支护类型，并具有良好的美观性。

3.2 GRF 绿色装配式支护结构构成

GRF 绿色装配式支护结构由面层、锚钉、钢丝绳及紧固件等构成，其面层又由加筋层、防护层及性能层构成，如图1 和图2 所示。

图1 GRF 装配式支护立面示意图

图2 GRF 装配式面层构造示意图

3.3 验收标准

3.3.1 进场验收

装配式面层进场时应有产品质量检验合格证明， 其规格型号、构件牌号、产品长度等主要性能参数应满足设计要求,见表1 和表2。

表1 面层外观验收标准

表2 面层技术质量检验

3.3.2 施工验收

面层现场施工按照分区分块验收， 验收范围不应大于3 000 m2；全部工程不足3 000 m2时按一个施工分区。 验收的主要内容包括：边坡坡率、平整度、面层铺设方向、构件搭接、构件链接、连接构件紧固度及压边等，并应满足表3 要求。

表3 面层质量检验

4 GRF 绿色装配式支护整体分析

4.1 力学性能分析

放坡开挖范围内的土层分布情况如表4 所示。

表4 土层分布表

在土体自重及附加载荷的作用下， 装配式护坡面层会受到侧向的土压力，因此GRF 绿色装配式支护面层的抗拉强度应符合式（1）和式（2）规定[1]：

式中，Ffx、Ffs分别为绿色装配式面层沿水平方向和坡度方向的抗拉强度标准值，kN/m；Nkx、Nks分别为锚固构件间计算单元内绿色装配式面层沿水平方向和坡度方向的单位宽度轴向拉力标准值，kN/m；Kf为绿色装配式面层的抗拉安全系数；永久性边坡，Kf不应小于2.0；安全等级为一级、二级、三级的临时性边坡，Kf分别不应小于1.8、1.6、1.4。 本工程取值1.8。

绿色装配式面层的单位宽度轴向拉力标准值可按式（3）和式（4）计算：

式中，Pks为锚固构件间计算单元内的平均侧向主动土压力强度，kPa；Sx、Sz分别为锚固构件水平及垂直间距，m， 本工程分别取值1.5 m；β 为坡面与水平面的夹角，（°）， 本工程取值38.66°；ωsx、ωsz分别为装配式面层在计算单元中心处水平位移与锚固构件水平方向或竖直方向间距的比值， 其中，ωsx=f/Sx，0＜ωsx≤0.23；ωsz=f/Sz，0＜ωsz≤0.23； 本工程分别取值0.1；cotβ为边坡的坡比之倒数； 本工程取值1.25；f 为面层或加强筋在两支座竖向或水平中点处的水平位移，m；λx、λs分别为作用在装配式面层上的载荷在水平方向每边和坡度方向每边的分配系数，本工程分别取值0.25。

在土体自重及附加载荷的作用下， 装配式支护面层会受到侧向的主动土压力，当坡面有锚固构件及坡面倾斜时，土压力也会随之折减， 则面层所受的侧向平均主动土压力强度Pks估算如式（5）：

式中，ηs为受锚固构件影响的主动土压力折减系数， 与土性参数、锚固构件的间距和排距有关，无经验时可取0～0.6，其中，黏聚力较大的的土体或锚固构件间距或排距较小时取小值，黏聚力较小的土体或锚固构件间距或排距较大时取大值，本工程取值0.3；ξ 为坡面倾斜时的主动土压力折减系数；pak为计算单元中点处由支护土体自重及附加荷载共同引起的主动土压力强度标准值，kPa，当pak＜0 时，应取pak=0；φm为计算单元及其以上各土层按厚度加权的内摩擦角均值，（°），本工程取值11.49°。

主动土压力强度标准值按照水土合算土层计算，宜按式（7）估算[2]：

式中，σak为计算单元中点处的竖向应力标准值，kPa；Ka为主动土压力系数；cm为计算单元及其以上各土层按厚度加权的黏聚力均值，kPa， 本工程取值28.82 kPa；γm为计算单元及其以上各土层按厚度加权的天然重度均值，kN/m， 本工程取值19.9 kN/m；σac为计算单元土的自重产生的竖向总应力，kPa；Δσk为附加载荷下计算单元中点处的竖向应力标准值，kPa，本工程取值10 kPa（其他工程根据基坑周边是否有建（构）筑物、堆砌物等其他物体施加附加载荷， 再依据实际情况进行取值验算）；z 为计算单元土深度，m，本工程取值9 m。

结合计算公式和工程实际， 计算可得：Ffx≥13.86 kN/m；Ffs≥24.84 kN/m。

由检测报告可知，Ffx=33.6 kN/m，Ffs=38.4 kN/m，即该GRF绿色装配式面层抗拉强度符合要求。

4.2 综合成本分析

通过施工测算，GRF 绿色装配式护坡综合成本 （含人工、材料、机械、维护、拆除及处置费用）约130 元/m2，土钉墙喷锚护坡综合成本（含人工、材料、机械、维护、拆除及消纳费用）约220 元/m2。 GRF 绿色装配式护坡的总成本仅为土钉墙喷锚护坡的总成本的一半多一点， 即每施工1 000 m2护坡就能节省大约9 万元成本，由此可见GRF 绿色装配式护坡的经济效益非常可观。

4.3 施工工艺分析

4.3.1 基坑土方施工

基坑土方开挖前需做好定位放线， 严格按照基坑设计要求进行开挖。 若基坑地下水位线过高， 还应做好基坑降水处理。 开挖方式采用分层开挖，要保证边坡平整度跟坡度符合要求，并在开挖过程中做好基坑监测及现场巡查工作。 开挖至基底时，严禁扰动基底原状土，在有桩基施工的部位预留不低于1 000 mm 厚土层供桩基施工，其余部位预留300 mm 厚土层，由人工挖掘修整。

4.3.2 基坑边坡支护施工

基坑边坡支护施工流程如图3 和图4 所示。 由图3、图4及表5 可知，GRF 绿色装配式支护施工流程简单， 施工机具需用量较少，相同人员配置下，施工进度比土钉墙喷锚支护快5 倍多，并且装配式护坡的施工工序受恶劣天气的影响较小，施工完成后也不需要进行养护， 因此能够非常有效地节省施工工期。

表5 GRF 绿色装配式护坡及土钉墙喷锚护坡施工对比表

图3 GRF 绿色装配式护坡施工流程示意图

图4 土钉墙喷锚护坡施工流程示意图

4.4 节能环保分析

GRF 绿色装配式支护面层是由新型高分子复合材料构成，可标准化大量生产，因为在工厂就已加工为成品，到施工现场只需对其构件进行安装即可， 施工过程中几乎不会产生污染源，对各类资源的消耗也相对较少；建筑工程施工中，对于大型及群体建筑往往会分区段依次施工， 施工次序靠前的区段在完成支护面层拆除回收后，对其进行缺陷及质量检测，对检测合格的产品进行修缮后可以直接用于下一施工区段的基坑支护施工，这样就在很大程度上节省了支护材料的使用。GRF 绿色装配式支护相对于土钉墙喷锚支护在能耗、 材耗及环境保护方面的优势非常明显，并且GRF 绿色装配式支护施工后的完成面相比来说更加美观大气， 也更能与周围的环境融为一体。

5 结语

通过上述分析可知，GRF 绿色装配式支护在满足基坑支护力学性能的条件下，相比土钉墙喷锚支护成本更低，施工工艺流程简单，能有效节省工期，更节能环保，更符合“十四五”规划的生态文明建设。 因此，在基坑支护施工中，可逐步使用GRF 绿色装配式支护替代传统的土钉墙喷锚支护[3]。