GFRP玻璃纤维筋在围护结构盾构端墙中应用

　　摘要：介绍GFRP玻璃纤维筋在地铁基坑围护结构盾构端墙中局部代换钢筋的应用，并对该应用结合工程事例进行分析。
　　关键词：GFRP玻璃纤维筋，盾构隧道，围护结构，地铁
　　前言：随着我们国家社会经济的不断发展，我国的城市化进程也不断加快，越来越多的大城市需要建设地铁来缓解交通压力，节约地面空间。在地铁建设中，盾构法隧道以其突出的优点成为地铁建设中的优先选择；但是，盾构法隧道也有一些施工环节具有一定的风险性，比如盾构进（出）洞，即到达与始发，传统的做法是采用旋喷桩等对地层进行加固，但成本费用较高，所以需要采用新材料、新方法进行技术改进与创新。目前，因为有着较好的社会和经济效果，采用GFRP玻璃纤维筋全部或局部代换围护结构钢筋成为一种可行的选择方式。
　　1工程概况：
　　某地铁围护结构采用地下连续墙施工，按照设计要求在盾构端头井位置设置一幅宽8米局部采用玻璃纤维筋代换钢筋的特殊连续墙。根据地层统计资料，区间隧道主要通过<6-6>、<10-1>、<10-2>、<10-2-1>、<10-3>、<10-4>层中，计划采用德国海瑞克复合式盾构进行施工，满足硬岩施工破岩要求。相关地层参数如下：
　　（1）<6-6>硬塑状砂质粘性土（Qel）
　　灰黄色、红褐、黄褐夹暗黑色等，硬塑状，局部夹可塑状，质地不均，含10～20%的石英砾、砂，由下伏混合片麻岩风化残积而成，岩芯呈土柱状，广泛分布于段内全风化层之上。标贯修正击数平均值N=21.6击/30cm。
　　（2）<10-1>全风化混合片麻岩（Zd）
　　褐色、褐黄色、灰黄色、灰白色，原岩结构基本破坏，但尚可辨认，矿物中除石英外绝大部分已风化成粘性土，长石手捏略具砂感。岩芯泡水易软化、崩解，合金钻进容易，局部夹强风化岩块，上下左右呈现软硬不均的现象。标贯修正击数平均值N=37.7击/30cm。
　　（3）<10-2>土状强风化混合片麻岩（Zd）
　　褐黄、灰黄色、灰白色、褐黄色，原岩结构大部分破坏，矿物成分显著变化，裂隙很发育，岩体破碎，呈密实砂土状，软硬不均，泡水易软化、崩解，合金可钻进。标贯修正击数平均值N=87.1击/30cm。
　　（4）<10-2-1>碎块状强风化混合片麻岩（Zd）
　　褐色、褐灰色、褐红色，中粒变晶结构，片麻状构造，矿物大多数已被风化，岩石风化强烈，裂隙发育，裂隙面有铁锰质浸染，岩芯用手可折断。标贯修正击数平均值N=146击/30cm。
　　（5）<10-3>中等风化混合片麻岩（Zd）
　　灰、灰绿色、浅灰色夹肉红色、灰黄色，中细粒变晶结构，片麻状构造，矿物成分主要为石英、长石、云母，裂隙发育，裂隙面铁锰质渲染，岩体破碎，岩芯多呈碎块状，少部分呈短柱状，锤击声稍脆，易碎，合金钻进较困难。岩石致密、坚硬，锤击声脆，中风化层基岩面起伏大，场地范围内该层起伏变化大，饱和极限抗压强度一般为fr=20.4～33.9MPa，极大值为33.9MPa。
　　（6）<10-4>微风化混合片麻岩（Zd）
　　灰色、浅灰色，中细粒结构，片麻状构造，矿物成分主要为石英、长石、云母，裂隙发育，裂隙面铁锰质渲染，岩石致密、坚硬，锤击声脆，合金钻进困难。钻探岩芯呈短柱状、柱状，节长5～25cm。饱和极限抗压强度一般为fr=41.6～107.0MPa，极大值为114.0MPa。
　　2GFRP玻璃纤维筋连续墙的设计与施工
　　2.1GFRP玻璃纤维筋连续墙的设计
　　（1）与普通钢筋相比较，GFRP玻璃纤维筋有着优异的力学性能：
　　①高承载能力，抗拉能力强，杆体强度是同等直径螺纹钢筋的两倍，但重量只有钢筋的1/4；
　　②弹模稳定，约为钢筋的1/3～2/5；
　　③电热绝缘，热膨胀系数比钢筋更接近水泥；
　　④耐腐蚀性能好，适合在水利、桥梁、码头和隧道等潮湿或其它腐蚀性环境中使用；
　　⑤抗剪强度较低，普通的GFRP玻璃纤维筋抗剪强度仅有50～60MPa，具有优良的切割性。在性能上和钢筋基本相似，与混凝土有很好的黏结性，同时又具有很高的抗拉强度和较低的抗剪强度，可以很容易的被复合式盾构机直接切割，而不会造成异常的刀具损坏。
　　（2）根据GFRP玻璃纤维筋的以上特点，结合盾构的施工需要，按照以概率理论为基础的极限状态设计法进行结构设计。我们以盾构进出洞端头墙位置隧道设计中心点为中心，设置一幅8m×8m范围内采用玻璃纤维筋代替钢筋的特殊连续墙，根据玻璃纤维筋连续墙受力特点，箍筋代换时有一定加强，具体见图。
　　
　　（3）玻璃纤维筋代换工程量
　　盾构端墙配筋数量表
　　根据上述配筋数量表和玻璃纤维筋代换钢筋的规格，可以得出相应的玻璃纤维筋代换钢筋的数量对应表如下：
　　代换规格及数量对应表
　　序号 规格 玻璃纤维筋m/元 钢筋m/㎏ 备注
　　1 G32/φ32 1738 28.5 1738 10966.78 钢筋总重：
　　17223.25㎏；5.15元/㎏。
　　2 G25/φ20 647.8 20 647.8 2500.51 
　　3 G20/φ20 1341.81 18 1341.81 3314.27 
　　4 G12/φ12 497.70 8.6 497.70 441.69 
　　根据市场价格信息，GFRP玻璃纤维筋较钢筋相当（玻璃纤维筋：1738×28.5＋647.8×20＋1341.8×18＋497.7×8.6＝90921.8元，钢筋17223.25×5.15=88699.7元），但减少了采用普通连续墙在盾构进出洞时破除钢筋混凝土的费用约30000元。综合而言，采用GERP玻璃纤维筋成本有一定降低，在本工程中有8幅玻璃纤维筋连续墙，总计节约成本240000元；且采用GERP玻璃纤维连续墙减少了破除钢筋混凝土连续墙施工时的安全风险，缩短了施工工期7～10天。
　　2.2GFRP玻璃纤维筋连续墙的施工
　　（1）施工前准备
　　与钢筋一样，产品进场时应核对厂家或检测机构出具的玻璃纤维筋产品合格证、质量保证书、检测报告，对品种、规格、色泽和数量进行验收。
　　玻璃纤维筋装卸和运输过程中应轻拿轻放，不应该进行抛掷和撞击。
　　玻璃纤维筋应水平放置，避免暴晒，杆体端部不应沾染油污。
　　施工前应编制专门的施工技术交底，并在施工中认真执行。
　　（2）制作和吊装
　　受力主（纵）筋间GFRP筋与钢筋，GFRP筋与GFRP筋之间的连接应采用钢制U型卡连接，U型卡应与主筋直径想适应，每根筋材连接端的U型卡数量不得少于两个。
　　其余部位间的GFRP筋与钢筋、GFRP筋与GFRP筋之间的连接可以采用铁丝绑扎或者尼龙绳进行绑扎，绑扎应该牢固。
　　玻璃纤维筋笼制作过程中应注意采取增加玻璃纤维筋笼刚度的措施（比如筋笼两侧用工字钢包边、笼内部采用一些玻璃纤维桁架或后期可以去除的钢筋桁架等等），以防止在吊装以及运输过程中出现较大的变形影响玻璃纤维筋笼下放。
　　对于需要吊装才能将筋笼放置到位的情况，由于盾构需要在筋笼中间（沿高度方向）穿越，所以筋笼一般会出现两个部位的搭接（受力主筋间GFRP筋与钢筋、GFRP筋与GFRP筋之间），吊装的方式宜采用从上而下（沿高度方向）的三吊点方式起吊，第一吊点一般位于钢筋笼最上部1米范围之内，第二吊点一般位于连接点位置以上1米内，第三吊点一般位于第二次连接点位置以下合适的位置。
　　筋笼吊装的过程中，起吊点均需要放置在钢筋之上，严禁将起吊点放置在玻璃纤维筋或者玻璃纤维筋与钢筋的连接位置上。
　　（3）水下混凝土灌注
　　灌注水下混凝土的技术要求与传统地下连续墙相同。区别在于玻璃纤维筋连续墙幅宽较传统钢筋连续墙大，灌注时需要采用三根导管进行水下混凝土浇注。施工时，三根导管需均匀布置。
　　3结束语
　　3.1由于玻璃纤维筋所用材料均为厂制定型产品，尺寸准确；另外，连接点采用绑扎，减少了钢筋加工工序，制作时间是普通钢筋的1/2。制作的精度高，绑扎成型后不锈蚀，便于存放。
　　3.2由于玻璃纤维筋是由玻璃纤维浸渍树脂制成的，易切割，制作时可根据需要用钢锯条任意裁取，无需任何钢筋加工设备，施工极为方便。
　　3.3施工实践表明，端头井围护结构采用玻璃纤维筋代替钢筋，盾构直接掘进通过围护结构在技术上是可行的，在国内多个城市的地铁施工中得到了较好的实践。虽然玻璃纤维筋比钢筋略贵，但对改善施工环境，降低工程造价，提高施工进度，避免施工风险等方面表现出非常好的优越性。并且综合整个施工过程比较，在一幅连续墙中局部代换后，总体的工程投资还减少了30000元；并且，随着玻璃纤维筋应用的大力推广，其价格还有下降的空间；另外总体工期也缩短了7～10天左右。达到了社会和经济效益两方面的提高，值得大力推广。
　　3.4美中不足的是，本方法只能适用于配备封闭式硬岩切削刀具的地层中。因为在软弱土层采用时，仅配备齿刀和刮刀的盾构机无法有效完成对玻璃纤维筋混凝土端墙的切割，制约了本方法的使用。
　　3.5另外，国内目前尚没有完善的玻璃纤维筋设计和施工规范，对玻璃纤维筋的设计和施工推广有一定的制约。
　　参考文献1、 卢致强、刘建伟、徐晓鹏，玻璃纤维筋混凝土在地铁工程中的设计与应用{J}。四川建筑科学研究，2010，36（5）：173-175。2、焦齐柱。盾构直接切削围护墙的设计探讨{J}。现代隧道技术，2007，44（40：20-23。3、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，2009，131（8）“77-81。4、杨红军，玻璃纤维筋在盾构井围护结构中的应用{J}。隧道建设，2008，28（6）：771-775。5、蒋小锐。玻璃纤维筋在地下连续墙中的应用{J}。铁道标准设计，2009（10）：48-50。

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