玻璃纖維筋在下穿地鐵盾構(gòu)區(qū)間基坑圍護施工中的應(yīng)用

張晉生　李瑞維

摘 要：杭州南站站房應(yīng)急工程基坑開挖施工下穿杭州地鐵5#線，地鐵區(qū)間范圍的基坑圍護采用玻璃纖維筋鉆孔樁圍護結(jié)構(gòu)。對玻璃纖維筋材料的性能和圍護結(jié)構(gòu)施工技術(shù)進行了簡要介紹，以期為同類型的施工提供參考。

關(guān)鍵詞：玻璃纖維筋；下穿地鐵；圍護施工；基坑

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.087

1 工程概況

杭州南站站房應(yīng)急工程基坑下穿杭州地鐵5#線，西側(cè)為杭甬客專正線，基坑邊緣距離杭甬正線線路中心線15.25 m，基坑南北兩側(cè)為站房灰空間和雨棚施工場地，基坑?xùn)|側(cè)為杭長鋪軌基地，基坑?xùn)|南角有1號牽引變電站和輸電線，牽引變電站距離最近的樁基施工24.6 m。如圖1所示，基坑圍護采用鉆孔樁結(jié)合止水帷幕+SMW工法樁+混凝土內(nèi)支撐+坑底加固+坑底降水疏干方案，在盾構(gòu)區(qū)間范圍的基坑施工中采用玻璃纖維筋鉆孔樁圍護結(jié)構(gòu)，使后續(xù)地鐵施工中盾構(gòu)機能直接將圍護樁切除，減少了后續(xù)的施工處理，提高了施工效率，且降低了工程成本。

圖1 杭州南站站房緊急工程平面示意圖

2 技術(shù)原理

玻璃纖維筋是由縱向連續(xù)的E玻璃纖維和一種熱固性的聚合物樹脂通過拉擠工藝和表面處理制成的桿體材料，是一種具有抗拉強度高、抗腐蝕性能好、抗電和抗磁性能高、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)和電傳導(dǎo)能力低、可切割性好的纖維復(fù)合材料。玻璃纖維筋在性能上基本與鋼筋相似，與砼有很好的黏結(jié)性，和砼具有幾乎相同的收縮系數(shù)，同時，又具有很高的抗拉強度和較低的抗剪強度，可被盾構(gòu)機的刀盤切割、磨削破碎。因此，采用玻璃纖維筋代替普通鋼筋應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)中，可避免人工鑿除、切割盾構(gòu)范圍內(nèi)支護樁，能有效提高盾構(gòu)進、出洞效率，降低盾構(gòu)刀盤的切割損耗，不僅能提高工程的安全性，還能使經(jīng)濟效益達到最大化。

3 施工工藝

3.1 鉆孔施工準備

鉆孔施工準備工作分為以下3步：①根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，鉆孔前需將地面以下3 m范圍內(nèi)的塊石、片石挖出后進行常規(guī)鉆孔。為了盡量減少施工對既有線的影響，在鉆機的選用上，應(yīng)采用反循環(huán)回旋鉆機和旋挖鉆機。如果鉆進過程中遇到強度較高的巖石時，則可采用沖擊鉆施工。②鉆孔施工前，應(yīng)嚴格按照圖紙文件放樣出準確的樁孔中心線，并交叉布置4根護樁，護樁應(yīng)遠離護筒，鉆孔過程中不得破壞。在鉆進過程中，應(yīng)經(jīng)常檢查樁中心位置的偏差情況。③檢查機器運行情況，按鉆孔直徑要求增減鉆頭的直徑。

3.2 泥漿制備和鉆孔施工

3.2.1 泥漿制備

造漿材料選用優(yōu)質(zhì)膨潤土，如果有特殊需要，則可摻入適量Na2CO3純堿或CMC羧基纖維素等外加劑，以滿足泥漿達到沉淀極少、性能穩(wěn)定、護壁效果好和成孔質(zhì)量高的要求。泥漿各項指標如下所示：①黏度。一般地層的黏度為16～22 s，松散易坍地層為19～28 s。②新制泥漿含砂率。含砂率應(yīng)<4%.③泥漿比重。正循環(huán)旋轉(zhuǎn)鉆機、沖擊鉆機使用管形鉆頭鉆孔時為1.1～1.3，沖擊鉆機使用實心鉆頭鉆孔時，孔底泥漿比例不宜大于1.3；大漂石、卵石層為1.4；巖石為1.2. ④膠體率。膠體率應(yīng)>95%. ⑤pH值。pH值應(yīng)>6.5.

3.2.2 鉆機就位

鉆機按要求在現(xiàn)場安裝就位，鉆機座落場地應(yīng)堅固，以免在鉆孔過程中產(chǎn)生沉降，同時，鉆機頂部的起吊滑輪緣、鉆孔的中心應(yīng)控制在同一鉛垂線上。

3.2.3 鉆孔

鉆孔過程分為以下3步：①孔樁鉆進時，鉆孔內(nèi)的水位應(yīng)比護筒底腳高0.5 m以上，或高于地下水位1.5～2.0 m以上；當在鉆進過程中取渣或提鉆時，必須及時向鉆孔內(nèi)補充水或泥漿，以保證孔內(nèi)的水頭高度、泥漿比例和黏度。②鉆孔時，起、落鉆頭速度宜均勻，不應(yīng)過猛或驟然變速，孔內(nèi)出土不得堆積在鉆孔周圍。③孔樁鉆進應(yīng)保持連續(xù)，出現(xiàn)問題停鉆后，有鉆桿的鉆機應(yīng)將鉆頭提離孔底5 m以上，其他鉆機應(yīng)將鉆頭提出孔外，孔口應(yīng)加護蓋。鉆孔過程中，必須經(jīng)常檢查土質(zhì)情況，如果與地質(zhì)剖面圖比較有差異，應(yīng)立即派遣主管工程師解決問題。鉆至設(shè)計位置后，檢驗孔位、孔徑、孔深和孔形等項目，并填寫鉆孔記錄表。

3.2.4 換漿、清碴和終孔檢查

換漿、清碴和終孔檢查分為以下3步：①隨著孔內(nèi)鉆碴增多，應(yīng)及時清碴，出碴時可用抽碴筒抽取，并通過泥漿泵循環(huán)使碴浮起流入泥漿池沉淀。一般情況下，每鉆進0.6～0.8 m清碴一次，用泥漿泵向孔內(nèi)壓入新鮮泥漿，同時，將孔內(nèi)泥漿置換出來?？椎壮敛旰湍酀{流出后，在泥漿池沉淀，應(yīng)經(jīng)常清空泥漿池內(nèi)的鉆渣，以防鉆渣隨泥漿再次循環(huán)入孔內(nèi)，影響清碴速度。當鉆碴無法完全靠循環(huán)泥漿帶出時，必須用抽碴筒抽出孔外。一般在密實堅硬土層，純鉆進距離應(yīng)<5～10 cm/h，當松軟地層純鉆進距離<15～30 cm/h時，則應(yīng)抽渣。②鉆孔達到圖紙規(guī)定深度時，且成孔質(zhì)量符合圖紙要求并經(jīng)監(jiān)理工程師批準后，應(yīng)立即清孔。清孔時，孔內(nèi)水位應(yīng)保持在地下水位以上1.5～2 m，以防止塌孔。鉆孔樁成孔后進行二次清孔，清孔時應(yīng)將附著于護筒的泥漿清洗干凈，并將孔底鉆碴和泥砂等沉淀物清除。③鉆孔檢查終孔清孔后，對孔徑、孔型和傾斜度采用檢孔器測定，檢測結(jié)果應(yīng)報監(jiān)理工程師復(fù)查，鉆孔應(yīng)符合橋涵工程施工質(zhì)量驗收暫行標準中相關(guān)規(guī)定的允許偏差。

3.3 玻璃纖維籠的制作

與鋼筋相同，產(chǎn)品進場時應(yīng)核對廠家或檢測機構(gòu)出具的玻璃纖維筋產(chǎn)品合格證、質(zhì)量保證書和檢測報告，對品種、規(guī)格、色澤和數(shù)量進行驗收。其中，當玻璃纖維筋直徑d>10 mm且<22 mm時，其抗拉強度應(yīng)>600 MPa，彈性模量應(yīng)>40 GPa；當直徑d>22 mm時，其抗拉強度應(yīng)>500 MPa，彈性模量應(yīng)>40 GPa。

3.3.1 鋼筋籠的制作

第一步，玻璃纖維筋與普通鋼筋相比，其材質(zhì)軟韌性較好，但不能彎曲。按照圖紙要求單獨加工制作，玻璃纖維筋鋼筋籠單獨為一節(jié)，長度約為14.1 m。大樣筋下料全部提供大樣圖，從而使生產(chǎn)廠家直接制作成型。玻璃纖維筋主筋與普通鋼筋主筋連接用U型卡扣，其搭接長度為≥1 m，每個接頭采用不少于4個卡扣。玻璃纖維筋箍筋與加強筋連接采用扎絲綁扎。

第二步，根據(jù)大樣筋圖紙嚴格驗收進場大樣筋，對其尺寸嚴格控制，尺寸偏差過大的一律退場處理。增加纖維筋籠施工人員，合理進行各道工序的制作，保證纖維筋籠的制作進度。加工好的玻璃纖維筋鋼筋籠如圖2所示。

圖2 加工好的玻璃纖維筋鋼筋籠

現(xiàn)場加工注意事項有以下3點：①鋼筋加工人員作業(yè)時應(yīng)佩戴手套，以避免玻璃纖維筋表面纖維和鋒利邊緣對人體造成傷害；②為了保持材料的清潔和操作方便，不應(yīng)將玻璃纖維筋直接放置在地面上，應(yīng)將玻璃纖維筋放置在墊板上；③必要時，玻璃纖維筋可用電鋸切割，為了保護作業(yè)人員的眼睛，應(yīng)佩戴防塵面具、手套和眼鏡等防護用品。

3.3.2 鋼筋籠的運輸和吊裝

鋼筋籠運輸和吊裝中應(yīng)注意以下3點：①纖維筋材質(zhì)的韌性較好，纖維筋籠起吊時骨架的自身穩(wěn)定性較差，應(yīng)力—應(yīng)變曲線在斷裂前表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，極大地影響了玻璃纖維筋籠在起吊、運輸時的穩(wěn)定性和抗彎、抗剪承載能力。纖維筋籠起吊時，需增加橫向纖維筋桁架，并設(shè)置2道縱向鋼筋桁架和2道橫向鋼筋桁架，以保證其起吊時自身的穩(wěn)定性。②玻璃纖維筋鋼筋籠吊裝采用25 t汽車吊，運輸采用12 m的長板車。③玻璃纖維筋的運輸、存儲注意事項。由于高溫、紫外線和化學(xué)物質(zhì)可能會對玻璃纖維筋造成損害，因此，應(yīng)盡量使材料遠離上述環(huán)境，避免暴曬；玻璃纖維筋會被一些外加劑或其他物質(zhì)污染，影響其與混凝土的黏結(jié)效果，因此，在使用前，操作人員應(yīng)用溶劑將這些污染物質(zhì)擦拭干凈；玻璃纖維筋裝卸和運輸過程中應(yīng)輕拿輕放，不應(yīng)拋擲或被撞擊。

3.4 鋼筋籠的連接

受力主筋間玻璃纖維筋與鋼筋之間的連接采用鋼制U型卡扣連接，U型卡扣應(yīng)與主筋直徑相適應(yīng)，鋼筋貼于U形扣內(nèi)側(cè)，如圖3所示，玻璃纖維筋貼于外側(cè)，每根筋材連接端的U型卡數(shù)量不得少于2個，且搭接長度不應(yīng)<1 m。其余部位間的玻璃纖維筋與鋼筋、玻璃纖維筋與玻璃纖維筋之間的連接可采用鐵絲綁扎，且綁扎牢固。

3.5 灌注水下混凝土

灌注水下混凝土?xí)r應(yīng)注意以下2點：①作為確保成樁質(zhì)量的關(guān)鍵工序，應(yīng)在混凝土灌注前做好一切準備，保障連續(xù)、緊湊的砼灌注。灌注前，應(yīng)居中安裝導(dǎo)管入孔，將導(dǎo)管底控制在距孔底20 cm左右，導(dǎo)管連接要平直、可靠和密封性好。導(dǎo)管在灌注過程中需埋在混凝土中，深度保持在2～4 m，嚴禁將導(dǎo)管提出砼面。②當樁頭混凝土的強度達到設(shè)計強度的25%時，立刻將鋼護筒拔出，采用風(fēng)鎬將樁頭多余的混凝土鑿除。

3.6 其他操作要點

其他操作要點有以下4點：①玻璃纖維筋應(yīng)作為架立筋使用，不應(yīng)作為受壓筋使用。玻璃纖維筋不宜用作受壓筋，但可作為架立筋。玻璃纖維筋表面必須纏繞成型，以增強玻璃纖維筋與混凝土之間的握裹力，并采用噴砂，以保證與混凝土的有效黏結(jié)，纏繞深度應(yīng)≤1 mm，以保證不減少玻璃纖維筋的有效面積。②由于玻璃纖維筋的彈性模量和延性較低，且抗剪性能較差，玻璃纖維筋籠體起吊過程中最大風(fēng)險為在起吊過程中部分玻璃纖維筋發(fā)生受力不均而折斷。如果在起吊過程中發(fā)生折斷現(xiàn)象，則立即采用富余的玻璃纖維筋，根據(jù)折斷長度搭接加固，然后下設(shè)。③不得使用表面有裂紋、結(jié)疤和纖維露出的玻璃纖維筋；玻璃纖維含量必須控制在70%～80%，且保證玻璃纖維筋必須為無堿玻璃纖維粗紗；玻璃纖維中的樹脂必須為環(huán)氧樹脂。④玻璃纖維筋的各項力學(xué)性能和尺寸偏差必須滿足表1中的標準。

表1 玻璃纖維筋各項指標參數(shù)

GFRP筋 抗剪強

度Fv 抗拉強

度Ff 彈性模

量E 纖維含

量/% 長度偏

差/mm 直徑偏

差/mm

≥150 MPa ≥600 MPa ≥45 GPa 70～80 ±10 ±0.5

4 結(jié)束語

在杭州南站應(yīng)急工程基坑開挖施工中，在下穿地鐵區(qū)間的區(qū)域采用了玻璃纖維筋代替普通鋼筋，并將其置入作為盾構(gòu)始發(fā)井的主體圍護狀體中，既達到了對主體結(jié)構(gòu)相應(yīng)的圍護作用，又便于地鐵施工盾構(gòu)機掘進破除，為后續(xù)地鐵5#線區(qū)間施工預(yù)留了通道，避免了后期對支護樁的處理，在加快了施工進度的同時，還大大減少了工程造價。該技術(shù)適用于城市中下穿地鐵的基坑、隧道支護結(jié)構(gòu)施工，經(jīng)濟效益明顯。

參考文獻

[1]羅毅，鄭樂怡.玻璃纖維筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計原理[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004（10）：73-77.

[2]鄒永威.玻璃纖維（GFRP）筋在盾構(gòu)端頭井圍護樁中的應(yīng)用研究[J].西南交通大學(xué)，2008.

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作者簡介：張晉生（1972—），男，山西太原人，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)，工程師。

〔編輯：張思楠〕