玄武巖纖維復合筋在盾構井圍護結構中的應用

目前，我國盾構控制技術科技創(chuàng)新多、自動化程度高、形式多樣化、技術日趨完善。1962年2月，我國上海開始在城市地鐵隧道應用盾構法，雖然技術剛引進，但是發(fā)展非?？?。由于我國大城市地鐵的修建越來越多，盾構技術和盾構施工方法也會有很大的改進和更快的發(fā)展。然而困擾盾構施工的難題仍然是盾構施工中的始發(fā)到達技術。一般盾構始發(fā)、到達豎井井壁多用鋼筋混凝土或鋼材構筑，用盾構機的掘削刀具直接掘削這些豎井的井壁（或擋土墻）進行開口作業(yè)較為困難，多數情況下無法直接完成[1]。由于應用方便省力的機器打鑿的方法，同時由于機器打鑿不細致、勁大使得土質變得疏松，很容易造成土體塌方。盾構刀盤、刀具可能損壞，一般情況是鋼筋處理不干凈造成的。鑿除時間長、開挖面暴露時間長會造成大地表沉降或坍塌。為了確保操作的安全，需要在開口作業(yè)之前用高壓旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體。如果土體加固強度很高、成本增加，給刀盤切削帶來困難。土體加固強度變低，又起不到相應的作用，盾構進出洞容易造成水土流失。

盾構直接掘削新材料墻體的方法[2]，即把盾構要穿過的擋土墻上的相應部位用纖維筋混凝土制作，可用一般盾構機的切削刀具直接切削，達到盾構機的直接進洞、出洞[3]。采用玄武巖纖維復合筋代替圍護墻中盾構隧道范圍內的鋼筋，使盾構在進出洞時可用直接切削圍護墻進行掘進，這樣可以降低施工勞動強度、減少施工風險、掘進速度快，在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道往往具有技術和經濟方面的優(yōu)越性。

一、連續(xù)玄武巖纖維復合筋材料的性能

“連續(xù)玄武巖纖維”（Continuous Basalt Fibre，CBF）是以火山爆發(fā)出的玄武巖為原料，在1 450～1 500℃高溫下，通過鉑銠合金拉絲漏板在一定速度下拉制而成的非人工合成的金褐色高性能無機纖維。CBF與碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）等高技術纖維相比，除了具有高強度、高模量的特點外，CBF還具有極高的使用溫度、防電磁、高的吸音系數、防輻射、過濾性好、吸波功能、高的比體積電阻、適應于各種環(huán)境下使用等優(yōu)異性能，而且性價比好，是一種新出現的新型無機環(huán)保非金屬材料[4]。

1.物理性能

玄武巖纖維復合筋是以玄武巖纖維為增強材料，以合成樹脂為基體材料，并摻入適量輔助劑，溫度在23～35℃時通過擠壓將膠液擠合進纖維中形成的一種新型復合材料。其優(yōu)點是電絕緣、非磁性、與水泥混凝土結合性好、耐酸耐堿耐腐蝕性。使用玄武巖纖維復合筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋增強混凝土，以保證足夠的安全度，使建筑物減輕了自身的質量，同時在運輸、施工和安裝方便。

連續(xù)玄武巖纖維復合筋的主要技術指標及其與鋼筋的對比如表1所示[5]。

根據受拉破壞試件受力全過程的實測結果，繪出玄武巖纖維復合筋典型應力——應變關系及荷重——應變關系，如圖1及圖2所示。

由圖可見，從開始受荷到完全破壞的受力過程中，荷重——應變關系在（0～15 000με）時為一條斜直線，15 000με以后稍有點變化，但不明顯。分析材料接近彈性極限時的應變規(guī)律，根據應力——應變關系圖，玄武巖纖維復合筋在破壞之前基本呈直線變化，無屈服階段，破壞形式為脆性破壞。

2.化學性能

化學穩(wěn)定性是指纖維抵抗水、酸、堿等介質侵蝕的能力。通常以受介質侵蝕前后的質量損失和強度損失來度量。玄武巖纖維中含有超氧化鈉（NaO2）、氧化鉀（K2O）、氧化鎂（MgO）和二氧化鈦（TiO2）等成分，對提高纖維的防水性和耐腐蝕性有重要作用。玄武巖纖維復合筋比鋼筋具有更穩(wěn)定的化學性能。

表2是玄武巖纖維與玻璃纖維化學性能的比較[6]。

二、玄武巖纖維復合筋在盾構始發(fā)、到達井圍護結構中的應用

1.設計概況

隧道埋深10m，隧道直徑為7m。盾構始發(fā)井洞門圍護結構采用人工挖孔樁，圍護樁樁長20m，樁徑2m；主筋采用Φ25mm，箍筋為Φ8@200；玄武巖纖維復合筋圍護樁在盾構機推進范圍內采用主筋Φ25和箍筋為Φ8@200的玄武巖纖維復合筋，與鋼筋搭接長度為1.2～1.4m。

2.玄武巖纖維復合筋應用效果

在盾構始發(fā)、到達豎井的盾構施工范圍內，用相同直徑的玄武巖纖維復合筋代替人工挖孔樁的鋼筋，可以提高盾構進出洞時的安全性，同時節(jié)省材料、時間。為了確保盾構始發(fā)、到達施工的嚴密性，施工部分區(qū)域對地表層進行了簡單的端頭土體加固，主要采用注漿、降水等工法；待盾構刀盤切除圍護樁深度滿足盾構機密封要求時，采取帶壓掘進，利用刀盤對圍護樁直接進行切割，達到順利始發(fā)的目的。盾構機刀盤直接切割玄武巖纖維復合筋，安全地通過盾構井圍護結構，成功始發(fā)，到達時同樣直接切削玄武巖纖維復合筋圍護樁直接通過。玄武巖纖維復合筋有效地縮短了圍護結構破除時間，降低了破除洞門時的安全風險，取得了良好的經濟效益和社會效益。

三、結語

玄武巖纖維復合筋比鋼筋的綜合成本低，施工工序簡化。證明盾構井圍護結構采用玄武巖纖維復合筋代替鋼筋，取消人工破除洞門，盾構直接掘進通過圍護結構是一種可以實施、經濟、安全的施工方案，減少災害性事故的發(fā)生，為以后其他類似工程奠定了基礎。

參考文獻

[1]張鳳詳，朱合華，傅德明.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]西南交通大學，中鐵隧道集團.GFRP筋在盾構端頭井圍護樁中的應用現場試驗及研究[R].河南洛陽：中鐵隧道集團，2007.

[3]焦齊住.盾構直接切削圍護墻的設計探討[J].現代隧道技術，2007，44（4）：20-23.

[4]葉鼎銓.玄武巖連續(xù)纖維——21世界的新材料[J].建筑材料工業(yè)信息，2002（6）：5-6.

[5]王嵐，陳陽，李振偉.連續(xù)玄武巖纖維及其復合材料的研究[J].玻璃鋼|復合材料，2000（6）：22-24.

[6]梁磊，梁玉航，李謹.玄武巖纖維物化性能的研究[J].纖維技術與研究，2006（1）：15-19.