玻璃纖維筋在地鐵盾構(gòu)始發(fā)中的應(yīng)用

金　鑫，　劉　軍，　周　洪，　王　超

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 北京　100044；2.南寧軌道交通有限責(zé)任公司， 南寧　530021)

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玻璃纖維筋在地鐵盾構(gòu)始發(fā)中的應(yīng)用

金鑫1，劉軍1，周洪2，王超1

(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院， 北京100044；2.南寧軌道交通有限責(zé)任公司， 南寧530021)

摘要：隨著城市地鐵盾構(gòu)施工的發(fā)展，在盾構(gòu)傳統(tǒng)始發(fā)過程中，由于需要人工鑿除鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在安全、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等方面造成了一系列問題. 玻璃纖維筋替代鋼筋，盾構(gòu)可以對其直接切削，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā). 以北京地鐵16號線某標(biāo)段為工程依托，在玻璃纖維筋的設(shè)計(jì)方面采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法確定其力學(xué)參數(shù). 在現(xiàn)場施工方面，采用理論計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合的方法對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了敘述. 盾構(gòu)直接切削玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)始發(fā)； 玻璃纖維筋； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)； 經(jīng)濟(jì)效益； 社會效益

用纖維筋(Fiber Reinforced Polymer,FRP)替代鋼筋作為混凝土的增強(qiáng)筋，需要將兩者的基本力學(xué)性能作對比. 在桿體軸向受拉性能方面，Kocaoz[1]等發(fā)現(xiàn)試件破壞為纖維拉毛的脆性破壞，且符合正態(tài)分布；周洪[2]等通過對玻璃纖維筋進(jìn)行普通拉伸試驗(yàn)，探索玻璃纖維筋在拉伸下的力學(xué)性能. 在桿體軸向受壓性能方面，D. H. Deitz[3]等量測了玻璃纖維筋在軸心受壓下的極限抗壓強(qiáng)度和受壓彈性模量，提出了其在軸心受壓下的3種破壞形式；米向乾[4]等分析了玻璃纖維筋受壓破壞機(jī)理. 關(guān)于玻璃纖維筋與混凝土黏結(jié)性能，Micelli F, Nanni A[5]等對玻璃纖維筋桿體在堿性環(huán)境下強(qiáng)度折減后所保留的強(qiáng)度以及桿體損傷和強(qiáng)度降低的原因進(jìn)行了分析；Tighiouart[6]等發(fā)現(xiàn)纖維筋的抗拉強(qiáng)度隨錨固長度的加大而靠近纖維筋的極限拉力.

基于國內(nèi)外對纖維筋力學(xué)性能的研究現(xiàn)狀，以及在傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)中由于人工鑿除鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)帶來的施工風(fēng)險等一系列問題，玻璃纖維筋替代鋼筋作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生. 該技術(shù)于2000年被首次應(yīng)用于香港地鐵，之后國內(nèi)外地鐵依此經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了施工設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的無障礙始發(fā)[7-11].

本文針對玻璃纖維筋的力學(xué)性能進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，為設(shè)計(jì)提供基本參數(shù)；以理論分析結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)的方式進(jìn)行施工指導(dǎo)；在盾構(gòu)無障礙始發(fā)過程中控制好盾構(gòu)參數(shù)并加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測，以期實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益.

1工程概況

北京地鐵16號線某標(biāo)段由一站一區(qū)間組成，區(qū)間里程范圍BK5+621.650- BK7+624.700，長2 003.050 m，單線單洞隧道. 區(qū)間隧道左、右線間距11.9～15.2 m，軌面標(biāo)高為24.26～27.78 m，隧道底板標(biāo)高約23.08～26.64 m，隧道底板埋深約18～20 m，覆土厚度為11.97～15.88 m，采用盾構(gòu)法施工.

本次盾構(gòu)始發(fā)為該標(biāo)段車站右線隧道，站中里程BK5+456.000，總長284.35 m，雙層雙柱三跨島式，底板埋深18.28 m，標(biāo)準(zhǔn)段明挖基坑寬度為24.9 m，東西走向，地下兩層框架箱形結(jié)構(gòu)，明挖順作法施工.

2玻璃纖維筋力學(xué)性能研究及在始發(fā)洞口的使用

盾構(gòu)切削混凝土配筋技術(shù)在國內(nèi)地鐵領(lǐng)域已經(jīng)有了初步研究，其工程應(yīng)用實(shí)例如表1所示.

參照美國混凝土委員會規(guī)范“ Guide Test Methods for Fiber Reinforced Polymer(FRPs)for Reinforcing or Strength Concrete Structures”，我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)筋》，結(jié)合國內(nèi)盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)與北京地鐵工程現(xiàn)狀，選取直徑大小20 mm、22 mm、25 mm、28 mm的筋材進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)和橫向剪切試驗(yàn)研究. 試驗(yàn)構(gòu)件樣本如圖1所示(上圖為拉伸試驗(yàn)構(gòu)件，下圖為剪切試驗(yàn)構(gòu)件)，最終確定的性能指標(biāo)如表2所示.

表1　盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)的工程應(yīng)用

為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)無障礙始發(fā)，本標(biāo)段在盾構(gòu)始發(fā)進(jìn)洞范圍內(nèi)使用了相同數(shù)量、相同直徑的玻璃纖維筋圍護(hù)樁替代鋼筋混凝土樁，每個洞口處直接切削玻璃纖維筋樁有6根. 盾構(gòu)直接切削玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)無障礙始發(fā)示意圖如圖2所示，始發(fā)洞口處玻璃纖維筋布置及配筋見圖3.

圍護(hù)樁采用C25混凝土，受力主筋保護(hù)層為50 mm，普通縱筋接頭采用搭接焊，玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接長度為2 470 mm，滿足《盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 192—2012)中規(guī)定的不小于同直徑熱軋帶肋鋼筋搭接長度的1.25倍，且不小于40倍的鋼材直徑. 玻璃纖維筋與鋼筋之間的搭接采用3個鋼制U形卡固定，鋼筋搭接布置在盾構(gòu)機(jī)刀盤外1 m以上的范圍，且搭接過程中同一搭接錯開50%.

表2　玻璃纖維筋力學(xué)性能指標(biāo)

3基于玻璃纖維筋盾構(gòu)始發(fā)前準(zhǔn)備工作

盾構(gòu)始發(fā)是指利用反力架和負(fù)環(huán)管片，將處于始發(fā)基座上拼裝調(diào)試完的盾構(gòu),由始發(fā)基座推入地層，開始沿設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)的一系列施工作業(yè)過程[12].

傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)工藝流程為始發(fā)端頭的土體加固、盾構(gòu)始發(fā)基座的安裝、盾構(gòu)下井安裝及調(diào)試、洞口防水密封的安裝、反力設(shè)施的安裝、負(fù)環(huán)管片的安裝、盾構(gòu)試運(yùn)轉(zhuǎn)和洞門破除. 采用玻璃纖維筋替代鋼筋作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，免除了人工鑿樁的過程，盾構(gòu)可以直接切削圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無障礙始發(fā). 新工藝的應(yīng)用，其盾構(gòu)始發(fā)前的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

3.1玻璃纖維筋、鋼筋籠吊裝方法

由于玻璃纖維筋籠的剛度較鋼筋籠小很多，因此在吊裝時應(yīng)采用加強(qiáng)桁架對其進(jìn)行加固. 其中，型鋼桁架與底部鋼筋桁架間采用銷栓連接，底部鋼筋籠采用縱向、橫向鋼筋桁架加強(qiáng)其剛度，中部玻璃纖維筋籠和上部的鋼筋籠采用可拆卸的型鋼桁架加固. 整體下放鋼筋籠過程中應(yīng)對準(zhǔn)孔位，緩慢下放，盡量避免碰撞孔壁，筋籠下放過程中，拆除外側(cè)加固的型鋼，鋼筋籠就位后應(yīng)立即固定.

3.2盾構(gòu)反力架受力計(jì)算

為使盾構(gòu)順利沿基座推進(jìn),需要對反力架進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)算. 采用斜撐門式反力架，材料為Q235的30#H型鋼，反力架示意圖見圖4.

初始掘進(jìn)盾構(gòu)掘進(jìn)推力32 000 kN，負(fù)環(huán)整環(huán)拼裝，推力平分在后背左右兩側(cè)上下橫梁上，每側(cè)8 000 kN，均布在4.538 m范圍內(nèi)，最危險處為左側(cè)立柱及支撐，利用Structural Mechanics Solver對其進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果如圖5所示.

結(jié)構(gòu)最大彎矩Mmax為1 355.52 kN·m，位于下橫梁與立柱支撐處. ①～④單元采用5根H鋼分兩排聯(lián)接，經(jīng)計(jì)算慣性矩I=233 306 cm4，截面積A=592 cm2，彎曲系數(shù)W=I/ymax=7 777 cm3，能承受最大彎矩Mu=σs·W=1 828 kN·m>Mmax，結(jié)構(gòu)安全. 在立柱及8側(cè)面焊筋板及端面板，端面封板采用Q235的20 mm厚鋼板，立柱慣性矩為295 026 cm4，能承受最大彎矩2 311 kN·m>Mmax，安全系數(shù)為1.7.

①～⑦單元能承受最大軸力為8 460 kN，最大軸力出現(xiàn)在⑥單元處，為5 791.478 kN，安全系數(shù)為1.46.

結(jié)構(gòu)最大撓度出現(xiàn)在②單元處，為7.49 mm，變形不大，結(jié)構(gòu)安全.

3.3橡膠簾布的安裝

盾構(gòu)在直接切削玻璃纖維筋的過程中可能由于刀盤的轉(zhuǎn)動對翻板造成損壞，影響密封效果. 因此該標(biāo)段在洞口密封處采用折葉式密封壓板，其密封原理如圖6所示.

盾構(gòu)初始掘進(jìn)前預(yù)先將橡膠簾布用螺栓掛在洞口預(yù)埋鋼環(huán)上，并用弧形鋼壓板將其固定，然后再在弧形鋼壓板外安裝預(yù)制好的扇形鋼板(扇形鋼板為可折疊的)；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入洞口時，調(diào)整扇形板至盾構(gòu)機(jī)外殼的距離為10 mm左右，盾構(gòu)機(jī)的殼體將橡膠簾布及扇型鋼板頂入并向內(nèi)彎曲，當(dāng)盾尾鋼絲刷剛進(jìn)入洞口露出管片時，再調(diào)整扇形板，使其落在管片上. 待初始掘進(jìn)完成后拆除橡膠簾布.

4盾構(gòu)始發(fā)參數(shù)控制及地表監(jiān)測

為實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的無障礙始發(fā),始發(fā)參數(shù)的選擇與地表沉降監(jiān)測極其重要. 通過理論計(jì)算及分析，在始發(fā)磨樁時，總推力應(yīng)控制在1 600～1 800 kN，推進(jìn)速度3～5 mm/min，刀盤扭矩900～1 500 kN·m，土倉壓力為0；在始發(fā)掘進(jìn)時，總推力應(yīng)控制在10 000～12 000 kN，推進(jìn)速度5～6 mm/min，刀盤扭矩1 800～2 200 kN·m，土倉壓力應(yīng)控制在0.08～0.09 MPa.

在始發(fā)時，魚尾刀中心點(diǎn)高出刀盤面板490 mm，為使刀盤平面受力均勻，在刀盤接觸到掌子面前，用水鉆把盾構(gòu)魚尾刀與掌子面接觸的位置鑿除，同時將盾構(gòu)兩側(cè)的同步注漿脊與掌子面接觸的位置鑿除. 另外，刀盤磨樁會產(chǎn)生大量熱量，可以適當(dāng)往刀盤前注入冷卻水給刀具降溫.

在盾構(gòu)切削玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的過程中，加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測，沉降監(jiān)測測點(diǎn)布置如圖7所示.

DB1～DB4斷面距離盾構(gòu)始發(fā)洞口的距離分別為2.6 m，7.7 m，12.2 m，18.0 m. 同一監(jiān)測斷面上各點(diǎn)距離如表3所示.

典型斷面選取為左線盾構(gòu)機(jī)(主體部分)盾尾通過監(jiān)測斷面后的地表沉降值和盾構(gòu)機(jī)參數(shù)進(jìn)行分析，即：DB1斷面選取第10環(huán)管片拼裝時的數(shù)據(jù)，DB2斷面選取第14環(huán)，DB3斷面選取第18環(huán)，DB4斷面選取第23環(huán). 盾構(gòu)機(jī)在盾尾通過監(jiān)測斷面后這一位置時地表沉降較為明顯，且這樣可以控制盾構(gòu)機(jī)與監(jiān)測斷面距離不同而導(dǎo)致的沉降差異. 地表沉降監(jiān)測結(jié)果如表4與圖8所示.

表4　盾構(gòu)始發(fā)段地表沉降監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)實(shí)測沉降數(shù)據(jù)，由表4與圖8可知，在橫斷面上的地表沉降變化大致滿足Peck公式的要求，呈現(xiàn)正態(tài)分布，即在與隧道軸線垂直的平面上形成沉降槽，隧道上方沉降量大，向兩側(cè)逐漸減小. 地表沉降值最大為-2.37 mm，符合北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《地鐵工程監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)范》(DB11/490—2007)的相關(guān)要求. 并且現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，從刀盤開始磨樁到穿過整個

樁體，刀具幾乎無損傷.

5基于玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)始發(fā)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益分析

傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)需要人工鑿除鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu),在鑿除過程中,地層直接暴露，易出現(xiàn)涌水和塌方等工程事故[13]，例如南京地鐵元通站，廣州地鐵赤崗塔站，北京地鐵黃村站、高米店站及上海、長沙、天津等地區(qū)均有此類事故發(fā)生. 另外，人工鑿樁作業(yè)環(huán)境極其艱苦，且需要對盾構(gòu)范圍內(nèi)的鋼筋進(jìn)行清理，若清理不干凈則會造成盾構(gòu)刀盤、刀具損壞.

基于玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)，用玻璃纖維筋局部替代鋼筋，免除了人工鑿樁的過程，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

以單個洞口為例，每個洞口含玻璃纖維筋圍護(hù)樁6根，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對比分析如表5.

表5　項(xiàng)目技術(shù)與常規(guī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析

從表5可以發(fā)現(xiàn)，雖然玻璃纖維筋的造價比鋼筋高，但是節(jié)省了人工鑿除鋼筋混凝土樁的費(fèi)用，因此每個洞口實(shí)際節(jié)約投資約8萬元. 同時，工期節(jié)約了7天左右，這就為項(xiàng)目部節(jié)約了30余萬元的管理費(fèi)用.

與上述直接經(jīng)濟(jì)效益相比，盾構(gòu)無障礙始發(fā)工藝，避免了涌水和塌方等工程事故產(chǎn)生的間接經(jīng)濟(jì)效益無法估量. 涌水和塌方不僅在社會上造成惡劣影響，并可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡，還會造成社會恐慌. 為處理涌水和塌方，不僅耗費(fèi)大量的人力、物力、財力，還可能會造成二次災(zāi)害，嚴(yán)重?fù)p壞國家利益.

社會效益，主要體現(xiàn)在由于不鑿除鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此地下水、土體不會出現(xiàn)流失現(xiàn)象，對地表環(huán)境及生態(tài)不產(chǎn)生任何影響，利于環(huán)境、生態(tài)及資源的保護(hù)；用玻璃纖維筋替代鋼筋后，減少了鋼筋的用量，而玻璃纖維筋易于得到，因此對資源的節(jié)約及合理利用具有極為重要的作用. 另外項(xiàng)目技術(shù)工藝簡單、施工速度快，因此節(jié)約了開支且降低了能源消耗.

6結(jié)論

基于玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)工藝，采用新材料、新技術(shù)，降低了安全風(fēng)險，加快了施工速度，節(jié)約了工程費(fèi)用，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益. 與傳統(tǒng)始發(fā)工藝相比，新工藝具有明顯的進(jìn)步：

1)工藝先進(jìn)、操作簡單：盾構(gòu)直接切削圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了無障礙始發(fā)，降低了施工風(fēng)險.

2)施工速度快：新工藝不需要人工鑿樁，始發(fā)時間由原先的10天減少到1-2天.

3)前后工序銜接緊密：新工藝避免了鑿樁停機(jī)過程，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)掘進(jìn)，利于土壓快速建立.

4)安全性高：避免了人工鑿樁帶來的涌水和塌方等工程風(fēng)險.

5)綠色施工：切割出的渣土可以與其他渣土一起運(yùn)輸，避免了環(huán)境污染.

基于玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)工藝的成果應(yīng)用，對玻璃纖維筋混凝土在土木工程中的應(yīng)用產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，并對其他纖維材料的應(yīng)用具有重要參考價值，對提高科學(xué)研究基礎(chǔ)建設(shè)水平做出了極大的貢獻(xiàn).

該工藝已成功應(yīng)用在了熱力隧道設(shè)計(jì)與施工中，相信在不久的將來會進(jìn)一步應(yīng)用在電力、燃?xì)獾仁姓A(chǔ)行業(yè)中，對北京市市政基礎(chǔ)建設(shè)將起到極為重要的作用.

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[責(zé)任編輯：佟啟巾]

Application of GFRP Bars in the Subway Shield-Driven

Jin Xin1,Liu Jun1,Zhou Hong2,Wang Chao1

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.Nanning Rail Transit Group Co., LTD, Nanning 530021)

Abstract:With the development of city construction, the metro shield project is increasing.Conventionally, due to the needs to engrave the retaining structure of reinforced concrete in the process of shield-driven, it may cause a series of problems in safety, economy, ecology and other aspects. Shield can cut the retaining pile using glass fiber reinforced polymer to replace fixture, which implement barrier-free originating of shield. Based on a bid-section of Beijing metro line 16 the mechanical parameters of glass fiber reinforced polymer for design are determined by using laboratory test method and the method combined with theoretical calculation and construction experience is adoped in the key nodes of site construction. The technology of originating construction for shield tunnel based on retaining structure with glass fiber reinforced polymer acquires favourable economic and social benefits in practical application.

Key words:shield-driven; glass fiber reinforced polymer; enclosure structure; economic benefit; social benefit

中圖分類號：TU741.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：金鑫(1991—)，男，碩士研究生，研究方向：遂道與地下工程.

基金項(xiàng)目：北京市屬高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)與教師職業(yè)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(IDHT20130512)

收稿日期：2015-10-29

文章編號：1004-6011(2016)01-0052-07