玻璃纖維筋混凝土在盾構(gòu)進(jìn)出洞工程中的應(yīng)用

呂榮海

（廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，510010，廣州∥高級(jí)工程師）

廣州市軌道交通9號(hào)線位于花都區(qū)境內(nèi)，屬?gòu)V花盆地，地貌上屬于河流沖洪積平原，地勢(shì)平坦寬廣。9號(hào)線隧道通過(guò)的地層主要為第四系石炭系巖層，地層變化較大，巖石最高單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到85.5 MPa。地下水賦存方式主要分為第四系松散類孔隙水、層狀基巖裂隙水及碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。含水地層以沖洪積砂層為主，滲透系數(shù)為10.70～14.61 m/d，屬?gòu)?qiáng)透水含水層；且蝕裂隙和溶洞發(fā)育，水量豐富，具承壓性。

本工程全長(zhǎng)5 079.586 m，線間距為13 m，隧道最大坡度為25‰，最小曲線半徑為450 m。采用4臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，其中，2臺(tái)為海瑞克泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，2臺(tái)為三菱泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)均從中間風(fēng)井始發(fā)并向兩端掘進(jìn)。整個(gè)工程包括7段盾構(gòu)隧道、2座車站、2座中間風(fēng)井、3段區(qū)間明挖以及10個(gè)聯(lián)絡(luò)通道。

由于盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)的安全風(fēng)險(xiǎn)較大，普通的攪拌樁、旋噴樁加固在洞門(mén)破除過(guò)程中易發(fā)生較多風(fēng)險(xiǎn)事件。結(jié)合本工程的地質(zhì)情況，利用玻璃纖維筋高抗拉強(qiáng)度、低抗剪強(qiáng)度的特性，以玻璃纖維筋替代盾構(gòu)穿越影響范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻鋼筋，盾構(gòu)通過(guò)時(shí)可以直接切削，減少人工拆除洞門(mén)連續(xù)墻及鋼筋的工序，有效地消除了這個(gè)過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 玻璃纖維筋的性質(zhì)及力學(xué)性能分析

1.1 玻璃纖維筋的性質(zhì)

玻璃纖維筋又稱玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP），它是一種連續(xù)纖維增強(qiáng)材料（FRP）［1］。1942 年，GFRP筋由美國(guó)橡膠公司研制成功。1970年，歐洲首次將GFRP筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)。目前，GFRP筋已被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，其外形可根據(jù)需要加工成光圓、螺紋、矩形及工字形等。GFRP筋的特點(diǎn)如下［1］：

（1）承載能力高、抗拉力強(qiáng)，桿體強(qiáng)度為等直徑螺紋鋼的1～2倍，質(zhì)量?jī)H為鋼材的1/4。

（2）彈性模量穩(wěn)定且較低，約為鋼筋的1/4至2/5。

（3）不導(dǎo)電、不導(dǎo)熱，熱膨脹系數(shù)較鋼筋更接近于水泥。

（4）耐腐蝕性好，適合在水利工程、橋梁、碼頭、隧道等潮濕環(huán)境或其他腐蝕性環(huán)境中使用。

（5）透波性能好、不屏蔽，可根據(jù)需要加工成任意形狀。

（6）抗剪強(qiáng)度低，僅為50～60 MPa，且具有優(yōu)良的切割性。其性能基本上和鋼筋相似，與混凝土有很好的粘合性，同時(shí)又具有很高的抗拉強(qiáng)度，易被盾構(gòu)機(jī)的刀具切割，不易損傷刀頭。

1.2 GFRP筋的力學(xué)性能

GFRP筋本身具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、耐疲勞、低松弛、質(zhì)量輕、耐電磁等特點(diǎn)。文獻(xiàn)［2］按照GB/T 13096.1—1991《拉擠玻璃纖維增強(qiáng)塑料桿拉伸性能試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)GFRP筋（試件直徑為19 mm）進(jìn)行了破壞荷載、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、破壞伸長(zhǎng)率以及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系等基本力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)。試驗(yàn)選用單項(xiàng)連續(xù)纖維經(jīng)拉擠工藝制成的GFRP筋試件，其直徑為19 mm，長(zhǎng)度為700 mm。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)GFRP筋的破壞形式大致有3種：桿體拉裂發(fā)散、接頭夾套內(nèi)斷裂和桿體滑脫。直徑為19 mm的GFRP筋的拉伸彈性模量約為40.3 GPa，低于鋼筋的彈性模量（180～250 GPa），比普通混凝土的彈性模量大2～3倍；拉伸強(qiáng)度約為877 N/mm2；延伸率約為2.059%。GFRP筋的應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，不像普通鋼筋有明顯的屈服階段，其屬脆性破壞。但同一批GFRP筋的抗拉強(qiáng)度離散系數(shù)較大，說(shuō)明GFRP筋的產(chǎn)品質(zhì)量隨機(jī)性大，需在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出GFRP筋的抗拉設(shè)計(jì)值和極限應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)值。

2 GFRP筋在盾構(gòu)進(jìn)出洞中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用情況

本工程中，隧道端頭井處的圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，其中洞門(mén)位置為7 m寬的整幅地下連續(xù)墻，且該位置的鋼筋全部用GFRP筋替代。從抗拉強(qiáng)度考慮，采用相同直徑的GFRP筋可替代相同直徑的鋼筋。GFRP筋與鋼筋搭接處采用鎖扣連接，但GFRP筋的彈性模量?jī)H為鋼筋的1/4，導(dǎo)致了GFRP筋籠體以及地下連續(xù)墻的整體剛度和抗剪承載力較鋼筋混凝土地下連續(xù)墻要低。因此，設(shè)計(jì)時(shí)須考慮GFRP筋籠體起吊過(guò)程中和土方開(kāi)挖后的抗剪承載力要求。

2.2 應(yīng)用技術(shù)

本工程盾構(gòu)機(jī)共完成7次始發(fā)、7次到達(dá)，其端頭井洞門(mén)處地下連續(xù)墻均采用GFRP筋替代鋼筋的措施。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)出洞過(guò)程中，均未發(fā)生任何涌水、涌砂等風(fēng)險(xiǎn)性事件。

2.2.1 盾構(gòu)始發(fā)端施工技術(shù)

盾構(gòu)始發(fā)位置示意圖如圖1。始發(fā)端頭井加固區(qū)域長(zhǎng)度為9 m，寬度為至隧道結(jié)構(gòu)線外3 m，斷面上加固至隧底3 m，且采用φ 700 mm@500 mm雙管旋噴樁進(jìn)行加固。在加固區(qū)域內(nèi)，為保證巖面與土層交界面的止水效果，采用旋噴樁引孔入巖0.5 m以加固巖層。

端頭洞門(mén)處地下連續(xù)墻在洞門(mén)中心7 m（水平）×7.62 m（垂直）范圍內(nèi)采用了GFRP筋替代鋼筋，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)可直接切削，無(wú)需對(duì)洞門(mén)進(jìn)行鑿除。但在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前要對(duì)GFRP筋范圍進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，僅需鑿除洞門(mén)上下左右4個(gè)點(diǎn)位的地下連續(xù)墻混凝土保護(hù)層即可推斷。

圖1 盾構(gòu)始發(fā)位置示意圖

本工程車站結(jié)構(gòu)墻厚度為700 mm，而刀盤(pán)長(zhǎng)度為755 mm。當(dāng)?shù)侗P(pán)碰壁后，止水簾布與刀盤(pán)將直接接觸，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)破壞簾布，無(wú)法建立切口水壓以及封堵基坑外的地下水。根據(jù)計(jì)算，刀盤(pán)安裝中心魚(yú)尾刀后的長(zhǎng)度約900 mm，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)止水簾布伸入洞門(mén)約400 mm。故本工程始發(fā)端頭井均將下層主體結(jié)構(gòu)端墻加厚至700 mm作為輔助措施，即增加了刀盤(pán)與橡膠止水簾布之間的距離，可在刀盤(pán)碰壁后立即形成密封土倉(cāng)以及建立切口壓力，從而以正常掘進(jìn)的形式完成始發(fā)，為盾構(gòu)始發(fā)提供有力安全保證；但切口壓力不宜過(guò)大，以防對(duì)簾布造成過(guò)大的沖擊壓力。

在盾構(gòu)刀盤(pán)切削GFRP筋混凝土地下連續(xù)墻的過(guò)程中，應(yīng)將掘進(jìn)參數(shù)嚴(yán)格控制在：掘進(jìn)速度3～5 mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0.8～1.0 r/min，推力不大于1 000 t，泥漿比重 1.2 g/m3，黏度 25 s，使得刀盤(pán)切口水壓在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過(guò)程中均有一個(gè)逐步提升的過(guò)程。盾構(gòu)機(jī)在開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)最好為負(fù)壓（即小于地下水壓），然后在掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況逐步加大，在即將破除加固體時(shí)切口水壓可加至理論計(jì)算值。

在整個(gè)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)過(guò)程中，要嚴(yán)密監(jiān)視各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，特別是推力、扭矩和切口壓力。因?yàn)镚FRP筋易發(fā)生脆性斷裂，掘進(jìn)過(guò)程中有可能造成地下連續(xù)墻混凝土塊整體剝落或GFRP筋的整段脫落，極易造成管路堵塞，故需根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)及掘進(jìn)情況及時(shí)停機(jī)檢查。

2.2.2 盾構(gòu)到達(dá)端施工技術(shù)

盾構(gòu)到達(dá)端頭井采用800 mm厚素混凝土地下連續(xù)墻外包作為整個(gè)端頭井加固區(qū)域，用于防止外部地下水進(jìn)入。素混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)入隧道下方不透水層約1 m，地下連續(xù)墻接頭外采用2根φ 700 mm@450 mm雙管旋噴樁止水，素混凝土地下連續(xù)墻內(nèi)采用φ 700 mm@500 mm雙管旋噴樁加固。旋噴樁呈梅花形布置，整個(gè)加固區(qū)長(zhǎng)度為10 m，旋噴樁加固深度根據(jù)地層情況加固至隧底4.5 m。同時(shí)，在端頭井加固區(qū)上下行隧道間設(shè)置1個(gè)降水井，用于判斷加固區(qū)的滲水情況以及降低地下水位，以保證盾構(gòu)機(jī)安全到達(dá)。洞門(mén)幅連續(xù)墻的鋼筋、GFRP筋設(shè)置與始發(fā)端頭井相同。

在盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)碰壁后（車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)連續(xù)墻外側(cè)），盾構(gòu)機(jī)尾部正好進(jìn)入端頭井外包素混凝土地下連續(xù)墻的加固區(qū)內(nèi)。此時(shí)，要對(duì)盾尾后3環(huán)管片進(jìn)行2次補(bǔ)漿，尤其對(duì)于剛脫出盾尾、正位于素混凝土地下連續(xù)墻墻處的管片要進(jìn)行系統(tǒng)的注漿，用來(lái)隔阻加固區(qū)外地下水進(jìn)入加固區(qū)域。同時(shí)，打開(kāi)盾構(gòu)機(jī)中盾徑向孔，注入聚氨酯，以形成柔性封閉環(huán)，進(jìn)一步防止盾尾處或盾構(gòu)加固區(qū)外的滲漏水，并輔以地面降水井排水，以保證盾構(gòu)機(jī)安全到達(dá)。盾構(gòu)到達(dá)位置如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)到達(dá)位置示意圖

盾構(gòu)機(jī)按正常掘進(jìn)情況出洞，利用刀盤(pán)直接切削、慢慢磨耗地下連續(xù)墻；但需對(duì)防水簾布加以保護(hù)，以防止地下連續(xù)墻破裂后混凝土塊墜落、擠壓而損壞簾布。同時(shí)嚴(yán)密監(jiān)視盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，放慢速度、減小推力，以免對(duì)車站主體結(jié)構(gòu)造成傷害。

2.3 GFRP筋應(yīng)用效果

根據(jù)本工程的實(shí)際應(yīng)用情況，結(jié)合相應(yīng)的輔助技術(shù)措施，在施工中保證了盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)時(shí)高風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的安全，其相應(yīng)工法、措施值得借鑒。GFRP筋在施工使用過(guò)程中有以下特點(diǎn)：

（1）GFRP筋制作過(guò)程簡(jiǎn)單。其連接點(diǎn)均采用綁扎技術(shù)，在與鋼筋搭接處可采用卡扣形式，以加強(qiáng)連接牢固性。GFRP筋彈性較鋼筋大，制作過(guò)程較易，且不易銹蝕，便于存放。

（2）GFRP筋易切割。施工使用時(shí)無(wú)需鋼筋加工設(shè)備就可用鋸條隨意截取，施工方便，但其端頭在外力作業(yè)下易脫膠損壞，施工中應(yīng)注意保護(hù)。

（3）GFRP筋與混凝土結(jié)合性好。車站基坑開(kāi)挖過(guò)程中，GFRP筋混凝土地下連續(xù)墻墻體未發(fā)生過(guò)大變形，其與鋼筋地下連續(xù)墻的變形、應(yīng)力等相關(guān)數(shù)據(jù)基本一致。

3 GFRP筋混凝土與鋼筋混凝土在盾構(gòu)進(jìn)出洞端使用的對(duì)比分析

3.1 安全性分析

采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻時(shí)，均要在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前對(duì)洞門(mén)地下連續(xù)墻進(jìn)行鑿除，對(duì)鋼筋進(jìn)行切割。其作業(yè)空間狹小、環(huán)境艱苦，且由于墻體破壞、土體暴露，易出現(xiàn)土體塌方、涌水、涌砂，導(dǎo)致地面下沉，危及周邊建筑物、管線和基坑等安全。截至目前此類事故在地鐵施工中已多次發(fā)生。鋼筋混凝土地下連續(xù)墻在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞端的施工工藝和工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)，需嚴(yán)密進(jìn)行施工組織，以防止發(fā)生危險(xiǎn)以及對(duì)人身造成傷害。

當(dāng)在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)端采用GFRP筋混凝土地下連續(xù)墻時(shí)，需根據(jù)盾構(gòu)刀盤(pán)厚度，合理加厚主體結(jié)構(gòu)墻體或采用鋼套筒，使刀盤(pán)接觸掌子面后，簾布可直接裹緊前盾體，封閉土倉(cāng)，形成回路。盾構(gòu)機(jī)直接進(jìn)行掘進(jìn)切削GFRP筋混凝土，減少了由于洞門(mén)混凝土破除帶來(lái)的諸多工序和影響人身安全的危險(xiǎn)因素，在一定程度上規(guī)避了施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 工期分析

當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻采用鋼筋混凝土?xí)r，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞必須鑿除洞門(mén)范圍內(nèi)的鋼筋混凝土，待殘?jiān)謇硗瓿珊螅軜?gòu)機(jī)方可進(jìn)、出洞，再對(duì)洞門(mén)初步密封，工期一般需要9～15 d。

當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻采用GFRP筋混凝土，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞時(shí)刀盤(pán)可直接切削GFRP筋，通過(guò)選擇合理的參數(shù)，一般最多1 d即可穿過(guò)地下連續(xù)墻，完成進(jìn)、出洞，極大地提高了施工進(jìn)度。但在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過(guò)程中，尤其要注意參數(shù)的選擇和變化，防止泥水平衡盾構(gòu)機(jī)發(fā)生堵管。

3.3 經(jīng)濟(jì)分析

以端頭井單個(gè)洞門(mén)為例，約有7 m×7.62 m范圍的鋼筋被GFRP筋所替代。單一洞門(mén)的鋼筋與GFRP筋工程數(shù)量如表1所示。

表1 單一洞門(mén)的鋼筋與GFRP筋工程數(shù)量表

根據(jù)2012年第4季度的合同綜合單價(jià)計(jì)算，一副鋼筋籠的制作成本為8.12 t×5 228.56元/t（綜合單價(jià)）=42 455.91元，一副GFRP筋籠的制作成本為2.4 t×15 474.21元/t（綜合單價(jià)）=37 138.1元，后者比前者減少約5 317.8元。但采用GFRP筋混凝土地下連續(xù)墻后，始發(fā)洞門(mén)需增加洞門(mén)厚度0.7 m（到達(dá)洞門(mén)不需要）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)形式，盾構(gòu)始發(fā)井寬度為9.49 m、高度為7.5 m，洞門(mén)直徑為6.62 m。根據(jù)2012年第4季度混凝土綜合單價(jià)494元/m3計(jì)算，增加費(fèi)用約12 709.6元。由此得出，盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)采用鋼筋的總費(fèi)用約7.25萬(wàn)元（其中，結(jié)構(gòu)成本為4.25萬(wàn)元，人工破除洞門(mén)費(fèi)用約3萬(wàn)元）。而盾構(gòu)始發(fā)洞門(mén)采用GFRP筋的總費(fèi)用約4.98萬(wàn)元（其中，結(jié)構(gòu)成本約3.71萬(wàn)元，加厚結(jié)構(gòu)墻成本約1.27萬(wàn)元），總成本節(jié)約2.27萬(wàn)元。因現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工與理論計(jì)算存在一定差距，實(shí)際成本會(huì)有所增加，但結(jié)合盾構(gòu)到達(dá)洞門(mén)的成本優(yōu)勢(shì)和安全優(yōu)勢(shì)，GFRP筋綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯。

3.4 施工工藝分析

GFRP筋為廠制定型產(chǎn)品，尺寸準(zhǔn)確、可直接綁扎、制作精度高、不銹蝕，相比鋼筋在制作上有一定的優(yōu)勢(shì)。但由于GFRP筋為脆性材料易破壞，施工過(guò)程中應(yīng)通過(guò)保證其搭接長(zhǎng)度、超筋替換、增加工字鋼包邊以及采用后期可去除的鋼筋桁架等措施，來(lái)確保GFRP筋籠起吊及基坑開(kāi)挖過(guò)程中GFRP筋混凝土的穩(wěn)定性。由于GFRP筋質(zhì)量較輕，以及其籠體下放時(shí)間的增加導(dǎo)致GERP筋籠在下籠及澆筑過(guò)程中易發(fā)生上浮現(xiàn)象，故對(duì)其穩(wěn)定性應(yīng)引起足夠重視。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程盾構(gòu)機(jī)多次進(jìn)出洞工程實(shí)例表明，盾構(gòu)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)洞門(mén)采用GFRP筋替代鋼筋后，盾構(gòu)機(jī)可直接掘進(jìn)切削通過(guò)，其安全效果顯著。雖GFRP筋單價(jià)較鋼筋高，但質(zhì)量?jī)H為鋼筋的1/4，綜合多方面考慮，兩者總體投資相當(dāng)。GFRP筋在改善施工環(huán)境、降低人力物力投入、提高施工速度以及避免施工風(fēng)險(xiǎn)等方面表現(xiàn)出極好的優(yōu)越性，值得推廣。

［1］ 徐澤.GFRP筋在成都地鐵工程的應(yīng)用［J］.安徽建筑，2010，17（1）：78.

［2］ 張省祥.GFRP筋的力學(xué)性能研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（16）：153.

［3］ 周洪，劉軍，宋旱云.玻璃纖維筋拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，29（3）：20.