淺談玻璃纖維筋在地鐵中的應(yīng)用*

李可新，衣曉婧，殷月，張亞可，張智超，張?zhí)K鵬

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 江蘇南京211167）

0 引言

近年來，由于對各種材料的不斷探索創(chuàng)新，建材種類也日益增多。強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好能，高強(qiáng)纖維筋在土木工程的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大大減輕了普通鋼筋因?yàn)殇P蝕等各種原因而引起的結(jié)構(gòu)破壞等問題。目前，玻璃纖維筋廣泛應(yīng)用于地鐵隧道的盾構(gòu)、水利工程、車站、橋梁、地下工程等領(lǐng)域，適用于化軍事工程的保密工作、特殊工程等需絕緣環(huán)境以及工廠、海防工程等腐蝕環(huán)境。這對提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能具有重要意義。

1 纖維筋的組成

纖維增強(qiáng)筋是一種以起加勁作用的纖維為增強(qiáng)材料，以起粘結(jié)、傳遞剪力的作用的合成樹脂、聚酯等為基體材料，經(jīng)過拉擠牽引成型的新型復(fù)合材料。根據(jù)增強(qiáng)材料即纖維種類的不同，常見的纖維增強(qiáng)筋包括芳綸纖維筋、碳纖維筋、玻璃纖維筋以及混雜纖維筋，其中玻璃纖維筋近年被廣泛應(yīng)用于地下工程中。它的形狀一般為全螺紋式的桿體。

2 力學(xué)性能

由于纖維種類的不同，幾種纖維筋的性能也有所不同，但它們之間具有一定的共性，與普通鋼筋的區(qū)別很大。雖然纖維筋是一種正在推廣的新型材料，但不意味著它沒有缺點(diǎn)。鋼筋與不同種類纖維筋之間的力學(xué)性能對比如表1所示。

2.1 優(yōu)點(diǎn)

（1）密度小，質(zhì)量輕，強(qiáng)度對重量比高。由于玻璃纖維筋的主要材料是玻璃纖維，因此它的密度很小，在1.5~1.之間，質(zhì)量只有同體積鋼筋的1/7~5/1；同時(shí)，玻璃纖維筋的強(qiáng)度很高。因此，相同的直徑下，纖維筋的強(qiáng)度對重量的比值最大可達(dá)到鋼筋的15倍。這種特點(diǎn)使得施工中的勞動(dòng)強(qiáng)度減輕，解放了人力，且當(dāng)玻璃纖維筋用于混凝土結(jié)構(gòu)中時(shí)，減輕了結(jié)構(gòu)自身的自重，提高建筑的抗震能力。

（2） 容易切割、施工便利：可直接用刀盤切割玻璃纖維筋，根據(jù)不同的切割要求，生產(chǎn)各種不同長度和形狀的構(gòu)件，可以用非金屬拉緊帶現(xiàn)場綁扎，施工方便。

（3） 非磁性。玻璃纖維筋是一種非磁性材料，在一些特殊材料的混凝土構(gòu)件中不用做脫磁處理。

（4）耐腐蝕性好。玻璃纖維筋與普通鋼筋相比，耐腐蝕性能好，因此在強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境里也適合應(yīng)用，具有良好的耐久性，后期無需頻繁維修，工程成本降低。

（5） 與混凝土的結(jié)合力強(qiáng)。玻璃纖維筋中的樹脂控制橫向熱膨脹系數(shù)，纖維控制縱向熱膨脹系數(shù)，在一般情況下，玻璃纖維筋的橫向熱膨脹系數(shù)比縱向熱膨脹系數(shù)大，玻璃纖維的體積率以及連續(xù)纖維和樹脂的類型決定了這種差別的大小。玻璃纖維筋與混凝土的的熱膨脹系數(shù)相近，在溫度變化條件下也不會破壞纖維筋與混凝土之間的粘結(jié)，纖維筋與混凝土依舊可以協(xié)同工作，不會破壞建筑的穩(wěn)定性。

2.2 不足

（1） 纖維筋的彈性模量比鋼筋低。常用的玻璃纖維筋和碳纖維筋的彈性模量大致分別為5.1×104和1.5×105，鋼筋的彈性模量為，兩種纖維筋的彈性模量大約是鋼筋彈性模量的20%和75%，其中玻璃纖維筋的彈性模量最小。

（2）抗剪和抗壓強(qiáng)度較低。纖維筋的抗壓性能、抗剪性能較差，因此，設(shè)計(jì)中基本上忽略纖維筋的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。此外，纖維筋的底端的彎鉤與箍筋的彎曲部分的抗拉強(qiáng)度會明顯降低并且需要特別定制。

（3）熱穩(wěn)定性較差。在超過一個(gè)固定的溫度范圍后，纖維筋的抗拉強(qiáng)度將會下降，而粘結(jié)強(qiáng)度下降情況更加顯著，因此，高溫環(huán)境纖維筋不適宜使用。除此以外，纖維筋耐火性能比鋼筋差，它的防火保護(hù)要求比鋼筋更高，需要耗費(fèi)更多的人力、財(cái)力來保護(hù)。

（4）纖維筋是脆性材料[1]。它的拉伸應(yīng)力—應(yīng)變是線性關(guān)系，在達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度之前不會發(fā)生塑性變形，由此可見，鋼筋的延性明顯大于纖維筋的延性。

表1 纖維筋與普通鋼筋的力學(xué)性能對比表

3 地鐵工程應(yīng)用

我國城市軌道交通發(fā)展迅速，目前國內(nèi)已修建地鐵的城市有35個(gè)，地鐵里程最長的城市上海的里程達(dá)到了673km，給城市生活帶來極大的方便。隨著地鐵在城市交通中的日益壯大，越來越多的新型材料，先進(jìn)理念進(jìn)入到地鐵領(lǐng)域。其中玻璃纖維筋就是其中的一種新型材料，它作為普通鋼筋的替代品，在地鐵盾構(gòu)、地下連續(xù)墻以及基坑支護(hù)樁中推廣應(yīng)用，并取得了很好的效果，節(jié)約工期并且?guī)砹烁叩纳鐣б妗?/p>

3.1 在地鐵盾構(gòu)始發(fā)中的應(yīng)用

隨著城市地鐵盾構(gòu)施工不斷的發(fā)展，傳統(tǒng)的盾構(gòu)始發(fā)過程已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代地鐵工程施工的高要求，傳統(tǒng)使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為盾構(gòu)圍護(hù)樁，雖然保證了坑道一定的的安全穩(wěn)定性，但盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出端頭井給鋼筋混凝土的切割帶來很不利的效果，在安全、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面造成了一系列負(fù)面問題。

北京地鐵16號線以及成都地鐵2號線盾構(gòu)始發(fā)井便是以玻璃纖維筋作為被穿越部位的圍護(hù)樁鋼筋籠[2]，由于纖維筋良好的切割性能，玻璃纖維筋圍護(hù)樁鋼筋籠的優(yōu)勢顯著。傳統(tǒng)盾構(gòu)法中的盾構(gòu)機(jī)需要直接切割地下連續(xù)墻，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)難以被切割，甚至?xí)茐亩軜?gòu)機(jī)的刀盤。選用玻璃纖維筋混凝土結(jié)構(gòu)作為地下連續(xù)墻，可以滿足盾構(gòu)進(jìn)出洞墻體易于切削的要求，而且玻璃纖維筋混凝土也能滿足地下連續(xù)墻對于強(qiáng)度的要求，有效的控制了盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞時(shí)的安全與質(zhì)量，減少投入盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞端頭井這一過程中的加固費(fèi)用。

在設(shè)計(jì)深圳地鐵5號線大學(xué)城站時(shí)擬建在盾構(gòu)井段設(shè)置兩幅玻璃纖維筋連續(xù)墻，每幅寬3.5m。由此看出，地下連續(xù)墻在建造時(shí)采用玻璃纖維筋代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋是很有可行性的。使用玻璃纖維筋簡化了施工工序，降低了地鐵建造成本，提高了施工效率，降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。因此，普通鋼筋在地下連續(xù)墻中被玻璃纖維鋼筋取代是完全可行的，這也為今后類似的工程施工提供了可以參考的經(jīng)驗(yàn)。

3.2 在基坑支護(hù)樁中的應(yīng)用

在基坑工程中，同等條件下，用于灌注樁的玻璃纖維筋相比較鋼筋而言造價(jià)最多可降低至90%。但是，玻璃纖維筋在應(yīng)用于鉆孔灌注支護(hù)樁時(shí)，會產(chǎn)生如玻璃纖維筋自身的連接、玻璃纖維筋籠的制作、玻璃纖維筋與支護(hù)樁混凝土冠梁的連接以及玻璃纖維筋籠上浮等問題，不能得到有效的解決方案。

以科研大樓基坑工程的設(shè)計(jì)和實(shí)施為背景，分析玻璃纖維筋在作為基坑支護(hù)樁時(shí)應(yīng)有的制作要求。為了冠梁與支護(hù)樁連接的更加可靠，支護(hù)樁應(yīng)該深嵌入冠梁，至少大于50mm。為了保證支護(hù)樁的部分樁身的混凝土的強(qiáng)度能夠滿足工程要求，用超灌的方式來澆筑混凝土。玻璃纖維筋無法通過焊接進(jìn)行連接，必須用非鍍鋅細(xì)鋼絲進(jìn)行綁扎，而且由于玻璃纖維筋籠較長，必須通過鋼卡扣件連接縱向主筋上下段，避免玻璃纖維筋籠產(chǎn)生過大的變形。鋼筋籠的綁扎過程是在胎模具上進(jìn)行，在加工棚內(nèi)成型，玻璃纖維筋籠的制作工藝和它基本一致。如果全部采用玻璃纖維筋制作整個(gè)配筋籠，那么配筋籠穩(wěn)定性差，非常容易變形，因此應(yīng)將玻璃纖維筋與鋼筋混合搭配進(jìn)行配筋。即先用鋼筋制成骨架，提高配筋籠的穩(wěn)定性，減小變形，之后利用玻璃纖維筋進(jìn)行下一步的綁扎。

玻璃纖維筋優(yōu)點(diǎn)有很多，但玻璃纖維筋代替鋼筋基坑工程領(lǐng)域的各種應(yīng)用仍處于不斷探索地階段，許多問題依然沒有得到有效的解決。

4 玻璃纖維筋在工程中的影響

在科技發(fā)達(dá)的今天，尋找更加輕質(zhì)更加高強(qiáng)，性能更加優(yōu)越的新型建設(shè)材料是我們順應(yīng)時(shí)代的必要選擇。用玻璃纖維鋼筋代替鋼筋具有良好的社會效益，滿足綠色環(huán)保的要求，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。與傳統(tǒng)盾構(gòu)始發(fā)比較，玻璃纖維筋的先進(jìn)性表現(xiàn)在許多方面：

（1）安全性高。避免了人工鑿樁帶來的涌水和塌方風(fēng)險(xiǎn)，切割出的渣土對環(huán)境無污染，可直接與其他渣土一起運(yùn)輸。

（2）施工速度快。不需要人工鑿樁，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)間大大縮減，前后工序銜接緊密，避免了鑿樁停機(jī)這一過程，能夠做到連續(xù)掘進(jìn)，快速建立土壓。

（3） 成本降低。玻璃纖維筋抗腐蝕性能好，后期的維護(hù)費(fèi)用降低。

（4）技術(shù)進(jìn)步。使用纖維筋代替鋼筋這一過程解決了行業(yè)中普遍存在的共同的技術(shù)問題，提高了盾構(gòu)的使用效率，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)的跨越，推動(dòng)了地下工程行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，并使產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級。

5 結(jié)語

（1） 隨著科技進(jìn)步，傳統(tǒng)的鋼筋不能滿足日益增長的建材質(zhì)量要求，纖維筋以其特有的優(yōu)勢在行業(yè)中占據(jù)越來越重要的地位。

（2） 地下工程的盾構(gòu)始發(fā)工藝基于玻璃纖維筋結(jié)構(gòu)，采用了新型建材，新方法，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了工程成本，與傳統(tǒng)工藝相比，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

（3）玻璃纖維筋在地下工程施工過程中應(yīng)用的成功，對其他不同種類纖維筋在工程應(yīng)用中的推廣產(chǎn)生了極大的參考價(jià)值，對新型建材的研究做出了極大的貢獻(xiàn)。