玻璃纖維筋在地下輸水工程豎井連續(xù)墻中的應(yīng)用

羅元開，楊永民，劉曉飛，李海波

（1、廣東水電二局股份有限公司 廣州510650；2、仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 廣州510225；3、廣東輝固材料科技有限公司 廣州511458）

關(guān)鍵字：地下輸水工程；盾構(gòu)始發(fā)；豎井連續(xù)墻；玻璃纖維筋；工程應(yīng)用

0 引言

城市的發(fā)展促進(jìn)人們對地下空間進(jìn)行開發(fā)和利用，在地下工程中，盾構(gòu)法在我國已經(jīng)得以普遍應(yīng)用，在大量的城市地鐵、城際軌道交通、綜合管廊、輸水隧道建設(shè)中得以工程實踐［1-4］。在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)技術(shù)是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵工序和施工難題［5，6］。傳統(tǒng)盾構(gòu)施工中，鋼筋混凝土或鋼材形成地下連續(xù)墻常用于盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)豎井的施工過程中，但是該類連續(xù)墻在盾構(gòu)始發(fā)或達(dá)到時，盾構(gòu)刀盤直接掘削進(jìn)洞或出洞施工作業(yè)很難，甚至根本無法直接完成，若人工破除該處部位的連續(xù)墻，工人作業(yè)環(huán)境極其艱苦，在連續(xù)墻中鋼筋切除及混凝土破除過程中，易暴露土體并出現(xiàn)塌方，并導(dǎo)致豎井周圍的地表下沉，影響周邊建筑物的安全，盾構(gòu)范圍內(nèi)鋼筋殘余也會造成盾構(gòu)刀盤的損傷，甚至導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)盾體扭轉(zhuǎn)及管片扭轉(zhuǎn)偏位。有的工程為了施工安全，用注漿或其他施工作業(yè)方法在盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)工序前對井壁背后土體進(jìn)行加固，若加固土體強(qiáng)度太高，增加造價，盾構(gòu)切削困難；而加固土體強(qiáng)度低則后繼施工不安全，會引發(fā)盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)作業(yè)時出現(xiàn)土體沉降或涌水等安全事故［7，8］。在國內(nèi)地下工程施工過程中，均有此類事故發(fā)生。

基于以上情況，在地下工程施工過程中的盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)工序中，迫切尋求一種適合盾構(gòu)施工特點，低成本且不影響施工工期，施工過程安全可靠的施工工藝。為此，國內(nèi)在地下工程施工過程中，盾構(gòu)施工的盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)工序中陸續(xù)采用盾構(gòu)直接掘削新型材料墻體的方法（Novel Material Shield Cut-table Tunnel Wall System），即用FRP 筋（包括碳纖維筋、玄武巖纖維筋和玻璃纖維筋）代替鋼筋直接形成地下連續(xù)墻體［9-13］。基于玻璃纖維筋低剪切模量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)，用玻璃纖維筋局部替代鋼筋，免除了人工破除洞門的過程，實現(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。玻璃纖維筋憑借其質(zhì)輕、易切割、抗拉強(qiáng)度高、剪切模量低、混凝土結(jié)合力強(qiáng)以及施工方便等優(yōu)勢，目前在城市軌道交通、城際軌道交通、綜合管廊、高速公路、橋梁碼頭、水利工程以及地下工程中得以工程實踐。

1 玻璃纖維筋物理性能及優(yōu)勢

玻璃纖維筋是由增強(qiáng)玻璃纖維材料和基體樹脂材料按照一定的比例混合，并經(jīng)過拉擠成型固化工藝復(fù)合形成的高性能新型材料，如圖1 所示。由于玻璃纖維的生產(chǎn)工藝成熟，池窯形成捻絲股數(shù)多，用來制備玻璃纖維筋材料最為穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)性能好，為此，玻璃纖維筋被廣泛認(rèn)為是一種潛在替代鋼筋，可以廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土中的新興材料。

早在1942 年玻璃纖維筋由美國橡膠公司研制成功，于1970年在歐洲首先將玻璃纖維筋筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中。玻璃纖維筋具有以下特點：①密度小。密度在2.0～2.2 g/cm3，大約是鋼筋密度（7.9 g/cm3）的1/4。②極限抗拉強(qiáng)度高。極限抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到1 000 MPa 以上，工程用玻璃纖維筋的抗拉強(qiáng)度通常為600～800 MPa，大約為鋼筋的2 倍，可以接近鋼絞線的抗拉強(qiáng)度。③玻璃纖維筋的熱膨脹系數(shù)為（0.8～1.2）×10-5左右，與混凝土的接近。當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時，變形和混凝土同步，不會因產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力破壞玻璃纖維筋與混凝土之間的粘結(jié)，保證筋與混凝土之間的協(xié)同工作。④耐腐蝕性能好。玻璃纖維筋非常適合于作為鋼筋的替代材料，應(yīng)用于水利工程、橋梁、碼頭等潮濕環(huán)境或其他侵蝕性環(huán)境中。⑤抗剪強(qiáng)度較低，普通的玻璃纖維筋的抗剪強(qiáng)度僅有120～150 MPa，使得其具有優(yōu)良的切割性，很容易被盾構(gòu)機(jī)的刀具切割、磨削破碎。

圖1 玻璃纖維筋Fig.1 Glass Fiber Reinforcement Bar

1.1 玻璃纖維筋的物理力學(xué)性能

玻璃纖維筋的抗拉強(qiáng)度比鋼筋的高，其強(qiáng)度是鋼筋強(qiáng)度的數(shù)倍，與高強(qiáng)鋼絲或鋼絞線相近。玻璃纖維筋材料由于玻璃纖維與基底材料的不同，其力學(xué)性能差別也很大，鑒于地下輸水工程為重點工程項目，且連續(xù)墻埋深達(dá)77.98 m，單幅地下連續(xù)墻鋼筋籠重量約80 t，為此，選用上等的玻璃纖維捻絲和高耐腐蝕的環(huán)氧樹脂材料，保證工程的整體質(zhì)量和安全。

本文分別統(tǒng)計了廣東省部分水利工程2007～2019年的鋼筋檢測數(shù)據(jù)（樣本數(shù)量為2 856組）以及所在玻璃纖維筋生產(chǎn)基地近2年的出廠檢驗數(shù)據(jù)及工程檢測數(shù)據(jù)（出廠檢驗數(shù)據(jù)樣本數(shù)量46 組，工程檢測數(shù)據(jù)21組），統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 玻璃纖維筋與鋼筋性能指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of Performance Indexes of Glass Fiber Reinforcement and Steel Reinforcement

統(tǒng)計分析表明鋼筋的密度波動不大，基本為7.85 g/cm3左右，約為玻璃纖維筋密度的3.92 倍。玻璃纖維筋抗拉強(qiáng)度平均值為670 MPa，約為承重鋼筋（HRB400）的極限抗拉強(qiáng)度（564 MPa）的1.19 倍。玻璃纖維筋具有較低的斷后伸長率，平均值約為2%左右，而鋼筋的伸長率高達(dá)16%以上，平均值為23%。

1.2 經(jīng)濟(jì)性能

根據(jù)玻璃纖維筋代替鋼筋的形式，所取得的經(jīng)濟(jì)性能有所差異。如果按照等體積替代設(shè)計，玻璃纖維復(fù)合筋替代鋼筋（如φ12 mm 復(fù)合筋可替代φ12 mm鋼筋），重量約為鋼筋的1/4，價格大約為鋼筋的2 倍，造價會降低50%左右，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。如果按照等強(qiáng)度、等間距設(shè)計使用，玻璃纖維復(fù)合筋替代鋼筋（如φ8 mm 復(fù)合筋可替代φ12 mm 鋼筋，φ6 mm 復(fù)合筋可替代φ10 mm 鋼筋或D9 mm、D10 mm 鋼筋網(wǎng)片），且考慮重量因素，經(jīng)濟(jì)造價會降低65%左右，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢更為突出。此外，如果考慮施工過程，使用鋼筋（一般采用6 m、9 m 或12 m 的長度）需要焊接，存在一定的搭接長度，至少造成6%的損耗，同時進(jìn)行鋼筋鋪設(shè)的勞動強(qiáng)度大，需要的人工費用較多。綜上所述，玻璃纖維筋相比鋼筋而言具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

1.3 應(yīng)用依據(jù)

世界各國都非常重視玻璃纖維筋應(yīng)用的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)方面的編制工作，日本土木學(xué)會玻璃纖維筋加固委員會首先制定了玻璃纖維筋片材的混凝土維修、加固技術(shù)草案，美國混凝土協(xié)會和歐洲相關(guān)機(jī)構(gòu)也制定了有關(guān)設(shè)計指南。目前在國際上常用的規(guī)范包括ISO 10406-1-2013、ACI 440.3R-04 和CSA-S806-02-2002等。

在國內(nèi)，我國陸續(xù)頒布了國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)支持玻璃纖維筋材料的推廣應(yīng)用，其中包括《玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋的高溫耐堿性試驗方法：GB/T 34551-2017》、《盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程：GJJ/T 192-2012》、《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋基本力學(xué)性能試驗方法：GB/T 30022-2013》、《玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材筋基坑工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)DGJ32/TJ 162-2014》、《玻璃纖維增強(qiáng)筋支護(hù)技術(shù)規(guī)范：北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1342-2016》、《纖維增強(qiáng)復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：GB 50608-2010》、《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料筋：GB/T 26743-2011》和《土木工程用玻璃纖維增強(qiáng)筋：JG/T 406-2013》等多個規(guī)范。這些規(guī)范的出臺，使得玻璃纖維筋在產(chǎn)品驗收和工程驗收等方面具備了條件，為其推廣應(yīng)用提供了有力保障。

2 玻璃纖維筋在盾構(gòu)始發(fā)中的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某地下輸水工程輸水線路總長度113.2 km，從珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，主要供水目標(biāo)是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)，工程實施可有效解決受水區(qū)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的缺水矛盾，改變廣州市南沙區(qū)從北江下游沙灣水道取水及深圳市、東莞市從東江取水的單一供水格局，提高供水安全性和應(yīng)急備用保障能力。其中典型標(biāo)段（如圖2a所示），該標(biāo)段起點為佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)鯉魚洲島上的高位水池，線路向東北布置，穿過西江左岔河道、順德支流、廣州南二環(huán)后，至杏壇鎮(zhèn)吉佑村。其中鯉魚洲取水口至高新沙水庫段的輸水干線設(shè)計輸水流量為80 m3/s，輸水隧洞（含盾構(gòu)隧洞）、線路上的盾構(gòu)井（含閥井）、交通隧洞（含盾構(gòu)隧洞、鉆爆隧洞）為一級建筑物。

典型標(biāo)段中共含3 個豎井，如圖2b 所示，分別為LG01#、LG02#和LG03#，在LG02#、LG03#工作豎井地下連續(xù)墻洞門處均存在4個盾構(gòu)掘削工作面。

圖2 某地下輸水工程豎井連續(xù)墻工程范圍及施工示意圖Fig.2 Project Scope and Construction Schematic of Shaft Continuous Wall of an Underground Water Conveyance Project

2.2 工程應(yīng)用過程

首先，工程根據(jù)豎井連續(xù)墻的配筋情況進(jìn)行工程量的分解，形成主筋、加密筋、水平筋、豎向裄架筋、水平裄架筋、剪刀筋、燕尾筋和封口筋等的長度、形狀和角度，制備成下料單。

玻璃纖維筋生產(chǎn)廠家按照下料單進(jìn)行定制生產(chǎn)并提供連接的U 型卡。材料進(jìn)場后制作可以反應(yīng)該批材料的玻璃纖維筋檢測件（如圖3a 和圖3b）?，F(xiàn)場施工人員按照施工圖紙進(jìn)行鋼筋籠的制作和綁扎（如圖3c），制備完畢后編制專項的吊裝方案，進(jìn)行吊裝入井（如圖3d）。

圖3 玻璃纖維筋-鋼筋籠應(yīng)用及施工過程Fig.3 Application and Construction Process of Glass Fiber Reinforcement-steel Reinforced Cage

某地下輸水工程典型標(biāo)段采用基于玻璃纖維筋低剪切模量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)技術(shù)，用玻璃纖維筋局部替代鋼筋，免除了人工破除盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)洞門的過程，實現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā)，保證了施工安全和工期，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

⑴ 施工工藝先進(jìn)、操作簡單。盾構(gòu)直接切削圍護(hù)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無障礙始發(fā)，降低了施工風(fēng)險。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 d 減少到1～2 d。前后工序銜接緊密，新工藝避免了破除盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)洞門停機(jī)過程，實現(xiàn)了連續(xù)掘進(jìn)，利于土壓快速建立。其次，安全性高，實現(xiàn)了綠色施工。避免了人工破除盾構(gòu)始發(fā)及到達(dá)洞門帶來的涌水和塌方等工程風(fēng)險。切割出的渣土可以與其他渣土一起運輸，避免了環(huán)境污染。

⑵具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益。根據(jù)工程市場價格信息，本工程共使用玻璃纖維筋約40 t，按等體積取代鋼筋，不考慮采用普通連續(xù)墻在盾構(gòu)進(jìn)出洞時破除鋼筋混凝土的費用，至少節(jié)省工程投資20 萬元。且采用玻璃纖維連續(xù)墻減少了破除鋼筋混凝土連續(xù)墻施工時產(chǎn)生的涌泥、涌沙、涌水等安全風(fēng)險，同時縮短了施工工期10～20 d。

3 結(jié)論

⑴玻璃纖維筋的密度約為鋼筋密度的1/4，抗拉強(qiáng)度約為承重鋼筋（HRB400）的極限抗拉強(qiáng)度的1.19倍，玻璃纖維筋具有較低的斷后伸長率，平均值約為2%，約為鋼筋伸長率的1/10。

⑵采用玻璃纖維筋代替鋼筋，可等體積取代，也可以采用等強(qiáng)度、等間距設(shè)計使用，經(jīng)濟(jì)造價會降低65%左右，玻璃纖維筋具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

⑶國內(nèi)外已經(jīng)有玻璃纖維筋有關(guān)多個規(guī)范。這些規(guī)范的出臺，使得玻璃纖維筋在產(chǎn)品驗收和工程驗收等方面具備了條件，為其推廣應(yīng)用提供了有力保障。

⑷在某大型的地下輸水工程中采用基于玻璃纖維筋低剪切模量圍護(hù)結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)或到達(dá)技術(shù)，實現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā)及到達(dá)，至少節(jié)省工程投資20萬元以上，同時縮短了施工工期10～20 d，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。