玻璃纖維筋在火車站改造項(xiàng)目中的應(yīng)用研究

魏 森 黎良青 董俊杰 姚士帥 許 昌

（中國建筑第八工程局有限公司總承包公司，上海200240）

1 概述

國內(nèi)軌道交通建設(shè)迅猛發(fā)展，城市化建設(shè)步伐的加快給城市交通帶來巨大壓力。盾構(gòu)法是地下地鐵工程中的主要施工方法，其對周圍土體的影響較小、效率高、安全可靠；盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)出地下隧道時必須穿越端頭井，為避免直接切削普通鋼筋損傷盾構(gòu)機(jī)，一般需要將井壁拆除，盾構(gòu)機(jī)才可出入洞口。然而井壁拆除后土層暴露容易引發(fā)管涌和流砂，破壞地下建筑物及管線。那么在不拆除井壁的條件下采用玻璃纖維筋代替井壁中普通鋼筋，能直接減少盾構(gòu)進(jìn)出洞發(fā)生事故的概率。

本文以嘉興火車站區(qū)域改造提升工程地鐵區(qū)間施工為背景，對玻璃纖維筋在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行論述，總結(jié)工作流程。這將為相似情況下玻璃纖維筋在地鐵區(qū)間的推廣應(yīng)用提供一定參考。

2 工程概況

嘉興火車站區(qū)域改造提升工程是嘉興市迎接建黨100 周年，重走一大路活動的主活動場，也是嘉興市重大工程，且整個工程體量大、涉及面廣、工況復(fù)雜、時間緊、任務(wù)重，同時還面臨管線遷改量大分散、交通多次道改挑戰(zhàn)，各種不確定因素比較多，對管理精細(xì)化程度提出了更高的要求，其中南廣場總占地面積約7.6 萬平方，總建筑面積約35 萬平方米（圖1）。

圖1 南廣場分區(qū)平面圖

本工程為嘉興火車站南廣場改擴(kuò)建工程。擴(kuò)建工程包括地鐵嘉興站結(jié)構(gòu)預(yù)留工程、有軌電車嘉興站工程、嘉興站公交首未站工程、南廣場綜合體工程。

南廣場綜合體工程，包含兩層地下空間開發(fā)（局部為三層及一層），C3 地塊建有一座11 層還建塔樓，其余部分地上開發(fā)3 層商業(yè)辦公空間。南廣場地下空間主體為地下二層結(jié)構(gòu)，預(yù)留地鐵車站部分局部為地下三層結(jié)構(gòu)，與東西兩側(cè)社會通道連接的局部區(qū)存在大量交叉且正在運(yùn)行的地下管線穿插其中。

其中地鐵嘉興站結(jié)構(gòu)預(yù)留工程（圖2），位于南廣場地下空間的中南部，為標(biāo)準(zhǔn)島式車站，車站有效站臺長度140 米，車站總長約245 米，總寬度約為31 米，車站總建筑面積約為20000平方米，車站埋深約為27.5 米。車站與南廣場B1 層、B2 層地下空間合建，整體開發(fā)利用。車站為地下三層站，主要位于B2 層和B3 層，站廳設(shè)置在B2 層，站臺設(shè)置在B3 層，設(shè)備管理用房主要布置在B2 層，少量布置在B3 層。

本站為地下三層島式車站。車站與南廣場B1 層、B2 層地下空間合建，其中B1/B2 層基坑與嘉興站南廣場同步開挖，地下二層底板完成后再進(jìn)行軌道交通B3 層開挖。圍護(hù)形式為地連墻+內(nèi)支撐。

圖2 地下連續(xù)墻（預(yù)埋地鐵）位置平面圖

3 玻璃纖維筋的特性

20 世紀(jì)40 年代，由美國橡膠公司成功研制出玻璃纖維筋；而玻璃纖維筋（Glass Fiber Reinforced Polymer）于1940 年第一次出現(xiàn)在歐洲并應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中。因其自身強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好且在一定的受力范圍內(nèi)玻璃纖維筋的受力機(jī)理與普通鋼筋相似，目前已廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋。然而，我國目前對玻璃纖維筋的研究還處在初級階段，亟待深入了解。

GFRP 是一種多種類塑料復(fù)合材料，在專項(xiàng)加工場內(nèi)，把纖維和樹脂兩種不同性能的組合材料通過擠壓工藝固化而成的復(fù)合材料；其中樹脂作為玻璃纖維筋的基底占其總重量的65%-75%，玻璃纖維筋是連續(xù)增強(qiáng)的復(fù)合材料，是主要的承力構(gòu)件。在相同直徑下，玻璃纖維筋的重量是相同條件下螺紋鋼25%，但玻璃纖維筋的強(qiáng)度增大兩倍有余；耐腐蝕性能優(yōu)越，比起普通鋼筋更適合在潮濕環(huán)境使用。玻璃纖維筋強(qiáng)度高、易切割的特性使其可以很好地在地鐵工程中代替普通鋼筋，一般情況下玻璃纖維筋抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度在50MP 左右?？辜魪?qiáng)度低的特點(diǎn)賦予其優(yōu)良的切割性能，盾構(gòu)機(jī)刀頭可將其輕松切除且無損耗。

目前玻璃纖維筋在國內(nèi)的生產(chǎn)工藝成熟、成本相對較低、施工周期短，安全可靠。

在一定的受力范圍內(nèi)，GFRP 筋與普通鋼筋受力機(jī)理相似，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)可以參照GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行；圓形截面構(gòu)件裂縫的發(fā)展也與矩形截面有所不同。裂縫出現(xiàn)后，由于圓形截面下部較小，開始發(fā)展較快。裂縫進(jìn)入構(gòu)件中部后，因截面加大，裂縫發(fā)展趨于平緩。當(dāng)荷載接近破壞荷載時，裂縫突然向構(gòu)件頂部延伸，此即為截面變化帶來的影響。圓形玻璃纖維筋在受力狀態(tài)下構(gòu)件的破壞機(jī)理屬于脆性破壞，當(dāng)距離中和軸最遠(yuǎn)的筋達(dá)到極限承載力后，瞬間破壞?？傊?，GFRP 筋混凝土構(gòu)件不具有鋼筋混凝土構(gòu)件所具有的塑性鉸性質(zhì)。

通常，玻璃纖維筋在支護(hù)樁需要拆除的一定高度范圍內(nèi)采用，其他無需拆除段采用普通鋼筋。受力主筋間搭接采用鋼制U型卡扣連接，非受力主筋間搭接可以采用鋼絲綁扎或尼龍繩綁扎。在鋼筋籠運(yùn)輸過程中，應(yīng)該采取一些方便后期拆除的鋼桁架作為輔助固定。實(shí)際工程中證明，采用玻璃纖維筋代替井壁中鋼筋后由盾構(gòu)機(jī)直接切削，即井壁不需要拆除。這直接減少盾構(gòu)進(jìn)出洞事故的概率，提高施工效率，降低土體直接暴露的風(fēng)險(xiǎn)，同時還可以減少端頭井地層加固費(fèi)用。

4 GFRP 在地鐵區(qū)域端頭中的應(yīng)用

4.1 地鐵端頭應(yīng)用情況

地鐵端頭井支護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1000mm 的人工挖孔樁，間距1400mm～2400mm。盾構(gòu)洞門處設(shè)置Φ1000mm 的人工玻璃纖維筋挖孔樁。樁頂設(shè)冠梁，樁間掛鋼筋網(wǎng)、噴射100mm～150mm 厚混凝土。盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)圍護(hù)樁樁體主筋采用Φ25mm、箍筋采用Φ10mm 的玻璃纖維筋。主筋之間及主筋和箍筋之間均采用鋼絲綁扎連接，搭接長度是傳統(tǒng)鋼筋搭接長度1.2 倍。玻璃纖維筋支護(hù)樁樁身混凝土強(qiáng)度等級C35，嵌固深度為5m。玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接長度為1.1m。地平面下玻璃纖維筋鋼筋籠長度為9 米；LZI-5～11、14 共8 根立柱樁位于待建地鐵區(qū)間。

4.2 應(yīng)用效果

嘉興火車站區(qū)域改造提升工程施工在端頭井部位，預(yù)留埋下8 根立柱樁。灌注樁鋼筋上部采用普通鋼筋，下部采用玻璃纖維筋。在端頭井處，即地鐵穿越洞門深入地下的范圍內(nèi)使用玻璃纖維筋代替普通鋼筋。利用玻璃纖維筋本身具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、可設(shè)計(jì)、易加工等諸多優(yōu)勢，盾構(gòu)機(jī)直接切削支護(hù)樁國內(nèi)外地鐵區(qū)間施工中，局部鋼筋被玻璃纖維筋替換得到了廣泛的使用。這樣盾構(gòu)機(jī)可以在不影響周圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的情況下在進(jìn)出地鐵區(qū)間時直接切削玻璃纖維筋，伴隨著相應(yīng)的技術(shù)措施，在作業(yè)過程中具備以下特點(diǎn)：

①立柱樁樁頂標(biāo)高-2.922 米，其有效長度為17 米，樁頂冠梁為0.8 米，保護(hù)層15 公分，鋼筋總長13 米，分兩節(jié)加工。上半節(jié)為鋼筋，下半節(jié)為玻璃纖維筋；玻璃纖維屬于脆性材料，在特殊的加工廠內(nèi)生產(chǎn)，連接點(diǎn)均采用鋼絲綁扎，減少鋼筋加工時間且整體鋼筋籠成型后不易銹蝕。

②可切削立柱樁內(nèi)玻璃纖維筋主筋與其它鋼筋采用U 形卡扣進(jìn)行連接，U 形卡扣與鋼材直徑相似且玻璃纖維筋搭接長度為40d，按照圖紙玻璃纖維筋螺旋箍筋之間間距為150mm，確保在綁扎處使用細(xì)鋼絲100%綁扎在一起，鋼絲形狀為十字形；玻璃纖維筋表面須有纏繞成型，并使用噴砂以保證與混凝土的有效粘結(jié)，纏繞深度一般不大于1mm 這樣可以最大限度增強(qiáng)材料之間的握裹力。

③玻璃纖維鋼筋籠在存放過程中均放置在離地30 公分的方木上，注意輕拿輕放；汽車吊使用三點(diǎn)法吊裝鋼筋籠。盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，接收相關(guān)參數(shù)、監(jiān)測布置參考盾構(gòu)井接收端設(shè)定內(nèi)容。經(jīng)過盾構(gòu)出洞的相關(guān)參數(shù)監(jiān)測，階段沉降量在4mm 之內(nèi)；因此盾構(gòu)在進(jìn)、出洞時，可直接切削玻璃纖維筋立柱樁通過洞門，對盾構(gòu)設(shè)備的性能無任何影響。

④玻璃纖維筋在施工過程中易切割，在材料送往項(xiàng)目前已按規(guī)格組裝，實(shí)際切割時可以使用鋼條隨意割取。盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)出端頭井時，容易發(fā)生超挖及滲水，影響地下水沉降；一般實(shí)時監(jiān)控，在機(jī)器行進(jìn)途中做好加固且采用例如注漿法，井管降水來控制沉降。

5 結(jié)論

玻璃纖維筋在盾構(gòu)區(qū)間的成功應(yīng)用，尤其完成了整個區(qū)間數(shù)次始發(fā)和接收，確保了盾構(gòu)機(jī)在施工的過程中的安全和進(jìn)度，為其他工程提供了良好借鑒，具有較強(qiáng)的推廣意義。

采用玻璃纖維筋代替盾構(gòu)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋不但可以減少盾構(gòu)進(jìn)出洞事故，提高施工效率，而且還可以減少端頭井地層加固費(fèi)用，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價值。

采用玻璃纖維筋代替普通鋼筋不但使基坑立柱樁拆除更容易，提高了施工效率，而且還避免了潛水員水下切割不規(guī)則鋼筋帶來的危險(xiǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過工程應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的適用性，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。