杜 鵬 高群山
中鐵建工集團(tuán)北方工程有限公司 天津 300450
昆明地鐵4號(hào)線菊華站,位于昆明市官渡區(qū)菊華立交橋與昆河米軌黑土凹站東側(cè),貴昆路與金馬路丁字路口處昆河米軌下方。菊華站為地下2層側(cè)式站臺(tái)車站,總建筑面積約22 374 m2,設(shè)計(jì)長(zhǎng)度360.6 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬28.9 m,基坑深度17.3 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻,主要采用明挖順作法施工。為了滿足遠(yuǎn)期規(guī)劃的昆明地鐵8號(hào)線貫通要求,下穿區(qū)域底板以下的鋼筋采用玻璃纖維筋代替鋼筋。
盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞處的地下連續(xù)墻深31.1 m、寬6 m,該部位采用玻璃纖維筋代替鋼筋,盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞時(shí),可直接切削玻璃纖維筋混凝土圍護(hù)墻,從而避免了穿越地下連續(xù)墻時(shí)需要進(jìn)行的鑿除洞門(mén)、切斷鋼筋等煩瑣的預(yù)處理工作。本文通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果、施工實(shí)踐進(jìn)行總結(jié),對(duì)城市地鐵站點(diǎn)盾構(gòu)穿行處玻璃纖維筋地下連續(xù)墻施工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)闡述。
隨著中國(guó)城市的快速發(fā)展,城市空間利用率不斷提高,隧道在城市地下空間開(kāi)發(fā)利用方面發(fā)揮了愈加重要的作用。目前城市地下隧道主要采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工,盾構(gòu)施工前,需在隧道的一端設(shè)置豎井或基坑,用于盾構(gòu)機(jī)組裝。盾構(gòu)始發(fā)時(shí)需對(duì)豎井地下連續(xù)墻進(jìn)行破除,往常破除作業(yè)主要采用人工破除的方式,預(yù)先在洞圈內(nèi)搭設(shè)腳手架,之后利用風(fēng)鎬等設(shè)備將地下連續(xù)墻混凝土分塊、分層逐步剔除。剔除完畢后,割去裸露處的鋼筋,再清理干凈洞口內(nèi)碎塊后,盾構(gòu)機(jī)即可空轉(zhuǎn)前進(jìn)。
在地下連續(xù)墻破除過(guò)程中,還應(yīng)時(shí)刻觀察基坑狀態(tài),預(yù)防地下水涌入和土體坍塌等現(xiàn)象的發(fā)生。因此整個(gè)預(yù)處理作業(yè)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、人力物力投入大、安全風(fēng)險(xiǎn)高,采取科學(xué)合理的技術(shù)措施改進(jìn)盾構(gòu)穿行處的地下連續(xù)墻施工工藝成為必然。
玻璃纖維筋作為一種具有抗拉強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好、抗電磁性能高、質(zhì)量輕、熱傳導(dǎo)能力低、可切割性好等諸多優(yōu)點(diǎn)的纖維復(fù)合材料,可以在某些特定條件下代替普通鋼筋。利用其與同直徑的普通鋼筋相比,抗拉性能相當(dāng)、抗剪性能較差的特征,取代盾構(gòu)始發(fā)井地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的普通鋼筋,從而在滿足地下連續(xù)墻圍護(hù)作用要求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)對(duì)圍護(hù)墻的直接穿行要求,減少了盾構(gòu)施工時(shí)地下連續(xù)墻鑿除、鋼筋切割等預(yù)處理環(huán)節(jié),節(jié)省施工成本。
采用正交試驗(yàn)方法,開(kāi)展玻璃纖維筋與混凝土軸心拉拔試驗(yàn),研究了主要影響因素(筋直徑、黏結(jié)長(zhǎng)度和混凝土強(qiáng)度)對(duì)黏結(jié)性能的影響,分析了玻璃纖維筋混凝土試件的黏結(jié)滑移受力過(guò)程和破壞模式,得出了以下結(jié)論:埋置長(zhǎng)度、混凝土強(qiáng)度和玻璃纖維筋直徑都對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度有較大的影響,其中埋置長(zhǎng)度的影響最為顯著。
根據(jù)得到的玻璃纖維筋應(yīng)力、黏結(jié)應(yīng)力和隨埋置位置變化的理論公式,并考慮其他因素(材料安全系數(shù)、位置修正系數(shù)、混凝土保護(hù)層修正系數(shù)、安全系數(shù))的影響,在總結(jié)、分析已有的玻璃纖維筋本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合玻璃纖維筋軸心拉拔試驗(yàn)結(jié)果,提出了適合于玻璃纖維筋與混凝土的黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系,擬合曲線與試驗(yàn)曲線較為吻合,對(duì)于玻璃纖維筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的參考價(jià)值。
本構(gòu)模型的具體表達(dá)式為:微滑移階段,τ =τ1(S/S1),0<S≤S1;滑移階段,τ =(τ2-τ1)[(S-S1)/(S2-S1)]0.47+τ1,S1<S≤S2;下降階段,τ =-2.49+44.19/(S-S1)+τ1,S2<S≤S3;殘余階段τ =τ3,S>S3。其中,τ1、τ2、τ3為A、B、C點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度值;S1、S2、S3為A、B、C點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的加載端滑移值;A、B、C點(diǎn)為3個(gè)試驗(yàn)特征點(diǎn)。
通過(guò)對(duì)各種不同條件下的玻璃纖維筋混凝土梁進(jìn)行抗彎試驗(yàn),獲得各工況條件下試驗(yàn)梁的裂縫、撓度、承載力和破壞形式等多項(xiàng)抗彎試驗(yàn)原始數(shù)據(jù),通過(guò)系統(tǒng)整理分析,總結(jié)玻璃纖維筋應(yīng)變隨荷載變化的規(guī)律,并驗(yàn)證了玻璃纖維筋混凝土梁基本滿足平截面假定。
結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析玄武巖纖維摻量、配筋率對(duì)受彎性能的影響:
1)玄武巖纖維摻量:就開(kāi)裂荷載而言,通過(guò)摻入短切玻璃纖維,可提高玻璃纖維筋混凝土梁的開(kāi)裂荷載,隨著纖維摻量的增加,其提高效果先增大而后減小。根據(jù)多次試驗(yàn),確定當(dāng)短切玄武巖纖維摻量在0.4%左右,開(kāi)裂荷載提升幅度約60%,提升效果最好;就極限荷載而言,短切玄武巖纖維的摻入對(duì)梁的極限荷載影響較小。試驗(yàn)中,試驗(yàn)梁的極限荷載隨短切玄武巖纖維摻量的增大,其變化幅度均不超過(guò)10%。
2)配筋率:對(duì)于開(kāi)裂荷載,縱向玻璃纖維筋配筋率不是主要影響因素;隨縱向玻璃纖維筋配筋率的減小,玻璃纖維筋玄武巖纖維混凝土梁的極限荷載會(huì)減小,其變化幅度整體呈線性。
玻璃纖維筋地下連續(xù)墻施工方法與普通鋼筋地下連續(xù)墻施工流程大致相同,僅在復(fù)合筋籠的加工、安裝方面有特別之處,因此本節(jié)僅對(duì)復(fù)合筋籠的施工方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。
1)材料外觀形狀應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求,螺紋桿體質(zhì)地均勻,表面無(wú)氣泡裂紋,螺紋牙形、牙距整齊,無(wú)損傷,外形尺寸、允許偏差、直線度符合相關(guān)規(guī)范要求。
2)玻璃纖維筋的抗拉力學(xué)指標(biāo)中標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)有不低于99.87%的保證率,且同一批次的玻璃纖維筋樣本不少于25根。通常情況下,同一盾構(gòu)豎井的玻璃纖維筋原材可算作同一批次。
3)玻璃纖維應(yīng)采用含堿量小于0.8%的無(wú)堿玻璃纖維(E-Glass);為滿足產(chǎn)品基本耐久性使用的要求,樹(shù)脂基體僅允許采用乙烯基和環(huán)氧樹(shù)脂體系或乙烯基樹(shù)脂和環(huán)氧樹(shù)脂混合樹(shù)脂,且樹(shù)脂基體的原料聚合物不允許含有任何聚酯成分。
4.2.1 復(fù)合筋籠加工
玻璃纖維筋和鋼筋分別加工完成、驗(yàn)收合格后,鋼筋籠和玻璃纖維筋籠分別加工,各自加工完畢后再行連接主筋。因玻璃纖維筋材料性質(zhì),其無(wú)法像普通鋼筋那樣進(jìn)行焊接連接或套筒連接,因此受力縱筋間(玻璃纖維筋之間、鋼筋與玻璃纖維筋之間)的連接,全部采用鋼制U形卡進(jìn)行連接,且搭接長(zhǎng)度應(yīng)不低于40倍的主筋直徑,其中U形卡必須與鋼筋、玻璃纖維筋直徑相適應(yīng),各連接端的U形卡數(shù)量不得少于2個(gè)。筋籠其余部位涉及玻璃纖維筋的連接,可采用鐵絲綁絲或者尼龍繩等方式進(jìn)行綁扎,綁扎必須牢固可靠(圖1)。
圖1 玻璃纖維筋與鋼筋連接實(shí)物
各筋籠主筋連接完畢后,需進(jìn)行接頭驗(yàn)收,待復(fù)合筋籠卡扣連接接頭全數(shù)驗(yàn)收合格后,方可進(jìn)入下一道工序。接頭驗(yàn)收應(yīng)嚴(yán)格按照施工圖紙進(jìn)行檢查,主要包括搭接長(zhǎng)度、卡扣數(shù)量以及卡扣的旋緊程度等內(nèi)容。
為防止在復(fù)合筋籠吊裝運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)較大變形,地下連續(xù)墻復(fù)合筋籠制作應(yīng)采取增加玻璃纖維筋籠剛度的措施,可在筋籠兩側(cè)用工字鋼包邊或在筋籠內(nèi)部采用玻璃纖維筋桁架等措施。
4.2.2 復(fù)合筋籠吊裝
因玻璃纖維筋受剪性能較差,在吊裝復(fù)合筋籠時(shí),起吊點(diǎn)需設(shè)置在鋼筋上,不得置于玻璃纖維筋上。因盾構(gòu)機(jī)在筋籠中間(沿高度方向)進(jìn)行穿行,筋籠一般存在2個(gè)部位的搭接(作為受力主筋的玻璃纖維筋與鋼筋之間、玻璃纖維筋與玻璃纖維筋之間),吊裝宜從上向下沿高度方向起吊。
復(fù)合筋籠設(shè)置2道共10個(gè)吊點(diǎn),主吊6個(gè)吊點(diǎn),副吊4個(gè)吊點(diǎn),吊點(diǎn)采用φ32 mm的U形圓鋼予以加固。復(fù)合筋籠采用整體制作、整體吊裝的方式。根據(jù)實(shí)際吊裝經(jīng)驗(yàn)以及本工程復(fù)合筋籠筋材的分布特點(diǎn),對(duì)各吊點(diǎn)位置進(jìn)行如下調(diào)整:在籠頂下分別為0.95、8.00、8.00、8.85、9.00、2.00 m(圖2)。
圖2 復(fù)合筋籠吊點(diǎn)布置
其中,主吊位置為圖中A、B、C處,副吊位置為圖中D、E處。吊點(diǎn)加固嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范實(shí)行。
復(fù)合筋籠吊裝控制要點(diǎn)如下:
1)自身穩(wěn)定性控制。玻璃纖維筋材質(zhì)韌性較好,且彈性模量較小,復(fù)合筋籠起吊時(shí),存在自身穩(wěn)定性差的問(wèn)題。為保證復(fù)合筋籠吊裝時(shí)的自身穩(wěn)定性,應(yīng)采取橫向桁架筋或其他增加剛度的有效措施。
2)吊裝過(guò)程旁站控制。在地下連續(xù)墻復(fù)合筋籠的吊裝過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)管理人員需全過(guò)程旁站控制。因玻璃纖維筋籠自身材質(zhì)較輕,而玻璃纖維筋籠入槽后泥漿浮力較大,玻璃纖維筋籠下放較為困難,故嚴(yán)令禁止強(qiáng)行入槽。為避免為后期盾構(gòu)施工時(shí)留下作業(yè)隱患,及時(shí)將為提高筋籠剛度而增加的鋼筋桁架及工字鋼包邊割除。
1)玻璃纖維筋的表面易被損傷,且其損傷可能致使材料強(qiáng)度降低;另外,玻璃纖維筋需與堿性物質(zhì)分開(kāi)存放,避免其滲入,導(dǎo)致玻璃纖維筋耐久性降低。
2)玻璃纖維筋表面存在纖維,且其邊緣鋒利,為避免施工作業(yè)時(shí)發(fā)生不必要的傷害,操作工人施工作業(yè)時(shí)需佩戴手套。
3)玻璃纖維筋電鋸切割時(shí),人員須做好相關(guān)防護(hù),包括使用防塵面具、手套、眼鏡等防護(hù)用具,防止操作過(guò)程造成人員眼睛損傷。
4)材料存放應(yīng)盡量避免高溫環(huán)境、強(qiáng)紫外線照射及化學(xué)物質(zhì),避免對(duì)玻璃纖維筋造成不必要的損害。
5)運(yùn)輸玻璃纖維筋過(guò)程中,應(yīng)注意使用橫桿支撐,避免造成玻璃纖維筋原材的過(guò)度彎曲。
6)玻璃纖維筋需保持表面清潔,如表面被外加劑或者其他物質(zhì)污染,應(yīng)利用溶劑及時(shí)清理表面污染物,避免其對(duì)玻璃纖維筋與混凝土黏結(jié)效果產(chǎn)生不良影響。
與一般鋼筋相比,玻璃纖維筋具備自重輕、抗拉強(qiáng)度高、抗疲勞性能好、抗腐蝕性強(qiáng)、彈性模量低等特點(diǎn),其在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞位置處地下連續(xù)墻中的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的直接削掘,避免了事前破除洞門(mén)、切割鋼筋等煩瑣的預(yù)處理工作。該施工技術(shù)的應(yīng)用在簡(jiǎn)化盾構(gòu)施工工藝的同時(shí),降低了預(yù)處理措施帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn),縮短了地鐵工程施工工期,節(jié)省了地鐵工程施工成本,經(jīng)濟(jì)效益顯著。