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)

杜 鵬 高群山

中鐵建工集團(tuán)北方工程有限公司 天津 300450

1 工程概況

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。

2 技術(shù)原理

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。

3 性能試驗(yàn)

3.1 玻璃纖維筋與混凝土的黏結(jié)性能

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)。

3.2 玻璃纖維筋混凝土梁受彎性能

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。

4 施工方法

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。

4.1 材料要求

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 復(fù)合筋籠施工

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。

4.3 施工注意事項(xiàng)

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。

5 結(jié)語(yǔ)

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。