玻璃纖維筋在盾構井圍護結構中的應用研究

張 恒,陳壽根,趙玉報,李茂文

(西南交通大學土木工程學院,成都 610031)

盾構進出洞為盾構隧道施工過程中的關鍵環節,盾構進出洞前, 處理端頭井圍護結構中鋼筋的傳統方法為：用注漿或臨時圍護樁等措施對井壁背后的土體進行加固后, 在降水條件下進行人工鑿除[1～3]。由于結構被開鑿破壞,結構背后土體暴露,地下水較難控制等原因,盾構進出洞時易出現地層土體塌方而導致地表下沉并危及地下管線和附近的建(構)筑物。近年來,隨著大深度、大斷面化的盾構需求迅速增加,盾構直接掘削纖維筋混凝土工法問世,即把盾構要穿過的擋土墻上的相應部位用纖維筋混凝土制作,可用一般盾構機的切削刀具直接切削,達到盾構機的直接進洞、出洞[4～6]。采用GFRP(玻璃纖維)筋代替圍護墻中盾構隧道范圍內的鋼筋,使盾構在進出洞時可以直接切削圍護墻進行掘進,這樣既可以加快施工進度、減少施工風險,同時還可以降低圍護墻前地層加固范圍和降低地層與圍護墻間的止水要求,又節約投資。本文以深圳地鐵5號線隧道為依托，介紹玻璃纖維筋的材料特性、力學行為和工程實際應用。

1 工程概況

深圳地鐵5號線大學城站盾構井連續墻設計中應用玻璃纖維筋,車站為地下二層3跨箱形結構,圍護結構采用800 mm厚的地下連續墻+鋼管內支撐體系。在盾構井段設置2幅玻璃纖維筋連續墻,每幅寬3.5 m。為了減少玻璃纖維筋的用量,只將玻璃纖維筋布置在正對盾構刀盤中心上下左右7.0 m×7.0 m范圍內,盾構井結構平面及剖面如圖1所示。

圖1 盾構井結構(單位：mm)

擬建工程場地地質構造主要表現為燕山期、加里東期花崗巖巖漿侵入作用,花崗巖在風化作用下形成殘積層,山間洼地段沖洪積沉積的粉質黏土及砂層,地表為人工素填土,道路表層為混凝土路面,地面高程14～17.2 m。車站所處地層從上至下依次為：素填土(3.0～3.8 m厚)、淤泥質黏土(0～5.5 m厚)、礫質黏性土(4.5～9.4 m)、全風化花崗巖(1.4～4.6 m厚)、強風化花崗巖(2～2.8 m厚),底板大部分處于全風化花崗巖局部處于強風化花崗巖。

2 玻璃纖維筋的特性

玻璃纖維筋(GFRP)是以玻璃纖維為增強材料,以合成樹酯及輔助劑等為基體材料,在光電熱一體的高速聚合裝置內受熱固化,經拉擠牽引成型的一種新型復合材料。與普通鋼筋相比有如下特點:(1)比鋼筋抗拉強度高；(2)剪切強度主要取決于樹酯性能,其剪切強度往往很低；(3)抗拉彈性模量遠低于鋼筋,一般為40～55 GPa,約為鋼筋的1/4,抗壓彈性模量小于抗拉彈性模量；(4)玻璃纖維筋是由玻璃纖維絲與樹酯材料組成的復合材料,具有良好的電、磁絕緣性,不會影響磁場及電磁波,極適合需考慮電、磁影響而不能使用鋼筋混凝土構件的情況；(5)對氯離子及其他化學腐蝕具有很好抵抗能力；(6)具有優良的抗徐變性能；(7)有良好的抗疲勞性能；(8)質量輕,僅為鋼筋的1/4,有利于運輸和安裝；(9)熱穩定性較差。由于該材料具有許多優異的性能,再加上橋梁、近海建筑物、臨水設施、土工加筋材料的日益增加,纖維筋及其增強混凝土結構將得到更廣泛的應用[9]。玻璃纖維筋與普通鋼筋的物理力學性能見表1。

GFRP筋受拉時為脆性破壞,可達到極限強度而不出現任何屈服現象。GFRP筋的拉伸強度隨直徑而變,直徑大的GFRP筋的強度和效率低。表2列出不同直徑GFRP筋(長度不大于6 m)的拉伸強度和彈性模量。

表1 玻璃纖維筋與普通鋼筋的力學性能

表2 不同直徑GFRP復合材料筋的拉伸強度

3 玻璃纖維筋在盾構井圍護結構中的應用

3.1 玻璃纖維筋配筋設計

在玻璃纖維筋配筋設計中需要對以下項目計算或檢算：連續墻抗彎承載力計算、抗剪承載力計算。盾構端頭井圍護結構內力計算根據該處地質水文情況及基坑周邊超載等,基坑圍護結構內力、位移包絡圖如圖2所示[7]。其中，彎矩設計值M=1 029.32×1.1×1.35=1 528.5 kN·m/m；剪力設計值V=646.41×1.1×1.35=959.9 kN/m。

圖2 內力、位移包絡圖

盾構端頭墻周邊采用3排鋼格柵,墻體使用玻璃纖維筋,主筋之間及主筋和箍筋之間均采用綁扎連接,搭接長度是普通鋼筋搭接長度的1.3倍。全斷面設置單層玻璃纖維筋網,初噴40 mm混凝土后,掛φ6 mm玻璃纖維筋網。端頭處玻璃纖維筋格柵間距300 mm,噴800 mm厚的C20混凝土,保護層厚度為40 mm。然后在玻璃纖維筋格柵噴射完的混凝土后面,設置一道混凝土環梁,環梁鋼筋與礦山法隧道初支鋼格柵焊接。玻璃纖維格柵平面和配筋分別如圖3所示。

3.2 盾構施工時玻璃纖維格柵的力學行為

無需對端頭墻進行人工破除,盾構機降低掘進速度直接推進,當盾構機剛頂進至端頭墻時,端頭墻表面產生了較大的裂縫,其內部也產生一些貫通裂縫,但并未出現坍塌的情況。隨著推進的不斷深入,盾構機開始擠壓和切削端頭墻,首先出現端頭墻體下半部分垮塌現象,玻璃纖維格柵也暴露出來。這是由于上部地層經過注漿加固,其強度比下部要大得多,于是強度較弱的下部墻體先破壞。但是玻璃纖維格柵依然保持著較好的整體性,只是直徑較小的玻璃纖維箍筋由于不能完全抵抗玻璃纖維格柵的較大變形而首先達到抗拉強度極限,被撕裂拉斷。當箍筋被拉裂之后,玻璃纖維格柵開始解體,玻璃纖維筋也隨著受拉變形的逐漸增大而達到其抗拉屈服強度。此后,由于其抗拉強度不再增加,但形變急劇增大,當達到其變形極限后發生脆斷。接著端頭墻上部墻體發生類似的力學行為。盾構機切削端頭墻時玻璃纖維格柵力學行為如圖4所示。

從玻璃纖維筋的斷裂情況來看,可以發現,玻璃纖維筋多數都是在周邊的位置發生斷裂的,這是由于隨著盾構機的擠壓,玻璃纖維筋中間部位有較大的空間使其產生自身能夠承受的形變來釋放所受到的擠壓力,但是端頭墻周邊位置的玻璃纖維格柵,隨著盾構的擠壓,則沒有足夠的空間去產生變形來釋放擠壓造成的拉力,從而在與盾構機的刀盤接觸后的擠壓中,產生了脆斷。首先被拉斷的并不是主筋,而是直徑較小的玻璃纖維箍筋,因此,在配筋設計時,可以考慮適當加大箍筋的直徑,從而避免在主筋達到抗拉強度極限時,箍筋首先斷裂。盾構機從盾構隧道進入礦山法施工段的整個施工過程中,盾構段與礦山法段連接處并未出現垮塌,端頭墻體也未出現瞬間坍塌,這就證明采用玻璃纖維格柵施作端頭墻完全是可行的,不僅節省了施工的時間和成本,而且能夠保證盾構機從盾構段隧道進入礦山法隧道施工所需的安全性和穩定性,提高了施工效率。

圖3 玻璃纖維筋連續墻配筋立面(單位：mm)

圖4 盾構切削端頭墻時玻璃纖維筋格柵力學行為

3.3 施工中應注意的問題

從施工現場的綜合分析看,使用玻璃纖維筋成本更低,施工工序得以簡化,同時大大降低了施工風險,提高了施工效率。但在采用玻璃纖維筋圍護結構的設計、施工過程中要注意如下問題。

(1)這種施工方法在盾構始發時需要根據盾構井主體配合延長洞門一起應用,效果明顯。

(2)當采用泥水盾構直接切削玻璃纖維筋時,要及時、定期反循環沖洗出漿泵,防止掘削的玻璃纖維筋碎屑漂浮在泥漿上方堵塞出漿泵。

(3)掘進過程中要控制好掘進參數，如刀盤轉速、刀盤扭矩、刀具貫入量等,確保刀具安全。

(4)由于GFRP筋不同于鋼筋的特性,施工時存在與鋼筋的連接及吊裝的問題。GFRP筋無法進行焊接,鋼筋籠垂直吊裝時,連續墻GFRP筋下部鋼筋重力全部由GFRP筋與鋼筋間的連接件承擔。

(5)盾構圍護墻設置GFRP筋的范圍除滿足設計要求外,還應考慮到圍護墻鋼筋籠下放時的施工誤差,避免由于鋼筋籠的定位誤差導致盾構無法直接切削穿過。

4 結論

以深圳地鐵5號線大學城站為工程依托,對玻璃纖維筋的材料特性、力學行為和工程實際應用進行了較深入的研究,得出如下主要結論。

(1)玻璃纖維筋混凝土構件為脆性破壞,為此,構件應按超筋進行設計。

(2)玻璃纖維筋多數都是在端頭墻周邊的位置發生斷裂的,且先被拉斷的并不是主筋,而是直徑較小的玻璃纖維箍筋,因此,在配筋設計時,可以考慮適當加大箍筋的直徑,從而避免在主筋未達到抗拉強度極限時,箍筋首先斷裂。

(3)采用玻璃纖維筋代替盾構端頭井圍護結構中的鋼筋不但可以減少盾構進出洞事故,提高施工效率,而且還可以減少端頭井地層加固費用,具有很好的應用前景和推廣價值。

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