玻璃纖維筋在盾構工程中的研究與應用

劉 軍 原海軍 李京凡 周 洪 宋旱云

(1.北京建筑大學 北京100044;2.北京城市快軌建設管理有限公司 北京100027;3.北京市重大項目建設指揮部辦公室 北京100065)

1 玻璃纖維的研究應用現(xiàn)狀

盾構法施工一般劃分為三個階段，即盾構始發(fā)、正常掘進、盾構接收［1］。目前地鐵車站或盾構井是盾構始發(fā)與接收的必要條件，而且在盾構掘進中往往要穿越已施作完畢的區(qū)間附屬結構(如風道、聯(lián)絡通道、既有其他結構)，而這些結構一般均為鋼筋混凝土材料，在盾構始發(fā)與到達及穿越前必須要破除洞口的鋼筋混凝土結構，在破除過程中存在較大的施工安全風險，且工期較長。破除后的外側地層如直接暴露，則易出現(xiàn)涌水和坍方，造成周圍地層沉降甚至塌方，進而造成盾構無法正常始發(fā)與接收等。例如，南京地鐵元通站，2007年工人在割除洞口處支護結構鋼筋時，土體突然坍塌，發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象，造成地面嚴重變形塌陷，塌陷長度達150 m;廣州地鐵赤崗塔站，始發(fā)端頭加固采用C15素混凝土地下連續(xù)墻，2008年在鑿除洞口處的灌注樁時發(fā)生涌水涌砂，洞口土體坍塌，水與砂涌入盾構端頭井，水位達到齊腰，所幸無人員傷亡;北京地鐵黃村站，盾構端頭井未加固，2009年在盾構到達洞口前，土體突然從樁間噴涌而出，造成地表塌陷，并使端頭處污水管線爆裂，造成很大損失;北京地鐵高米店南站，盾構端頭井采用旋噴樁加固，2009年洞口在鑿除支護樁時，支護樁突然倒塌，造成一名工人受傷［2］。此類事故不勝枚舉，上海、長沙、天津等地區(qū)均出現(xiàn)過該類事故。尋求一種能利用盾構刀具直接切割的方法是擺在工程技術人員面前的課題。

玻璃纖維(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋是一種玻璃纖維增強復合材料，由玻璃纖維和樹脂經(jīng)熱融合而成，可加工成與鋼筋一樣的形式與尺寸。與鋼筋相比，GFRP筋具有抗拉強度高、重量輕、可切割性好、抗腐蝕性能好、熱傳導和電傳導能力低等優(yōu)點，在很多情況下可以用來代替普通鋼筋。GFRP筋作為一種新型的建筑材料，能夠適應現(xiàn)代工程結構向大跨、高聳、重載、高強和輕質(zhì)發(fā)展，并能承受惡劣的環(huán)境條件，符合現(xiàn)代施工技術的工業(yè)化要求，且價格相對比較便宜，因而在用于替代鋼筋混凝土結構的鋼筋研究中備受關注，正被廣泛應用在各類工程結構中。

GFRP筋已應用在盾構始發(fā)與到達中，并在成都、長沙、東莞、廣州、深圳等城市獲得了成功，在北京直徑線盾構隧道始發(fā)中也已得到初步應用。在盾構施工中，利用易于切割的材料——玻璃纖維筋替代洞口處的鋼筋而實現(xiàn)直接切削，這是目前進行盾構始發(fā)與接收的一種趨勢，可以免除由于鑿除鋼筋混凝土而帶來的安全風險。

2 玻璃纖維筋材料的基本力學性能

玻璃纖維(GFRP)筋產(chǎn)品是以纖維為主體材料，以合成樹脂(如聚酰胺樹脂、聚乙烯樹脂、環(huán)氧樹脂等)為輔助材料，采用拉擠工藝、在線纏繞以及在線涂層等工藝生產(chǎn)出來的一種新型復合材料(見圖1)。玻璃纖維提供了鋼筋所需要的高強度，樹脂提供了較好的耐腐蝕性能。與傳統(tǒng)鋼材相比，玻璃纖維筋是水泥結構中鋼材的理想替代材料。國內(nèi)生產(chǎn)的GFRP筋廠家較多，正規(guī)的生產(chǎn)廠家產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，廣東出臺的地方標準DB44/T 497—2008《土木工程用玻璃纖維筋增強復合材料(GFRP)筋》，對GFRP筋的基本性質(zhì)做了明確規(guī)定。

圖1 玻璃纖維筋

GFRP筋一般具有如下特性:

1)抗拉強度高。抗拉強度優(yōu)于普通鋼材，高于同規(guī)格鋼筋的20%，而且抗疲勞性好。

2)質(zhì)量輕。僅為同體積鋼筋的1/4，密度在1.5～1.9 g/cm3之間。

3)耐腐蝕性強。耐酸堿等化學物的腐蝕，可抵抗氯離子和低pH值溶液的侵蝕，尤其是抗碳化合物和氯化合物的腐蝕性更強。

4)易切割、施工方便。刀盤可直接切割，可按用戶要求生產(chǎn)各種不同截面和長度的標準及非標準件，現(xiàn)場綁扎可用非金屬拉緊帶，且操作簡單。

5)可設計性強。因彈性模量穩(wěn)定，熱應力下尺寸穩(wěn)定，折彎等形狀可任意熱成形;安全性能好，不導熱、不導電、阻燃抗靜電，通過配方改變與金屬碰撞不會產(chǎn)生火花。

近年來，國外學者對GFRP筋以及在混凝土結構中用GFRP筋代替鋼筋進行了廣泛研究，并取得了一定成果。但是，國內(nèi)在該領域的研究和應用尚處于起步階段，國內(nèi)設計主要參照美國混凝土委員會(ACI-440)規(guī)范［3］(2006)中有關材料與混凝土的規(guī)定，玻璃纖維筋抗拉強度為480～1 600 MPa，彈性模量為35～50 GPa。Weber［4］(2006)認為研究玻璃纖維筋混凝土應先研究其基本性質(zhì)，在對玻璃纖維筋應力-應變的研究中沒有發(fā)現(xiàn)明顯的屈服階段，得出其抗拉強度為1 100 MPa，彈性模量為60 GPa，延伸率為1.9%。筆者為了探討玻璃纖維筋的基本力學特性，取6個樣品對其進行了試驗，并與同直徑的鋼筋進行了對比分析(見表1)，其應力-位移曲線參見圖2。

表1 GFRP筋與鋼筋基本力學性質(zhì)

圖2 GFRP筋應力-位移曲線

通過表1可以看出:實驗結果與其他學者的類似，鋼筋的彈性模量為GFRP筋的4倍，抗拉強度比較接近，極限應變?yōu)?.66%，鋼筋在拉力達到487 MPa時開始屈服。通過對圖2分析可知，對于相同直徑的GFRP筋和鋼筋:鋼筋應力-位移曲線在屈服之前為直線，在屈服之后進入塑性階段;GFRP筋的應力-位移曲線為直線，在破壞之前無明顯的屈服點，為脆性破壞。國內(nèi)其他學者都獲得了類似結論。

從以上材料的力學基本性能研究可以獲得如下結論:在保證生產(chǎn)質(zhì)量的前提下，玻璃纖維筋的基本力學性質(zhì)是穩(wěn)定的，如對于φ20的GFRP筋要求抗拉強度≥600 MPa，彈性模量≥40 GPa，這也是推廣應用的前提條件。

3 玻璃纖維筋混凝土設計基礎理論

使用GFRP筋來代替部分鋼筋或預應力鋼筋用在混凝土結構中，在美國、日本、加拿大等國家做了大量的相關研究。Brown［5］等(1993)對6根GFRP筋混凝土梁試件進行了受彎試驗，試驗中梁是延性破壞，其破壞強度與理論預測值非常相近。然而，由于GFRP筋的彈性模量較低，導致梁體裂縫數(shù)目增多、裂縫寬度增加、撓度增大。Alsayed［6］(1998)對3組GFRP筋混凝土梁和1組鋼筋混凝土梁進行了抗彎性能對比試驗。試驗結果表明，GFRP筋混凝土梁的結構性能在很多方面類似于普通鋼筋混凝土梁。Bradberry［7］(2011)認為由于GFRP筋呈脆性破壞，應力-應變曲線沒有屈服點，因而GFRP筋用于混凝土結構時需按超筋設計，以確保破壞模式為混凝土受壓破壞，并避免GFRP筋的突然脆性斷裂導致的結構突發(fā)失效和破壞。Dong［8］等(2012)進行了梁和板的彎曲試驗，采用不帶橫向鋼筋的拼接GFRP筋來測定黏結強度，測試變量包括搭接長度、保護層厚度、鋼筋間距。試驗結果表明，GFRP筋的黏結強度均低于鋼筋的黏結強度，GFRP筋梁全部在搭接部分出現(xiàn)混凝土開裂破壞。

對于GFRP筋混凝土的設計理論，國內(nèi)雖然起步較晚，但已做了大量研究工作。高丹盈［9］等(2001)通過對受壓區(qū)和受拉區(qū)混凝土應力-應變關系曲線的簡化，建立了GFRP筋混凝土梁彎矩曲率的計算模式，提出了纖維增強塑料筋混凝土梁彎矩曲率的簡化計算公式以及相應的載荷撓度計算公式。崔強［10］等(2007)推導出GFRP筋混凝土梁斜截面承載力的理論計算公式，并進一步探討斜截面裂縫及撓度的特征，提出計算公式。鄒永威［11］等(2008)推導圓形截面構件筋材應力公式和截面彎矩計算公式，確定GFRP筋圍護樁為受壓破壞的設計原則，分析GFRP筋圍護樁承載力。翟世鴻［12］等(2008)通過ANSYS對用于盾構隧道進口的玻璃纖維筋混凝土雙向板的受彎性能進行了非線性全過程分析，并對玻璃纖維筋混凝土雙向板和鋼筋混凝土雙向板的受力機理進行了分析比較。結果表明，通過合理選擇有限元數(shù)值模型，可以較好地模擬玻璃纖維筋混凝土雙向板的受彎性能，其跨中撓度較大，但極限承載力比鋼筋混凝土雙向板的高，可以滿足盾構隧道進口處擋土墻的強度要求。盧致強［13］等(2010)以普通鋼筋混凝土結構的設計理論為依據(jù)，得到玻璃纖維筋混凝土構件正截面及斜截面的近似計算公式，得出了玻璃纖維筋混凝土構件脆性破壞的機理，應用于成都地鐵基坑圍護結構并獲得了成功。

由GFRP筋力學性能試驗研究可知，由于GFRP筋是高抗拉強度、低彈性模量的線彈性脆性材料，其受力破壞機理不完全等同于鋼筋混凝土構件，但作為與混凝土組成的復合材料，可采用類似的研究方法，即基于平截面假定和力的平衡，在將受壓區(qū)混凝土的應力圖形簡化成等效矩形應力圖形的基礎上，針對GFRP筋混凝土構件的破壞模式來確定其正截面承載力的計算方法。

4 在盾構始發(fā)與接收中的研究與應用

在地鐵盾構端頭井的圍護結構工程中，GFRP筋作為普通鋼筋的替代品，在國外已有一定程度的發(fā)展，在國內(nèi)也得到了一定程度的應用，如在成都、長沙、東莞、廣州、深圳、北京等城市，2012年底我國頒布了行業(yè)標準CJJ/T 192—2012《盾構可切削混凝土配筋技術規(guī)程》，該規(guī)程主要是根據(jù)南方的應用情況而制定的，對設計、施工及質(zhì)量驗收方面做了一些規(guī)定。

文獻［4］介紹了美國、荷蘭、德國、南非等國家在地鐵中對GFRP筋的應用，認為盾構直接切削圍護結構效果極好，不僅能降低工程費用，而且能夠提高施工速度，并從GFRP筋混凝土的強度、耐久性等方面做出分析，認為GFRP筋混凝土與鋼筋混凝土具有許多類似的地方。

國內(nèi)彭惠［14］(2008)結合崇明長江隧道長興島岸邊段盾構穿越地下墻進洞的工程實例，通過有限元的理論計算與實測數(shù)據(jù)的對比分析，介紹了GFRP筋代替地下墻鋼筋籠的起吊，采用新型桁架的施工工藝(見圖3)。蔣小銳［15］(2009)以深圳地鐵5號線大學城站工程為背景，通過研究認為采用GFRP筋替代鋼筋應用于地鐵盾構井處的地下連續(xù)墻，能有效提高盾構進、出洞的效率，降低盾構刀盤的切割損耗，同時可提高工程安全性。林剛［16］等(2009)以成都地鐵1號線后子門盾構井為背景，通過室內(nèi)試驗、理論推導和現(xiàn)場試驗等手段對GFRP筋在盾構端頭井圍護結構中的應用進行了論述，采用GFRP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，還可以減少端頭井地層加固費用。李輝龍［17］等(2010)闡述了北京地下直徑線盾構施工始發(fā)井支護結構地下連續(xù)墻GFRP筋混凝土施工技術。鐘明［18］(2010)介紹了東莞地鐵R2線珊美站站小里程端盾構工程應用GFRP筋的情況。王曉璜［19］(2010)結合廣州市番禺區(qū)漢溪下穿隧道工程施工1標的具體特點，在明挖式隧道基坑支護樁時，將規(guī)劃盾構范圍內(nèi)以GFRP筋代替普通鋼筋，實現(xiàn)了盾構直接切割混凝土及筋材，認為既可提高盾構通過時的安全性，又節(jié)省了材料和時間，具有明顯的經(jīng)濟效益。

圖3 吊裝中的玻璃纖維筋籠

北京地鐵15號線應用GFRP筋替代洞口附近同直徑的鋼筋，成功始發(fā)，本文并從施工的安全性、工期及經(jīng)濟效益方面做了初步統(tǒng)計:

1)安全方面。盾構的始發(fā)、接收部位不僅開口作業(yè)環(huán)境極其艱苦，同時由于墻體的開鑿破壞、土體的暴露，易出現(xiàn)土體塌方，導致地表下沉并危及地下管線和附近的建筑物，若有地下水則危險性更大。這一施工過程不僅工序復雜，而且需嚴密的施工組織，以防發(fā)生危險和對人身造成傷害。使用GFRP筋替代圍護樁中的鋼筋，使盾構井出洞時可以直接切割筋材，避免了上述的諸多工序和影響人身安全的危險因素。

2)工期方面。常規(guī)盾構穿越洞門前，必須鑿除洞門范圍內(nèi)圍護樁，待圍護樁鑿除并清理殘渣后，盾構機進洞，通常需要9 d時間。而采用GFRP筋替代樁內(nèi)鋼筋，盾構機刀盤直接切削樁體，省去了鑿樁，僅用1d時間即可成功始發(fā)。

3)經(jīng)濟方面。以單個洞口為例，每個洞口含6根GFRP筋樁，增加了不同直徑的GFRP筋費用，但減少了洞口處鋼筋及鑿除混凝土樁的費用，總費用中使用GFRP筋后有所減少。

GFRP筋在國內(nèi)外盾構工程中均獲得了較為廣泛的應用，采用盾構直接切割樁墻體的方法不僅安全性高，而且施工速度快，經(jīng)濟效益及社會效益明顯，是值得進一步推廣應用的方法。

5 發(fā)展趨勢

5.1 在深層地下空間的應用

隨著城市化進程的加快、地鐵線路的增加，必然會出現(xiàn)大量的線路交叉、換乘問題，或出現(xiàn)快速地鐵。下穿工程意味著車站和區(qū)間隧道埋深大大增加，使地鐵埋深有向更深度化發(fā)展的趨勢。對于深埋地鐵，區(qū)間施工仍以盾構法為主，而目前常規(guī)的端頭井土體加固方法很難應用在深埋地鐵的始發(fā)與接收中。目前國內(nèi)外盾構端頭井的加固方法有高壓旋噴法、水泥土攪拌法、注漿加固法、凍結法、素樁(墻)法等，在淺埋情況下這些方法均具有一定的適應性，在埋深較大的情況下會遇到各種復雜的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，如北京在埋深30～50 m時會遇見卵漂石、多層承壓水，這些常規(guī)方法的效果很難保證，甚至可以說是不可行的。

另外，鑿除樁(墻)體不僅難度大、工期長，而且風險更大。因此，在樁(墻)中應用易于切割的材料替代洞口附近的鋼筋，使盾構直接切割樁(墻)體，實現(xiàn)無障礙始發(fā)與接收，這是深埋盾構施工中的首選方法。

5.2 端頭井加固的優(yōu)化

目前盾構端頭井土體的加固范圍為9 m×12 m(見圖4)，加固區(qū)一般要求均勻加固，且要求土體的無側限抗壓強度達到0.8 MPa、滲透系數(shù)達到1×10-6cm/s，采用5.1中所述的加固方法。前已述及，端頭井土體加固后仍然出現(xiàn)了工程事故，可見端頭井加固的效果不易保證。采用GFRP筋替代洞口附近的鋼筋實現(xiàn)無障礙始發(fā)后，避免了人工鑿除樁(墻)體，通過一定的輔助方法使得盾構土倉壓力盡快建立起來，以平衡機頭前方的水土壓力，使加固范圍得到一定程度的優(yōu)化，從而減少了土體加固的費用。例如，成都地鐵1號線一期工程騾馬市站-天府廣場站區(qū)間的單線始發(fā)井盾構在進出洞前未對圍護結構的背后土體進行任何加固處理，在盾構始發(fā)與接收時，對盾構端頭井地層進行了降水處理，在降水條件下盾構機直接切割了玻璃纖維筋樁的圍護結構，盾構始發(fā)和到達均取得了成功。文獻［4］也提出了類似觀點。

圖4 盾構端頭井土體加固范圍

實現(xiàn)無障礙始發(fā)后，使盾構端頭井土體的加固優(yōu)化不僅具有一定的理論基礎，也具有一定的工程實踐，相信在不斷深入研究的基礎上，優(yōu)化盾構端頭井土體的加固范圍、降低土體強度要求會成為現(xiàn)實。

5.3 穿越既有結構中的應用

目前，GFRP筋在盾構工程中的研究與應用主要集中在盾構的始發(fā)與接收方面。工程實踐表明，盾構在掘進中會穿越區(qū)間既有附屬結構或其他結構，如穿越聯(lián)絡通道、風道等。這些區(qū)間附屬結構，目前都是在盾構掘進完成后施工。但在施工中需要拆除附屬結構附近的管片，風險較大。另外，此處往往出現(xiàn)降水困難以及地層加固困難，若地下水位較高，則會造成極大的安全風險。因此，若先修筑區(qū)間附屬結構，預留穿越位置并采用GFRP筋替代鋼筋，則會極大地降低施工安全風險，而且能加快施工進度。但由于盾構穿越區(qū)間附屬結構相當于再次接收與始發(fā)，且區(qū)間附屬結構一般體量較小，因此盾構穿越前與穿越中對區(qū)間附屬結構的穩(wěn)定性影響需要做進一步研究。圖5為北京地鐵某區(qū)間設置的刀盤檢修井，檢修井采用直徑φ2.4m的人工挖孔樁，穿越部位采用GFRP筋替代鋼筋，盾構掘進切割檢修井一側壁進入井內(nèi)后，進行刀盤檢修，檢修完成后盾構繼續(xù)掘進，直接切割另一側壁。盾構穿越前對檢修井的穩(wěn)定性影響，以及穿越過程中切割檢修井側壁對檢修井的穩(wěn)定性影響是需要深入研究的問題。

圖5 盾構穿越刀盤檢修井

6 結語

本文充分總結了國內(nèi)外GFRP筋在盾構工程中的研究與應用現(xiàn)狀，結合筆者的研究情況得出以下結論:

1)用GFRP筋局部替代鋼筋使盾構直接切削圍護結構，從而實現(xiàn)無障礙始發(fā)與接收，在國內(nèi)外已經(jīng)有了較為廣泛的應用，該方法減小了始發(fā)與接收的安全風險，且加快了施工進度，社會效益、經(jīng)濟效益十分明顯，是值得大力提倡的方法，但目前僅限于臨時結構中的應用。

2)正規(guī)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的GFRP筋的基本力學性質(zhì)是穩(wěn)定的，但原材料的質(zhì)量檢驗仍然不能忽視，應制定該產(chǎn)品在土木工程領域應用的國家標準。

3)GFRP筋混凝土構件的受力破壞機理雖然不完全等同于鋼筋混凝土構件的受力破壞機理，但可以參考鋼筋混凝土的設計方法，GFRP筋用于混凝土結構時應按超筋設計，以避免GFRP筋的脆性斷裂導致結構突發(fā)失效和破壞。

4)GFRP筋局部替代鋼筋實現(xiàn)了無障礙始發(fā)與接收，為盾構端頭井的加固提出了新思路，但是端頭井土體加固的優(yōu)化還需要進一步研究;另外，該方法在深層地下空間的開發(fā)利用及穿越附屬結構方面，仍然值得做進一步的研究。

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