玻璃纖維筋混凝土在盾構進出洞工程中的應用

呂榮海

（廣州軌道交通建設監理有限公司，510010，廣州∥高級工程師）

廣州市軌道交通9號線位于花都區境內，屬廣花盆地，地貌上屬于河流沖洪積平原，地勢平坦寬廣。9號線隧道通過的地層主要為第四系石炭系巖層，地層變化較大，巖石最高單軸抗壓強度達到85.5 MPa。地下水賦存方式主要分為第四系松散類孔隙水、層狀基巖裂隙水及碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。含水地層以沖洪積砂層為主，滲透系數為10.70～14.61 m/d，屬強透水含水層；且蝕裂隙和溶洞發育，水量豐富，具承壓性。

本工程全長5 079.586 m，線間距為13 m，隧道最大坡度為25‰，最小曲線半徑為450 m。采用4臺泥水平衡盾構機進行掘進，其中，2臺為海瑞克泥水平衡盾構機，2臺為三菱泥水平衡盾構機。盾構機均從中間風井始發并向兩端掘進。整個工程包括7段盾構隧道、2座車站、2座中間風井、3段區間明挖以及10個聯絡通道。

由于盾構始發及到達的安全風險較大，普通的攪拌樁、旋噴樁加固在洞門破除過程中易發生較多風險事件。結合本工程的地質情況，利用玻璃纖維筋高抗拉強度、低抗剪強度的特性，以玻璃纖維筋替代盾構穿越影響范圍內的地下連續墻鋼筋，盾構通過時可以直接切削，減少人工拆除洞門連續墻及鋼筋的工序，有效地消除了這個過程中的安全風險。

1 玻璃纖維筋的性質及力學性能分析

1.1 玻璃纖維筋的性質

玻璃纖維筋又稱玻璃纖維增強塑料（GFRP），它是一種連續纖維增強材料（FRP）［1］。1942 年，GFRP筋由美國橡膠公司研制成功。1970年，歐洲首次將GFRP筋應用于混凝土結構。目前，GFRP筋已被廣泛應用于土木工程領域，其外形可根據需要加工成光圓、螺紋、矩形及工字形等。GFRP筋的特點如下［1］：

（1）承載能力高、抗拉力強，桿體強度為等直徑螺紋鋼的1～2倍，質量僅為鋼材的1/4。

（2）彈性模量穩定且較低，約為鋼筋的1/4至2/5。

（3）不導電、不導熱，熱膨脹系數較鋼筋更接近于水泥。

（4）耐腐蝕性好，適合在水利工程、橋梁、碼頭、隧道等潮濕環境或其他腐蝕性環境中使用。

（5）透波性能好、不屏蔽，可根據需要加工成任意形狀。

（6）抗剪強度低，僅為50～60 MPa，且具有優良的切割性。其性能基本上和鋼筋相似，與混凝土有很好的粘合性，同時又具有很高的抗拉強度，易被盾構機的刀具切割，不易損傷刀頭。

1.2 GFRP筋的力學性能

GFRP筋本身具有耐腐蝕、強度高、耐疲勞、低松弛、質量輕、耐電磁等特點。文獻［2］按照GB/T 13096.1—1991《拉擠玻璃纖維增強塑料桿拉伸性能試驗方法》中的相關規定，對GFRP筋（試件直徑為19 mm）進行了破壞荷載、抗拉強度、彈性模量、破壞伸長率以及應力-應變關系等基本力學指標試驗。試驗選用單項連續纖維經拉擠工藝制成的GFRP筋試件，其直徑為19 mm，長度為700 mm。經試驗發現GFRP筋的破壞形式大致有3種：桿體拉裂發散、接頭夾套內斷裂和桿體滑脫。直徑為19 mm的GFRP筋的拉伸彈性模量約為40.3 GPa，低于鋼筋的彈性模量（180～250 GPa），比普通混凝土的彈性模量大2～3倍；拉伸強度約為877 N/mm2；延伸率約為2.059%。GFRP筋的應力-應變呈線性關系，不像普通鋼筋有明顯的屈服階段，其屬脆性破壞。但同一批GFRP筋的抗拉強度離散系數較大，說明GFRP筋的產品質量隨機性大，需在大量試驗的基礎上提出GFRP筋的抗拉設計值和極限應變設計值。

2 GFRP筋在盾構進出洞中的應用

2.1 應用情況

本工程中，隧道端頭井處的圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，其中洞門位置為7 m寬的整幅地下連續墻，且該位置的鋼筋全部用GFRP筋替代。從抗拉強度考慮，采用相同直徑的GFRP筋可替代相同直徑的鋼筋。GFRP筋與鋼筋搭接處采用鎖扣連接，但GFRP筋的彈性模量僅為鋼筋的1/4，導致了GFRP筋籠體以及地下連續墻的整體剛度和抗剪承載力較鋼筋混凝土地下連續墻要低。因此，設計時須考慮GFRP筋籠體起吊過程中和土方開挖后的抗剪承載力要求。

2.2 應用技術

本工程盾構機共完成7次始發、7次到達，其端頭井洞門處地下連續墻均采用GFRP筋替代鋼筋的措施。盾構機在進出洞過程中，均未發生任何涌水、涌砂等風險性事件。

2.2.1 盾構始發端施工技術

盾構始發位置示意圖如圖1。始發端頭井加固區域長度為9 m，寬度為至隧道結構線外3 m，斷面上加固至隧底3 m，且采用φ 700 mm@500 mm雙管旋噴樁進行加固。在加固區域內，為保證巖面與土層交界面的止水效果，采用旋噴樁引孔入巖0.5 m以加固巖層。

端頭洞門處地下連續墻在洞門中心7 m（水平）×7.62 m（垂直）范圍內采用了GFRP筋替代鋼筋，盾構機掘進時可直接切削，無需對洞門進行鑿除。但在盾構機始發前要對GFRP筋范圍進行現場確認，僅需鑿除洞門上下左右4個點位的地下連續墻混凝土保護層即可推斷。

圖1 盾構始發位置示意圖

本工程車站結構墻厚度為700 mm，而刀盤長度為755 mm。當刀盤碰壁后，止水簾布與刀盤將直接接觸，刀盤轉動時會破壞簾布，無法建立切口水壓以及封堵基坑外的地下水。根據計算，刀盤安裝中心魚尾刀后的長度約900 mm，盾構機始發時止水簾布伸入洞門約400 mm。故本工程始發端頭井均將下層主體結構端墻加厚至700 mm作為輔助措施，即增加了刀盤與橡膠止水簾布之間的距離，可在刀盤碰壁后立即形成密封土倉以及建立切口壓力，從而以正常掘進的形式完成始發，為盾構始發提供有力安全保證；但切口壓力不宜過大，以防對簾布造成過大的沖擊壓力。

在盾構刀盤切削GFRP筋混凝土地下連續墻的過程中，應將掘進參數嚴格控制在：掘進速度3～5 mm/min，刀盤轉速0.8～1.0 r/min，推力不大于1 000 t，泥漿比重 1.2 g/m3，黏度 25 s，使得刀盤切口水壓在整個盾構機始發過程中均有一個逐步提升的過程。盾構機在開始掘進時最好為負壓（即小于地下水壓），然后在掘進過程中根據實際情況逐步加大，在即將破除加固體時切口水壓可加至理論計算值。

在整個盾構機始發掘進過程中，要嚴密監視各項掘進參數，特別是推力、扭矩和切口壓力。因為GFRP筋易發生脆性斷裂，掘進過程中有可能造成地下連續墻混凝土塊整體剝落或GFRP筋的整段脫落，極易造成管路堵塞，故需根據掘進參數及掘進情況及時停機檢查。

2.2.2 盾構到達端施工技術

盾構到達端頭井采用800 mm厚素混凝土地下連續墻外包作為整個端頭井加固區域，用于防止外部地下水進入。素混凝土地下連續墻進入隧道下方不透水層約1 m，地下連續墻接頭外采用2根φ 700 mm@450 mm雙管旋噴樁止水，素混凝土地下連續墻內采用φ 700 mm@500 mm雙管旋噴樁加固。旋噴樁呈梅花形布置，整個加固區長度為10 m，旋噴樁加固深度根據地層情況加固至隧底4.5 m。同時，在端頭井加固區上下行隧道間設置1個降水井，用于判斷加固區的滲水情況以及降低地下水位，以保證盾構機安全到達。洞門幅連續墻的鋼筋、GFRP筋設置與始發端頭井相同。

在盾構機刀盤碰壁后（車站基坑圍護結構連續墻外側），盾構機尾部正好進入端頭井外包素混凝土地下連續墻的加固區內。此時，要對盾尾后3環管片進行2次補漿，尤其對于剛脫出盾尾、正位于素混凝土地下連續墻墻處的管片要進行系統的注漿，用來隔阻加固區外地下水進入加固區域。同時，打開盾構機中盾徑向孔，注入聚氨酯，以形成柔性封閉環，進一步防止盾尾處或盾構加固區外的滲漏水，并輔以地面降水井排水，以保證盾構機安全到達。盾構到達位置如圖2所示。

圖2 盾構到達位置示意圖

盾構機按正常掘進情況出洞，利用刀盤直接切削、慢慢磨耗地下連續墻；但需對防水簾布加以保護，以防止地下連續墻破裂后混凝土塊墜落、擠壓而損壞簾布。同時嚴密監視盾構機各項參數，放慢速度、減小推力，以免對車站主體結構造成傷害。

2.3 GFRP筋應用效果

根據本工程的實際應用情況，結合相應的輔助技術措施，在施工中保證了盾構始發、到達時高風險節點的安全，其相應工法、措施值得借鑒。GFRP筋在施工使用過程中有以下特點：

（1）GFRP筋制作過程簡單。其連接點均采用綁扎技術，在與鋼筋搭接處可采用卡扣形式，以加強連接牢固性。GFRP筋彈性較鋼筋大，制作過程較易，且不易銹蝕，便于存放。

（2）GFRP筋易切割。施工使用時無需鋼筋加工設備就可用鋸條隨意截取，施工方便，但其端頭在外力作業下易脫膠損壞，施工中應注意保護。

（3）GFRP筋與混凝土結合性好。車站基坑開挖過程中，GFRP筋混凝土地下連續墻墻體未發生過大變形，其與鋼筋地下連續墻的變形、應力等相關數據基本一致。

3 GFRP筋混凝土與鋼筋混凝土在盾構進出洞端使用的對比分析

3.1 安全性分析

采用鋼筋混凝土地下連續墻時，均要在盾構機始發前對洞門地下連續墻進行鑿除，對鋼筋進行切割。其作業空間狹小、環境艱苦，且由于墻體破壞、土體暴露，易出現土體塌方、涌水、涌砂，導致地面下沉，危及周邊建筑物、管線和基坑等安全。截至目前此類事故在地鐵施工中已多次發生。鋼筋混凝土地下連續墻在盾構機進出洞端的施工工藝和工序復雜、工期長，需嚴密進行施工組織，以防止發生危險以及對人身造成傷害。

當在盾構機始發端采用GFRP筋混凝土地下連續墻時，需根據盾構刀盤厚度，合理加厚主體結構墻體或采用鋼套筒，使刀盤接觸掌子面后，簾布可直接裹緊前盾體，封閉土倉，形成回路。盾構機直接進行掘進切削GFRP筋混凝土，減少了由于洞門混凝土破除帶來的諸多工序和影響人身安全的危險因素，在一定程度上規避了施工風險。

3.2 工期分析

當地下連續墻采用鋼筋混凝土時，盾構機進出洞必須鑿除洞門范圍內的鋼筋混凝土，待殘渣清理完成后，盾構機方可進、出洞，再對洞門初步密封，工期一般需要9～15 d。

當地下連續墻采用GFRP筋混凝土，盾構機進出洞時刀盤可直接切削GFRP筋，通過選擇合理的參數，一般最多1 d即可穿過地下連續墻，完成進、出洞，極大地提高了施工進度。但在盾構機始發過程中，尤其要注意參數的選擇和變化，防止泥水平衡盾構機發生堵管。

3.3 經濟分析

以端頭井單個洞門為例，約有7 m×7.62 m范圍的鋼筋被GFRP筋所替代。單一洞門的鋼筋與GFRP筋工程數量如表1所示。

表1 單一洞門的鋼筋與GFRP筋工程數量表

根據2012年第4季度的合同綜合單價計算，一副鋼筋籠的制作成本為8.12 t×5 228.56元/t（綜合單價）=42 455.91元，一副GFRP筋籠的制作成本為2.4 t×15 474.21元/t（綜合單價）=37 138.1元，后者比前者減少約5 317.8元。但采用GFRP筋混凝土地下連續墻后，始發洞門需增加洞門厚度0.7 m（到達洞門不需要）。根據現場的結構形式，盾構始發井寬度為9.49 m、高度為7.5 m，洞門直徑為6.62 m。根據2012年第4季度混凝土綜合單價494元/m3計算，增加費用約12 709.6元。由此得出，盾構始發洞門采用鋼筋的總費用約7.25萬元（其中，結構成本為4.25萬元，人工破除洞門費用約3萬元）。而盾構始發洞門采用GFRP筋的總費用約4.98萬元（其中，結構成本約3.71萬元，加厚結構墻成本約1.27萬元），總成本節約2.27萬元。因現場實際施工與理論計算存在一定差距，實際成本會有所增加，但結合盾構到達洞門的成本優勢和安全優勢，GFRP筋綜合經濟優勢相對明顯。

3.4 施工工藝分析

GFRP筋為廠制定型產品，尺寸準確、可直接綁扎、制作精度高、不銹蝕，相比鋼筋在制作上有一定的優勢。但由于GFRP筋為脆性材料易破壞，施工過程中應通過保證其搭接長度、超筋替換、增加工字鋼包邊以及采用后期可去除的鋼筋桁架等措施，來確保GFRP筋籠起吊及基坑開挖過程中GFRP筋混凝土的穩定性。由于GFRP筋質量較輕，以及其籠體下放時間的增加導致GERP筋籠在下籠及澆筑過程中易發生上浮現象，故對其穩定性應引起足夠重視。

4 結語

本工程盾構機多次進出洞工程實例表明，盾構端頭井圍護結構洞門采用GFRP筋替代鋼筋后，盾構機可直接掘進切削通過，其安全效果顯著。雖GFRP筋單價較鋼筋高，但質量僅為鋼筋的1/4，綜合多方面考慮，兩者總體投資相當。GFRP筋在改善施工環境、降低人力物力投入、提高施工速度以及避免施工風險等方面表現出極好的優越性，值得推廣。

［1］ 徐澤.GFRP筋在成都地鐵工程的應用［J］.安徽建筑，2010，17（1）：78.

［2］ 張省祥.GFRP筋的力學性能研究［J］.科技創新導報，2008（16）：153.

［3］ 周洪，劉軍，宋旱云.玻璃纖維筋拉伸力學性能試驗研究［J］.北京建筑工程學院學報，2013，29（3）：20.