淺談玻璃纖維筋在地鐵中的應用*

李可新，衣曉婧，殷月，張亞可，張智超，張蘇鵬

（南京工程學院建筑工程學院 江蘇南京211167）

0 引言

近年來，由于對各種材料的不斷探索創新，建材種類也日益增多。強度高、耐腐蝕性能好能，高強纖維筋在土木工程的許多領域得到了廣泛的應用，大大減輕了普通鋼筋因為銹蝕等各種原因而引起的結構破壞等問題。目前，玻璃纖維筋廣泛應用于地鐵隧道的盾構、水利工程、車站、橋梁、地下工程等領域，適用于化軍事工程的保密工作、特殊工程等需絕緣環境以及工廠、海防工程等腐蝕環境。這對提高鋼筋混凝土結構的性能具有重要意義。

1 纖維筋的組成

纖維增強筋是一種以起加勁作用的纖維為增強材料，以起粘結、傳遞剪力的作用的合成樹脂、聚酯等為基體材料，經過拉擠牽引成型的新型復合材料。根據增強材料即纖維種類的不同，常見的纖維增強筋包括芳綸纖維筋、碳纖維筋、玻璃纖維筋以及混雜纖維筋，其中玻璃纖維筋近年被廣泛應用于地下工程中。它的形狀一般為全螺紋式的桿體。

2 力學性能

由于纖維種類的不同，幾種纖維筋的性能也有所不同，但它們之間具有一定的共性，與普通鋼筋的區別很大。雖然纖維筋是一種正在推廣的新型材料，但不意味著它沒有缺點。鋼筋與不同種類纖維筋之間的力學性能對比如表1所示。

2.1 優點

（1）密度小，質量輕，強度對重量比高。由于玻璃纖維筋的主要材料是玻璃纖維，因此它的密度很小，在1.5~1.之間，質量只有同體積鋼筋的1/7~5/1；同時，玻璃纖維筋的強度很高。因此，相同的直徑下，纖維筋的強度對重量的比值最大可達到鋼筋的15倍。這種特點使得施工中的勞動強度減輕，解放了人力，且當玻璃纖維筋用于混凝土結構中時，減輕了結構自身的自重，提高建筑的抗震能力。

（2） 容易切割、施工便利：可直接用刀盤切割玻璃纖維筋，根據不同的切割要求，生產各種不同長度和形狀的構件，可以用非金屬拉緊帶現場綁扎，施工方便。

（3） 非磁性。玻璃纖維筋是一種非磁性材料，在一些特殊材料的混凝土構件中不用做脫磁處理。

（4）耐腐蝕性好。玻璃纖維筋與普通鋼筋相比，耐腐蝕性能好，因此在強腐蝕性的環境里也適合應用，具有良好的耐久性，后期無需頻繁維修，工程成本降低。

（5） 與混凝土的結合力強。玻璃纖維筋中的樹脂控制橫向熱膨脹系數，纖維控制縱向熱膨脹系數，在一般情況下，玻璃纖維筋的橫向熱膨脹系數比縱向熱膨脹系數大，玻璃纖維的體積率以及連續纖維和樹脂的類型決定了這種差別的大小。玻璃纖維筋與混凝土的的熱膨脹系數相近，在溫度變化條件下也不會破壞纖維筋與混凝土之間的粘結，纖維筋與混凝土依舊可以協同工作，不會破壞建筑的穩定性。

2.2 不足

（1） 纖維筋的彈性模量比鋼筋低。常用的玻璃纖維筋和碳纖維筋的彈性模量大致分別為5.1×104和1.5×105，鋼筋的彈性模量為，兩種纖維筋的彈性模量大約是鋼筋彈性模量的20%和75%，其中玻璃纖維筋的彈性模量最小。

（2）抗剪和抗壓強度較低。纖維筋的抗壓性能、抗剪性能較差，因此，設計中基本上忽略纖維筋的抗剪強度和抗壓強度。此外，纖維筋的底端的彎鉤與箍筋的彎曲部分的抗拉強度會明顯降低并且需要特別定制。

（3）熱穩定性較差。在超過一個固定的溫度范圍后，纖維筋的抗拉強度將會下降，而粘結強度下降情況更加顯著，因此，高溫環境纖維筋不適宜使用。除此以外，纖維筋耐火性能比鋼筋差，它的防火保護要求比鋼筋更高，需要耗費更多的人力、財力來保護。

（4）纖維筋是脆性材料[1]。它的拉伸應力—應變是線性關系，在達到極限抗拉強度之前不會發生塑性變形，由此可見，鋼筋的延性明顯大于纖維筋的延性。

表1 纖維筋與普通鋼筋的力學性能對比表

3 地鐵工程應用

我國城市軌道交通發展迅速，目前國內已修建地鐵的城市有35個，地鐵里程最長的城市上海的里程達到了673km，給城市生活帶來極大的方便。隨著地鐵在城市交通中的日益壯大，越來越多的新型材料，先進理念進入到地鐵領域。其中玻璃纖維筋就是其中的一種新型材料，它作為普通鋼筋的替代品，在地鐵盾構、地下連續墻以及基坑支護樁中推廣應用，并取得了很好的效果，節約工期并且帶來了更高的社會效益。

3.1 在地鐵盾構始發中的應用

隨著城市地鐵盾構施工不斷的發展，傳統的盾構始發過程已經不能滿足現代地鐵工程施工的高要求，傳統使用鋼筋混凝土結構作為盾構圍護樁，雖然保證了坑道一定的的安全穩定性，但盾構機進出端頭井給鋼筋混凝土的切割帶來很不利的效果，在安全、生態、經濟等方面造成了一系列負面問題。

北京地鐵16號線以及成都地鐵2號線盾構始發井便是以玻璃纖維筋作為被穿越部位的圍護樁鋼筋籠[2]，由于纖維筋良好的切割性能，玻璃纖維筋圍護樁鋼筋籠的優勢顯著。傳統盾構法中的盾構機需要直接切割地下連續墻，鋼筋混凝土結構難以被切割，甚至會破壞盾構機的刀盤。選用玻璃纖維筋混凝土結構作為地下連續墻，可以滿足盾構進出洞墻體易于切削的要求，而且玻璃纖維筋混凝土也能滿足地下連續墻對于強度的要求，有效的控制了盾構機進出洞時的安全與質量，減少投入盾構機進出洞端頭井這一過程中的加固費用。

在設計深圳地鐵5號線大學城站時擬建在盾構井段設置兩幅玻璃纖維筋連續墻，每幅寬3.5m。由此看出，地下連續墻在建造時采用玻璃纖維筋代替傳統鋼筋是很有可行性的。使用玻璃纖維筋簡化了施工工序，降低了地鐵建造成本，提高了施工效率，降低了工程風險。因此，普通鋼筋在地下連續墻中被玻璃纖維鋼筋取代是完全可行的，這也為今后類似的工程施工提供了可以參考的經驗。

3.2 在基坑支護樁中的應用

在基坑工程中，同等條件下，用于灌注樁的玻璃纖維筋相比較鋼筋而言造價最多可降低至90%。但是，玻璃纖維筋在應用于鉆孔灌注支護樁時，會產生如玻璃纖維筋自身的連接、玻璃纖維筋籠的制作、玻璃纖維筋與支護樁混凝土冠梁的連接以及玻璃纖維筋籠上浮等問題，不能得到有效的解決方案。

以科研大樓基坑工程的設計和實施為背景，分析玻璃纖維筋在作為基坑支護樁時應有的制作要求。為了冠梁與支護樁連接的更加可靠，支護樁應該深嵌入冠梁，至少大于50mm。為了保證支護樁的部分樁身的混凝土的強度能夠滿足工程要求，用超灌的方式來澆筑混凝土。玻璃纖維筋無法通過焊接進行連接，必須用非鍍鋅細鋼絲進行綁扎，而且由于玻璃纖維筋籠較長，必須通過鋼卡扣件連接縱向主筋上下段，避免玻璃纖維筋籠產生過大的變形。鋼筋籠的綁扎過程是在胎模具上進行，在加工棚內成型，玻璃纖維筋籠的制作工藝和它基本一致。如果全部采用玻璃纖維筋制作整個配筋籠，那么配筋籠穩定性差，非常容易變形，因此應將玻璃纖維筋與鋼筋混合搭配進行配筋。即先用鋼筋制成骨架，提高配筋籠的穩定性，減小變形，之后利用玻璃纖維筋進行下一步的綁扎。

玻璃纖維筋優點有很多，但玻璃纖維筋代替鋼筋基坑工程領域的各種應用仍處于不斷探索地階段，許多問題依然沒有得到有效的解決。

4 玻璃纖維筋在工程中的影響

在科技發達的今天，尋找更加輕質更加高強，性能更加優越的新型建設材料是我們順應時代的必要選擇。用玻璃纖維鋼筋代替鋼筋具有良好的社會效益，滿足綠色環保的要求，實現了可持續發展。與傳統盾構始發比較，玻璃纖維筋的先進性表現在許多方面：

（1）安全性高。避免了人工鑿樁帶來的涌水和塌方風險，切割出的渣土對環境無污染，可直接與其他渣土一起運輸。

（2）施工速度快。不需要人工鑿樁，盾構始發時間大大縮減，前后工序銜接緊密，避免了鑿樁停機這一過程，能夠做到連續掘進，快速建立土壓。

（3） 成本降低。玻璃纖維筋抗腐蝕性能好，后期的維護費用降低。

（4）技術進步。使用纖維筋代替鋼筋這一過程解決了行業中普遍存在的共同的技術問題，提高了盾構的使用效率，實現了行業的跨越，推動了地下工程行業技術的發展，并使產業結構升級。

5 結語

（1） 隨著科技進步，傳統的鋼筋不能滿足日益增長的建材質量要求，纖維筋以其特有的優勢在行業中占據越來越重要的地位。

（2） 地下工程的盾構始發工藝基于玻璃纖維筋結構，采用了新型建材，新方法，降低了安全風險，節約了工程成本，與傳統工藝相比，具有更高的經濟效益與社會效益。

（3）玻璃纖維筋在地下工程施工過程中應用的成功，對其他不同種類纖維筋在工程應用中的推廣產生了極大的參考價值，對新型建材的研究做出了極大的貢獻。