城市地鐵站點盾構穿行處玻璃纖維筋地下連續墻施工技術

杜 鵬 高群山

中鐵建工集團北方工程有限公司 天津 300450

1 工程概況

昆明地鐵4號線菊華站，位于昆明市官渡區菊華立交橋與昆河米軌黑土凹站東側，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層側式站臺車站，總建筑面積約22 374 m2，設計長度360.6 m，標準段寬28.9 m，基坑深度17.3 m，圍護結構采用地下連續墻，主要采用明挖順作法施工。為了滿足遠期規劃的昆明地鐵8號線貫通要求，下穿區域底板以下的鋼筋采用玻璃纖維筋代替鋼筋。

盾構機進洞處的地下連續墻深31.1 m、寬6 m，該部位采用玻璃纖維筋代替鋼筋，盾構機進洞時，可直接切削玻璃纖維筋混凝土圍護墻，從而避免了穿越地下連續墻時需要進行的鑿除洞門、切斷鋼筋等煩瑣的預處理工作。本文通過對試驗結果、施工實踐進行總結，對城市地鐵站點盾構穿行處玻璃纖維筋地下連續墻施工技術進行系統闡述。

2 技術原理

隨著中國城市的快速發展，城市空間利用率不斷提高，隧道在城市地下空間開發利用方面發揮了愈加重要的作用。目前城市地下隧道主要采用盾構法進行施工，盾構施工前，需在隧道的一端設置豎井或基坑，用于盾構機組裝。盾構始發時需對豎井地下連續墻進行破除，往常破除作業主要采用人工破除的方式，預先在洞圈內搭設腳手架，之后利用風鎬等設備將地下連續墻混凝土分塊、分層逐步剔除。剔除完畢后，割去裸露處的鋼筋，再清理干凈洞口內碎塊后，盾構機即可空轉前進。

在地下連續墻破除過程中，還應時刻觀察基坑狀態，預防地下水涌入和土體坍塌等現象的發生。因此整個預處理作業耗費時間長、人力物力投入大、安全風險高，采取科學合理的技術措施改進盾構穿行處的地下連續墻施工工藝成為必然。

玻璃纖維筋作為一種具有抗拉強度高、抗腐蝕性能好、抗電磁性能高、質量輕、熱傳導能力低、可切割性好等諸多優點的纖維復合材料，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、抗剪性能較差的特征，取代盾構始發井地下連續墻圍護結構中的普通鋼筋，從而在滿足地下連續墻圍護作用要求的同時，實現了盾構對圍護墻的直接穿行要求，減少了盾構施工時地下連續墻鑿除、鋼筋切割等預處理環節，節省施工成本。

3 性能試驗

3.1 玻璃纖維筋與混凝土的黏結性能

采用正交試驗方法，開展玻璃纖維筋與混凝土軸心拉拔試驗，研究了主要影響因素（筋直徑、黏結長度和混凝土強度）對黏結性能的影響，分析了玻璃纖維筋混凝土試件的黏結滑移受力過程和破壞模式，得出了以下結論：埋置長度、混凝土強度和玻璃纖維筋直徑都對黏結強度有較大的影響，其中埋置長度的影響最為顯著。

根據得到的玻璃纖維筋應力、黏結應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、位置修正系數、混凝土保護層修正系數、安全系數）的影響，在總結、分析已有的玻璃纖維筋本構模型的基礎上，結合玻璃纖維筋軸心拉拔試驗結果，提出了適合于玻璃纖維筋與混凝土的黏結滑移本構關系，擬合曲線與試驗曲線較為吻合，對于玻璃纖維筋應用于混凝土結構具有一定的參考價值。

本構模型的具體表達式為：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點處對應的黏結強度值；S1、S2、S3為A、B、C點處對應的加載端滑移值；A、B、C點為3個試驗特征點。

3.2 玻璃纖維筋混凝土梁受彎性能

通過對各種不同條件下的玻璃纖維筋混凝土梁進行抗彎試驗，獲得各工況條件下試驗梁的裂縫、撓度、承載力和破壞形式等多項抗彎試驗原始數據，通過系統整理分析，總結玻璃纖維筋應變隨荷載變化的規律，并驗證了玻璃纖維筋混凝土梁基本滿足平截面假定。

結合試驗數據，分析玄武巖纖維摻量、配筋率對受彎性能的影響：

1）玄武巖纖維摻量：就開裂荷載而言，通過摻入短切玻璃纖維，可提高玻璃纖維筋混凝土梁的開裂荷載，隨著纖維摻量的增加，其提高效果先增大而后減小。根據多次試驗，確定當短切玄武巖纖維摻量在0.4%左右，開裂荷載提升幅度約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梁的極限荷載影響較小。試驗中，試驗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10%。

2）配筋率：對于開裂荷載，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墻施工方法與普通鋼筋地下連續墻施工流程大致相同，僅在復合筋籠的加工、安裝方面有特別之處，因此本節僅對復合筋籠的施工方法進行詳細闡述。

4.1 材料要求

1）材料外觀形狀應滿足設計要求，螺紋桿體質地均勻，表面無氣泡裂紋，螺紋牙形、牙距整齊，無損傷，外形尺寸、允許偏差、直線度符合相關規范要求。

2）玻璃纖維筋的抗拉力學指標中標準值應有不低于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，同一盾構豎井的玻璃纖維筋原材可算作同一批次。

3）玻璃纖維應采用含堿量小于0.8%的無堿玻璃纖維（E-Glass）；為滿足產品基本耐久性使用的要求，樹脂基體僅允許采用乙烯基和環氧樹脂體系或乙烯基樹脂和環氧樹脂混合樹脂，且樹脂基體的原料聚合物不允許含有任何聚酯成分。

4.2 復合筋籠施工

4.2.1 復合筋籠加工

玻璃纖維筋和鋼筋分別加工完成、驗收合格后，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，其無法像普通鋼筋那樣進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形卡進行連接，且搭接長度應不低于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，各連接端的U形卡數量不得少于2個。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物

各筋籠主筋連接完畢后，需進行接頭驗收，待復合筋籠卡扣連接接頭全數驗收合格后，方可進入下一道工序。接頭驗收應嚴格按照施工圖紙進行檢查，主要包括搭接長度、卡扣數量以及卡扣的旋緊程度等內容。

為防止在復合筋籠吊裝運輸過程中出現較大變形，地下連續墻復合筋籠制作應采取增加玻璃纖維筋籠剛度的措施，可在筋籠兩側用工字鋼包邊或在筋籠內部采用玻璃纖維筋桁架等措施。

4.2.2 復合筋籠吊裝

因玻璃纖維筋受剪性能較差，在吊裝復合筋籠時，起吊點需設置在鋼筋上，不得置于玻璃纖維筋上。因盾構機在筋籠中間（沿高度方向）進行穿行，筋籠一般存在2個部位的搭接（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。

復合筋籠設置2道共10個吊點，主吊6個吊點，副吊4個吊點，吊點采用φ32 mm的U形圓鋼予以加固。復合筋籠采用整體制作、整體吊裝的方式。根據實際吊裝經驗以及本工程復合筋籠筋材的分布特點，對各吊點位置進行如下調整：在籠頂下分別為0.95、8.00、8.00、8.85、9.00、2.00 m（圖2）。

圖2 復合筋籠吊點布置

其中，主吊位置為圖中A、B、C處，副吊位置為圖中D、E處。吊點加固嚴格按照相關規范實行。

復合筋籠吊裝控制要點如下：

1）自身穩定性控制。玻璃纖維筋材質韌性較好，且彈性模量較小，復合筋籠起吊時，存在自身穩定性差的問題。為保證復合筋籠吊裝時的自身穩定性，應采取橫向桁架筋或其他增加剛度的有效措施。

2）吊裝過程旁站控制。在地下連續墻復合筋籠的吊裝過程中，現場管理人員需全過程旁站控制。因玻璃纖維筋籠自身材質較輕，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，故嚴令禁止強行入槽。為避免為后期盾構施工時留下作業隱患，及時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

1）玻璃纖維筋的表面易被損傷，且其損傷可能致使材料強度降低；另外，玻璃纖維筋需與堿性物質分開存放，避免其滲入，導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，為避免施工作業時發生不必要的傷害，操作工人施工作業時需佩戴手套。

3）玻璃纖維筋電鋸切割時，人員須做好相關防護，包括使用防塵面具、手套、眼鏡等防護用具，防止操作過程造成人員眼睛損傷。

4）材料存放應盡量避免高溫環境、強紫外線照射及化學物質，避免對玻璃纖維筋造成不必要的損害。

5）運輸玻璃纖維筋過程中，應注意使用橫桿支撐，避免造成玻璃纖維筋原材的過度彎曲。

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污染，應利用溶劑及時清理表面污染物，避免其對玻璃纖維筋與混凝土黏結效果產生不良影響。

5 結語

與一般鋼筋相比，玻璃纖維筋具備自重輕、抗拉強度高、抗疲勞性能好、抗腐蝕性強、彈性模量低等特點，其在盾構機進洞位置處地下連續墻中的應用，實現了盾構機對圍護結構的直接削掘，避免了事前破除洞門、切割鋼筋等煩瑣的預處理工作。該施工技術的應用在簡化盾構施工工藝的同時，降低了預處理措施帶來的安全風險，縮短了地鐵工程施工工期，節省了地鐵工程施工成本，經濟效益顯著。