(新)玻璃纖維筋在盾構(gòu)施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用(09年三月修改)

(新)玻璃纖維筋在盾構(gòu)施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用(09年三月修改)玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用楊紅軍〔中國(guó)中鐵隧道股份有限公司，河南，鄭州，450003〕【摘要】國(guó)內(nèi)某些盾構(gòu)施工工程的盾構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)中采用玻璃纖維筋代替原圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋，不但保證了盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平安，而且使盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)施工時(shí)不需要人工破除洞門(mén)，通過(guò)盾構(gòu)直接掘進(jìn)完成，減少了盾構(gòu)施工的平安風(fēng)險(xiǎn)，本文以此為例，希望為相關(guān)工程提供參考依據(jù)?！娟P(guān)鍵詞】玻璃纖維筋盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)1前言目前，盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)正在朝長(zhǎng)距離、大直徑、大埋深、復(fù)雜斷面和高度自動(dòng)化方向開(kāi)展。我國(guó)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始引進(jìn)、利用盾構(gòu)法修建城市地鐵隧道，雖然起步晚，但開(kāi)展很快，隨著地下空間和城市地下快速交通系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)與盾構(gòu)施工方法將得到更大、更快的開(kāi)展。但盾構(gòu)始發(fā)到達(dá)施工技術(shù)，仍然是困擾盾構(gòu)施工的難題。通常盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)豎井井壁多用鋼筋混凝土或鋼材構(gòu)筑，用盾構(gòu)機(jī)的掘削刀具直接掘削這些豎井的井壁(或擋土墻)進(jìn)行開(kāi)口作業(yè)較為困難，多數(shù)情況下無(wú)法直接完成[1]。而是采用人工開(kāi)鑿的方法，這種方法不僅作業(yè)環(huán)境極其艱苦，同時(shí)由于墻體的開(kāi)鑿破壞、土體的暴露，易出現(xiàn)土體塌方，導(dǎo)致地表下沉并危及地下管線和附近的建筑物的平安，而且在盾構(gòu)范圍內(nèi)鋼筋處理不干凈還可能造成盾構(gòu)刀盤(pán)、刀具的損壞。為了確保作業(yè)的平安，需在開(kāi)口作業(yè)之前用注漿或其他工法對(duì)井壁背后的土體進(jìn)行加固，一般稱為端頭加固。如果加固土體強(qiáng)度太高，增加造價(jià)，給刀盤(pán)切削帶來(lái)困難；加固土體強(qiáng)度低，又起不到相應(yīng)的作用，在盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)作業(yè)時(shí)仍常出現(xiàn)地表過(guò)大沉降或涌水事故。鑒于上述技術(shù)原因，人們迫切地希望能有一種工期短、造價(jià)低、施工平安性高的新工法問(wèn)世。NOMST工法就是在這種迫切需求的條件下問(wèn)世的。NOMST(NovelMaterialShield—cuttableTunnel—WallSystem)即盾構(gòu)直接掘削新型材料墻體的方法[4]。該工法在日本己經(jīng)比擬成熟，國(guó)內(nèi)還處于實(shí)驗(yàn)研究階段。這種新型材料就是纖維增強(qiáng)塑料即FRP筋，目前NOMST中的加強(qiáng)筋以碳纖維筋居多，玻璃纖維筋材還不普通，更缺乏設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。2玻璃纖維筋的性質(zhì)玻璃纖維筋學(xué)術(shù)上稱玻璃增強(qiáng)塑料〔GlassFiberReinforcedPlastics簡(jiǎn)稱GFRP〕，是一種連續(xù)纖維增強(qiáng)材料〔ContinuousFiberReinforcedPlastics簡(jiǎn)稱FRP〕。在其生產(chǎn)過(guò)程中，首先將多股纖維輕微扭動(dòng)并通過(guò)樹(shù)脂浸漬器浸漬樹(shù)脂，然后進(jìn)行矯直處理，再通過(guò)一個(gè)熱金屬模張拉，除去多余的樹(shù)脂即可[4]。在這些FRP中，GFRP研制最早，1942年就由美國(guó)橡膠公司研制成功，1970年，歐洲首先將GFRP筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)。作為混凝土結(jié)構(gòu)配筋用的FRP其外形可以作成光圓、螺紋、矩形及工字形等。FRP有如下特點(diǎn)：〔1〕抗拉強(qiáng)度高、密度??；密度2g/cm3左右，抗拉強(qiáng)度近2000MPa，和高強(qiáng)鋼絲接近[5]；〔2〕熱漲系數(shù)與混凝土接近，為0.8～1.2×10-5；適合作為加強(qiáng)筋在混凝土中應(yīng)用。當(dāng)周圍環(huán)境溫度變化時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，破壞FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)，從而保證了FRP筋與混凝土之間能協(xié)同工作[8]。〔3〕彈性模量低，約為鋼筋的2/3至1/5[5]?！?〕耐腐蝕性能好。對(duì)于水利工程、橋梁、碼頭等在潮濕環(huán)境或其他侵蝕性環(huán)境中工作的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，F(xiàn)RP非常適合于作為鋼筋的替代材料[6]?！?〕抗剪強(qiáng)度較低；普通的FRP筋的抗剪強(qiáng)度僅有50～60MPa[9]?！?〕具有優(yōu)良的切割性[6]。玻璃纖維筋為FRP的一種，其性能上根本和鋼筋相似，與混凝土很好的黏結(jié)性，和混凝土具有幾乎相同的收縮系數(shù)，同時(shí)又具有很高的抗拉強(qiáng)度和較低的抗剪強(qiáng)度，可以被盾構(gòu)機(jī)的刀具切割、磨削破碎，可以作為NOMST材料應(yīng)用。3玻璃纖維筋在盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用3.1玻璃纖維筋在成都地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段人工挖孔樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用〔1〕成都地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段玻璃纖維筋在盾構(gòu)井中的使用情況成都地處岷江沖積扇狀平原，地層主要為富水飽和砂卵石層，水位高，卵石含量大，到達(dá)了60％以上，粒徑大，最大的超過(guò)600mm。成都地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段為國(guó)內(nèi)首次在富水卵石地層中采用盾構(gòu)施工，在此種地層中還沒(méi)有比擬成熟的地層加固改進(jìn)方法〔化學(xué)加固法、置換法<高壓旋噴等>、凍結(jié)法、豎井壓氣法、鋼板樁、直接切削臨時(shí)墻法等〕[3]；因此設(shè)計(jì)時(shí)充分參考了直接切削臨時(shí)墻法――NOMST工法，利用FRP的高抗拉強(qiáng)度、低抗剪強(qiáng)度的特性，盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土用玻璃纖維筋代替鋼筋，盾構(gòu)刀具可直接切削完成盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)。盾構(gòu)井主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1200@1400人工挖孔鋼筋混凝土灌注樁為圍護(hù)結(jié)構(gòu)；盾構(gòu)開(kāi)挖范圍內(nèi)圍護(hù)樁樁體采用Φ25mm的玻璃纖維筋，采用綁扎連接，搭接長(zhǎng)度1.2m～1.4m，C30混凝土。樁體嵌入坑底卵石土層深度為3.5米。每個(gè)盾構(gòu)隧道洞門(mén)范圍內(nèi)玻璃纖維筋圍護(hù)樁共5根[4]。成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1成都地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段火車南站盾構(gòu)井橫斷面圖〔2〕玻璃纖維筋應(yīng)用效果成都地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段在盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)的豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中在盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)的人工挖孔樁采用相同直徑的玻璃纖維筋代替鋼筋，基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)玻璃纖維筋樁和鋼筋樁進(jìn)行了監(jiān)測(cè)比照，兩種樁體根本上沒(méi)有區(qū)別；盾構(gòu)施工掘進(jìn)段，為了確保盾構(gòu)始發(fā)、到達(dá)施工的平安，局部施工區(qū)域?qū)Φ貙舆M(jìn)行了簡(jiǎn)單的加固，如局部小范圍的壓密注漿或者井點(diǎn)降水等措施；始發(fā)時(shí)在主體結(jié)構(gòu)上安裝鋼制延長(zhǎng)洞門(mén)，確保盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)在剛靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)盾構(gòu)機(jī)就能被延長(zhǎng)洞門(mén)上的洞門(mén)密封裝置密封，建立壓力，正常掘進(jìn)，泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)全部直接切屑玻璃纖維筋樁平安的通過(guò)盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)，成功始發(fā)；到達(dá)時(shí)同樣直接掘進(jìn)切削玻璃纖維筋圍護(hù)樁直接通過(guò)；此種施工方法減少了地層加固費(fèi)用，減少了人工洞門(mén)破除工序，降低了破除洞門(mén)時(shí)的平安風(fēng)險(xiǎn)。取得了非常好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。成都地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段分別采用了泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)施工，刀盤(pán)為6把中心滾刀，13把雙刃滾刀，16把刮刀，64把齒刀，均直接切削玻璃纖維筋樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)成功始發(fā)。泥水盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)玻璃纖維筋樁時(shí)由于玻璃纖維筋密度小漂浮在高濃度漿液上方堆積后堵塞了出漿泵口，前期通過(guò)人員進(jìn)倉(cāng)處理，后通過(guò)及時(shí)、定期的泥漿泵反循環(huán)沖洗，破碎的玻璃纖維筋無(wú)法在泵口聚集，成功排出。玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)人工挖孔樁中施工照片、被盾構(gòu)機(jī)破碎后的照片見(jiàn)照片1～8。照片1纖維筋圍護(hù)樁的主筋照片5土壓盾構(gòu)切削的玻璃纖維筋碎片與渣土照片6土壓盾構(gòu)切削的玻璃纖維筋短節(jié)照片7泥水盾構(gòu)掘進(jìn)切削的玻璃纖維筋碎屑照片8泥水盾構(gòu)掘進(jìn)切削的玻璃纖維筋短節(jié)3.2玻璃纖維筋在武漢長(zhǎng)江隧道連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用被譽(yù)為“萬(wàn)里長(zhǎng)江第一隧〞的武漢長(zhǎng)江隧道為水下公路隧道，盾構(gòu)隧道長(zhǎng)約2.5Km，隧道內(nèi)徑10m，采用11.38m的泥水盾構(gòu)施工，盾構(gòu)始發(fā)豎井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚的地下連續(xù)墻；因始發(fā)時(shí)隧道埋深淺，其地下水豐富，為保證盾構(gòu)始發(fā)的平安，始發(fā)考慮采用延長(zhǎng)洞門(mén)結(jié)合直接切削臨時(shí)墻法――NOMST工法，在盾構(gòu)始發(fā)井連續(xù)墻盾構(gòu)隧道的圓形區(qū)間范圍內(nèi)，采用相同直徑的玻璃纖維筋等量代替鋼筋，玻璃纖維筋和鋼筋通過(guò)綁扎連接。武漢長(zhǎng)江隧道地下連續(xù)墻玻璃纖維筋綁扎施工見(jiàn)照片9、10[2]。〔照片中白色的為玻璃纖維筋、黑色為鋼筋〕照片9玻璃纖維筋連續(xù)墻綁扎施工照片10玻璃纖維筋連續(xù)墻準(zhǔn)備施工武漢長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)機(jī)配備39把單刃滾刀，224把切刀，刀盤(pán)直徑11.38米，通過(guò)延長(zhǎng)洞門(mén)，迅速建立壓力，開(kāi)始正常掘進(jìn)，刀盤(pán)直接切削通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)――盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)為玻璃纖維筋，〔設(shè)計(jì)為了確保施工平安，設(shè)計(jì)了端頭加固〕。由于武漢長(zhǎng)江隧道的地質(zhì)以淤泥質(zhì)粘土為主，盾構(gòu)機(jī)配置刀具以切刀為主，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的混凝土標(biāo)號(hào)較高，為水下C30混凝土，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)掘進(jìn)通過(guò)連續(xù)墻的過(guò)程中切削混凝土非常困難，且由于混凝土和玻璃纖維筋結(jié)合非常緊密，玻璃纖維筋卡壞了局部切刀，最終只能人工破除地下連續(xù)墻。成都地鐵試驗(yàn)段泥水盾構(gòu)見(jiàn)照片11，武漢長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)刀盤(pán)見(jiàn)照片12。照片11成都地鐵試驗(yàn)段泥水盾構(gòu)刀盤(pán)照片12武漢長(zhǎng)江隧道泥水盾構(gòu)刀盤(pán)4總結(jié)雖然玻璃纖維筋的價(jià)格比鋼筋貴，但是相比與減少的洞門(mén)的鑿除和減少的盾構(gòu)始發(fā)端頭加固費(fèi)用、時(shí)間，還是比擬經(jīng)濟(jì)，而且增加了施工平安性。通過(guò)在成都地鐵一號(hào)線試驗(yàn)段工程以及武漢長(zhǎng)江隧道兩個(gè)盾構(gòu)標(biāo)段的實(shí)施，驗(yàn)證盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋代替鋼筋，取消人工破除洞門(mén)，直接盾構(gòu)〔泥水、土壓盾構(gòu)均可以〕掘進(jìn)通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工是一種可以實(shí)施的、經(jīng)濟(jì)的、平安的施工方案，以后其他類似工程可以借鑒。但在采用玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工的過(guò)程中要注意：①玻璃纖維筋與鋼筋為綁扎連接，必須按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)保證足夠的搭接長(zhǎng)度，確保工程平安[10]；②這種施工方法在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)需要根據(jù)盾構(gòu)井主體配合延長(zhǎng)洞門(mén)一起應(yīng)用，效果明顯；③當(dāng)盾構(gòu)機(jī)是以刮刀為主的軟土刀盤(pán)配置時(shí)，不宜采用刀具直接切削圍護(hù)結(jié)構(gòu)方式始發(fā)；④當(dāng)采用泥水盾構(gòu)直接切削玻璃纖維筋時(shí)，要及時(shí)、定期的反循環(huán)沖洗出漿泵，防止掘削的玻璃纖維筋碎屑漂浮在泥漿上方聚集在出漿泵口堵塞出漿泵；⑤掘進(jìn)過(guò)程中要控制好掘進(jìn)參數(shù)：刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)扭矩、刀具貫入量等，確保刀具平安。照片13成都地鐵玻璃纖維筋樁配合延長(zhǎng)洞門(mén)照片14武漢長(zhǎng)江隧道軟土切刀被破壞參考文獻(xiàn)：【1】張鳳詳，朱合華，傅德明．盾構(gòu)隧道[M]．北京：人民交通出版社．2024【2】朱繼紅.GFRP筋在地下連續(xù)墻的應(yīng)用[C].//中鐵隧道股份公司首屆科技論文大會(huì)論文集，2024，10.243-247【3】周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2024，11【4】GFRP筋在盾構(gòu)端頭井圍護(hù)樁中的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及研究[R].中鐵隧集團(tuán)、西南交大，2024，4【5】閆富有，金建洲，尚亞龍.GFRP筋力學(xué)性能測(cè)試方法研究[J].平頂山工學(xué)院學(xué)報(bào).2024，0521-25【6】鄭樂(lè)怡,羅毅,黃培彥.玻璃纖維筋斷裂強(qiáng)度的理論和實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度.2024，S1.114-116【7】陳詩(shī)學(xué).玻璃纖維筋與混凝土粘結(jié)性能耐久性短期研究[D].河海大學(xué).2024【8】周繼凱,陳詩(shī)學(xué),陳禮和.GFRP筋與混凝土粘結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].玻璃鋼/復(fù)合材料.2024，01.17-19+54【9】張新越，歐進(jìn)萍，王勃等.不同種類GFRP筋的力學(xué)性能試驗(yàn)比擬[J].玻璃鋼/復(fù)合材料.2024，02.10-26【10】羅毅，鄭樂(lè)怡，李吉濤.玻璃纖維筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2024，10.73-77[作者簡(jiǎn)介]楊紅軍(1979--)，男，陜西岐山人，本科，工程師，03年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，現(xiàn)從事地下工程、盾構(gòu)施工技術(shù)管理工作。[聯(lián)系地址]廣州市白云區(qū)均禾街嘉禾建材城旁中鐵隧道集團(tuán)嘉龍盾構(gòu)工程經(jīng)理部〔郵編：510440〕。[聯(lián)系方式]TelEmail：y.h.j886@163.com。TheapplicationofGFRPintheTBMshaftmaintainedstructureYangHongjun(ChinaRailwayTunnelStockCo.,LTD.Zhengzhou,HeAbstract：SomedomesticconstructionprojectadoptedGFRPtoinsteadthereinforcingsteelbarintheoriginalmaintainedstructure,whichdonotonlyguaranteethesafetyoftheshaft’smaintainedstructurebutalsomakestartoftheTBMdonotnee