玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)端頭加固中的應用(原創(chuàng))

198玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)中的應用XX（中國XX股份有限公司，XX，XX，450003）【摘要】國內(nèi)某些盾構(gòu)施工項目的盾構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)中采用玻璃纖維筋代替原圍護結(jié)構(gòu)中的鋼筋，不但保證了盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)的安全，而且使盾構(gòu)始發(fā)、到達施工時不需要人工破除洞門，通過盾構(gòu)直接掘進完成，減少了盾構(gòu)施工的安全風險，本文以此為例，希望為相關工程提供參考依據(jù)。【關鍵詞】玻璃纖維筋盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)1前言目前，盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)正在朝長距離、大直徑、大埋深、復雜斷面和高度自動化方向發(fā)展。我國自20世紀60年代開始引進、利用盾構(gòu)法修建城市地鐵隧道，雖然起步晚，但發(fā)展很快，隨著地下空間和城市地下快速交通系統(tǒng)的開發(fā)，我國盾構(gòu)技術(shù)與盾構(gòu)施工方法將得到更大、更快的發(fā)展。但盾構(gòu)始發(fā)到達施工技術(shù)，仍然是困擾盾構(gòu)施工的難題。通常盾構(gòu)始發(fā)、到達豎井井壁多用鋼筋混凝土或鋼材構(gòu)筑，用盾構(gòu)機的掘削刀具直接掘削這些豎井的井壁(或擋土墻)進行開口作業(yè)較為困難，多數(shù)情況下無法直接完成[1]。而是采用人工開鑿的方法，這種方法不僅作業(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的安全，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、刀具的損壞。為了確保作業(yè)的安全，需在開口作業(yè)之前用注漿或其他工法對井壁背后的土體進行加固，一般稱為端頭加固。如果加固土體強度太高，增加造價，給刀盤切削帶來困難；加固土體強度低，又起不到相應的作用，在盾構(gòu)始發(fā)、到達作業(yè)時仍常出現(xiàn)地表過大沉降或涌水事故。鑒于上述技術(shù)原因，人們迫切地希望能有一種工期短、造價低、施工安全性高的新工法問世。NOMST工法就是在這種迫切需求的條件下問世的。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XX己經(jīng)比較成熟，國內(nèi)還處于實驗研究階段。這種新型材料就是纖維增強塑料即FRP筋，目前NOMST中的加強筋以碳纖維筋居多，玻璃纖維筋材還不普通，更缺乏設計和施工的依據(jù)。2玻璃纖維筋的性質(zhì)玻璃纖維筋學術(shù)上稱玻璃增強塑料（GlassFiberReinforcedPlastics簡稱GFRP），是一種連續(xù)纖維增強材料（ContinuousFiberReinforcedPlastics簡稱FRP）。在其生產(chǎn)過程中，首先將多股纖維輕微扭動并通過樹脂浸漬器浸漬樹脂，然后進行矯直處理，再通過一個熱金屬模張拉，除去多余的樹脂即可[4]。在這些FRP中，GFRP研制最早，1942年就由XX橡膠公司研制成功，1970年，XX首先將GFRP筋應用于混凝土結(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：（1）抗拉強度高、密度?。幻芏?g/cm3左右，抗拉強度近2000MPa，和高強鋼絲接近[5]；（2）熱漲系數(shù)與混凝土接近，為0.8～1.2×10-5；適合作為加強筋在混凝土中應用。當周圍環(huán)境溫度變化時，不會產(chǎn)生較大的溫度應力，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]。（5）耐腐蝕性能好。對于水利工程、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]。（6）抗剪強度較低；普通的FRP筋的抗剪強度僅有50～60MPa[9]。（7）具有優(yōu)良的切割性[6]。玻璃纖維筋為FRP的一種，其性能上基本和鋼筋相似，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)，同時又具有很高的抗拉強度和較低的抗剪強度，可以被盾構(gòu)機的刀具切割、磨削破碎，可以作為NOMST材料應用。3玻璃纖維筋在盾構(gòu)始發(fā)、到達井圍護結(jié)構(gòu)中的應用3.1玻璃纖維筋在XX地鐵1號線試驗段人工挖孔樁圍護結(jié)構(gòu)中的應用（1）XX地鐵1號線試驗段玻璃纖維筋在盾構(gòu)井中的使用情況XX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，達到了60％以上，粒徑大，最大的超過600mm。XX地鐵1號線試驗段為國內(nèi)首次在富水卵石地層中采用盾構(gòu)施工，在此種地層中還沒有比較成熟的地層加固改良方法（化學加固法、置換法<高壓旋噴等>、凍結(jié)法、豎井壓氣法、鋼板樁、直接切削臨時墻法等）[3]；因此設計時充分參考了直接切削臨時墻法――NOMST工法，利用FRP的高抗拉強度、低抗剪強度的特性，盾構(gòu)始發(fā)、到達圍護結(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。盾構(gòu)井主體圍護結(jié)構(gòu)采用Φ1200@1400人工挖孔鋼筋混凝土灌注樁為圍護結(jié)構(gòu)；盾構(gòu)開挖范圍內(nèi)圍護樁樁體采用Φ25mm的玻璃纖維筋，采用綁扎連接，搭接長度1.2m～1.4m，C30混凝土。樁體嵌入坑底卵石土層深度為3.5米。每個盾構(gòu)隧道洞門范圍內(nèi)玻璃纖維筋圍護樁共5根[4]。XX地鐵1號線盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1XX地鐵1號線試驗段火車南站盾構(gòu)井橫斷面圖（2）玻璃纖維筋應用效果XX地鐵1號線試驗段在盾構(gòu)始發(fā)、到達的豎井圍護結(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，基坑開挖過程對玻璃纖維筋樁和鋼筋樁進行了監(jiān)測對比，兩種樁體基本上沒有區(qū)別；盾構(gòu)施工掘進段，為了確保盾構(gòu)始發(fā)、到達施工的安全，部分施工區(qū)域?qū)Φ貙舆M行了簡單的加固，如局部小范圍的壓密注漿或者井點降水等措施；始發(fā)時在主體結(jié)構(gòu)上安裝鋼制延長洞門，確保盾構(gòu)機刀盤在剛靠近圍護結(jié)構(gòu)時盾構(gòu)機就能被延長洞門上的洞門密封裝置密封，建立壓力，正常掘進，泥水盾構(gòu)和土壓盾構(gòu)全部直接切屑玻璃纖維筋樁安全的通過盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)，成功始發(fā)；到達時同樣直接掘進切削玻璃纖維筋圍護樁直接通過；此種施工方法減少了地層加固費用，減少了人工洞門破除工序，降低了破除洞門時的安全風險。取得了非常好的經(jīng)濟、社會效益。XX地鐵1號線試驗段分別采用了泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)施工，刀盤為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結(jié)構(gòu)成功始發(fā)。泥水盾構(gòu)機在掘進玻璃纖維筋樁時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，前期通過人員進倉處理，后通過及時、定期的泥漿泵反循環(huán)沖洗，破碎的玻璃纖維筋無法在泵口聚集，成功排出。玻璃纖維筋圍護結(jié)構(gòu)人工挖孔樁中施工照片、被盾構(gòu)機破碎后的照片見照片1～8。照片1纖維筋圍護樁的主筋照片2纖維筋圍護樁的箍筋照片3玻璃纖維筋圍護樁護壁照片4玻璃纖維筋圍護樁樁體施工照片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)掘進切削的玻璃纖維筋碎屑照片8泥水盾構(gòu)掘進切削的玻璃纖維筋短節(jié)3.2玻璃纖維筋在XX長江隧道連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)中的應用被譽為“XX第一隧”的XX長江隧道為水下公路隧道，盾構(gòu)隧道長約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)豎井圍護結(jié)構(gòu)采用800mm厚的地下連續(xù)墻；因始發(fā)時隧道埋深淺，其地下水豐富，為保證盾構(gòu)始發(fā)的安全，始發(fā)考慮采用延長洞門結(jié)合直接切削臨時墻法――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綁扎連接。XX長江隧道地下連續(xù)墻玻璃纖維筋綁扎施工見照片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)墻準備施工XX長江隧道盾構(gòu)機配備39把單刃滾刀，224把切刀，刀盤直徑11.38米，通過延長洞門，迅速建立壓力，開始正常掘進，刀盤直接切削通過圍護結(jié)構(gòu)――盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)為玻璃纖維筋，（設計為了確保施工安全，設計了端頭加固）。由于XX長江隧道的地質(zhì)以淤泥質(zhì)粘土為主，盾構(gòu)機配置刀具以切刀為主，而圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的混凝土標號較高，為水下C30混凝土，導致盾構(gòu)機始發(fā)時掘進通過連續(xù)墻的過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，玻璃纖維筋卡壞了部分切刀，最終只能人工破除地下連續(xù)墻。XX地鐵試驗段泥水盾構(gòu)見照片11，XX長江隧道盾構(gòu)刀盤見照片12。照片11XX地鐵試驗段泥水盾構(gòu)刀盤照片12XX長江隧道泥水盾構(gòu)刀盤4總結(jié)雖然玻璃纖維筋的價格比鋼筋貴，但是相比與減少的洞門的鑿除和減少的盾構(gòu)始發(fā)端頭加固費用、時間，還是比較經(jīng)濟，而且增加了施工安全性。通過在XX地鐵一號線試驗段工程以及XX長江隧道兩個盾構(gòu)標段的實施，驗證盾構(gòu)井圍護結(jié)構(gòu)采用玻璃纖維筋代替鋼筋，取消人工破除洞門，直接盾構(gòu)（泥水、土壓盾構(gòu)均可以）掘進通過圍護結(jié)構(gòu)的施工是一種可以實施的、經(jīng)濟的、安全的施工方案，以后其他類似工程可以借鑒。但在采用玻璃纖維筋圍護結(jié)構(gòu)的設計、施工的過程中要注意：①玻璃纖維筋與鋼筋為綁扎連接，必須按照相關的規(guī)范保證足夠的搭接長度，確保工程安全[10]；②這種施工方法在盾構(gòu)始發(fā)時需要根據(jù)盾構(gòu)井主體配合延長洞門一起應