盾构井围护结构中的玻璃纤维筋加固设计技术

黄夏寅

(深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳518001)

盾构始发和接收为盾构隧道施工过程中的关键环节。盾构机破除围护结构隧道洞门的传统方法为:加固围护结构外侧一定范围内的土体，然后将盾构穿越部分的围护结构按井字形分成九个部分，至上而下依次用人工凿除各部分钢筋混凝土。当存在高地下水位、厚砂层、厚淤泥层等不利因素时，人工凿除围护结构风险高。一旦发生涌水、涌砂、涌泥等工程事故，将会对工程安全、人员生命造成极大威胁。

玻璃纤维筋(GFRP)是将高强玻璃纤维浸渍专用环氧树脂基体后在光电热一体的高速聚合装置内受热固化，经牵引连续拉挤成型一种新型复合材料。GFRP筋与普通钢筋相比，其特点在于:良好的防腐性与电、磁场绝缘性;质量轻，约为钢材的1/5～1/4;抗拉强度高于普通钢筋;各向异性，抗剪切强度远低于普通钢筋，便于盾构机直接切割。GFRP筋与普通钢筋最大的差异就是它的弹性模量小，是典型的脆性材料，应力－应变曲在断裂前均表现出明显的线性关系，没有延展性或屈服点。用玻璃纤维筋代替围护结构中需要破除的钢筋，盾构机始发、接收时可直接切割围护结构，既能减少盾构进出洞事故，又能提高施工效率、节省工程造价[3－5]。本文通过玻璃纤维筋在深圳地铁11号线红树湾－后海区间中间风井的应用，探讨了盾构井围护结构中的玻璃纤维筋加固设计技术。

1 围护结构中玻璃纤维筋的设计

1.1 GFRP筋配置范围

地铁车站、中间风井一般采用明挖法施工。当明挖结构的埋深较大且地下水位接近地面时，一般采用内支撑与地下连续墙联合支护的围护结构体系。内支撑主要承受地层水土压力经连续墙传递而形成的支撑轴力;地下连续墙主要承受作直接用于墙体的地层水土压力而产生的弯矩与剪力。因此，地下连续墙结构要求主筋具有高抗拉强度;通过配置拉结筋能够满足抗剪要求。GFRP筋的高抗拉强度的力学性能恰好满足以上条件。所以，围护结构的端头墙盾构穿越区域采用GFRP筋代替普通钢筋。

1.2 GFRP筋的配筋设计计算

由于GFRP筋的材料特性，结构破坏前没有明显征兆，故传统的钢筋混凝土结构分析、设计方法不能直接用于GFRP筋混凝土结构。GFRP筋弹性模量相对较低，故使用的安全系数都高于传统的钢筋混凝土结构。参照美国的＜Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars＞(Reported by ACI Committee 440)，介绍 GFRP筋的抗弯与抗剪计算。

1.2.1 玻璃纤维筋抗弯强度验算

一般取一延米宽的地下连续墙，配置比普通钢筋至少大一个直径等级的GFRP筋，间距与普通钢筋主筋相同。具体验算步骤如下:

(1)GFRP筋的抗拉强度设计值ffu

式中ffu为GFRP筋的抗拉强度设计值;

CE为玻璃纤维筋的环境折减系数，当混凝土未在露天或土壤中时取0.8，当混凝土在露天与土壤内时取0.7;

ffu*为GFRP筋的抗拉强度值。

(2)连续墙的截面面计算高度d(保护层厚度t)

式中db为GFRP筋的主筋直径。

(3)GFRP筋配筋率ρf

式中Af为纵向受力GFRP筋的面积;

b为连续墙的截面面计算宽度。

(4)GFRP筋拉应力值ff

式中Ef为GFRP筋弹性模量;

εcu为混凝土极限应变，为0.0033;

β1为混凝土强度影响系数:当混凝土强度不大于4000psi(1MPa=145psi)时，取 0.85;当混凝土强度大于4000psi时，强度每增加1000psi，该系数就减小0.05，但不得小于0.65;

f'c为ACI标准的圆柱体抗压强度，与国标立方体抗压强度的转化公式为:f'c=0.79fcu，k。

(5)GFRP筋混凝土结构抗弯能力设计值Mn

(6)平衡应变条件下的GFRP筋配筋率ρfb

(7)强度折减系数

(8)抗弯强度检算

当不满足上式要求，将再选筋进行验算，直至满足要求。

1.2.2 玻璃纤维筋抗剪强度验算

GFRP筋混凝土构件抗剪能力分为两部分，混凝土部分抗剪能力与GFRP筋抗剪能力。取一延米宽的地下连续墙，配置的GFRP拉结筋的直径与数量均不得少于普通钢筋的拉结筋。抗剪筋竖直间距的具体验算步骤如下:

(1)混凝土抗剪能力Vc，f

(2)GFRP抗剪筋允许剪切应力ffb

GFRP筋弯曲部分的承载力要小于直线部分。因此，GFRP筋允许剪切应力由折弯点控制。

式中db为GFRP抗剪筋直径;

rb为GFRP抗剪筋的弯曲半径，rb=3db;

(3)GFRP抗剪筋的设计应力ffv

(4)GFRP抗剪筋的竖直间距s

GFRP抗剪筋的竖直间距不得大于s。

(5)GFRP抗剪筋的竖直间距检算

当不满足上式要求，将调整GFRP拉结筋的直径与间距再进行验算，直至满足要求。

2 工程设计实例

深圳地铁11号线红树湾－后海区间的中间风井，位于沙河西路边的绿化带，向东60 m即为深圳湾水域，地下水水位高且可能存在水力联系。风井结构沿线路方向长24 m，宽25.7 m，为地下四层结构。风井围护结构采用1000 mm厚地下连续墙(采用C35砼)与十一道内支撑联合支护的围护结构体系，盾构穿越的洞门范围内设置两幅宽3.8 m的墙体，墙体内盾构刀盘中心对应的上下共7 m范围布置GFRP筋。

参照国内外相关资料，该中间风井地下连续墙中的GFRP筋抗拉强度值取为620 MPa，弹性模量值取为44.8 GPa。根据该处地质水文情况，基坑周边2 m外荷载20 kPa，荷载分项系数取恒载为1.4、活载为1.7。理正深基坑6.01计算得出的结果为效应标准值，为得出效应设计值，就要使荷载分项统一。因此，对活载进行折算:20×1.7/1.4=24.3 kPa。经过计算，得到弯矩设计值:Mu=1803.92×1.1×1.4=2778 kN·m/m，剪力设计值:Vu=1660.64×1.1×1.4=2464 kN/m(注:1.1为基坑重要性系数)。

取一延米宽连续墙考虑，根据深基坑软件的计算结果主筋需要配置 32@100的HRB400钢筋。中间风井埋深很大，GFRP筋按增大两级考虑，主筋估算配置 43@100的GFRP筋。经验算，配置 43@100的GFRP筋抗弯强度满足。GFRP抗剪筋为地下连续墙的拉结筋水平方向按18@200配置。经验算，抗剪筋水平间距200 mm、竖向间距100 mm满足抗剪要求。

3 结论

本文介绍了一套围护结构中玻璃纤维筋的加固设计方法，并在实际工程设计应用中得到了验证。玻璃纤维筋的应用，使盾构机穿越既有的非素混凝土结构得以实现，为工程预留接口提供新的解决方案，使工程筹划和工期安排有了更大的灵活性。当盾构隧道与明挖结构工期相冲突时，可先施工围护结构，待盾构破除通过围护结构之后，再开挖基坑施做主体结构。另外，采用玻璃纤维筋代替钢筋的围护结构盾构破除部分的钢筋，不但节省成本、提高盾构机始发与接收的效率，而且消除了人工破除洞门的安全风险。

[1]ACI 440.Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars[S]

[2]曹文宏，申伟强.超大特长盾构法隧道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2010:191－202

[3]蒋小锐．玻璃纤维筋在地下连续墙中的应用[J]．铁道标准设计，2009，53(10):48－50

[4]苏明，张宏斌.玻璃纤维筋在连续墙中的应用[J]，隧道建设，2011，31(2):73－76

[5]张恒，陈寿根，赵玉报，等.玻璃纤维筋在盾构井围护结构中的应用研究[J]，铁道标准设计，2011，55(3):73－76