玻璃纤维筋混凝土在盾构进出洞工程中的应用

吕荣海

（广州轨道交通建设监理有限公司，510010，广州∥高级工程师）

广州市轨道交通9号线位于花都区境内，属广花盆地，地貌上属于河流冲洪积平原，地势平坦宽广。9号线隧道通过的地层主要为第四系石炭系岩层，地层变化较大，岩石最高单轴抗压强度达到85.5 MPa。地下水赋存方式主要分为第四系松散类孔隙水、层状基岩裂隙水及碳酸盐岩类裂隙溶洞水。含水地层以冲洪积砂层为主，渗透系数为10.70～14.61 m/d，属强透水含水层；且蚀裂隙和溶洞发育，水量丰富，具承压性。

本工程全长5 079.586 m，线间距为13 m，隧道最大坡度为25‰，最小曲线半径为450 m。采用4台泥水平衡盾构机进行掘进，其中，2台为海瑞克泥水平衡盾构机，2台为三菱泥水平衡盾构机。盾构机均从中间风井始发并向两端掘进。整个工程包括7段盾构隧道、2座车站、2座中间风井、3段区间明挖以及10个联络通道。

由于盾构始发及到达的安全风险较大，普通的搅拌桩、旋喷桩加固在洞门破除过程中易发生较多风险事件。结合本工程的地质情况，利用玻璃纤维筋高抗拉强度、低抗剪强度的特性，以玻璃纤维筋替代盾构穿越影响范围内的地下连续墙钢筋，盾构通过时可以直接切削，减少人工拆除洞门连续墙及钢筋的工序，有效地消除了这个过程中的安全风险。

1 玻璃纤维筋的性质及力学性能分析

1.1 玻璃纤维筋的性质

玻璃纤维筋又称玻璃纤维增强塑料（GFRP），它是一种连续纤维增强材料（FRP）［1］。1942 年，GFRP筋由美国橡胶公司研制成功。1970年，欧洲首次将GFRP筋应用于混凝土结构。目前，GFRP筋已被广泛应用于土木工程领域，其外形可根据需要加工成光圆、螺纹、矩形及工字形等。GFRP筋的特点如下［1］：

（1）承载能力高、抗拉力强，杆体强度为等直径螺纹钢的1～2倍，质量仅为钢材的1/4。

（2）弹性模量稳定且较低，约为钢筋的1/4至2/5。

（3）不导电、不导热，热膨胀系数较钢筋更接近于水泥。

（4）耐腐蚀性好，适合在水利工程、桥梁、码头、隧道等潮湿环境或其他腐蚀性环境中使用。

（5）透波性能好、不屏蔽，可根据需要加工成任意形状。

（6）抗剪强度低，仅为50～60 MPa，且具有优良的切割性。其性能基本上和钢筋相似，与混凝土有很好的粘合性，同时又具有很高的抗拉强度，易被盾构机的刀具切割，不易损伤刀头。

1.2 GFRP筋的力学性能

GFRP筋本身具有耐腐蚀、强度高、耐疲劳、低松弛、质量轻、耐电磁等特点。文献［2］按照GB/T 13096.1—1991《拉挤玻璃纤维增强塑料杆拉伸性能试验方法》中的相关规定，对GFRP筋（试件直径为19 mm）进行了破坏荷载、抗拉强度、弹性模量、破坏伸长率以及应力-应变关系等基本力学指标试验。试验选用单项连续纤维经拉挤工艺制成的GFRP筋试件，其直径为19 mm，长度为700 mm。经试验发现GFRP筋的破坏形式大致有3种：杆体拉裂发散、接头夹套内断裂和杆体滑脱。直径为19 mm的GFRP筋的拉伸弹性模量约为40.3 GPa，低于钢筋的弹性模量（180～250 GPa），比普通混凝土的弹性模量大2～3倍；拉伸强度约为877 N/mm2；延伸率约为2.059%。GFRP筋的应力-应变呈线性关系，不像普通钢筋有明显的屈服阶段，其属脆性破坏。但同一批GFRP筋的抗拉强度离散系数较大，说明GFRP筋的产品质量随机性大，需在大量试验的基础上提出GFRP筋的抗拉设计值和极限应变设计值。

2 GFRP筋在盾构进出洞中的应用

2.1 应用情况

本工程中，隧道端头井处的围护结构采用800 mm厚地下连续墙，其中洞门位置为7 m宽的整幅地下连续墙，且该位置的钢筋全部用GFRP筋替代。从抗拉强度考虑，采用相同直径的GFRP筋可替代相同直径的钢筋。GFRP筋与钢筋搭接处采用锁扣连接，但GFRP筋的弹性模量仅为钢筋的1/4，导致了GFRP筋笼体以及地下连续墙的整体刚度和抗剪承载力较钢筋混凝土地下连续墙要低。因此，设计时须考虑GFRP筋笼体起吊过程中和土方开挖后的抗剪承载力要求。

2.2 应用技术

本工程盾构机共完成7次始发、7次到达，其端头井洞门处地下连续墙均采用GFRP筋替代钢筋的措施。盾构机在进出洞过程中，均未发生任何涌水、涌砂等风险性事件。

2.2.1 盾构始发端施工技术

盾构始发位置示意图如图1。始发端头井加固区域长度为9 m，宽度为至隧道结构线外3 m，断面上加固至隧底3 m，且采用φ 700 mm@500 mm双管旋喷桩进行加固。在加固区域内，为保证岩面与土层交界面的止水效果，采用旋喷桩引孔入岩0.5 m以加固岩层。

端头洞门处地下连续墙在洞门中心7 m（水平）×7.62 m（垂直）范围内采用了GFRP筋替代钢筋，盾构机掘进时可直接切削，无需对洞门进行凿除。但在盾构机始发前要对GFRP筋范围进行现场确认，仅需凿除洞门上下左右4个点位的地下连续墙混凝土保护层即可推断。

图1 盾构始发位置示意图

本工程车站结构墙厚度为700 mm，而刀盘长度为755 mm。当刀盘碰壁后，止水帘布与刀盘将直接接触，刀盘转动时会破坏帘布，无法建立切口水压以及封堵基坑外的地下水。根据计算，刀盘安装中心鱼尾刀后的长度约900 mm，盾构机始发时止水帘布伸入洞门约400 mm。故本工程始发端头井均将下层主体结构端墙加厚至700 mm作为辅助措施，即增加了刀盘与橡胶止水帘布之间的距离，可在刀盘碰壁后立即形成密封土仓以及建立切口压力，从而以正常掘进的形式完成始发，为盾构始发提供有力安全保证；但切口压力不宜过大，以防对帘布造成过大的冲击压力。

在盾构刀盘切削GFRP筋混凝土地下连续墙的过程中，应将掘进参数严格控制在：掘进速度3～5 mm/min，刀盘转速0.8～1.0 r/min，推力不大于1 000 t，泥浆比重 1.2 g/m3，黏度 25 s，使得刀盘切口水压在整个盾构机始发过程中均有一个逐步提升的过程。盾构机在开始掘进时最好为负压（即小于地下水压），然后在掘进过程中根据实际情况逐步加大，在即将破除加固体时切口水压可加至理论计算值。

在整个盾构机始发掘进过程中，要严密监视各项掘进参数，特别是推力、扭矩和切口压力。因为GFRP筋易发生脆性断裂，掘进过程中有可能造成地下连续墙混凝土块整体剥落或GFRP筋的整段脱落，极易造成管路堵塞，故需根据掘进参数及掘进情况及时停机检查。

2.2.2 盾构到达端施工技术

盾构到达端头井采用800 mm厚素混凝土地下连续墙外包作为整个端头井加固区域，用于防止外部地下水进入。素混凝土地下连续墙进入隧道下方不透水层约1 m，地下连续墙接头外采用2根φ 700 mm@450 mm双管旋喷桩止水，素混凝土地下连续墙内采用φ 700 mm@500 mm双管旋喷桩加固。旋喷桩呈梅花形布置，整个加固区长度为10 m，旋喷桩加固深度根据地层情况加固至隧底4.5 m。同时，在端头井加固区上下行隧道间设置1个降水井，用于判断加固区的渗水情况以及降低地下水位，以保证盾构机安全到达。洞门幅连续墙的钢筋、GFRP筋设置与始发端头井相同。

在盾构机刀盘碰壁后（车站基坑围护结构连续墙外侧），盾构机尾部正好进入端头井外包素混凝土地下连续墙的加固区内。此时，要对盾尾后3环管片进行2次补浆，尤其对于刚脱出盾尾、正位于素混凝土地下连续墙墙处的管片要进行系统的注浆，用来隔阻加固区外地下水进入加固区域。同时，打开盾构机中盾径向孔，注入聚氨酯，以形成柔性封闭环，进一步防止盾尾处或盾构加固区外的渗漏水，并辅以地面降水井排水，以保证盾构机安全到达。盾构到达位置如图2所示。

图2 盾构到达位置示意图

盾构机按正常掘进情况出洞，利用刀盘直接切削、慢慢磨耗地下连续墙；但需对防水帘布加以保护，以防止地下连续墙破裂后混凝土块坠落、挤压而损坏帘布。同时严密监视盾构机各项参数，放慢速度、减小推力，以免对车站主体结构造成伤害。

2.3 GFRP筋应用效果

根据本工程的实际应用情况，结合相应的辅助技术措施，在施工中保证了盾构始发、到达时高风险节点的安全，其相应工法、措施值得借鉴。GFRP筋在施工使用过程中有以下特点：

（1）GFRP筋制作过程简单。其连接点均采用绑扎技术，在与钢筋搭接处可采用卡扣形式，以加强连接牢固性。GFRP筋弹性较钢筋大，制作过程较易，且不易锈蚀，便于存放。

（2）GFRP筋易切割。施工使用时无需钢筋加工设备就可用锯条随意截取，施工方便，但其端头在外力作业下易脱胶损坏，施工中应注意保护。

（3）GFRP筋与混凝土结合性好。车站基坑开挖过程中，GFRP筋混凝土地下连续墙墙体未发生过大变形，其与钢筋地下连续墙的变形、应力等相关数据基本一致。

3 GFRP筋混凝土与钢筋混凝土在盾构进出洞端使用的对比分析

3.1 安全性分析

采用钢筋混凝土地下连续墙时，均要在盾构机始发前对洞门地下连续墙进行凿除，对钢筋进行切割。其作业空间狭小、环境艰苦，且由于墙体破坏、土体暴露，易出现土体塌方、涌水、涌砂，导致地面下沉，危及周边建筑物、管线和基坑等安全。截至目前此类事故在地铁施工中已多次发生。钢筋混凝土地下连续墙在盾构机进出洞端的施工工艺和工序复杂、工期长，需严密进行施工组织，以防止发生危险以及对人身造成伤害。

当在盾构机始发端采用GFRP筋混凝土地下连续墙时，需根据盾构刀盘厚度，合理加厚主体结构墙体或采用钢套筒，使刀盘接触掌子面后，帘布可直接裹紧前盾体，封闭土仓，形成回路。盾构机直接进行掘进切削GFRP筋混凝土，减少了由于洞门混凝土破除带来的诸多工序和影响人身安全的危险因素，在一定程度上规避了施工风险。

3.2 工期分析

当地下连续墙采用钢筋混凝土时，盾构机进出洞必须凿除洞门范围内的钢筋混凝土，待残渣清理完成后，盾构机方可进、出洞，再对洞门初步密封，工期一般需要9～15 d。

当地下连续墙采用GFRP筋混凝土，盾构机进出洞时刀盘可直接切削GFRP筋，通过选择合理的参数，一般最多1 d即可穿过地下连续墙，完成进、出洞，极大地提高了施工进度。但在盾构机始发过程中，尤其要注意参数的选择和变化，防止泥水平衡盾构机发生堵管。

3.3 经济分析

以端头井单个洞门为例，约有7 m×7.62 m范围的钢筋被GFRP筋所替代。单一洞门的钢筋与GFRP筋工程数量如表1所示。

表1 单一洞门的钢筋与GFRP筋工程数量表

根据2012年第4季度的合同综合单价计算，一副钢筋笼的制作成本为8.12 t×5 228.56元/t（综合单价）=42 455.91元，一副GFRP筋笼的制作成本为2.4 t×15 474.21元/t（综合单价）=37 138.1元，后者比前者减少约5 317.8元。但采用GFRP筋混凝土地下连续墙后，始发洞门需增加洞门厚度0.7 m（到达洞门不需要）。根据现场的结构形式，盾构始发井宽度为9.49 m、高度为7.5 m，洞门直径为6.62 m。根据2012年第4季度混凝土综合单价494元/m3计算，增加费用约12 709.6元。由此得出，盾构始发洞门采用钢筋的总费用约7.25万元（其中，结构成本为4.25万元，人工破除洞门费用约3万元）。而盾构始发洞门采用GFRP筋的总费用约4.98万元（其中，结构成本约3.71万元，加厚结构墙成本约1.27万元），总成本节约2.27万元。因现场实际施工与理论计算存在一定差距，实际成本会有所增加，但结合盾构到达洞门的成本优势和安全优势，GFRP筋综合经济优势相对明显。

3.4 施工工艺分析

GFRP筋为厂制定型产品，尺寸准确、可直接绑扎、制作精度高、不锈蚀，相比钢筋在制作上有一定的优势。但由于GFRP筋为脆性材料易破坏，施工过程中应通过保证其搭接长度、超筋替换、增加工字钢包边以及采用后期可去除的钢筋桁架等措施，来确保GFRP筋笼起吊及基坑开挖过程中GFRP筋混凝土的稳定性。由于GFRP筋质量较轻，以及其笼体下放时间的增加导致GERP筋笼在下笼及浇筑过程中易发生上浮现象，故对其稳定性应引起足够重视。

4 结语

本工程盾构机多次进出洞工程实例表明，盾构端头井围护结构洞门采用GFRP筋替代钢筋后，盾构机可直接掘进切削通过，其安全效果显著。虽GFRP筋单价较钢筋高，但质量仅为钢筋的1/4，综合多方面考虑，两者总体投资相当。GFRP筋在改善施工环境、降低人力物力投入、提高施工速度以及避免施工风险等方面表现出极好的优越性，值得推广。

［1］ 徐泽.GFRP筋在成都地铁工程的应用［J］.安徽建筑，2010，17（1）：78.

［2］ 张省祥.GFRP筋的力学性能研究［J］.科技创新导报，2008（16）：153.

［3］ 周洪，刘军，宋旱云.玻璃纤维筋拉伸力学性能试验研究［J］.北京建筑工程学院学报，2013，29（3）：20.