浅谈玻璃纤维筋在地铁中的应用*

李可新，衣晓婧，殷月，张亚可，张智超，张苏鹏

（南京工程学院建筑工程学院 江苏南京211167）

0 引言

近年来，由于对各种材料的不断探索创新，建材种类也日益增多。强度高、耐腐蚀性能好能，高强纤维筋在土木工程的许多领域得到了广泛的应用，大大减轻了普通钢筋因为锈蚀等各种原因而引起的结构破坏等问题。目前，玻璃纤维筋广泛应用于地铁隧道的盾构、水利工程、车站、桥梁、地下工程等领域，适用于化军事工程的保密工作、特殊工程等需绝缘环境以及工厂、海防工程等腐蚀环境。这对提高钢筋混凝土结构的性能具有重要意义。

1 纤维筋的组成

纤维增强筋是一种以起加劲作用的纤维为增强材料，以起粘结、传递剪力的作用的合成树脂、聚酯等为基体材料，经过拉挤牵引成型的新型复合材料。根据增强材料即纤维种类的不同，常见的纤维增强筋包括芳纶纤维筋、碳纤维筋、玻璃纤维筋以及混杂纤维筋，其中玻璃纤维筋近年被广泛应用于地下工程中。它的形状一般为全螺纹式的杆体。

2 力学性能

由于纤维种类的不同，几种纤维筋的性能也有所不同，但它们之间具有一定的共性，与普通钢筋的区别很大。虽然纤维筋是一种正在推广的新型材料，但不意味着它没有缺点。钢筋与不同种类纤维筋之间的力学性能对比如表1所示。

2.1 优点

（1）密度小，质量轻，强度对重量比高。由于玻璃纤维筋的主要材料是玻璃纤维，因此它的密度很小，在1.5~1.之间，质量只有同体积钢筋的1/7~5/1；同时，玻璃纤维筋的强度很高。因此，相同的直径下，纤维筋的强度对重量的比值最大可达到钢筋的15倍。这种特点使得施工中的劳动强度减轻，解放了人力，且当玻璃纤维筋用于混凝土结构中时，减轻了结构自身的自重，提高建筑的抗震能力。

（2） 容易切割、施工便利：可直接用刀盘切割玻璃纤维筋，根据不同的切割要求，生产各种不同长度和形状的构件，可以用非金属拉紧带现场绑扎，施工方便。

（3） 非磁性。玻璃纤维筋是一种非磁性材料，在一些特殊材料的混凝土构件中不用做脱磁处理。

（4）耐腐蚀性好。玻璃纤维筋与普通钢筋相比，耐腐蚀性能好，因此在强腐蚀性的环境里也适合应用，具有良好的耐久性，后期无需频繁维修，工程成本降低。

（5） 与混凝土的结合力强。玻璃纤维筋中的树脂控制横向热膨胀系数，纤维控制纵向热膨胀系数，在一般情况下，玻璃纤维筋的横向热膨胀系数比纵向热膨胀系数大，玻璃纤维的体积率以及连续纤维和树脂的类型决定了这种差别的大小。玻璃纤维筋与混凝土的的热膨胀系数相近，在温度变化条件下也不会破坏纤维筋与混凝土之间的粘结，纤维筋与混凝土依旧可以协同工作，不会破坏建筑的稳定性。

2.2 不足

（1） 纤维筋的弹性模量比钢筋低。常用的玻璃纤维筋和碳纤维筋的弹性模量大致分别为5.1×104和1.5×105，钢筋的弹性模量为，两种纤维筋的弹性模量大约是钢筋弹性模量的20%和75%，其中玻璃纤维筋的弹性模量最小。

（2）抗剪和抗压强度较低。纤维筋的抗压性能、抗剪性能较差，因此，设计中基本上忽略纤维筋的抗剪强度和抗压强度。此外，纤维筋的底端的弯钩与箍筋的弯曲部分的抗拉强度会明显降低并且需要特别定制。

（3）热稳定性较差。在超过一个固定的温度范围后，纤维筋的抗拉强度将会下降，而粘结强度下降情况更加显著，因此，高温环境纤维筋不适宜使用。除此以外，纤维筋耐火性能比钢筋差，它的防火保护要求比钢筋更高，需要耗费更多的人力、财力来保护。

（4）纤维筋是脆性材料[1]。它的拉伸应力—应变是线性关系，在达到极限抗拉强度之前不会发生塑性变形，由此可见，钢筋的延性明显大于纤维筋的延性。

表1 纤维筋与普通钢筋的力学性能对比表

3 地铁工程应用

我国城市轨道交通发展迅速，目前国内已修建地铁的城市有35个，地铁里程最长的城市上海的里程达到了673km，给城市生活带来极大的方便。随着地铁在城市交通中的日益壮大，越来越多的新型材料，先进理念进入到地铁领域。其中玻璃纤维筋就是其中的一种新型材料，它作为普通钢筋的替代品，在地铁盾构、地下连续墙以及基坑支护桩中推广应用，并取得了很好的效果，节约工期并且带来了更高的社会效益。

3.1 在地铁盾构始发中的应用

随着城市地铁盾构施工不断的发展，传统的盾构始发过程已经不能满足现代地铁工程施工的高要求，传统使用钢筋混凝土结构作为盾构围护桩，虽然保证了坑道一定的的安全稳定性，但盾构机进出端头井给钢筋混凝土的切割带来很不利的效果，在安全、生态、经济等方面造成了一系列负面问题。

北京地铁16号线以及成都地铁2号线盾构始发井便是以玻璃纤维筋作为被穿越部位的围护桩钢筋笼[2]，由于纤维筋良好的切割性能，玻璃纤维筋围护桩钢筋笼的优势显著。传统盾构法中的盾构机需要直接切割地下连续墙，钢筋混凝土结构难以被切割，甚至会破坏盾构机的刀盘。选用玻璃纤维筋混凝土结构作为地下连续墙，可以满足盾构进出洞墙体易于切削的要求，而且玻璃纤维筋混凝土也能满足地下连续墙对于强度的要求，有效的控制了盾构机进出洞时的安全与质量，减少投入盾构机进出洞端头井这一过程中的加固费用。

在设计深圳地铁5号线大学城站时拟建在盾构井段设置两幅玻璃纤维筋连续墙，每幅宽3.5m。由此看出，地下连续墙在建造时采用玻璃纤维筋代替传统钢筋是很有可行性的。使用玻璃纤维筋简化了施工工序，降低了地铁建造成本，提高了施工效率，降低了工程风险。因此，普通钢筋在地下连续墙中被玻璃纤维钢筋取代是完全可行的，这也为今后类似的工程施工提供了可以参考的经验。

3.2 在基坑支护桩中的应用

在基坑工程中，同等条件下，用于灌注桩的玻璃纤维筋相比较钢筋而言造价最多可降低至90%。但是，玻璃纤维筋在应用于钻孔灌注支护桩时，会产生如玻璃纤维筋自身的连接、玻璃纤维筋笼的制作、玻璃纤维筋与支护桩混凝土冠梁的连接以及玻璃纤维筋笼上浮等问题，不能得到有效的解决方案。

以科研大楼基坑工程的设计和实施为背景，分析玻璃纤维筋在作为基坑支护桩时应有的制作要求。为了冠梁与支护桩连接的更加可靠，支护桩应该深嵌入冠梁，至少大于50mm。为了保证支护桩的部分桩身的混凝土的强度能够满足工程要求，用超灌的方式来浇筑混凝土。玻璃纤维筋无法通过焊接进行连接，必须用非镀锌细钢丝进行绑扎，而且由于玻璃纤维筋笼较长，必须通过钢卡扣件连接纵向主筋上下段，避免玻璃纤维筋笼产生过大的变形。钢筋笼的绑扎过程是在胎模具上进行，在加工棚内成型，玻璃纤维筋笼的制作工艺和它基本一致。如果全部采用玻璃纤维筋制作整个配筋笼，那么配筋笼稳定性差，非常容易变形，因此应将玻璃纤维筋与钢筋混合搭配进行配筋。即先用钢筋制成骨架，提高配筋笼的稳定性，减小变形，之后利用玻璃纤维筋进行下一步的绑扎。

玻璃纤维筋优点有很多，但玻璃纤维筋代替钢筋基坑工程领域的各种应用仍处于不断探索地阶段，许多问题依然没有得到有效的解决。

4 玻璃纤维筋在工程中的影响

在科技发达的今天，寻找更加轻质更加高强，性能更加优越的新型建设材料是我们顺应时代的必要选择。用玻璃纤维钢筋代替钢筋具有良好的社会效益，满足绿色环保的要求，实现了可持续发展。与传统盾构始发比较，玻璃纤维筋的先进性表现在许多方面：

（1）安全性高。避免了人工凿桩带来的涌水和塌方风险，切割出的渣土对环境无污染，可直接与其他渣土一起运输。

（2）施工速度快。不需要人工凿桩，盾构始发时间大大缩减，前后工序衔接紧密，避免了凿桩停机这一过程，能够做到连续掘进，快速建立土压。

（3） 成本降低。玻璃纤维筋抗腐蚀性能好，后期的维护费用降低。

（4）技术进步。使用纤维筋代替钢筋这一过程解决了行业中普遍存在的共同的技术问题，提高了盾构的使用效率，实现了行业的跨越，推动了地下工程行业技术的发展，并使产业结构升级。

5 结语

（1） 随着科技进步，传统的钢筋不能满足日益增长的建材质量要求，纤维筋以其特有的优势在行业中占据越来越重要的地位。

（2） 地下工程的盾构始发工艺基于玻璃纤维筋结构，采用了新型建材，新方法，降低了安全风险，节约了工程成本，与传统工艺相比，具有更高的经济效益与社会效益。

（3）玻璃纤维筋在地下工程施工过程中应用的成功，对其他不同种类纤维筋在工程应用中的推广产生了极大的参考价值，对新型建材的研究做出了极大的贡献。