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1、玻璃纤维筋在盾构井围护结构中的应用杨红军 （中国中铁隧道股份有限公司，河南，郑州，450003）【摘要摘要】 国内某些盾构施工项目的盾构围护结构中采用玻璃纤维筋代替原围护结构中的钢筋，不但保证了盾 构井围护结构的安全，而且使盾构始发、到达施工时不需要人工破除洞门，通过盾构直接掘进完成， 减少了盾构施工的安全风险，本文以此为例，希望为相关工程提供参考依据。 【关键词关键词】 玻璃纤维筋 盾构井 围护结构 1 1 前言前言目前，盾构法隧道施工技术正在朝长距离、大直径、大埋深、复杂断面和高度自动化方向发展。我国自 20 世纪 60 年代开始引进、利用盾构法修建城市地铁隧道，虽然起步晚，但发展很快，随
2、着地下空间和城市地下快速交通系统的开发，我国盾构技术与盾构施工方法将得到更大、更快的发展。但盾构始发到达施工技术，仍然是困扰盾构施工的难题。通常盾构始发、到达竖井井壁多用钢筋混凝土或钢材构筑，用盾构机的掘削刀具直接掘削这些竖井的井壁(或挡土墙)进行开口作业较为困难，多数情况下无法直接完成1。而是采用人工开凿的方法，这种方法不仅作业环境极其艰苦，同时由于墙体的开凿破坏、土体的暴露，易出现土体塌方，导致地表下沉并危及地下管线和附近的建筑物的安全，而且在盾构范围内钢筋处理不干净还可能造成盾构刀盘、刀具的损坏。为了确保作业的安全，需在开口作业之前用注浆或其他工法对井壁背后的土体进行加固，一般称为端头加
3、固。如果加固土体强度太高，增加造价，给刀盘切削带来困难；加固土体强度低，又起不到相应的作用，在盾构始发、到达作业时仍常出现地表过大沉降或涌水事故。鉴于上述技术原因，人们迫切地希望能有一种工期短、造价低、施工安全性高的新工法问世。NOMST 工法就是在这种迫切需求的条件下问世的。NOMST(Novel Material Shieldcuttable TunnelWall System)即盾构直接掘削新型材料墙体的方法4。该工法在日本己经比较成熟，国内还处于实验研究阶段。这种新型材料就是纤维增强塑料即 FRP 筋，目前 NOMST 中的加强筋以碳纤维筋居多，玻璃纤维筋材还不普通，更缺乏设计和施工的
4、依据。2 2 玻璃纤维筋的性质玻璃纤维筋的性质玻璃纤维筋学术上称玻璃增强塑料（Glass Fiber Reinforced Plastics 简称 GFRP） ，是一种连续纤维增强材料（Continuous Fiber Reinforced Plastics 简称 FRP） 。在其生产过程中，首先将多股纤维轻微扭动并通过树脂浸渍器浸渍树脂，然后进行矫直处理，再通过一个热金属模张拉，除去多余的树脂即可4。在这些 FRP 中，GFRP 研制最早，1942 年就由美国橡胶公司研制成功，1970 年，欧洲首先将GFRP 筋应用于混凝土结构。作为混凝土结构配筋用的 FRP 其外形可以作成光圆、螺纹、矩形
5、及工字形等。FRP 有如下特点：（1）抗拉强度高、密度小；密度 2g/cm3左右，抗拉强度近 2000MPa，和高强钢丝接近5；（2）热涨系数与混凝土接近，为 0.81.210-5；适合作为加强筋在混凝土中应用。当周围环境温度变化时，不会产生较大的温度应力，破坏 FRP 筋与混凝土之间的粘结，从而保证了 FRP 筋与混凝土之间能协同工作8。（3）弹性模量低，约为钢筋的 2/3 至 1/55。（5）耐腐蚀性能好。对于水利工程、桥梁、码头等在潮湿环境或其他侵蚀性环境中工作的结构构件，FRP 非常适合于作为钢筋的替代材料6。（6）抗剪强度较低；普通的 FRP 筋的抗剪强度仅有 5060MPa9。（7
6、）具有优良的切割性6。玻璃纤维筋为 FRP 的一种，其性能上基本和钢筋相似，与混凝土很好的黏结性，和混凝土具有几乎相同的收缩系数，同时又具有很高的抗拉强度和较低的抗剪强度，可以被盾构机的刀具切割、磨削破碎，可以作为 NOMST 材料应用。3 3 玻璃纤维筋在盾构始发、到达井围护结构中的应用玻璃纤维筋在盾构始发、到达井围护结构中的应用3.1 玻璃纤维筋在成都地铁 1 号线试验段人工挖孔桩围护结构中的应用（1）成都地铁 1 号线试验段玻璃纤维筋在盾构井中的使用情况成都地处岷江冲积扇状平原，地层主要为富水饱和砂卵石层，水位高，卵石含量大，达到了60以上，粒径大，最大的超过 600mm。成都地铁 1
7、号线试验段为国内首次在富水卵石地层中采用盾构施工，在此种地层中还没有比较成熟的地层加固改良方法（化学加固法、置换法、冻结法、竖井压气法、钢板桩、直接切削临时墙法等）3；因此设计时充分参考了直接切削临时墙法NOMST 工法，利用 FRP 的高抗拉强度、低抗剪强度的特性，盾构始发、到达围护结构混凝土用玻璃纤维筋代替钢筋，盾构刀具可直接切削完成盾构始发、到达。盾构井主体围护结构采用 12001400 人工挖孔钢筋混凝土灌注桩为围护结构；盾构开挖范围内围护桩桩体采用 25mm 的玻璃纤维筋，采用绑扎连接，搭接长度 1.2m1.4m， C30 混凝土。桩体嵌入坑底卵石土层深度为 3.5 米。每个盾构隧道
8、洞门范围内玻璃纤维筋围护桩共 5 根4。成都地铁 1 号线盾构井围护结构如图 1 所示。图图 1 1 成都地铁成都地铁 1 1 号线试验段火车南站盾构井横断面图号线试验段火车南站盾构井横断面图 （2）玻璃纤维筋应用效果成都地铁 1 号线试验段在盾构始发、到达的竖井围护结构中在盾构隧道范围内的人工挖孔桩采用相同直径的玻璃纤维筋代替钢筋，基坑开挖过程对玻璃纤维筋桩和钢筋桩进行了监测对比，两种桩体基本上没有区别；盾构施工掘进段，为了确保盾构始发、到达施工的安全，部分施工区域对地层进行了简单的加固，如局部小范围的压密注浆或者井点降水等措施；始发时在主体结构上安装钢制延长洞门，确保盾构机刀盘在刚靠近围护
9、结构时盾构机就能被延长洞门上的洞门密封装置密封，建立压力，正常掘进，泥水盾构和土压盾构全部直接切屑玻璃纤维筋桩安全的通过盾构井围护结构，成功始发；到达时同样直接掘进切削玻璃纤维筋围护桩直接通过；此种施工方法减少了地层加固费用，减少了人工洞门破除工序，降低了破除洞门时的安全风险。取得了非常好的经济、社会效益。成都地铁 1 号线试验段分别采用了泥水盾构和土压平衡盾构施工，刀盘为 6 把中心滚刀，13把双刃滚刀，16 把刮刀，64 把齿刀，均直接切削玻璃纤维筋桩围护结构成功始发。泥水盾构机在掘进玻璃纤维筋桩时由于玻璃纤维筋密度小漂浮在高浓度浆液上方堆积后堵塞了出浆泵口，前期通过人员进仓处理，后通过及
10、时、定期的泥浆泵反循环冲洗，破碎的玻璃纤维筋无法在泵口聚集，成中中中中中中中中盾构始发井中中中中中中中中中中中中 中中中中中中中中功排出。玻璃纤维筋围护结构人工挖孔桩中施工照片、被盾构机破碎后的照片见照片 18。照片照片 1 1 纤维筋围护桩的主筋纤维筋围护桩的主筋 照片照片 2 2 纤维筋围护桩的箍筋纤维筋围护桩的箍筋照片照片 3 3 玻璃纤维筋围护桩护壁玻璃纤维筋围护桩护壁 照片照片 4 4 玻璃纤维筋围护桩桩体施工玻璃纤维筋围护桩桩体施工照片照片 5 5 土压盾构切削的玻璃纤维筋碎片与渣土土压盾构切削的玻璃纤维筋碎片与渣土 照片照片 6 6 土压盾构切削的玻璃纤维筋短节土压盾构切削的玻璃
11、纤维筋短节照片照片 7 7 泥水盾构掘进切削的玻璃纤维筋碎屑泥水盾构掘进切削的玻璃纤维筋碎屑 照片照片 8 8 泥水盾构掘进切削的玻璃纤维筋短节泥水盾构掘进切削的玻璃纤维筋短节3.2 玻璃纤维筋在武汉长江隧道连续墙围护结构中的应用被誉为“万里长江第一隧”的武汉长江隧道为水下公路隧道，盾构隧道长约 2.5Km，隧道内径10m，采用 11.38m 的泥水盾构施工，盾构始发竖井围护结构采用 800mm 厚的地下连续墙；因始发时隧道埋深浅，其地下水丰富，为保证盾构始发的安全，始发考虑采用延长洞门结合直接切削临时墙法NOMST 工法，在盾构始发井连续墙盾构隧道的圆形区间范围内，采用相同直径的玻璃纤维筋等
12、量代替钢筋，玻璃纤维筋和钢筋通过绑扎连接。武汉长江隧道地下连续墙玻璃纤维筋绑扎施工见照片 9、102。（照片中白色的为玻璃纤维筋、黑色为钢筋）照片照片 9 9 玻璃纤维筋连续墙绑扎施工玻璃纤维筋连续墙绑扎施工 照片照片 1010 玻璃纤维筋连续墙准备施工玻璃纤维筋连续墙准备施工武汉长江隧道盾构机配备 39 把单刃滚刀，224 把切刀，刀盘直径 11.38 米，通过延长洞门，迅速建立压力，开始正常掘进，刀盘直接切削通过围护结构盾构隧道范围内为玻璃纤维筋，（设计为了确保施工安全，设计了端头加固） 。由于武汉长江隧道的地质以淤泥质粘土为主，盾构机配置刀具以切刀为主，而围护结构地下连续墙的混凝土标号较
13、高，为水下 C30 混凝土，导致盾构机始发时掘进通过连续墙的过程中切削混凝土非常困难，且由于混凝土和玻璃纤维筋结合非常紧密，玻璃纤维筋卡坏了部分切刀，最终只能人工破除地下连续墙。成都地铁试验段泥水盾构见照片11，武汉长江隧道盾构刀盘见照片 12。照片照片 1111 成都地铁试验段泥水盾构刀盘成都地铁试验段泥水盾构刀盘 照片照片 1212 武汉长江隧道泥水盾构刀盘武汉长江隧道泥水盾构刀盘 4 4 总结总结 虽然玻璃纤维筋的价格比钢筋贵，但是相比与减少的洞门的凿除和减少的盾构始发端头加固费用、时间，还是比较经济，而且增加了施工安全性。通过在成都地铁一号线试验段工程以及武汉长江隧道两个盾构标段的实施
14、，验证盾构井围护结构采用玻璃纤维筋代替钢筋，取消人工破除洞门，直接盾构（泥水、土压盾构均可以）掘进通过围护结构的施工是一种可以实施的、经济的、安全的施工方案，以后其他类似工程可以借鉴。但在采用玻璃纤维筋围护结构的设计、施工的过程中要注意：玻璃纤维筋与钢筋为绑扎连接，必须按照相关的规范保证足够的搭接长度，确保工程安全10；这种施工方法在盾构始发时需要根据盾构井主体配合延长洞门一起应用，效果明显；当盾构机是以刮刀为主的软土刀盘配置时，不宜采用刀具直接切削围护结构方式始发；当采用泥水盾构直接切削玻璃纤维筋时，要及时、定期的反循环冲洗出浆泵，防止掘削的玻璃纤维筋碎屑漂浮在泥浆上方聚集在出浆泵口堵塞出浆
15、泵；掘进过程中要控制好掘进参数：刀盘转速、刀盘扭矩、刀具贯入量等，确保刀具安全。照片照片 1313 成都地铁玻璃纤维筋桩配合延长洞门成都地铁玻璃纤维筋桩配合延长洞门 照片照片 1414 武汉长江隧道软土切刀被破坏武汉长江隧道软土切刀被破坏 参考文献：【1】张凤详，朱合华，傅德明盾构隧道M北京：人民交通出版社2004【2】朱继红.GFRP 筋在地下连续墙的应用C./中铁隧道股份公司首届科技论文大会论文集，2005，10. 243-247【3】周文波.盾构法隧道施工技术应用M.北京：中国建筑工业出版社，2004，11【4】GFRP 筋在盾构端头井围护桩中的应用现场试验及研究R.中铁隧集团、西南交大，2007，4【5】闫富有，金建洲，尚亚龙.GFRP 筋力学性能测试方法研究J.平顶山工学院学报.2007，05 21-25【6】郑乐怡,罗毅,黄培彦.玻璃纤维筋断裂强度的理论和实验研究J.机械强度.2004，S1.114-116【7】陈诗学.玻璃纤维筋与混凝土粘结性能耐久性短期研究D.河海大学.2007 【8】周继凯,陈诗学,陈礼和. GFRP 筋与混凝土粘结性能试验研究J.玻璃钢/复合材料.2007，01.17-19+54【9】张新越，欧进萍，王勃等. 不同种类 GFRP 筋的力学
