玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

張 恒,陳壽根,趙玉報(bào),李茂文

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)

盾構(gòu)進(jìn)出洞為盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),盾構(gòu)進(jìn)出洞前, 處理端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中鋼筋的傳統(tǒng)方法為：用注漿或臨時(shí)圍護(hù)樁等措施對(duì)井壁背后的土體進(jìn)行加固后, 在降水條件下進(jìn)行人工鑿除[1～3]。由于結(jié)構(gòu)被開(kāi)鑿破壞,結(jié)構(gòu)背后土體暴露,地下水較難控制等原因,盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)易出現(xiàn)地層土體塌方而導(dǎo)致地表下沉并危及地下管線和附近的建(構(gòu))筑物。近年來(lái),隨著大深度、大斷面化的盾構(gòu)需求迅速增加,盾構(gòu)直接掘削纖維筋混凝土工法問(wèn)世,即把盾構(gòu)要穿過(guò)的擋土墻上的相應(yīng)部位用纖維筋混凝土制作,可用一般盾構(gòu)機(jī)的切削刀具直接切削,達(dá)到盾構(gòu)機(jī)的直接進(jìn)洞、出洞[4～6]。采用GFRP(玻璃纖維)筋代替圍護(hù)墻中盾構(gòu)隧道范圍內(nèi)的鋼筋,使盾構(gòu)在進(jìn)出洞時(shí)可以直接切削圍護(hù)墻進(jìn)行掘進(jìn),這樣既可以加快施工進(jìn)度、減少施工風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)還可以降低圍護(hù)墻前地層加固范圍和降低地層與圍護(hù)墻間的止水要求,又節(jié)約投資。本文以深圳地鐵5號(hào)線隧道為依托，介紹玻璃纖維筋的材料特性、力學(xué)行為和工程實(shí)際應(yīng)用。

1 工程概況

深圳地鐵5號(hào)線大學(xué)城站盾構(gòu)井連續(xù)墻設(shè)計(jì)中應(yīng)用玻璃纖維筋,車站為地下二層3跨箱形結(jié)構(gòu),圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚的地下連續(xù)墻+鋼管內(nèi)支撐體系。在盾構(gòu)井段設(shè)置2幅玻璃纖維筋連續(xù)墻,每幅寬3.5 m。為了減少玻璃纖維筋的用量,只將玻璃纖維筋布置在正對(duì)盾構(gòu)刀盤中心上下左右7.0 m×7.0 m范圍內(nèi),盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)平面及剖面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)井結(jié)構(gòu)(單位：mm)

擬建工程場(chǎng)地地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為燕山期、加里東期花崗巖巖漿侵入作用,花崗巖在風(fēng)化作用下形成殘積層,山間洼地段沖洪積沉積的粉質(zhì)黏土及砂層,地表為人工素填土,道路表層為混凝土路面,地面高程14～17.2 m。車站所處地層從上至下依次為：素填土(3.0～3.8 m厚)、淤泥質(zhì)黏土(0～5.5 m厚)、礫質(zhì)黏性土(4.5～9.4 m)、全風(fēng)化花崗巖(1.4～4.6 m厚)、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖(2～2.8 m厚),底板大部分處于全風(fēng)化花崗巖局部處于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

2 玻璃纖維筋的特性

玻璃纖維筋(GFRP)是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料,以合成樹(shù)酯及輔助劑等為基體材料,在光電熱一體的高速聚合裝置內(nèi)受熱固化,經(jīng)拉擠牽引成型的一種新型復(fù)合材料。與普通鋼筋相比有如下特點(diǎn):(1)比鋼筋抗拉強(qiáng)度高；(2)剪切強(qiáng)度主要取決于樹(shù)酯性能,其剪切強(qiáng)度往往很低；(3)抗拉彈性模量遠(yuǎn)低于鋼筋,一般為40～55 GPa,約為鋼筋的1/4,抗壓彈性模量小于抗拉彈性模量；(4)玻璃纖維筋是由玻璃纖維絲與樹(shù)酯材料組成的復(fù)合材料,具有良好的電、磁絕緣性,不會(huì)影響磁場(chǎng)及電磁波,極適合需考慮電、磁影響而不能使用鋼筋混凝土構(gòu)件的情況；(5)對(duì)氯離子及其他化學(xué)腐蝕具有很好抵抗能力；(6)具有優(yōu)良的抗徐變性能；(7)有良好的抗疲勞性能；(8)質(zhì)量輕,僅為鋼筋的1/4,有利于運(yùn)輸和安裝；(9)熱穩(wěn)定性較差。由于該材料具有許多優(yōu)異的性能,再加上橋梁、近海建筑物、臨水設(shè)施、土工加筋材料的日益增加,纖維筋及其增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)將得到更廣泛的應(yīng)用[9]。玻璃纖維筋與普通鋼筋的物理力學(xué)性能見(jiàn)表1。

GFRP筋受拉時(shí)為脆性破壞,可達(dá)到極限強(qiáng)度而不出現(xiàn)任何屈服現(xiàn)象。GFRP筋的拉伸強(qiáng)度隨直徑而變,直徑大的GFRP筋的強(qiáng)度和效率低。表2列出不同直徑GFRP筋(長(zhǎng)度不大于6 m)的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。

表1 玻璃纖維筋與普通鋼筋的力學(xué)性能

表2 不同直徑GFRP復(fù)合材料筋的拉伸強(qiáng)度

3 玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

3.1 玻璃纖維筋配筋設(shè)計(jì)

在玻璃纖維筋配筋設(shè)計(jì)中需要對(duì)以下項(xiàng)目計(jì)算或檢算：連續(xù)墻抗彎承載力計(jì)算、抗剪承載力計(jì)算。盾構(gòu)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算根據(jù)該處地質(zhì)水文情況及基坑周邊超載等,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移包絡(luò)圖如圖2所示[7]。其中，彎矩設(shè)計(jì)值M=1 029.32×1.1×1.35=1 528.5 kN·m/m；剪力設(shè)計(jì)值V=646.41×1.1×1.35=959.9 kN/m。

圖2 內(nèi)力、位移包絡(luò)圖

盾構(gòu)端頭墻周邊采用3排鋼格柵,墻體使用玻璃纖維筋,主筋之間及主筋和箍筋之間均采用綁扎連接,搭接長(zhǎng)度是普通鋼筋搭接長(zhǎng)度的1.3倍。全斷面設(shè)置單層玻璃纖維筋網(wǎng),初噴40 mm混凝土后,掛φ6 mm玻璃纖維筋網(wǎng)。端頭處玻璃纖維筋格柵間距300 mm,噴800 mm厚的C20混凝土,保護(hù)層厚度為40 mm。然后在玻璃纖維筋格柵噴射完的混凝土后面,設(shè)置一道混凝土環(huán)梁,環(huán)梁鋼筋與礦山法隧道初支鋼格柵焊接。玻璃纖維格柵平面和配筋分別如圖3所示。

3.2 盾構(gòu)施工時(shí)玻璃纖維格柵的力學(xué)行為

無(wú)需對(duì)端頭墻進(jìn)行人工破除,盾構(gòu)機(jī)降低掘進(jìn)速度直接推進(jìn),當(dāng)盾構(gòu)機(jī)剛頂進(jìn)至端頭墻時(shí),端頭墻表面產(chǎn)生了較大的裂縫,其內(nèi)部也產(chǎn)生一些貫通裂縫,但并未出現(xiàn)坍塌的情況。隨著推進(jìn)的不斷深入,盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始擠壓和切削端頭墻,首先出現(xiàn)端頭墻體下半部分垮塌現(xiàn)象,玻璃纖維格柵也暴露出來(lái)。這是由于上部地層經(jīng)過(guò)注漿加固,其強(qiáng)度比下部要大得多,于是強(qiáng)度較弱的下部墻體先破壞。但是玻璃纖維格柵依然保持著較好的整體性,只是直徑較小的玻璃纖維箍筋由于不能完全抵抗玻璃纖維格柵的較大變形而首先達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限,被撕裂拉斷。當(dāng)箍筋被拉裂之后,玻璃纖維格柵開(kāi)始解體,玻璃纖維筋也隨著受拉變形的逐漸增大而達(dá)到其抗拉屈服強(qiáng)度。此后,由于其抗拉強(qiáng)度不再增加,但形變急劇增大,當(dāng)達(dá)到其變形極限后發(fā)生脆斷。接著端頭墻上部墻體發(fā)生類似的力學(xué)行為。盾構(gòu)機(jī)切削端頭墻時(shí)玻璃纖維格柵力學(xué)行為如圖4所示。

從玻璃纖維筋的斷裂情況來(lái)看,可以發(fā)現(xiàn),玻璃纖維筋多數(shù)都是在周邊的位置發(fā)生斷裂的,這是由于隨著盾構(gòu)機(jī)的擠壓,玻璃纖維筋中間部位有較大的空間使其產(chǎn)生自身能夠承受的形變來(lái)釋放所受到的擠壓力,但是端頭墻周邊位置的玻璃纖維格柵,隨著盾構(gòu)的擠壓,則沒(méi)有足夠的空間去產(chǎn)生變形來(lái)釋放擠壓造成的拉力,從而在與盾構(gòu)機(jī)的刀盤接觸后的擠壓中,產(chǎn)生了脆斷。首先被拉斷的并不是主筋,而是直徑較小的玻璃纖維箍筋,因此,在配筋設(shè)計(jì)時(shí),可以考慮適當(dāng)加大箍筋的直徑,從而避免在主筋達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限時(shí),箍筋首先斷裂。盾構(gòu)機(jī)從盾構(gòu)隧道進(jìn)入礦山法施工段的整個(gè)施工過(guò)程中,盾構(gòu)段與礦山法段連接處并未出現(xiàn)垮塌,端頭墻體也未出現(xiàn)瞬間坍塌,這就證明采用玻璃纖維格柵施作端頭墻完全是可行的,不僅節(jié)省了施工的時(shí)間和成本,而且能夠保證盾構(gòu)機(jī)從盾構(gòu)段隧道進(jìn)入礦山法隧道施工所需的安全性和穩(wěn)定性,提高了施工效率。

圖3 玻璃纖維筋連續(xù)墻配筋立面(單位：mm)

圖4 盾構(gòu)切削端頭墻時(shí)玻璃纖維筋格柵力學(xué)行為

3.3 施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

從施工現(xiàn)場(chǎng)的綜合分析看,使用玻璃纖維筋成本更低,施工工序得以簡(jiǎn)化,同時(shí)大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn),提高了施工效率。但在采用玻璃纖維筋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中要注意如下問(wèn)題。

(1)這種施工方法在盾構(gòu)始發(fā)時(shí)需要根據(jù)盾構(gòu)井主體配合延長(zhǎng)洞門一起應(yīng)用,效果明顯。

(2)當(dāng)采用泥水盾構(gòu)直接切削玻璃纖維筋時(shí),要及時(shí)、定期反循環(huán)沖洗出漿泵,防止掘削的玻璃纖維筋碎屑漂浮在泥漿上方堵塞出漿泵。

(3)掘進(jìn)過(guò)程中要控制好掘進(jìn)參數(shù)，如刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、刀具貫入量等,確保刀具安全。

(4)由于GFRP筋不同于鋼筋的特性,施工時(shí)存在與鋼筋的連接及吊裝的問(wèn)題。GFRP筋無(wú)法進(jìn)行焊接,鋼筋籠垂直吊裝時(shí),連續(xù)墻GFRP筋下部鋼筋重力全部由GFRP筋與鋼筋間的連接件承擔(dān)。

(5)盾構(gòu)圍護(hù)墻設(shè)置GFRP筋的范圍除滿足設(shè)計(jì)要求外,還應(yīng)考慮到圍護(hù)墻鋼筋籠下放時(shí)的施工誤差,避免由于鋼筋籠的定位誤差導(dǎo)致盾構(gòu)無(wú)法直接切削穿過(guò)。

4 結(jié)論

以深圳地鐵5號(hào)線大學(xué)城站為工程依托,對(duì)玻璃纖維筋的材料特性、力學(xué)行為和工程實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了較深入的研究,得出如下主要結(jié)論。

(1)玻璃纖維筋混凝土構(gòu)件為脆性破壞,為此,構(gòu)件應(yīng)按超筋進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)玻璃纖維筋多數(shù)都是在端頭墻周邊的位置發(fā)生斷裂的,且先被拉斷的并不是主筋,而是直徑較小的玻璃纖維箍筋,因此,在配筋設(shè)計(jì)時(shí),可以考慮適當(dāng)加大箍筋的直徑,從而避免在主筋未達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限時(shí),箍筋首先斷裂。

(3)采用玻璃纖維筋代替盾構(gòu)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的鋼筋不但可以減少盾構(gòu)進(jìn)出洞事故,提高施工效率,而且還可以減少端頭井地層加固費(fèi)用,具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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