盾構井圍護結構中的玻璃纖維筋加固設計技術

黃夏寅

(深圳市市政設計研究院有限公司，廣東深圳518001)

盾構始發和接收為盾構隧道施工過程中的關鍵環節。盾構機破除圍護結構隧道洞門的傳統方法為:加固圍護結構外側一定范圍內的土體，然后將盾構穿越部分的圍護結構按井字形分成九個部分，至上而下依次用人工鑿除各部分鋼筋混凝土。當存在高地下水位、厚砂層、厚淤泥層等不利因素時，人工鑿除圍護結構風險高。一旦發生涌水、涌砂、涌泥等工程事故，將會對工程安全、人員生命造成極大威脅。

玻璃纖維筋(GFRP)是將高強玻璃纖維浸漬專用環氧樹脂基體后在光電熱一體的高速聚合裝置內受熱固化，經牽引連續拉擠成型一種新型復合材料。GFRP筋與普通鋼筋相比，其特點在于:良好的防腐性與電、磁場絕緣性;質量輕，約為鋼材的1/5～1/4;抗拉強度高于普通鋼筋;各向異性，抗剪切強度遠低于普通鋼筋，便于盾構機直接切割。GFRP筋與普通鋼筋最大的差異就是它的彈性模量小，是典型的脆性材料，應力－應變曲在斷裂前均表現出明顯的線性關系，沒有延展性或屈服點。用玻璃纖維筋代替圍護結構中需要破除的鋼筋，盾構機始發、接收時可直接切割圍護結構，既能減少盾構進出洞事故，又能提高施工效率、節省工程造價[3－5]。本文通過玻璃纖維筋在深圳地鐵11號線紅樹灣－后海區間中間風井的應用，探討了盾構井圍護結構中的玻璃纖維筋加固設計技術。

1 圍護結構中玻璃纖維筋的設計

1.1 GFRP筋配置范圍

地鐵車站、中間風井一般采用明挖法施工。當明挖結構的埋深較大且地下水位接近地面時，一般采用內支撐與地下連續墻聯合支護的圍護結構體系。內支撐主要承受地層水土壓力經連續墻傳遞而形成的支撐軸力;地下連續墻主要承受作直接用于墻體的地層水土壓力而產生的彎矩與剪力。因此，地下連續墻結構要求主筋具有高抗拉強度;通過配置拉結筋能夠滿足抗剪要求。GFRP筋的高抗拉強度的力學性能恰好滿足以上條件。所以，圍護結構的端頭墻盾構穿越區域采用GFRP筋代替普通鋼筋。

1.2 GFRP筋的配筋設計計算

由于GFRP筋的材料特性，結構破壞前沒有明顯征兆，故傳統的鋼筋混凝土結構分析、設計方法不能直接用于GFRP筋混凝土結構。GFRP筋彈性模量相對較低，故使用的安全系數都高于傳統的鋼筋混凝土結構。參照美國的＜Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars＞(Reported by ACI Committee 440)，介紹 GFRP筋的抗彎與抗剪計算。

1.2.1 玻璃纖維筋抗彎強度驗算

一般取一延米寬的地下連續墻，配置比普通鋼筋至少大一個直徑等級的GFRP筋，間距與普通鋼筋主筋相同。具體驗算步驟如下:

(1)GFRP筋的抗拉強度設計值ffu

式中ffu為GFRP筋的抗拉強度設計值;

CE為玻璃纖維筋的環境折減系數，當混凝土未在露天或土壤中時取0.8，當混凝土在露天與土壤內時取0.7;

ffu*為GFRP筋的抗拉強度值。

(2)連續墻的截面面計算高度d(保護層厚度t)

式中db為GFRP筋的主筋直徑。

(3)GFRP筋配筋率ρf

式中Af為縱向受力GFRP筋的面積;

b為連續墻的截面面計算寬度。

(4)GFRP筋拉應力值ff

式中Ef為GFRP筋彈性模量;

εcu為混凝土極限應變，為0.0033;

β1為混凝土強度影響系數:當混凝土強度不大于4000psi(1MPa=145psi)時，取 0.85;當混凝土強度大于4000psi時，強度每增加1000psi，該系數就減小0.05，但不得小于0.65;

f'c為ACI標準的圓柱體抗壓強度，與國標立方體抗壓強度的轉化公式為:f'c=0.79fcu，k。

(5)GFRP筋混凝土結構抗彎能力設計值Mn

(6)平衡應變條件下的GFRP筋配筋率ρfb

(7)強度折減系數

(8)抗彎強度檢算

當不滿足上式要求，將再選筋進行驗算，直至滿足要求。

1.2.2 玻璃纖維筋抗剪強度驗算

GFRP筋混凝土構件抗剪能力分為兩部分，混凝土部分抗剪能力與GFRP筋抗剪能力。取一延米寬的地下連續墻，配置的GFRP拉結筋的直徑與數量均不得少于普通鋼筋的拉結筋。抗剪筋豎直間距的具體驗算步驟如下:

(1)混凝土抗剪能力Vc，f

(2)GFRP抗剪筋允許剪切應力ffb

GFRP筋彎曲部分的承載力要小于直線部分。因此，GFRP筋允許剪切應力由折彎點控制。

式中db為GFRP抗剪筋直徑;

rb為GFRP抗剪筋的彎曲半徑，rb=3db;

(3)GFRP抗剪筋的設計應力ffv

(4)GFRP抗剪筋的豎直間距s

GFRP抗剪筋的豎直間距不得大于s。

(5)GFRP抗剪筋的豎直間距檢算

當不滿足上式要求，將調整GFRP拉結筋的直徑與間距再進行驗算，直至滿足要求。

2 工程設計實例

深圳地鐵11號線紅樹灣－后海區間的中間風井，位于沙河西路邊的綠化帶，向東60 m即為深圳灣水域，地下水水位高且可能存在水力聯系。風井結構沿線路方向長24 m，寬25.7 m，為地下四層結構。風井圍護結構采用1000 mm厚地下連續墻(采用C35砼)與十一道內支撐聯合支護的圍護結構體系，盾構穿越的洞門范圍內設置兩幅寬3.8 m的墻體，墻體內盾構刀盤中心對應的上下共7 m范圍布置GFRP筋。

參照國內外相關資料，該中間風井地下連續墻中的GFRP筋抗拉強度值取為620 MPa，彈性模量值取為44.8 GPa。根據該處地質水文情況，基坑周邊2 m外荷載20 kPa，荷載分項系數取恒載為1.4、活載為1.7。理正深基坑6.01計算得出的結果為效應標準值，為得出效應設計值，就要使荷載分項統一。因此，對活載進行折算:20×1.7/1.4=24.3 kPa。經過計算，得到彎矩設計值:Mu=1803.92×1.1×1.4=2778 kN·m/m，剪力設計值:Vu=1660.64×1.1×1.4=2464 kN/m(注:1.1為基坑重要性系數)。

取一延米寬連續墻考慮，根據深基坑軟件的計算結果主筋需要配置 32@100的HRB400鋼筋。中間風井埋深很大，GFRP筋按增大兩級考慮，主筋估算配置 43@100的GFRP筋。經驗算，配置 43@100的GFRP筋抗彎強度滿足。GFRP抗剪筋為地下連續墻的拉結筋水平方向按18@200配置。經驗算，抗剪筋水平間距200 mm、豎向間距100 mm滿足抗剪要求。

3 結論

本文介紹了一套圍護結構中玻璃纖維筋的加固設計方法，并在實際工程設計應用中得到了驗證。玻璃纖維筋的應用，使盾構機穿越既有的非素混凝土結構得以實現，為工程預留接口提供新的解決方案，使工程籌劃和工期安排有了更大的靈活性。當盾構隧道與明挖結構工期相沖突時，可先施工圍護結構，待盾構破除通過圍護結構之后，再開挖基坑施做主體結構。另外，采用玻璃纖維筋代替鋼筋的圍護結構盾構破除部分的鋼筋，不但節省成本、提高盾構機始發與接收的效率，而且消除了人工破除洞門的安全風險。

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

[2]曹文宏，申偉強.超大特長盾構法隧道工程設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2010:191－202

[3]蔣小銳．玻璃纖維筋在地下連續墻中的應用[J]．鐵道標準設計，2009，53(10):48－50

[4]蘇明，張宏斌.玻璃纖維筋在連續墻中的應用[J]，隧道建設，2011，31(2):73－76

[5]張恒，陳壽根，趙玉報，等.玻璃纖維筋在盾構井圍護結構中的應用研究[J]，鐵道標準設計，2011，55(3):73－76