玻璃纖維筋在火車站改造項目中的應用研究

魏 森 黎良青 董俊杰 姚士帥 許 昌

（中國建筑第八工程局有限公司總承包公司，上海200240）

1 概述

國內軌道交通建設迅猛發展，城市化建設步伐的加快給城市交通帶來巨大壓力。盾構法是地下地鐵工程中的主要施工方法，其對周圍土體的影響較小、效率高、安全可靠；盾構機在進出地下隧道時必須穿越端頭井，為避免直接切削普通鋼筋損傷盾構機，一般需要將井壁拆除，盾構機才可出入洞口。然而井壁拆除后土層暴露容易引發管涌和流砂，破壞地下建筑物及管線。那么在不拆除井壁的條件下采用玻璃纖維筋代替井壁中普通鋼筋，能直接減少盾構進出洞發生事故的概率。

本文以嘉興火車站區域改造提升工程地鐵區間施工為背景，對玻璃纖維筋在圍護結構中的應用進行論述，總結工作流程。這將為相似情況下玻璃纖維筋在地鐵區間的推廣應用提供一定參考。

2 工程概況

嘉興火車站區域改造提升工程是嘉興市迎接建黨100 周年，重走一大路活動的主活動場，也是嘉興市重大工程，且整個工程體量大、涉及面廣、工況復雜、時間緊、任務重，同時還面臨管線遷改量大分散、交通多次道改挑戰，各種不確定因素比較多，對管理精細化程度提出了更高的要求，其中南廣場總占地面積約7.6 萬平方，總建筑面積約35 萬平方米（圖1）。

圖1 南廣場分區平面圖

本工程為嘉興火車站南廣場改擴建工程。擴建工程包括地鐵嘉興站結構預留工程、有軌電車嘉興站工程、嘉興站公交首未站工程、南廣場綜合體工程。

南廣場綜合體工程，包含兩層地下空間開發（局部為三層及一層），C3 地塊建有一座11 層還建塔樓，其余部分地上開發3 層商業辦公空間。南廣場地下空間主體為地下二層結構，預留地鐵車站部分局部為地下三層結構，與東西兩側社會通道連接的局部區存在大量交叉且正在運行的地下管線穿插其中。

其中地鐵嘉興站結構預留工程（圖2），位于南廣場地下空間的中南部，為標準島式車站，車站有效站臺長度140 米，車站總長約245 米，總寬度約為31 米，車站總建筑面積約為20000平方米，車站埋深約為27.5 米。車站與南廣場B1 層、B2 層地下空間合建，整體開發利用。車站為地下三層站，主要位于B2 層和B3 層，站廳設置在B2 層，站臺設置在B3 層，設備管理用房主要布置在B2 層，少量布置在B3 層。

本站為地下三層島式車站。車站與南廣場B1 層、B2 層地下空間合建，其中B1/B2 層基坑與嘉興站南廣場同步開挖，地下二層底板完成后再進行軌道交通B3 層開挖。圍護形式為地連墻+內支撐。

圖2 地下連續墻（預埋地鐵）位置平面圖

3 玻璃纖維筋的特性

20 世紀40 年代，由美國橡膠公司成功研制出玻璃纖維筋；而玻璃纖維筋（Glass Fiber Reinforced Polymer）于1940 年第一次出現在歐洲并應用于混凝土結構當中。因其自身強度高、抗腐蝕性能好且在一定的受力范圍內玻璃纖維筋的受力機理與普通鋼筋相似，目前已廣泛應用于土木工程結構設計當中代替傳統鋼筋。然而，我國目前對玻璃纖維筋的研究還處在初級階段，亟待深入了解。

GFRP 是一種多種類塑料復合材料，在專項加工場內，把纖維和樹脂兩種不同性能的組合材料通過擠壓工藝固化而成的復合材料；其中樹脂作為玻璃纖維筋的基底占其總重量的65%-75%，玻璃纖維筋是連續增強的復合材料，是主要的承力構件。在相同直徑下，玻璃纖維筋的重量是相同條件下螺紋鋼25%，但玻璃纖維筋的強度增大兩倍有余；耐腐蝕性能優越，比起普通鋼筋更適合在潮濕環境使用。玻璃纖維筋強度高、易切割的特性使其可以很好地在地鐵工程中代替普通鋼筋，一般情況下玻璃纖維筋抗剪強度抗剪強度在50MP 左右。抗剪強度低的特點賦予其優良的切割性能，盾構機刀頭可將其輕松切除且無損耗。

目前玻璃纖維筋在國內的生產工藝成熟、成本相對較低、施工周期短，安全可靠。

在一定的受力范圍內，GFRP 筋與普通鋼筋受力機理相似，其強度設計可以參照GB50010-2010《混凝土結構設計規范》的設計方法進行；圓形截面構件裂縫的發展也與矩形截面有所不同。裂縫出現后，由于圓形截面下部較小，開始發展較快。裂縫進入構件中部后，因截面加大，裂縫發展趨于平緩。當荷載接近破壞荷載時，裂縫突然向構件頂部延伸，此即為截面變化帶來的影響。圓形玻璃纖維筋在受力狀態下構件的破壞機理屬于脆性破壞，當距離中和軸最遠的筋達到極限承載力后，瞬間破壞。總之，GFRP 筋混凝土構件不具有鋼筋混凝土構件所具有的塑性鉸性質。

通常，玻璃纖維筋在支護樁需要拆除的一定高度范圍內采用，其他無需拆除段采用普通鋼筋。受力主筋間搭接采用鋼制U型卡扣連接，非受力主筋間搭接可以采用鋼絲綁扎或尼龍繩綁扎。在鋼筋籠運輸過程中，應該采取一些方便后期拆除的鋼桁架作為輔助固定。實際工程中證明，采用玻璃纖維筋代替井壁中鋼筋后由盾構機直接切削，即井壁不需要拆除。這直接減少盾構進出洞事故的概率，提高施工效率，降低土體直接暴露的風險，同時還可以減少端頭井地層加固費用。

4 GFRP 在地鐵區域端頭中的應用

4.1 地鐵端頭應用情況

地鐵端頭井支護結構采用Φ1000mm 的人工挖孔樁，間距1400mm～2400mm。盾構洞門處設置Φ1000mm 的人工玻璃纖維筋挖孔樁。樁頂設冠梁，樁間掛鋼筋網、噴射100mm～150mm 厚混凝土。盾構開挖范圍內圍護樁樁體主筋采用Φ25mm、箍筋采用Φ10mm 的玻璃纖維筋。主筋之間及主筋和箍筋之間均采用鋼絲綁扎連接，搭接長度是傳統鋼筋搭接長度1.2 倍。玻璃纖維筋支護樁樁身混凝土強度等級C35，嵌固深度為5m。玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接長度為1.1m。地平面下玻璃纖維筋鋼筋籠長度為9 米；LZI-5～11、14 共8 根立柱樁位于待建地鐵區間。

4.2 應用效果

嘉興火車站區域改造提升工程施工在端頭井部位，預留埋下8 根立柱樁。灌注樁鋼筋上部采用普通鋼筋，下部采用玻璃纖維筋。在端頭井處，即地鐵穿越洞門深入地下的范圍內使用玻璃纖維筋代替普通鋼筋。利用玻璃纖維筋本身具有強度高、抗腐蝕性能好、可設計、易加工等諸多優勢，盾構機直接切削支護樁國內外地鐵區間施工中，局部鋼筋被玻璃纖維筋替換得到了廣泛的使用。這樣盾構機可以在不影響周圍鋼筋混凝土結構的情況下在進出地鐵區間時直接切削玻璃纖維筋，伴隨著相應的技術措施，在作業過程中具備以下特點：

①立柱樁樁頂標高-2.922 米，其有效長度為17 米，樁頂冠梁為0.8 米，保護層15 公分，鋼筋總長13 米，分兩節加工。上半節為鋼筋，下半節為玻璃纖維筋；玻璃纖維屬于脆性材料，在特殊的加工廠內生產，連接點均采用鋼絲綁扎，減少鋼筋加工時間且整體鋼筋籠成型后不易銹蝕。

②可切削立柱樁內玻璃纖維筋主筋與其它鋼筋采用U 形卡扣進行連接，U 形卡扣與鋼材直徑相似且玻璃纖維筋搭接長度為40d，按照圖紙玻璃纖維筋螺旋箍筋之間間距為150mm，確保在綁扎處使用細鋼絲100%綁扎在一起，鋼絲形狀為十字形；玻璃纖維筋表面須有纏繞成型，并使用噴砂以保證與混凝土的有效粘結，纏繞深度一般不大于1mm 這樣可以最大限度增強材料之間的握裹力。

③玻璃纖維鋼筋籠在存放過程中均放置在離地30 公分的方木上，注意輕拿輕放；汽車吊使用三點法吊裝鋼筋籠。盾構在掘進過程中，接收相關參數、監測布置參考盾構井接收端設定內容。經過盾構出洞的相關參數監測，階段沉降量在4mm 之內；因此盾構在進、出洞時，可直接切削玻璃纖維筋立柱樁通過洞門，對盾構設備的性能無任何影響。

④玻璃纖維筋在施工過程中易切割，在材料送往項目前已按規格組裝，實際切割時可以使用鋼條隨意割取。盾構機在進出端頭井時，容易發生超挖及滲水，影響地下水沉降；一般實時監控，在機器行進途中做好加固且采用例如注漿法，井管降水來控制沉降。

5 結論

玻璃纖維筋在盾構區間的成功應用，尤其完成了整個區間數次始發和接收，確保了盾構機在施工的過程中的安全和進度，為其他工程提供了良好借鑒，具有較強的推廣意義。

采用玻璃纖維筋代替盾構端頭井圍護結構中的鋼筋不但可以減少盾構進出洞事故，提高施工效率，而且還可以減少端頭井地層加固費用，具有很好的應用前景和推廣價值。

采用玻璃纖維筋代替普通鋼筋不但使基坑立柱樁拆除更容易，提高了施工效率，而且還避免了潛水員水下切割不規則鋼筋帶來的危險，取得了良好的經濟效益。通過工程應用實例驗證了設計理論的適用性，可為類似工程提供經驗和依據。