玻璃纖維筋在百米級地下連續墻中的應用

鄒 銘

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

為解決傳統盾構穿越鋼筋混凝土地下連續墻時，采用人工鑿除的方法，在超深覆土盾構隧道施工過程中操作難度大，且易造成盾構進出洞作業易出現洞口土體坍塌及涌水事故這一工程難題，國內外采用玻璃纖維筋（GFRP）對盾構穿越區域內地下連續墻鋼筋進行替換的辦法，利用玻璃纖維筋抗拉強度高，但抗剪強度低的特點，使得盾構機能夠直接切削地下連續墻掘進。一方面保證了地下連續墻的受力性能；另一方面又避免了破洞作業，減少了施工風險。

該方法在國內已有較多的成功案例，其中，韓建[1]介紹了天津地鐵5號線盾構全斷面穿越玻璃纖維筋地下連續墻的施工案例，于學義[2]介紹了玻璃纖維筋在深圳地鐵崗廈北站及市民中心站地下連續墻施工中的應用，朱繼紅[3]介紹了玻璃纖維筋在武漢長江隧道江南豎井地下連續墻施工中的成功經驗。本文在國內外已有研究的基礎上，以百米級地下連續墻運用玻璃纖維筋制作鋼筋籠為案例，總結了相關經驗，以期為今后同類型工程提供一定的借鑒。

1 工程概況

蘇州河深隧主隧道工程試驗段云嶺西項目位于上海市普陀區蘇州河北岸，該項目為大直徑的盾構過路井，采用厚1.0 m、深105 m的地下連續墻作為圍護結構。盾構在施工過程中將由項目西南側進洞，東南側出洞。為此，需分別對本工程東、西兩端部分穿越處地下連續墻進行特殊處理。

盾構中心深度約為－43.74 m，盾構外徑5.85 m，盾構穿越區域東、西兩側各有4幅，共計8幅深105 m地下連續墻需采用局部玻璃纖維筋設計，以方便盾構機穿越?？紤]到盾構機掘進過程中產生的偏差和作業面需求，玻璃纖維筋的設計范圍為盾構中心上、下各6.90 m深度，即深度在－50.64～－36.84 m，采用玻璃纖維筋作地下連續墻鋼筋籠，如圖1所示。

圖1 盾構穿越區域剖面示意

2 技術方案

2.1 設計概況

根據設計要求，本工程含玻璃纖維筋的鋼筋籠頂籠長度29.99 m范圍內全部為普通鋼筋；中籠長37.80 m，上、下分別為12.00 m的普通鋼筋和中部為17.00 m的玻璃纖維筋，設計搭接長度1.60 m；底籠長度39.26 m范圍內全部為普通鋼筋。

玻璃纖維筋采用如下規格：縱向主筋采用G28，縱向桁架采用G32，封口筋與分布筋采用G16，導向筋采用G20，橫向桁架采用G32，拉筋采用G16。

2.2 進場驗收

本工程玻璃纖維筋均按照設計圖紙標明的規格、尺寸和形狀在工廠內加工制作定形，并留足設計要求的搭接長度。玻璃纖維縱向主筋最大長度為17.00 m，加工制作為單個整根，其余異形玻璃纖維筋均采用定形化加工成形。

材料進場前，首先檢查玻璃纖維筋是否具有產品合格證，并對其外觀進行檢查，要求玻璃纖維筋的形狀為螺紋形式，螺紋桿體表面質地均勻，無氣泡和裂紋，其螺紋牙形、牙距整齊，無肉眼可見的損傷。同時，還應對照設計大樣圖逐一核查各定形纖維筋的尺寸，檢查合格后方可接收，并盡快組織見證取樣送檢，待檢測試驗合格后投入使用。

2.3 鋼筋籠綁扎

玻璃纖維縱向主筋與普通鋼筋設計搭接長度為1.60 m，采用U形卡扣加固，加固間距為300 mm，U形卡扣應與主筋直徑相適應，搭接的鋼筋貼于U形卡扣內側，玻璃纖維筋貼于外側。鋼筋與玻璃纖維筋大樣如圖2所示。

圖2 鋼筋與玻璃纖維筋搭接大樣

除主筋與主筋之間的連接外，玻璃纖維筋縱向桁架、橫向桁架分別與玻璃纖維縱向主筋和分布筋采用鉛絲綁扎，封口玻璃纖維筋與分布玻璃纖維筋，以及其余部位玻璃纖維筋也均采用鉛絲綁扎，所有鉛絲綁扎效果應牢固可靠。

2.4 鋼筋籠加固

玻璃纖維筋與普通鋼筋相比，其最大的區別在于彈性模量較小，屬于典型的脆性材料。這一特性很大程度上影響了玻璃纖維筋鋼筋籠起吊時的穩定性。本工程整籠采用分節吊裝，但對涉及玻璃纖維筋的中節籠采用整體一次吊裝的方案，故需對玻璃纖維筋范圍內的鋼筋籠采取加固處理，具體措施如下：

1）玻璃纖維筋范圍內，根據原有吊裝方案設置的橫、縱向桁架全部替換為玻璃纖維筋。

2）將上節普通鋼筋籠4道縱向鋼筋桁架延長至玻璃纖維筋籠底。

3）玻璃纖維筋段范圍內，原橫向桁架均采用玻璃纖維筋，除此以外，每2 m增加G32鋼筋橫向桁架。

4）玻璃纖維筋范圍內，縱向桁架和橫向桁架與加固桁架錯開。

2.5 鋼筋籠吊裝

在鋼筋籠制作加工前，采用有限元分析軟件Midas Civil對鋼筋籠在起吊過程中的整體穩定性進行驗算（圖3），以此了解其受力和變形情況。

圖3 玻璃纖維筋鋼筋籠變形

有限元模型中所有單元均采用兩節點的梁單元形式，為了近似于現場的實際吊裝情況，計算時，內邊界采用各單元之間為剛接的形式，外邊界采用鉸接形式。以數值模擬結果為指導，對鋼筋籠吊點布置進行優化。

2.6 增加桁架割除

為保證盾構機順利穿越玻璃纖維筋范圍內地下連續墻，對于增加的4道縱向鋼桁架和橫向桁架，應當在鋼筋籠下放入槽過程中及時割除。通過在鋼筋籠入槽過程中設置臨時擱置點，施工現場手工用氧氣乙炔分段割除縱橫向鋼桁架。

由于玻璃纖維筋受熱超過190 ℃后，其力學性能將無法恢復，為避免割除鋼桁架時破壞玻璃纖維筋結構，對鋼桁架附近玻璃纖維筋均采用石棉布包裹保護。

3 施工控制要點

3.1 進場驗收

玻璃纖維筋自身材料質量是影響鋼筋籠制作質量的決定性因素，其進場驗收過程需格外重視，對以下環節應做到重點監控[4]。

1）玻璃纖維筋進場前，應檢查其產品合格證，同時對照設計大樣圖嚴格檢查各類成形纖維筋尺寸，驗收合格后方可卸車。

2）玻璃纖維筋場內運輸和裝卸過程中應全程輕拿輕放，不應進行拋擲和撞擊。

3）玻璃纖維筋應水平放置，露天堆放時應覆蓋保護，避免暴曬，底部做墊高處理，桿體端部不應沾染油污。

4）針對玻璃纖維筋的進場驗收及存放，應編制專門的技術交底，并在實施過程中認真執行。

3.2 鋼筋籠制作

1）U形卡扣連接控制要點：實際施工過程中，在玻璃纖維筋鋼筋籠卡扣連接接頭完成后，根據現場需要做1道報驗工序，待驗收合格后方可進入下一道工序的制作。對于接頭的驗收應嚴格按照施工圖紙進行檢查，主要檢查其搭接長度是否達到設計要求的1 600 mm，卡扣的數量是否滿足每個接頭5個卡扣的規定，以及卡扣的旋緊程度是否滿足要求。

2）鋼筋籠穩定性控制要點：針對玻璃纖維筋材質韌性較好，但玻璃纖維筋鋼筋籠起吊時骨架的自身穩定性較差，容易出現散籠等問題，在實際施工過程中應嚴格按照圖紙，采取增加構造桁架的措施，以達到增加玻璃纖維筋鋼筋籠剛度的效果，來保證鋼筋籠起吊過程中的穩定性。

3.3 吊裝入槽

玻璃纖維筋鋼筋籠能否順利吊裝入槽是工程實施的關鍵，吊裝作業過程中應重點關注以下環節。

1）吊裝前，按鋼筋籠質量驗收標準對鋼筋籠加工質量進行仔細檢查，驗收合格后的鋼筋籠方可進行吊裝。

2）起吊時選擇具有豐富經驗的吊車司機及指揮人員，采用專人指揮。

3）吊裝時吊鉤與鋼筋籠的連接需安全可靠，禁止鋼筋籠長時間停滯在空中。

4）雙機抬吊時，要統一指揮，2臺吊車之間互相密切配合。在起吊過程中，2臺吊車的吊鉤滑車組均應保持垂直狀態，防止因斜吊造成超負荷。

5）起吊過程中禁止將鋼筋籠在地面上拖拉，以防造成鋼筋籠彎曲變形。

6）吊車吊起鋼筋籠時，應先吊離地面300～500 mm，檢查并確認鋼筋籠穩定可靠和綁扎牢固后，方可將鋼筋籠轉至吊機的正前方，吊車移動的過程中控制鋼筋籠的擺動幅度在較小范圍內。

7）鋼筋籠起吊旋轉時，要均勻平穩，以免鋼筋籠因在空中大幅擺動而發生危險。

8）鋼筋籠入槽時，嚴禁起重臂擺動，使得鋼筋籠產生橫向晃動，嚴禁強行插放鋼筋籠入槽。

9）吊裝前應首先進行試吊，通過試吊采集數據，核實和調查加固點、吊點、吊裝程序來指導后續施工。

4 實施情況

本項目實施過程中，盾構區間范圍內總計8幅玻璃纖維筋鋼筋籠全部一次性吊裝成功，順利入槽，過程中未發生卡槽、散籠、玻璃纖維筋或鋼筋掉落現象。在玻璃纖維筋所在鋼筋籠吊裝至槽段上方后，使用水平靠尺對鋼筋籠橫縱向垂直（平整）度進行了檢驗，變形情況可控。

由現場數據統計可得，含玻璃纖維筋的鋼筋籠平均吊裝時間在8.5 h左右，較之非纖維筋類似槽段下放時間（平均7 h）上升約20%，但其縱向及橫向變形均不明顯，并不影響鋼筋籠整體下放和最終的施工質量。

5 結語

通過此次施工，對于玻璃纖維筋在地下連續墻施工中的應用，可以得到以下結論：

玻璃纖維筋為廠家定制，制作精度較高，其數量和質量易于現場進行把控。在現場操作中，由于采用綁扎和U形卡扣進行連接，減少了焊接作業量，提高了施工效率。

通過在玻璃纖維筋鋼筋籠內設置鋼筋骨架，可以通過鋼筋-玻璃纖維筋的轉換，即在下放過程中，再割除桁架，充分利用纖維筋受拉性能，減少玻璃纖維筋剪向受力。就結果而言，鋼筋籠變形較小，效果顯著，具有一定的借鑒意義。

由于玻璃纖維筋本身的特性，操作中應避免電焊及氣割，尤其在移除桁架的過程中，由于不可避免地會采用氣割作業，應格外小心。

在受力方面，玻璃纖維筋抗拉性能并不亞于常規鋼筋，但在起吊過程中由于鋼筋籠受力變化較大，應避免在吊裝時使玻璃纖維筋直接受力。

由于玻璃纖維筋鋼筋籠在下放過程中，鋼筋-玻璃纖維筋受力體系的轉換較為煩瑣，導致鋼筋籠總體吊裝時間變長。

施工前應該對現場安全管理人員進行詳細交底，玻璃纖維筋鋼筋籠的制作及現場吊裝對操作人員提出了較高要求，實施時應有管理人員在一旁監控，避免野蠻施工造成事故。

總體來講，玻璃纖維筋在本工程中運用的施工方法具有一定的實用性，施工過程較為順利。玻璃纖維筋的使用，在未來地下工程施工中，尤其是在盾構穿越段中，將具有一定的應用價值。