羅元開，楊永民，劉曉飛，李海波

（1、廣東水電二局股份有限公司 廣州510650；2、仲愷農(nóng)業(yè)工程學院 廣州510225；3、廣東輝固材料科技有限公司 廣州511458）

關(guān)鍵字：地下輸水工程；盾構(gòu)始發(fā)；豎井連續(xù)墻；玻璃纖維筋；工程應(yīng)用

0 引言

城市的發(fā)展促進人們對地下空間進行開發(fā)和利用，在地下工程中，盾構(gòu)法在我國已經(jīng)得以普遍應(yīng)用，在大量的城市地鐵、城際軌道交通、綜合管廊、輸水隧道建設(shè)中得以工程實踐［1-4］。在盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)始發(fā)到達技術(shù)是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵工序和施工難題［5，6］。傳統(tǒng)盾構(gòu)施工中，鋼筋混凝土或鋼材形成地下連續(xù)墻常用于盾構(gòu)始發(fā)或到達豎井的施工過程中，但是該類連續(xù)墻在盾構(gòu)始發(fā)或達到時，盾構(gòu)刀盤直接掘削進洞或出洞施工作業(yè)很難，甚至根本無法直接完成，若人工破除該處部位的連續(xù)墻，工人作業(yè)環(huán)境極其艱苦，在連續(xù)墻中鋼筋切除及混凝土破除過程中，易暴露土體并出現(xiàn)塌方，并導致豎井周圍的地表下沉，影響周邊建筑物的安全，盾構(gòu)范圍內(nèi)鋼筋殘余也會造成盾構(gòu)刀盤的損傷，甚至導致盾構(gòu)機盾體扭轉(zhuǎn)及管片扭轉(zhuǎn)偏位。有的工程為了施工安全，用注漿或其他施工作業(yè)方法在盾構(gòu)始發(fā)及到達工序前對井壁背后土體進行加固，若加固土體強度太高，增加造價，盾構(gòu)切削困難；而加固土體強度低則后繼施工不安全，會引發(fā)盾構(gòu)始發(fā)、到達作業(yè)時出現(xiàn)土體沉降或涌水等安全事故［7，8］。在國內(nèi)地下工程施工過程中，均有此類事故發(fā)生。

基于以上情況，在地下工程施工過程中的盾構(gòu)始發(fā)或到達工序中，迫切尋求一種適合盾構(gòu)施工特點，低成本且不影響施工工期，施工過程安全可靠的施工工藝。為此，國內(nèi)在地下工程施工過程中，盾構(gòu)施工的盾構(gòu)始發(fā)及到達工序中陸續(xù)采用盾構(gòu)直接掘削新型材料墻體的方法（Novel Material Shield Cut-table Tunnel Wall System），即用FRP 筋（包括碳纖維筋、玄武巖纖維筋和玻璃纖維筋）代替鋼筋直接形成地下連續(xù)墻體［9-13］。基于玻璃纖維筋低剪切模量圍護結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)及到達，用玻璃纖維筋局部替代鋼筋，免除了人工破除洞門的過程，實現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā)，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。玻璃纖維筋憑借其質(zhì)輕、易切割、抗拉強度高、剪切模量低、混凝土結(jié)合力強以及施工方便等優(yōu)勢，目前在城市軌道交通、城際軌道交通、綜合管廊、高速公路、橋梁碼頭、水利工程以及地下工程中得以工程實踐。

1 玻璃纖維筋物理性能及優(yōu)勢

玻璃纖維筋是由增強玻璃纖維材料和基體樹脂材料按照一定的比例混合，并經(jīng)過拉擠成型固化工藝復(fù)合形成的高性能新型材料，如圖1 所示。由于玻璃纖維的生產(chǎn)工藝成熟，池窯形成捻絲股數(shù)多，用來制備玻璃纖維筋材料最為穩(wěn)定且經(jīng)濟性能好，為此，玻璃纖維筋被廣泛認為是一種潛在替代鋼筋，可以廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土中的新興材料。

早在1942 年玻璃纖維筋由美國橡膠公司研制成功，于1970年在歐洲首先將玻璃纖維筋筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)中。玻璃纖維筋具有以下特點：①密度小。密度在2.0～2.2 g/cm3，大約是鋼筋密度（7.9 g/cm3）的1/4。②極限抗拉強度高。極限抗拉強度可以達到1 000 MPa 以上，工程用玻璃纖維筋的抗拉強度通常為600～800 MPa，大約為鋼筋的2 倍，可以接近鋼絞線的抗拉強度。③玻璃纖維筋的熱膨脹系數(shù)為（0.8～1.2）×10-5左右，與混凝土的接近。當周圍環(huán)境溫度變化時，變形和混凝土同步，不會因產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力破壞玻璃纖維筋與混凝土之間的粘結(jié)，保證筋與混凝土之間的協(xié)同工作。④耐腐蝕性能好。玻璃纖維筋非常適合于作為鋼筋的替代材料，應(yīng)用于水利工程、橋梁、碼頭等潮濕環(huán)境或其他侵蝕性環(huán)境中。⑤抗剪強度較低，普通的玻璃纖維筋的抗剪強度僅有120～150 MPa，使得其具有優(yōu)良的切割性，很容易被盾構(gòu)機的刀具切割、磨削破碎。

圖1 玻璃纖維筋Fig.1 Glass Fiber Reinforcement Bar

1.1 玻璃纖維筋的物理力學性能

玻璃纖維筋的抗拉強度比鋼筋的高，其強度是鋼筋強度的數(shù)倍，與高強鋼絲或鋼絞線相近。玻璃纖維筋材料由于玻璃纖維與基底材料的不同，其力學性能差別也很大，鑒于地下輸水工程為重點工程項目，且連續(xù)墻埋深達77.98 m，單幅地下連續(xù)墻鋼筋籠重量約80 t，為此，選用上等的玻璃纖維捻絲和高耐腐蝕的環(huán)氧樹脂材料，保證工程的整體質(zhì)量和安全。

本文分別統(tǒng)計了廣東省部分水利工程2007～2019年的鋼筋檢測數(shù)據(jù)（樣本數(shù)量為2 856組）以及所在玻璃纖維筋生產(chǎn)基地近2年的出廠檢驗數(shù)據(jù)及工程檢測數(shù)據(jù)（出廠檢驗數(shù)據(jù)樣本數(shù)量46 組，工程檢測數(shù)據(jù)21組），統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 玻璃纖維筋與鋼筋性能指標對比Tab.1 Comparison of Performance Indexes of Glass Fiber Reinforcement and Steel Reinforcement

統(tǒng)計分析表明鋼筋的密度波動不大，基本為7.85 g/cm3左右，約為玻璃纖維筋密度的3.92 倍。玻璃纖維筋抗拉強度平均值為670 MPa，約為承重鋼筋（HRB400）的極限抗拉強度（564 MPa）的1.19 倍。玻璃纖維筋具有較低的斷后伸長率，平均值約為2%左右，而鋼筋的伸長率高達16%以上，平均值為23%。

1.2 經(jīng)濟性能

根據(jù)玻璃纖維筋代替鋼筋的形式，所取得的經(jīng)濟性能有所差異。如果按照等體積替代設(shè)計，玻璃纖維復(fù)合筋替代鋼筋（如φ12 mm 復(fù)合筋可替代φ12 mm鋼筋），重量約為鋼筋的1/4，價格大約為鋼筋的2 倍，造價會降低50%左右，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。如果按照等強度、等間距設(shè)計使用，玻璃纖維復(fù)合筋替代鋼筋（如φ8 mm 復(fù)合筋可替代φ12 mm 鋼筋，φ6 mm 復(fù)合筋可替代φ10 mm 鋼筋或D9 mm、D10 mm 鋼筋網(wǎng)片），且考慮重量因素，經(jīng)濟造價會降低65%左右，經(jīng)濟優(yōu)勢更為突出。此外，如果考慮施工過程，使用鋼筋（一般采用6 m、9 m 或12 m 的長度）需要焊接，存在一定的搭接長度，至少造成6%的損耗，同時進行鋼筋鋪設(shè)的勞動強度大，需要的人工費用較多。綜上所述，玻璃纖維筋相比鋼筋而言具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

1.3 應(yīng)用依據(jù)

世界各國都非常重視玻璃纖維筋應(yīng)用的規(guī)范與標準方面的編制工作，日本土木學會玻璃纖維筋加固委員會首先制定了玻璃纖維筋片材的混凝土維修、加固技術(shù)草案，美國混凝土協(xié)會和歐洲相關(guān)機構(gòu)也制定了有關(guān)設(shè)計指南。目前在國際上常用的規(guī)范包括ISO 10406-1-2013、ACI 440.3R-04 和CSA-S806-02-2002等。

在國內(nèi)，我國陸續(xù)頒布了國家和行業(yè)標準支持玻璃纖維筋材料的推廣應(yīng)用，其中包括《玻璃纖維增強復(fù)合材料筋的高溫耐堿性試驗方法：GB/T 34551-2017》、《盾構(gòu)可切削混凝土配筋技術(shù)規(guī)程：GJJ/T 192-2012》、《纖維增強復(fù)合材料筋基本力學性能試驗方法：GB/T 30022-2013》、《玻璃纖維增強復(fù)合材筋基坑工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：江蘇省工程建設(shè)標準DGJ32/TJ 162-2014》、《玻璃纖維增強筋支護技術(shù)規(guī)范：北京市地方標準DB11/T 1342-2016》、《纖維增強復(fù)合材料建設(shè)工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：GB 50608-2010》、《結(jié)構(gòu)工程用纖維增強復(fù)合材料筋：GB/T 26743-2011》和《土木工程用玻璃纖維增強筋：JG/T 406-2013》等多個規(guī)范。這些規(guī)范的出臺，使得玻璃纖維筋在產(chǎn)品驗收和工程驗收等方面具備了條件，為其推廣應(yīng)用提供了有力保障。

2 玻璃纖維筋在盾構(gòu)始發(fā)中的工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某地下輸水工程輸水線路總長度113.2 km，從珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)西部的西江水系向東引水至珠江三角洲東部，主要供水目標是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)，工程實施可有效解決受水區(qū)城市經(jīng)濟發(fā)展的缺水矛盾，改變廣州市南沙區(qū)從北江下游沙灣水道取水及深圳市、東莞市從東江取水的單一供水格局，提高供水安全性和應(yīng)急備用保障能力。其中典型標段（如圖2a所示），該標段起點為佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)鯉魚洲島上的高位水池，線路向東北布置，穿過西江左岔河道、順德支流、廣州南二環(huán)后，至杏壇鎮(zhèn)吉佑村。其中鯉魚洲取水口至高新沙水庫段的輸水干線設(shè)計輸水流量為80 m3/s，輸水隧洞（含盾構(gòu)隧洞）、線路上的盾構(gòu)井（含閥井）、交通隧洞（含盾構(gòu)隧洞、鉆爆隧洞）為一級建筑物。

典型標段中共含3 個豎井，如圖2b 所示，分別為LG01#、LG02#和LG03#，在LG02#、LG03#工作豎井地下連續(xù)墻洞門處均存在4個盾構(gòu)掘削工作面。

圖2 某地下輸水工程豎井連續(xù)墻工程范圍及施工示意圖Fig.2 Project Scope and Construction Schematic of Shaft Continuous Wall of an Underground Water Conveyance Project

2.2 工程應(yīng)用過程

首先，工程根據(jù)豎井連續(xù)墻的配筋情況進行工程量的分解，形成主筋、加密筋、水平筋、豎向裄架筋、水平裄架筋、剪刀筋、燕尾筋和封口筋等的長度、形狀和角度，制備成下料單。

玻璃纖維筋生產(chǎn)廠家按照下料單進行定制生產(chǎn)并提供連接的U 型卡。材料進場后制作可以反應(yīng)該批材料的玻璃纖維筋檢測件（如圖3a 和圖3b）?，F(xiàn)場施工人員按照施工圖紙進行鋼筋籠的制作和綁扎（如圖3c），制備完畢后編制專項的吊裝方案，進行吊裝入井（如圖3d）。

圖3 玻璃纖維筋-鋼筋籠應(yīng)用及施工過程Fig.3 Application and Construction Process of Glass Fiber Reinforcement-steel Reinforced Cage

某地下輸水工程典型標段采用基于玻璃纖維筋低剪切模量圍護結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)或到達技術(shù)，用玻璃纖維筋局部替代鋼筋，免除了人工破除盾構(gòu)始發(fā)及到達洞門的過程，實現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā)，保證了施工安全和工期，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

⑴ 施工工藝先進、操作簡單。盾構(gòu)直接切削圍護結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無障礙始發(fā)，降低了施工風險。施工速度快，新工藝不需要人工鑿樁，始發(fā)時間由原先的10 d 減少到1～2 d。前后工序銜接緊密，新工藝避免了破除盾構(gòu)始發(fā)及到達洞門停機過程，實現(xiàn)了連續(xù)掘進，利于土壓快速建立。其次，安全性高，實現(xiàn)了綠色施工。避免了人工破除盾構(gòu)始發(fā)及到達洞門帶來的涌水和塌方等工程風險。切割出的渣土可以與其他渣土一起運輸，避免了環(huán)境污染。

⑵具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。根據(jù)工程市場價格信息，本工程共使用玻璃纖維筋約40 t，按等體積取代鋼筋，不考慮采用普通連續(xù)墻在盾構(gòu)進出洞時破除鋼筋混凝土的費用，至少節(jié)省工程投資20 萬元。且采用玻璃纖維連續(xù)墻減少了破除鋼筋混凝土連續(xù)墻施工時產(chǎn)生的涌泥、涌沙、涌水等安全風險，同時縮短了施工工期10～20 d。

3 結(jié)論

⑴玻璃纖維筋的密度約為鋼筋密度的1/4，抗拉強度約為承重鋼筋（HRB400）的極限抗拉強度的1.19倍，玻璃纖維筋具有較低的斷后伸長率，平均值約為2%，約為鋼筋伸長率的1/10。

⑵采用玻璃纖維筋代替鋼筋，可等體積取代，也可以采用等強度、等間距設(shè)計使用，經(jīng)濟造價會降低65%左右，玻璃纖維筋具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。

⑶國內(nèi)外已經(jīng)有玻璃纖維筋有關(guān)多個規(guī)范。這些規(guī)范的出臺，使得玻璃纖維筋在產(chǎn)品驗收和工程驗收等方面具備了條件，為其推廣應(yīng)用提供了有力保障。

⑷在某大型的地下輸水工程中采用基于玻璃纖維筋低剪切模量圍護結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)始發(fā)或到達技術(shù)，實現(xiàn)了盾構(gòu)的無障礙始發(fā)及到達，至少節(jié)省工程投資20萬元以上，同時縮短了施工工期10～20 d，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。