玻璃纤维筋在地铁围护结构施工中的应用

       玻璃纤维筋 ( glass-fiber-reinforced plastic bar，GFRP) 是由纵向连续的 E 玻璃纤维和一种热固性的聚合物树脂通过拉挤工艺和表面处理制成的杆体材料，得到的纤维聚合物表面由玻璃纤维束螺旋缠绕，并用树脂包裹，形成类似钢筋的齿，以提高与混凝土的黏结性能。与普通钢筋相比，具有质量轻、抗拉强度高、静剪切力很高但动剪切力较低、抗腐蚀性强、弹性模量低、无法进行除切割以外的现场加工( 如焊接、弯曲) 等特点。
 

      在城市地铁地下连续墙的盾构机进洞位置采用GFRP 筋代替钢筋，在盾构机进洞时可以直接切削围护墙掘进，从而避免了事前切断钢筋与凿除洞门的工作。这样不仅简化了施工工艺、加快了施工进度、减少施工风险，又减少了围护墙前地层加固范围和降低地层与围护墙间的止水要求，还节约了成本，取得一定的经济效益。
 

      深圳地铁 2 号线东延线工程土建 2224 标段位于深南大道北侧，沿市民中心站向华强路站方向，主要包括 2 座明挖车站和 3 段盾构区间，如图 1 所示。
       
 

       这 3 段盾构区间在地下连续墙的盾构机进洞位置均采用 GFRP 筋代替钢筋制作钢筋笼，在进洞时直接切削围护墙掘进。以岗厦北站为例，围护结构均采用800mm 厚的地下连续墙，标准槽宽为 6 000mm; 盾构洞口地下连续墙槽宽为 7 200mm，深 23． 83m。在盾构推进范围内( 直径 6 600mm) 的钢筋笼采用 GFRP 筋代替钢筋，始发时刀盘直接切削地下连续墙推进。
 

      岗厦北站至华强路站地下水主要表现为第四系孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于冲洪积砾砂及残积层砾( 砂) 质黏土层中。地下水埋深 1． 50～ 7． 30m，属富水性地层。 地下水对混凝土结构及钢筋混凝土中的钢筋及钢结构具弱腐蚀性。
 

      采用 GFRP 筋代替钢筋是利用其抗拉强度高、剪切强度低、脆性破坏的特点，使得盾构刀具能够轻而易举地把 GFRP 筋切成小段，经排泥管排出。因玻璃纤维筋是厂家直接一次加工成型，异型筋尺寸无法改变，要严格控制钢筋笼尺寸，特别是钢筋笼高度，允许误差为 － 10mm。GFRP 筋材料性能指标如表 1 所示。
 

      GFRP 筋是一种以合成树脂为黏结剂，复合纤维为增强材料制成的复合材料，根据其特点和施工现场、运输等条件的限制，GFRP 筋( 竖直纤维筋、架立筋、拉筋、端头筋) 均按照设计图纸的规格、形状、尺寸在工厂加工定做成型，在接头处开口，并留足设计搭接长度。玻璃纤维筋纵向与钢筋搭接长度为 1． 2m，采用 U 形卡加固，加固间距为 20cm。横向搭接长度为 1m，梅花形拉筋及绗架筋与主筋连接采用扎丝绑扎。GFRP 筋与钢筋之间及 GFRP 筋之间采用螺栓连接，GFRP 筋与钢筋连接如图 2 所示。
      

        岗厦北站围护结构地连墙在盾构洞门处采用厚800mm，槽宽为 7 200mm 的连续墙，槽深为 23． 78m; 盾构 洞 门 直 径 为 6 600mm，设 置 GFRP 筋 的 直 径 为6 800mm。地下连 续 墙 槽 段 间 接 口 处 采 用 350mm ×700mm 焊接钢。为方便吊装作业，利用两侧纵向通长工字钢作为桁架，在起吊之前再对盾构环处进行加固，加固措施为设置纵向通长钢筋桁架，上、下层 GFRP 筋间采用钢管固定，如图 3 所示。
         
 

      加固注意事项: ①测放大样，在钢筋笼加工平台上准确放出盾构切削范围，并设置明显标记，放置下部加固钢管。②按设计图纸铺设下部 GFRP 筋，用 2． 0mm镀锌铁丝绑扎，钢筋与 GFRP 筋采用螺栓连接牢固。③安装纵向钢筋桁架。④按设计图纸铺设上部 GFRP筋并绑扎，钢筋与 GFRP 筋采用螺栓连接牢固。⑤在GFRP 筋与桁架钢筋间安装钢丝绳卡 ，并用扭力扳手进行检查，扭力不小于螺栓扭矩 50N·m。⑥安装加固钢桁架，并进行检查。
 

        为保证起吊平衡，在钢筋笼的起吊面根据受力特点布置吊点，吊点位置选择在桁架主筋上; 钢筋笼的顶端对称均衡布置 2 组吊筋，吊筋与钢桁架焊接，焊接长度必须达到 10d( d 为钢筋直径) 。

      吊点位置的选择要考虑 GFRP 筋与钢筋的质量差别，必须经过准确的计算，并经试吊确认后方可正式起吊。
 

       由 1 台 55t 履带式起重机为主起重机，1 台 35t 的汽车式起重机为副起重机，采取整体吊装方案。起吊时，主钩起吊钢筋笼顶部及中上部，副钩起吊钢筋笼中下部，用多组葫芦平衡起吊，使钢筋笼逐渐起高转而垂直，慢慢地入槽，起吊期间钢筋笼不允许发生不可恢复的变形。入槽过程中，应禁止割断任何结构钢筋。
 

       钢筋笼垂直吊起后，汽车式起重机退出工作，履带式起重机吊着钢筋骨架行走就位，运至已挖好的槽口处直接下放入槽，放至 GFRP 筋及钢管加固范围时，边拆除整幅 GFRP 筋范围内加固钢桁架及钢管边下放入槽。整幅钢筋笼就位后认真校核钢筋笼人槽定位的平面位置与高程偏差，并通过调整位置与高程，使钢筋笼吊装位置符合设计要求。
 

       岗厦北站至华强路站区间包括一个轨排井，作为盾构施工的始发井及后期轨排吊装口。盾构机在穿越GFRP 筋代替普通钢筋段处，盾构机能迅速穿越。 根据此段的水文地质情况，为确保安全和施工质量盾构刀盘应配置较多的刮刀，减少滚刀数量。
 

       GFRP 筋表面很容易受到损伤，从而导致材料强度降低或材料由于碱性介质的渗入而造成耐久性降低。
 

      1) 操作工人应佩带手套，以防止 GFRP 筋表面纤维和锋利边缘造成的伤害。

      2) 不要将 GFRP 筋直接放置在地面上，为了保持材料的清洁和操作方便，应该将 GFRP 筋放置在垫板上面。

      3) 必要的时候 GFRP 筋可以用电锯来切割。 切割时应该佩带防尘面具、手套、眼镜，用以保护操作人员的眼睛。对于电锯切割后的断口，目前还没有足够的相关研究来使专家给出建议。
 

      1) 由于高温、紫外线和化学物质可能会对 GFRP造成损害，所以尽量使材料远离这样的情况。

      2) 在运输 GFRP 筋的过程中，使用横杆支撑是必要的，用以避免在吊装 GFRP 筋时造成过度弯曲。

      3) 偶然的 GFRP 筋会被一些外加剂或者其他物质造成表面污染，影响与混凝土的黏结效果，所以在使用之前，操作人员应该用溶剂将这些污染物质擦拭干净。
 

      GFRP 筋在深圳地铁岗厦北站及市民中心站地下连续墙的施工中的应用，使盾构进出洞施工时更安全，大大降低了施工风险，提高了施工效率，而且取得了很好的经济效益。据统计，本工程使用 GFRP 筋代替普通钢筋，节约资金约 67． 5 万元。玻璃纤维筋作为普通钢筋的替代品，在地铁车站、盾构井的围护结构工程施工中具有较高的推广应用价值。