玻璃纤维筋在地铁盾构始发中的应用

金　鑫，　刘　军，　周　洪，　王　超

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京　100044；2.南宁轨道交通有限责任公司， 南宁　530021)



玻璃纤维筋在地铁盾构始发中的应用

金鑫1，刘军1，周洪2，王超1

(1.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京100044；2.南宁轨道交通有限责任公司， 南宁530021)

摘要：随着城市地铁盾构施工的发展，在盾构传统始发过程中，由于需要人工凿除钢筋混凝土围护结构，在安全、经济、生态等方面造成了一系列问题. 玻璃纤维筋替代钢筋，盾构可以对其直接切削，实现了盾构的无障碍始发. 以北京地铁16号线某标段为工程依托，在玻璃纤维筋的设计方面采用室内试验的方法确定其力学参数. 在现场施工方面，采用理论计算和施工经验结合的方法对关键节点进行了叙述. 盾构直接切削玻璃纤维筋围护结构，实现了盾构的无障碍始发，取得了良好的经济效益和社会效益.

关键词：盾构始发； 玻璃纤维筋； 围护结构； 经济效益； 社会效益

用纤维筋(Fiber Reinforced Polymer,FRP)替代钢筋作为混凝土的增强筋，需要将两者的基本力学性能作对比. 在杆体轴向受拉性能方面，Kocaoz[1]等发现试件破坏为纤维拉毛的脆性破坏，且符合正态分布；周洪[2]等通过对玻璃纤维筋进行普通拉伸试验，探索玻璃纤维筋在拉伸下的力学性能. 在杆体轴向受压性能方面，D. H. Deitz[3]等量测了玻璃纤维筋在轴心受压下的极限抗压强度和受压弹性模量，提出了其在轴心受压下的3种破坏形式；米向乾[4]等分析了玻璃纤维筋受压破坏机理. 关于玻璃纤维筋与混凝土黏结性能，Micelli F, Nanni A[5]等对玻璃纤维筋杆体在碱性环境下强度折减后所保留的强度以及杆体损伤和强度降低的原因进行了分析；Tighiouart[6]等发现纤维筋的抗拉强度随锚固长度的加大而靠近纤维筋的极限拉力.

基于国内外对纤维筋力学性能的研究现状，以及在传统盾构始发中由于人工凿除钢筋混凝土围护结构带来的施工风险等一系列问题，玻璃纤维筋替代钢筋作为围护结构应运而生. 该技术于2000年被首次应用于香港地铁，之后国内外地铁依此经验进行了施工设计，以实现盾构的无障碍始发[7-11].

本文针对玻璃纤维筋的力学性能进行了室内试验研究，为设计提供基本参数；以理论分析结合施工经验的方式进行施工指导；在盾构无障碍始发过程中控制好盾构参数并加强地表沉降监测，以期实现良好的经济效益与社会效益.

1工程概况

北京地铁16号线某标段由一站一区间组成，区间里程范围BK5+621.650- BK7+624.700，长2 003.050 m，单线单洞隧道. 区间隧道左、右线间距11.9～15.2 m，轨面标高为24.26～27.78 m，隧道底板标高约23.08～26.64 m，隧道底板埋深约18～20 m，覆土厚度为11.97～15.88 m，采用盾构法施工.

本次盾构始发为该标段车站右线隧道，站中里程BK5+456.000，总长284.35 m，双层双柱三跨岛式，底板埋深18.28 m，标准段明挖基坑宽度为24.9 m，东西走向，地下两层框架箱形结构，明挖顺作法施工.

2玻璃纤维筋力学性能研究及在始发洞口的使用

盾构切削混凝土配筋技术在国内地铁领域已经有了初步研究，其工程应用实例如表1所示.

参照美国混凝土委员会规范“ Guide Test Methods for Fiber Reinforced Polymer(FRPs)for Reinforcing or Strength Concrete Structures”，我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)以及行业标准《土木工程用玻璃纤维增强复合材料(GFRP)筋》，结合国内盾构可切削混凝土配筋技术与北京地铁工程现状，选取直径大小20 mm、22 mm、25 mm、28 mm的筋材进行单向拉伸试验和横向剪切试验研究. 试验构件样本如图1所示(上图为拉伸试验构件，下图为剪切试验构件)，最终确定的性能指标如表2所示.

表1　盾构可切削混凝土配筋技术的工程应用

为实现盾构无障碍始发，本标段在盾构始发进洞范围内使用了相同数量、相同直径的玻璃纤维筋围护桩替代钢筋混凝土桩，每个洞口处直接切削玻璃纤维筋桩有6根. 盾构直接切削玻璃纤维筋围护结构盾构无障碍始发示意图如图2所示，始发洞口处玻璃纤维筋布置及配筋见图3.

围护桩采用C25混凝土，受力主筋保护层为50 mm，普通纵筋接头采用搭接焊，玻璃纤维筋与普通钢筋搭接长度为2 470 mm，满足《盾构可切削混凝土配筋技术规程》(CJJ/T 192—2012)中规定的不小于同直径热轧带肋钢筋搭接长度的1.25倍，且不小于40倍的钢材直径. 玻璃纤维筋与钢筋之间的搭接采用3个钢制U形卡固定，钢筋搭接布置在盾构机刀盘外1 m以上的范围，且搭接过程中同一搭接错开50%.

表2　玻璃纤维筋力学性能指标

3基于玻璃纤维筋盾构始发前准备工作

盾构始发是指利用反力架和负环管片，将处于始发基座上拼装调试完的盾构,由始发基座推入地层，开始沿设计线路掘进的一系列施工作业过程[12].

传统盾构始发工艺流程为始发端头的土体加固、盾构始发基座的安装、盾构下井安装及调试、洞口防水密封的安装、反力设施的安装、负环管片的安装、盾构试运转和洞门破除. 采用玻璃纤维筋替代钢筋作为围护结构，免除了人工凿桩的过程，盾构可以直接切削围护结构，实现无障碍始发. 新工艺的应用，其盾构始发前的关键节点主要体现在以下几个方面：

3.1玻璃纤维筋、钢筋笼吊装方法

由于玻璃纤维筋笼的刚度较钢筋笼小很多，因此在吊装时应采用加强桁架对其进行加固. 其中，型钢桁架与底部钢筋桁架间采用销栓连接，底部钢筋笼采用纵向、横向钢筋桁架加强其刚度，中部玻璃纤维筋笼和上部的钢筋笼采用可拆卸的型钢桁架加固. 整体下放钢筋笼过程中应对准孔位，缓慢下放，尽量避免碰撞孔壁，筋笼下放过程中，拆除外侧加固的型钢，钢筋笼就位后应立即固定.

3.2盾构反力架受力计算

为使盾构顺利沿基座推进,需要对反力架进行力学验算. 采用斜撑门式反力架，材料为Q235的30#H型钢，反力架示意图见图4.

初始掘进盾构掘进推力32 000 kN，负环整环拼装，推力平分在后背左右两侧上下横梁上，每侧8 000 kN，均布在4.538 m范围内，最危险处为左侧立柱及支撑，利用Structural Mechanics Solver对其进行计算，计算模型及计算结果如图5所示.

结构最大弯矩Mmax为1 355.52 kN·m，位于下横梁与立柱支撑处. ①～④单元采用5根H钢分两排联接，经计算惯性矩I=233 306 cm4，截面积A=592 cm2，弯曲系数W=I/ymax=7 777 cm3，能承受最大弯矩Mu=σs·W=1 828 kN·m>Mmax，结构安全. 在立柱及8侧面焊筋板及端面板，端面封板采用Q235的20 mm厚钢板，立柱惯性矩为295 026 cm4，能承受最大弯矩2 311 kN·m>Mmax，安全系数为1.7.

①～⑦单元能承受最大轴力为8 460 kN，最大轴力出现在⑥单元处，为5 791.478 kN，安全系数为1.46.

结构最大挠度出现在②单元处，为7.49 mm，变形不大，结构安全.

3.3橡胶帘布的安装

盾构在直接切削玻璃纤维筋的过程中可能由于刀盘的转动对翻板造成损坏，影响密封效果. 因此该标段在洞口密封处采用折叶式密封压板，其密封原理如图6所示.

盾构初始掘进前预先将橡胶帘布用螺栓挂在洞口预埋钢环上，并用弧形钢压板将其固定，然后再在弧形钢压板外安装预制好的扇形钢板(扇形钢板为可折叠的)；当盾构机刀盘进入洞口时，调整扇形板至盾构机外壳的距离为10 mm左右，盾构机的壳体将橡胶帘布及扇型钢板顶入并向内弯曲，当盾尾钢丝刷刚进入洞口露出管片时，再调整扇形板，使其落在管片上. 待初始掘进完成后拆除橡胶帘布.

4盾构始发参数控制及地表监测

为实现盾构的无障碍始发,始发参数的选择与地表沉降监测极其重要. 通过理论计算及分析，在始发磨桩时，总推力应控制在1 600～1 800 kN，推进速度3～5 mm/min，刀盘扭矩900～1 500 kN·m，土仓压力为0；在始发掘进时，总推力应控制在10 000～12 000 kN，推进速度5～6 mm/min，刀盘扭矩1 800～2 200 kN·m，土仓压力应控制在0.08～0.09 MPa.

在始发时，鱼尾刀中心点高出刀盘面板490 mm，为使刀盘平面受力均匀，在刀盘接触到掌子面前，用水钻把盾构鱼尾刀与掌子面接触的位置凿除，同时将盾构两侧的同步注浆脊与掌子面接触的位置凿除. 另外，刀盘磨桩会产生大量热量，可以适当往刀盘前注入冷却水给刀具降温.

在盾构切削玻璃纤维筋围护结构的过程中，加强地表沉降监测，沉降监测测点布置如图7所示.

DB1～DB4断面距离盾构始发洞口的距离分别为2.6 m，7.7 m，12.2 m，18.0 m. 同一监测断面上各点距离如表3所示.

典型断面选取为左线盾构机(主体部分)盾尾通过监测断面后的地表沉降值和盾构机参数进行分析，即：DB1断面选取第10环管片拼装时的数据，DB2断面选取第14环，DB3断面选取第18环，DB4断面选取第23环. 盾构机在盾尾通过监测断面后这一位置时地表沉降较为明显，且这样可以控制盾构机与监测断面距离不同而导致的沉降差异. 地表沉降监测结果如表4与图8所示.

表4　盾构始发段地表沉降监测结果

根据实测沉降数据，由表4与图8可知，在横断面上的地表沉降变化大致满足Peck公式的要求，呈现正态分布，即在与隧道轴线垂直的平面上形成沉降槽，隧道上方沉降量大，向两侧逐渐减小. 地表沉降值最大为-2.37 mm，符合北京市地方标准《地铁工程监控量测技术规范》(DB11/490—2007)的相关要求. 并且现场发现，从刀盘开始磨桩到穿过整个

桩体，刀具几乎无损伤.

5基于玻璃纤维筋围护结构盾构始发经济效益与社会效益分析

传统盾构始发需要人工凿除钢筋混凝土围护结构,在凿除过程中,地层直接暴露，易出现涌水和塌方等工程事故[13]，例如南京地铁元通站，广州地铁赤岗塔站，北京地铁黄村站、高米店站及上海、长沙、天津等地区均有此类事故发生. 另外，人工凿桩作业环境极其艰苦，且需要对盾构范围内的钢筋进行清理，若清理不干净则会造成盾构刀盘、刀具损坏.

基于玻璃纤维筋围护结构的盾构始发，用玻璃纤维筋局部替代钢筋，免除了人工凿桩的过程，实现了盾构的无障碍始发，取得了良好的经济效益和社会效益.

以单个洞口为例，每个洞口含玻璃纤维筋围护桩6根，进行经济对比分析如表5.

表5　项目技术与常规技术经济对比分析

从表5可以发现，虽然玻璃纤维筋的造价比钢筋高，但是节省了人工凿除钢筋混凝土桩的费用，因此每个洞口实际节约投资约8万元. 同时，工期节约了7天左右，这就为项目部节约了30余万元的管理费用.

与上述直接经济效益相比，盾构无障碍始发工艺，避免了涌水和塌方等工程事故产生的间接经济效益无法估量. 涌水和塌方不仅在社会上造成恶劣影响，并可能造成巨大的经济损失、人员伤亡，还会造成社会恐慌. 为处理涌水和塌方，不仅耗费大量的人力、物力、财力，还可能会造成二次灾害，严重损坏国家利益.

社会效益，主要体现在由于不凿除钢筋混凝土结构，因此地下水、土体不会出现流失现象，对地表环境及生态不产生任何影响，利于环境、生态及资源的保护；用玻璃纤维筋替代钢筋后，减少了钢筋的用量，而玻璃纤维筋易于得到，因此对资源的节约及合理利用具有极为重要的作用. 另外项目技术工艺简单、施工速度快，因此节约了开支且降低了能源消耗.

6结论

基于玻璃纤维筋围护结构的盾构始发工艺，采用新材料、新技术，降低了安全风险，加快了施工速度，节约了工程费用，具有明显的经济效益和社会效益. 与传统始发工艺相比，新工艺具有明显的进步：

1)工艺先进、操作简单：盾构直接切削围护结构，实现了无障碍始发，降低了施工风险.

2)施工速度快：新工艺不需要人工凿桩，始发时间由原先的10天减少到1-2天.

3)前后工序衔接紧密：新工艺避免了凿桩停机过程，实现了连续掘进，利于土压快速建立.

4)安全性高：避免了人工凿桩带来的涌水和塌方等工程风险.

5)绿色施工：切割出的渣土可以与其他渣土一起运输，避免了环境污染.

基于玻璃纤维筋围护结构的盾构始发工艺的成果应用，对玻璃纤维筋混凝土在土木工程中的应用产生了深远影响，并对其他纤维材料的应用具有重要参考价值，对提高科学研究基础建设水平做出了极大的贡献.

该工艺已成功应用在了热力隧道设计与施工中，相信在不久的将来会进一步应用在电力、燃气等市政基础行业中，对北京市市政基础建设将起到极为重要的作用.

参考文献：

[1]Kocaoz S, Samaranayake V A, Nanni A. Tensile characterization of glass FRP bars[J]. Composites Part B Engineering, 2005, 36(2):127-134

[2]周洪，刘军，宋旱云. 玻璃纤维筋拉伸力学性能试验研究[J].北京建筑工程学院学报，2013，29(3)：20-23

[3]Deitz D H, Harik I E, Gesund H. Physical properties of glass fiber reinforced polymer rebars in compression[J]. Journal of Composites for Construction, 2003, 7(4):363-366

[4]米向乾. GFRP筋及GFRP筋混凝土柱受压性能研究[D]. 沈阳：沈阳建筑大学， 2012

[5]Micelli F, Nanni A. Durability of FRP rods for concrete structures[J]. Construction & Building Materials, 2004, 18(7):491-503

[6]Tighiouart B, Benmokrane B, Gao D. Investigation of bond in concrete member with fibre reinforced polymer (FRP) bars[J]. Construction & Building Materials, 1998, 12(8):453-462

[7]宋旱云,刘军,周洪.玻璃纤维筋在地铁盾构施工中的应用[J]. 北京建筑工程学院学报, 2014, 30(2): 32-36

[8]蒋华,刘军,原海军, 等. 盾构始发中的玻璃纤维筋应用研究[J]. 市政技术, 2014, 32(6): 79-82

[9]Flint G R, Elliott I H, Foreman W, et al. Collection system-tunnels[J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineers Civil Engineering, 1993, 97(1):18-33

[10]Taerwe L. Use of fibre reinforced polymers (FRP) in concrete structures: a critical appraisal[M].Massivbau in ganzerBreite. Springer Berlin Heidelberg, 2005:161-174

[11]Tarua A, James A. Cross city’s driven tunnel design[J]. Tunnels &Tunnelling International, 2004:36

[12]江玉生，王春河，江华，等.盾构始发与到达: 端头加固理论研究与工程实践[M]. 北京：人民交通出版社, 2011:172-212

[13]刘军, 原海军, 李京凡, 等. 玻璃纤维筋在盾构工程中的研究与应用[J]. 都市快轨交通, 2014 (1): 81-85

[责任编辑：佟启巾]

Application of GFRP Bars in the Subway Shield-Driven

Jin Xin1,Liu Jun1,Zhou Hong2,Wang Chao1

(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.Nanning Rail Transit Group Co., LTD, Nanning 530021)

Abstract:With the development of city construction, the metro shield project is increasing.Conventionally, due to the needs to engrave the retaining structure of reinforced concrete in the process of shield-driven, it may cause a series of problems in safety, economy, ecology and other aspects. Shield can cut the retaining pile using glass fiber reinforced polymer to replace fixture, which implement barrier-free originating of shield. Based on a bid-section of Beijing metro line 16 the mechanical parameters of glass fiber reinforced polymer for design are determined by using laboratory test method and the method combined with theoretical calculation and construction experience is adoped in the key nodes of site construction. The technology of originating construction for shield tunnel based on retaining structure with glass fiber reinforced polymer acquires favourable economic and social benefits in practical application.

Key words:shield-driven; glass fiber reinforced polymer; enclosure structure; economic benefit; social benefit

中图分类号：TU741.1

文献标志码：A

作者简介：金鑫(1991—)，男，硕士研究生，研究方向：遂道与地下工程.

基金项目：北京市属高等学校创新团队建设与教师职业发展计划项目(IDHT20130512)

收稿日期：2015-10-29

文章编号：1004-6011(2016)01-0052-07