玻璃纤维筋在地下输水工程竖井连续墙中的应用

罗元开，杨永民，刘晓飞，李海波

（1、广东水电二局股份有限公司 广州510650；2、仲恺农业工程学院 广州510225；3、广东辉固材料科技有限公司 广州511458）

关键字：地下输水工程；盾构始发；竖井连续墙；玻璃纤维筋；工程应用

0 引言

城市的发展促进人们对地下空间进行开发和利用，在地下工程中，盾构法在我国已经得以普遍应用，在大量的城市地铁、城际轨道交通、综合管廊、输水隧道建设中得以工程实践［1-4］。在盾构施工过程中，盾构始发到达技术是盾构施工的关键工序和施工难题［5，6］。传统盾构施工中，钢筋混凝土或钢材形成地下连续墙常用于盾构始发或到达竖井的施工过程中，但是该类连续墙在盾构始发或达到时，盾构刀盘直接掘削进洞或出洞施工作业很难，甚至根本无法直接完成，若人工破除该处部位的连续墙，工人作业环境极其艰苦，在连续墙中钢筋切除及混凝土破除过程中，易暴露土体并出现塌方，并导致竖井周围的地表下沉，影响周边建筑物的安全，盾构范围内钢筋残余也会造成盾构刀盘的损伤，甚至导致盾构机盾体扭转及管片扭转偏位。有的工程为了施工安全，用注浆或其他施工作业方法在盾构始发及到达工序前对井壁背后土体进行加固，若加固土体强度太高，增加造价，盾构切削困难；而加固土体强度低则后继施工不安全，会引发盾构始发、到达作业时出现土体沉降或涌水等安全事故［7，8］。在国内地下工程施工过程中，均有此类事故发生。

基于以上情况，在地下工程施工过程中的盾构始发或到达工序中，迫切寻求一种适合盾构施工特点，低成本且不影响施工工期，施工过程安全可靠的施工工艺。为此，国内在地下工程施工过程中，盾构施工的盾构始发及到达工序中陆续采用盾构直接掘削新型材料墙体的方法（Novel Material Shield Cut-table Tunnel Wall System），即用FRP 筋（包括碳纤维筋、玄武岩纤维筋和玻璃纤维筋）代替钢筋直接形成地下连续墙体［9-13］。基于玻璃纤维筋低剪切模量围护结构的盾构始发及到达，用玻璃纤维筋局部替代钢筋，免除了人工破除洞门的过程，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。玻璃纤维筋凭借其质轻、易切割、抗拉强度高、剪切模量低、混凝土结合力强以及施工方便等优势，目前在城市轨道交通、城际轨道交通、综合管廊、高速公路、桥梁码头、水利工程以及地下工程中得以工程实践。

1 玻璃纤维筋物理性能及优势

玻璃纤维筋是由增强玻璃纤维材料和基体树脂材料按照一定的比例混合，并经过拉挤成型固化工艺复合形成的高性能新型材料，如图1 所示。由于玻璃纤维的生产工艺成熟，池窑形成捻丝股数多，用来制备玻璃纤维筋材料最为稳定且经济性能好，为此，玻璃纤维筋被广泛认为是一种潜在替代钢筋，可以广泛应用于钢筋混凝土中的新兴材料。

早在1942 年玻璃纤维筋由美国橡胶公司研制成功，于1970年在欧洲首先将玻璃纤维筋筋应用于混凝土结构中。玻璃纤维筋具有以下特点：①密度小。密度在2.0～2.2 g/cm3，大约是钢筋密度（7.9 g/cm3）的1/4。②极限抗拉强度高。极限抗拉强度可以达到1 000 MPa 以上，工程用玻璃纤维筋的抗拉强度通常为600～800 MPa，大约为钢筋的2 倍，可以接近钢绞线的抗拉强度。③玻璃纤维筋的热膨胀系数为（0.8～1.2）×10-5左右，与混凝土的接近。当周围环境温度变化时，变形和混凝土同步，不会因产生较大的温度应力破坏玻璃纤维筋与混凝土之间的粘结，保证筋与混凝土之间的协同工作。④耐腐蚀性能好。玻璃纤维筋非常适合于作为钢筋的替代材料，应用于水利工程、桥梁、码头等潮湿环境或其他侵蚀性环境中。⑤抗剪强度较低，普通的玻璃纤维筋的抗剪强度仅有120～150 MPa，使得其具有优良的切割性，很容易被盾构机的刀具切割、磨削破碎。

图1 玻璃纤维筋Fig.1 Glass Fiber Reinforcement Bar

1.1 玻璃纤维筋的物理力学性能

玻璃纤维筋的抗拉强度比钢筋的高，其强度是钢筋强度的数倍，与高强钢丝或钢绞线相近。玻璃纤维筋材料由于玻璃纤维与基底材料的不同，其力学性能差别也很大，鉴于地下输水工程为重点工程项目，且连续墙埋深达77.98 m，单幅地下连续墙钢筋笼重量约80 t，为此，选用上等的玻璃纤维捻丝和高耐腐蚀的环氧树脂材料，保证工程的整体质量和安全。

本文分别统计了广东省部分水利工程2007～2019年的钢筋检测数据（样本数量为2 856组）以及所在玻璃纤维筋生产基地近2年的出厂检验数据及工程检测数据（出厂检验数据样本数量46 组，工程检测数据21组），统计结果见表1。

表1 玻璃纤维筋与钢筋性能指标对比Tab.1 Comparison of Performance Indexes of Glass Fiber Reinforcement and Steel Reinforcement

统计分析表明钢筋的密度波动不大，基本为7.85 g/cm3左右，约为玻璃纤维筋密度的3.92 倍。玻璃纤维筋抗拉强度平均值为670 MPa，约为承重钢筋（HRB400）的极限抗拉强度（564 MPa）的1.19 倍。玻璃纤维筋具有较低的断后伸长率，平均值约为2%左右，而钢筋的伸长率高达16%以上，平均值为23%。

1.2 经济性能

根据玻璃纤维筋代替钢筋的形式，所取得的经济性能有所差异。如果按照等体积替代设计，玻璃纤维复合筋替代钢筋（如φ12 mm 复合筋可替代φ12 mm钢筋），重量约为钢筋的1/4，价格大约为钢筋的2 倍，造价会降低50%左右，具有明显的经济优势。如果按照等强度、等间距设计使用，玻璃纤维复合筋替代钢筋（如φ8 mm 复合筋可替代φ12 mm 钢筋，φ6 mm 复合筋可替代φ10 mm 钢筋或D9 mm、D10 mm 钢筋网片），且考虑重量因素，经济造价会降低65%左右，经济优势更为突出。此外，如果考虑施工过程，使用钢筋（一般采用6 m、9 m 或12 m 的长度）需要焊接，存在一定的搭接长度，至少造成6%的损耗，同时进行钢筋铺设的劳动强度大，需要的人工费用较多。综上所述，玻璃纤维筋相比钢筋而言具有明显的经济优势。

1.3 应用依据

世界各国都非常重视玻璃纤维筋应用的规范与标准方面的编制工作，日本土木学会玻璃纤维筋加固委员会首先制定了玻璃纤维筋片材的混凝土维修、加固技术草案，美国混凝土协会和欧洲相关机构也制定了有关设计指南。目前在国际上常用的规范包括ISO 10406-1-2013、ACI 440.3R-04 和CSA-S806-02-2002等。

在国内，我国陆续颁布了国家和行业标准支持玻璃纤维筋材料的推广应用，其中包括《玻璃纤维增强复合材料筋的高温耐碱性试验方法：GB/T 34551-2017》、《盾构可切削混凝土配筋技术规程：GJJ/T 192-2012》、《纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法：GB/T 30022-2013》、《玻璃纤维增强复合材筋基坑工程应用技术规范：江苏省工程建设标准DGJ32/TJ 162-2014》、《玻璃纤维增强筋支护技术规范：北京市地方标准DB11/T 1342-2016》、《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范：GB 50608-2010》、《结构工程用纤维增强复合材料筋：GB/T 26743-2011》和《土木工程用玻璃纤维增强筋：JG/T 406-2013》等多个规范。这些规范的出台，使得玻璃纤维筋在产品验收和工程验收等方面具备了条件，为其推广应用提供了有力保障。

2 玻璃纤维筋在盾构始发中的工程应用

2.1 工程概况

某地下输水工程输水线路总长度113.2 km，从珠江三角洲网河区西部的西江水系向东引水至珠江三角洲东部，主要供水目标是广州市南沙区、深圳市和东莞市的缺水地区，工程实施可有效解决受水区城市经济发展的缺水矛盾，改变广州市南沙区从北江下游沙湾水道取水及深圳市、东莞市从东江取水的单一供水格局，提高供水安全性和应急备用保障能力。其中典型标段（如图2a所示），该标段起点为佛山市顺德区杏坛镇鲤鱼洲岛上的高位水池，线路向东北布置，穿过西江左岔河道、顺德支流、广州南二环后，至杏坛镇吉佑村。其中鲤鱼洲取水口至高新沙水库段的输水干线设计输水流量为80 m³/s，输水隧洞（含盾构隧洞）、线路上的盾构井（含阀井）、交通隧洞（含盾构隧洞、钻爆隧洞）为一级建筑物。

典型标段中共含3 个竖井，如图2b 所示，分别为LG01#、LG02#和LG03#，在LG02#、LG03#工作竖井地下连续墙洞门处均存在4个盾构掘削工作面。

图2 某地下输水工程竖井连续墙工程范围及施工示意图Fig.2 Project Scope and Construction Schematic of Shaft Continuous Wall of an Underground Water Conveyance Project

2.2 工程应用过程

首先，工程根据竖井连续墙的配筋情况进行工程量的分解，形成主筋、加密筋、水平筋、竖向裄架筋、水平裄架筋、剪刀筋、燕尾筋和封口筋等的长度、形状和角度，制备成下料单。

玻璃纤维筋生产厂家按照下料单进行定制生产并提供连接的U 型卡。材料进场后制作可以反应该批材料的玻璃纤维筋检测件（如图3a 和图3b）。现场施工人员按照施工图纸进行钢筋笼的制作和绑扎（如图3c），制备完毕后编制专项的吊装方案，进行吊装入井（如图3d）。

图3 玻璃纤维筋-钢筋笼应用及施工过程Fig.3 Application and Construction Process of Glass Fiber Reinforcement-steel Reinforced Cage

某地下输水工程典型标段采用基于玻璃纤维筋低剪切模量围护结构的盾构始发或到达技术，用玻璃纤维筋局部替代钢筋，免除了人工破除盾构始发及到达洞门的过程，实现了盾构的无障碍始发，保证了施工安全和工期，取得了良好的经济和社会效益。

⑴ 施工工艺先进、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。施工速度快，新工艺不需要人工凿桩，始发时间由原先的10 d 减少到1～2 d。前后工序衔接紧密，新工艺避免了破除盾构始发及到达洞门停机过程，实现了连续掘进，利于土压快速建立。其次，安全性高，实现了绿色施工。避免了人工破除盾构始发及到达洞门带来的涌水和塌方等工程风险。切割出的渣土可以与其他渣土一起运输，避免了环境污染。

⑵具有明显的经济和社会效益。根据工程市场价格信息，本工程共使用玻璃纤维筋约40 t，按等体积取代钢筋，不考虑采用普通连续墙在盾构进出洞时破除钢筋混凝土的费用，至少节省工程投资20 万元。且采用玻璃纤维连续墙减少了破除钢筋混凝土连续墙施工时产生的涌泥、涌沙、涌水等安全风险，同时缩短了施工工期10～20 d。

3 结论

⑴玻璃纤维筋的密度约为钢筋密度的1/4，抗拉强度约为承重钢筋（HRB400）的极限抗拉强度的1.19倍，玻璃纤维筋具有较低的断后伸长率，平均值约为2%，约为钢筋伸长率的1/10。

⑵采用玻璃纤维筋代替钢筋，可等体积取代，也可以采用等强度、等间距设计使用，经济造价会降低65%左右，玻璃纤维筋具有明显的经济优势。

⑶国内外已经有玻璃纤维筋有关多个规范。这些规范的出台，使得玻璃纤维筋在产品验收和工程验收等方面具备了条件，为其推广应用提供了有力保障。

⑷在某大型的地下输水工程中采用基于玻璃纤维筋低剪切模量围护结构的盾构始发或到达技术，实现了盾构的无障碍始发及到达，至少节省工程投资20万元以上，同时缩短了施工工期10～20 d，取得了良好的经济和社会效益。