玻璃纤维筋在百米级地下连续墙中的应用

邹 铭

上海市基础工程集团有限公司 上海 200433

为解决传统盾构穿越钢筋混凝土地下连续墙时，采用人工凿除的方法，在超深覆土盾构隧道施工过程中操作难度大，且易造成盾构进出洞作业易出现洞口土体坍塌及涌水事故这一工程难题，国内外采用玻璃纤维筋（GFRP）对盾构穿越区域内地下连续墙钢筋进行替换的办法，利用玻璃纤维筋抗拉强度高，但抗剪强度低的特点，使得盾构机能够直接切削地下连续墙掘进。一方面保证了地下连续墙的受力性能；另一方面又避免了破洞作业，减少了施工风险。

该方法在国内已有较多的成功案例，其中，韩建[1]介绍了天津地铁5号线盾构全断面穿越玻璃纤维筋地下连续墙的施工案例，于学义[2]介绍了玻璃纤维筋在深圳地铁岗厦北站及市民中心站地下连续墙施工中的应用，朱继红[3]介绍了玻璃纤维筋在武汉长江隧道江南竖井地下连续墙施工中的成功经验。本文在国内外已有研究的基础上，以百米级地下连续墙运用玻璃纤维筋制作钢筋笼为案例，总结了相关经验，以期为今后同类型工程提供一定的借鉴。

1 工程概况

苏州河深隧主隧道工程试验段云岭西项目位于上海市普陀区苏州河北岸，该项目为大直径的盾构过路井，采用厚1.0 m、深105 m的地下连续墙作为围护结构。盾构在施工过程中将由项目西南侧进洞，东南侧出洞。为此，需分别对本工程东、西两端部分穿越处地下连续墙进行特殊处理。

盾构中心深度约为－43.74 m，盾构外径5.85 m，盾构穿越区域东、西两侧各有4幅，共计8幅深105 m地下连续墙需采用局部玻璃纤维筋设计，以方便盾构机穿越。考虑到盾构机掘进过程中产生的偏差和作业面需求，玻璃纤维筋的设计范围为盾构中心上、下各6.90 m深度，即深度在－50.64～－36.84 m，采用玻璃纤维筋作地下连续墙钢筋笼，如图1所示。

图1 盾构穿越区域剖面示意

2 技术方案

2.1 设计概况

根据设计要求，本工程含玻璃纤维筋的钢筋笼顶笼长度29.99 m范围内全部为普通钢筋；中笼长37.80 m，上、下分别为12.00 m的普通钢筋和中部为17.00 m的玻璃纤维筋，设计搭接长度1.60 m；底笼长度39.26 m范围内全部为普通钢筋。

玻璃纤维筋采用如下规格：纵向主筋采用G28，纵向桁架采用G32，封口筋与分布筋采用G16，导向筋采用G20，横向桁架采用G32，拉筋采用G16。

2.2 进场验收

本工程玻璃纤维筋均按照设计图纸标明的规格、尺寸和形状在工厂内加工制作定形，并留足设计要求的搭接长度。玻璃纤维纵向主筋最大长度为17.00 m，加工制作为单个整根，其余异形玻璃纤维筋均采用定形化加工成形。

材料进场前，首先检查玻璃纤维筋是否具有产品合格证，并对其外观进行检查，要求玻璃纤维筋的形状为螺纹形式，螺纹杆体表面质地均匀，无气泡和裂纹，其螺纹牙形、牙距整齐，无肉眼可见的损伤。同时，还应对照设计大样图逐一核查各定形纤维筋的尺寸，检查合格后方可接收，并尽快组织见证取样送检，待检测试验合格后投入使用。

2.3 钢筋笼绑扎

玻璃纤维纵向主筋与普通钢筋设计搭接长度为1.60 m，采用U形卡扣加固，加固间距为300 mm，U形卡扣应与主筋直径相适应，搭接的钢筋贴于U形卡扣内侧，玻璃纤维筋贴于外侧。钢筋与玻璃纤维筋大样如图2所示。

图2 钢筋与玻璃纤维筋搭接大样

除主筋与主筋之间的连接外，玻璃纤维筋纵向桁架、横向桁架分别与玻璃纤维纵向主筋和分布筋采用铅丝绑扎，封口玻璃纤维筋与分布玻璃纤维筋，以及其余部位玻璃纤维筋也均采用铅丝绑扎，所有铅丝绑扎效果应牢固可靠。

2.4 钢筋笼加固

玻璃纤维筋与普通钢筋相比，其最大的区别在于弹性模量较小，属于典型的脆性材料。这一特性很大程度上影响了玻璃纤维筋钢筋笼起吊时的稳定性。本工程整笼采用分节吊装，但对涉及玻璃纤维筋的中节笼采用整体一次吊装的方案，故需对玻璃纤维筋范围内的钢筋笼采取加固处理，具体措施如下：

1）玻璃纤维筋范围内，根据原有吊装方案设置的横、纵向桁架全部替换为玻璃纤维筋。

2）将上节普通钢筋笼4道纵向钢筋桁架延长至玻璃纤维筋笼底。

3）玻璃纤维筋段范围内，原横向桁架均采用玻璃纤维筋，除此以外，每2 m增加G32钢筋横向桁架。

4）玻璃纤维筋范围内，纵向桁架和横向桁架与加固桁架错开。

2.5 钢筋笼吊装

在钢筋笼制作加工前，采用有限元分析软件Midas Civil对钢筋笼在起吊过程中的整体稳定性进行验算（图3），以此了解其受力和变形情况。

图3 玻璃纤维筋钢筋笼变形

有限元模型中所有单元均采用两节点的梁单元形式，为了近似于现场的实际吊装情况，计算时，内边界采用各单元之间为刚接的形式，外边界采用铰接形式。以数值模拟结果为指导，对钢筋笼吊点布置进行优化。

2.6 增加桁架割除

为保证盾构机顺利穿越玻璃纤维筋范围内地下连续墙，对于增加的4道纵向钢桁架和横向桁架，应当在钢筋笼下放入槽过程中及时割除。通过在钢筋笼入槽过程中设置临时搁置点，施工现场手工用氧气乙炔分段割除纵横向钢桁架。

由于玻璃纤维筋受热超过190 ℃后，其力学性能将无法恢复，为避免割除钢桁架时破坏玻璃纤维筋结构，对钢桁架附近玻璃纤维筋均采用石棉布包裹保护。

3 施工控制要点

3.1 进场验收

玻璃纤维筋自身材料质量是影响钢筋笼制作质量的决定性因素，其进场验收过程需格外重视，对以下环节应做到重点监控[4]。

1）玻璃纤维筋进场前，应检查其产品合格证，同时对照设计大样图严格检查各类成形纤维筋尺寸，验收合格后方可卸车。

2）玻璃纤维筋场内运输和装卸过程中应全程轻拿轻放，不应进行抛掷和撞击。

3）玻璃纤维筋应水平放置，露天堆放时应覆盖保护，避免暴晒，底部做垫高处理，杆体端部不应沾染油污。

4）针对玻璃纤维筋的进场验收及存放，应编制专门的技术交底，并在实施过程中认真执行。

3.2 钢筋笼制作

1）U形卡扣连接控制要点：实际施工过程中，在玻璃纤维筋钢筋笼卡扣连接接头完成后，根据现场需要做1道报验工序，待验收合格后方可进入下一道工序的制作。对于接头的验收应严格按照施工图纸进行检查，主要检查其搭接长度是否达到设计要求的1 600 mm，卡扣的数量是否满足每个接头5个卡扣的规定，以及卡扣的旋紧程度是否满足要求。

2）钢筋笼稳定性控制要点：针对玻璃纤维筋材质韧性较好，但玻璃纤维筋钢筋笼起吊时骨架的自身稳定性较差，容易出现散笼等问题，在实际施工过程中应严格按照图纸，采取增加构造桁架的措施，以达到增加玻璃纤维筋钢筋笼刚度的效果，来保证钢筋笼起吊过程中的稳定性。

3.3 吊装入槽

玻璃纤维筋钢筋笼能否顺利吊装入槽是工程实施的关键，吊装作业过程中应重点关注以下环节。

1）吊装前，按钢筋笼质量验收标准对钢筋笼加工质量进行仔细检查，验收合格后的钢筋笼方可进行吊装。

2）起吊时选择具有丰富经验的吊车司机及指挥人员，采用专人指挥。

3）吊装时吊钩与钢筋笼的连接需安全可靠，禁止钢筋笼长时间停滞在空中。

4）双机抬吊时，要统一指挥，2台吊车之间互相密切配合。在起吊过程中，2台吊车的吊钩滑车组均应保持垂直状态，防止因斜吊造成超负荷。

5）起吊过程中禁止将钢筋笼在地面上拖拉，以防造成钢筋笼弯曲变形。

6）吊车吊起钢筋笼时，应先吊离地面300～500 mm，检查并确认钢筋笼稳定可靠和绑扎牢固后，方可将钢筋笼转至吊机的正前方，吊车移动的过程中控制钢筋笼的摆动幅度在较小范围内。

7）钢筋笼起吊旋转时，要均匀平稳，以免钢筋笼因在空中大幅摆动而发生危险。

8）钢筋笼入槽时，严禁起重臂摆动，使得钢筋笼产生横向晃动，严禁强行插放钢筋笼入槽。

9）吊装前应首先进行试吊，通过试吊采集数据，核实和调查加固点、吊点、吊装程序来指导后续施工。

4 实施情况

本项目实施过程中，盾构区间范围内总计8幅玻璃纤维筋钢筋笼全部一次性吊装成功，顺利入槽，过程中未发生卡槽、散笼、玻璃纤维筋或钢筋掉落现象。在玻璃纤维筋所在钢筋笼吊装至槽段上方后，使用水平靠尺对钢筋笼横纵向垂直（平整）度进行了检验，变形情况可控。

由现场数据统计可得，含玻璃纤维筋的钢筋笼平均吊装时间在8.5 h左右，较之非纤维筋类似槽段下放时间（平均7 h）上升约20%，但其纵向及横向变形均不明显，并不影响钢筋笼整体下放和最终的施工质量。

5 结语

通过此次施工，对于玻璃纤维筋在地下连续墙施工中的应用，可以得到以下结论：

玻璃纤维筋为厂家定制，制作精度较高，其数量和质量易于现场进行把控。在现场操作中，由于采用绑扎和U形卡扣进行连接，减少了焊接作业量，提高了施工效率。

通过在玻璃纤维筋钢筋笼内设置钢筋骨架，可以通过钢筋-玻璃纤维筋的转换，即在下放过程中，再割除桁架，充分利用纤维筋受拉性能，减少玻璃纤维筋剪向受力。就结果而言，钢筋笼变形较小，效果显著，具有一定的借鉴意义。

由于玻璃纤维筋本身的特性，操作中应避免电焊及气割，尤其在移除桁架的过程中，由于不可避免地会采用气割作业，应格外小心。

在受力方面，玻璃纤维筋抗拉性能并不亚于常规钢筋，但在起吊过程中由于钢筋笼受力变化较大，应避免在吊装时使玻璃纤维筋直接受力。

由于玻璃纤维筋钢筋笼在下放过程中，钢筋-玻璃纤维筋受力体系的转换较为烦琐，导致钢筋笼总体吊装时间变长。

施工前应该对现场安全管理人员进行详细交底，玻璃纤维筋钢筋笼的制作及现场吊装对操作人员提出了较高要求，实施时应有管理人员在一旁监控，避免野蛮施工造成事故。

总体来讲，玻璃纤维筋在本工程中运用的施工方法具有一定的实用性，施工过程较为顺利。玻璃纤维筋的使用，在未来地下工程施工中，尤其是在盾构穿越段中，将具有一定的应用价值。