玻璃纤维筋在下穿地铁盾构区间基坑围护施工中的应用

张晋生　李瑞维

摘 要：杭州南站站房应急工程基坑开挖施工下穿杭州地铁5#线，地铁区间范围的基坑围护采用玻璃纤维筋钻孔桩围护结构。对玻璃纤维筋材料的性能和围护结构施工技术进行了简要介绍，以期为同类型的施工提供参考。

关键词：玻璃纤维筋；下穿地铁；围护施工；基坑

中图分类号：U455.43 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.087

1 工程概况

杭州南站站房应急工程基坑下穿杭州地铁5#线，西侧为杭甬客专正线，基坑边缘距离杭甬正线线路中心线15.25 m，基坑南北两侧为站房灰空间和雨棚施工场地，基坑东侧为杭长铺轨基地，基坑东南角有1号牵引变电站和输电线，牵引变电站距离最近的桩基施工24.6 m。如图1所示，基坑围护采用钻孔桩结合止水帷幕+SMW工法桩+混凝土内支撑+坑底加固+坑底降水疏干方案，在盾构区间范围的基坑施工中采用玻璃纤维筋钻孔桩围护结构，使后续地铁施工中盾构机能直接将围护桩切除，减少了后续的施工处理，提高了施工效率，且降低了工程成本。

图1 杭州南站站房紧急工程平面示意图

2 技术原理

玻璃纤维筋是由纵向连续的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，是一种具有抗拉强度高、抗腐蚀性能好、抗电和抗磁性能高、质量轻、热传导和电传导能力低、可切割性好的纤维复合材料。玻璃纤维筋在性能上基本与钢筋相似，与砼有很好的黏结性，和砼具有几乎相同的收缩系数，同时，又具有很高的抗拉强度和较低的抗剪强度，可被盾构机的刀盘切割、磨削破碎。因此，采用玻璃纤维筋代替普通钢筋应用于地铁盾构井围护结构中，可避免人工凿除、切割盾构范围内支护桩，能有效提高盾构进、出洞效率，降低盾构刀盘的切割损耗，不仅能提高工程的安全性，还能使经济效益达到最大化。

3 施工工艺

3.1 钻孔施工准备

钻孔施工准备工作分为以下3步：①根据现场的实际情况，钻孔前需将地面以下3 m范围内的块石、片石挖出后进行常规钻孔。为了尽量减少施工对既有线的影响，在钻机的选用上，应采用反循环回旋钻机和旋挖钻机。如果钻进过程中遇到强度较高的岩石时，则可采用冲击钻施工。②钻孔施工前，应严格按照图纸文件放样出准确的桩孔中心线，并交叉布置4根护桩，护桩应远离护筒，钻孔过程中不得破坏。在钻进过程中，应经常检查桩中心位置的偏差情况。③检查机器运行情况，按钻孔直径要求增减钻头的直径。

3.2 泥浆制备和钻孔施工

3.2.1 泥浆制备

造浆材料选用优质膨润土，如果有特殊需要，则可掺入适量Na2CO3纯碱或CMC羧基纤维素等外加剂，以满足泥浆达到沉淀极少、性能稳定、护壁效果好和成孔质量高的要求。泥浆各项指标如下所示：①黏度。一般地层的黏度为16～22 s，松散易坍地层为19～28 s。②新制泥浆含砂率。含砂率应<4%.③泥浆比重。正循环旋转钻机、冲击钻机使用管形钻头钻孔时为1.1～1.3，冲击钻机使用实心钻头钻孔时，孔底泥浆比例不宜大于1.3；大漂石、卵石层为1.4；岩石为1.2. ④胶体率。胶体率应>95%. ⑤pH值。pH值应>6.5.

3.2.2 钻机就位

钻机按要求在现场安装就位，钻机座落场地应坚固，以免在钻孔过程中产生沉降，同时，钻机顶部的起吊滑轮缘、钻孔的中心应控制在同一铅垂线上。

3.2.3 钻孔

钻孔过程分为以下3步：①孔桩钻进时，钻孔内的水位应比护筒底脚高0.5 m以上，或高于地下水位1.5～2.0 m以上；当在钻进过程中取渣或提钻时，必须及时向钻孔内补充水或泥浆，以保证孔内的水头高度、泥浆比例和黏度。②钻孔时，起、落钻头速度宜均匀，不应过猛或骤然变速，孔内出土不得堆积在钻孔周围。③孔桩钻进应保持连续，出现问题停钻后，有钻杆的钻机应将钻头提离孔底5 m以上，其他钻机应将钻头提出孔外，孔口应加护盖。钻孔过程中，必须经常检查土质情况，如果与地质剖面图比较有差异，应立即派遣主管工程师解决问题。钻至设计位置后，检验孔位、孔径、孔深和孔形等项目，并填写钻孔记录表。

3.2.4 换浆、清碴和终孔检查

换浆、清碴和终孔检查分为以下3步：①随着孔内钻碴增多，应及时清碴，出碴时可用抽碴筒抽取，并通过泥浆泵循环使碴浮起流入泥浆池沉淀。一般情况下，每钻进0.6～0.8 m清碴一次，用泥浆泵向孔内压入新鲜泥浆，同时，将孔内泥浆置换出来。孔底沉碴和泥浆流出后，在泥浆池沉淀，应经常清空泥浆池内的钻渣，以防钻渣随泥浆再次循环入孔内，影响清碴速度。当钻碴无法完全靠循环泥浆带出时，必须用抽碴筒抽出孔外。一般在密实坚硬土层，纯钻进距离应<5～10 cm/h，当松软地层纯钻进距离<15～30 cm/h时，则应抽渣。②钻孔达到图纸规定深度时，且成孔质量符合图纸要求并经监理工程师批准后，应立即清孔。清孔时，孔内水位应保持在地下水位以上1.5～2 m，以防止塌孔。钻孔桩成孔后进行二次清孔，清孔时应将附着于护筒的泥浆清洗干净，并将孔底钻碴和泥砂等沉淀物清除。③钻孔检查终孔清孔后，对孔径、孔型和倾斜度采用检孔器测定，检测结果应报监理工程师复查，钻孔应符合桥涵工程施工质量验收暂行标准中相关规定的允许偏差。

3.3 玻璃纤维笼的制作

与钢筋相同，产品进场时应核对厂家或检测机构出具的玻璃纤维筋产品合格证、质量保证书和检测报告，对品种、规格、色泽和数量进行验收。其中，当玻璃纤维筋直径d>10 mm且<22 mm时，其抗拉强度应>600 MPa，弹性模量应>40 GPa；当直径d>22 mm时，其抗拉强度应>500 MPa，弹性模量应>40 GPa。

3.3.1 钢筋笼的制作

第一步，玻璃纤维筋与普通钢筋相比，其材质软韧性较好，但不能弯曲。按照图纸要求单独加工制作，玻璃纤维筋钢筋笼单独为一节，长度约为14.1 m。大样筋下料全部提供大样图，从而使生产厂家直接制作成型。玻璃纤维筋主筋与普通钢筋主筋连接用U型卡扣，其搭接长度为≥1 m，每个接头采用不少于4个卡扣。玻璃纤维筋箍筋与加强筋连接采用扎丝绑扎。

第二步，根据大样筋图纸严格验收进场大样筋，对其尺寸严格控制，尺寸偏差过大的一律退场处理。增加纤维筋笼施工人员，合理进行各道工序的制作，保证纤维筋笼的制作进度。加工好的玻璃纤维筋钢筋笼如图2所示。

图2 加工好的玻璃纤维筋钢筋笼

现场加工注意事项有以下3点：①钢筋加工人员作业时应佩戴手套，以避免玻璃纤维筋表面纤维和锋利边缘对人体造成伤害；②为了保持材料的清洁和操作方便，不应将玻璃纤维筋直接放置在地面上，应将玻璃纤维筋放置在垫板上；③必要时，玻璃纤维筋可用电锯切割，为了保护作业人员的眼睛，应佩戴防尘面具、手套和眼镜等防护用品。

3.3.2 钢筋笼的运输和吊装

钢筋笼运输和吊装中应注意以下3点：①纤维筋材质的韧性较好，纤维筋笼起吊时骨架的自身稳定性较差，应力—应变曲线在断裂前表现出明显的线性关系，极大地影响了玻璃纤维筋笼在起吊、运输时的稳定性和抗弯、抗剪承载能力。纤维筋笼起吊时，需增加横向纤维筋桁架，并设置2道纵向钢筋桁架和2道横向钢筋桁架，以保证其起吊时自身的稳定性。②玻璃纤维筋钢筋笼吊装采用25 t汽车吊，运输采用12 m的长板车。③玻璃纤维筋的运输、存储注意事项。由于高温、紫外线和化学物质可能会对玻璃纤维筋造成损害，因此，应尽量使材料远离上述环境，避免暴晒；玻璃纤维筋会被一些外加剂或其他物质污染，影响其与混凝土的黏结效果，因此，在使用前，操作人员应用溶剂将这些污染物质擦拭干净；玻璃纤维筋装卸和运输过程中应轻拿轻放，不应抛掷或被撞击。

3.4 钢筋笼的连接

受力主筋间玻璃纤维筋与钢筋之间的连接采用钢制U型卡扣连接，U型卡扣应与主筋直径相适应，钢筋贴于U形扣内侧，如图3所示，玻璃纤维筋贴于外侧，每根筋材连接端的U型卡数量不得少于2个，且搭接长度不应<1 m。其余部位间的玻璃纤维筋与钢筋、玻璃纤维筋与玻璃纤维筋之间的连接可采用铁丝绑扎，且绑扎牢固。

3.5 灌注水下混凝土

灌注水下混凝土时应注意以下2点：①作为确保成桩质量的关键工序，应在混凝土灌注前做好一切准备，保障连续、紧凑的砼灌注。灌注前，应居中安装导管入孔，将导管底控制在距孔底20 cm左右，导管连接要平直、可靠和密封性好。导管在灌注过程中需埋在混凝土中，深度保持在2～4 m，严禁将导管提出砼面。②当桩头混凝土的强度达到设计强度的25%时，立刻将钢护筒拔出，采用风镐将桩头多余的混凝土凿除。

3.6 其他操作要点

其他操作要点有以下4点：①玻璃纤维筋应作为架立筋使用，不应作为受压筋使用。玻璃纤维筋不宜用作受压筋，但可作为架立筋。玻璃纤维筋表面必须缠绕成型，以增强玻璃纤维筋与混凝土之间的握裹力，并采用喷砂，以保证与混凝土的有效黏结，缠绕深度应≤1 mm，以保证不减少玻璃纤维筋的有效面积。②由于玻璃纤维筋的弹性模量和延性较低，且抗剪性能较差，玻璃纤维筋笼体起吊过程中最大风险为在起吊过程中部分玻璃纤维筋发生受力不均而折断。如果在起吊过程中发生折断现象，则立即采用富余的玻璃纤维筋，根据折断长度搭接加固，然后下设。③不得使用表面有裂纹、结疤和纤维露出的玻璃纤维筋；玻璃纤维含量必须控制在70%～80%，且保证玻璃纤维筋必须为无碱玻璃纤维粗纱；玻璃纤维中的树脂必须为环氧树脂。④玻璃纤维筋的各项力学性能和尺寸偏差必须满足表1中的标准。

表1 玻璃纤维筋各项指标参数

GFRP筋 抗剪强

度Fv 抗拉强

度Ff 弹性模

量E 纤维含

量/% 长度偏

差/mm 直径偏

差/mm

≥150 MPa ≥600 MPa ≥45 GPa 70～80 ±10 ±0.5

4 结束语

在杭州南站应急工程基坑开挖施工中，在下穿地铁区间的区域采用了玻璃纤维筋代替普通钢筋，并将其置入作为盾构始发井的主体围护状体中，既达到了对主体结构相应的围护作用，又便于地铁施工盾构机掘进破除，为后续地铁5#线区间施工预留了通道，避免了后期对支护桩的处理，在加快了施工进度的同时，还大大减少了工程造价。该技术适用于城市中下穿地铁的基坑、隧道支护结构施工，经济效益明显。

参考文献

[1]罗毅，郑乐怡.玻璃纤维筋混凝土构件的设计原理[J].华南理工大学学报（自然科学版），2004（10）：73-77.

[2]邹永威.玻璃纤维（GFRP）筋在盾构端头井围护桩中的应用研究[J].西南交通大学，2008.

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作者简介：张晋生（1972—），男，山西太原人，毕业于西北工业大学土木工程专业，工程师。

〔编辑：张思楠〕