刘 军 原海军 李京凡 周 洪 宋旱云

(1.北京建筑大学 北京100044;2.北京城市快轨建设管理有限公司 北京100027;3.北京市重大项目建设指挥部办公室 北京100065)

1 玻璃纤维的研究应用现状

盾构法施工一般划分为三个阶段，即盾构始发、正常掘进、盾构接收［1］。目前地铁车站或盾构井是盾构始发与接收的必要条件，而且在盾构掘进中往往要穿越已施作完毕的区间附属结构(如风道、联络通道、既有其他结构)，而这些结构一般均为钢筋混凝土材料，在盾构始发与到达及穿越前必须要破除洞口的钢筋混凝土结构，在破除过程中存在较大的施工安全风险，且工期较长。破除后的外侧地层如直接暴露，则易出现涌水和坍方，造成周围地层沉降甚至塌方，进而造成盾构无法正常始发与接收等。例如，南京地铁元通站，2007年工人在割除洞口处支护结构钢筋时，土体突然坍塌，发生涌水涌砂现象，造成地面严重变形塌陷，塌陷长度达150 m;广州地铁赤岗塔站，始发端头加固采用C15素混凝土地下连续墙，2008年在凿除洞口处的灌注桩时发生涌水涌砂，洞口土体坍塌，水与砂涌入盾构端头井，水位达到齐腰，所幸无人员伤亡;北京地铁黄村站，盾构端头井未加固，2009年在盾构到达洞口前，土体突然从桩间喷涌而出，造成地表塌陷，并使端头处污水管线爆裂，造成很大损失;北京地铁高米店南站，盾构端头井采用旋喷桩加固，2009年洞口在凿除支护桩时，支护桩突然倒塌，造成一名工人受伤［2］。此类事故不胜枚举，上海、长沙、天津等地区均出现过该类事故。寻求一种能利用盾构刀具直接切割的方法是摆在工程技术人员面前的课题。

玻璃纤维(glass fiber reinforced polymer，GFRP)筋是一种玻璃纤维增强复合材料，由玻璃纤维和树脂经热融合而成，可加工成与钢筋一样的形式与尺寸。与钢筋相比，GFRP筋具有抗拉强度高、重量轻、可切割性好、抗腐蚀性能好、热传导和电传导能力低等优点，在很多情况下可以用来代替普通钢筋。GFRP筋作为一种新型的建筑材料，能够适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、高强和轻质发展，并能承受恶劣的环境条件，符合现代施工技术的工业化要求，且价格相对比较便宜，因而在用于替代钢筋混凝土结构的钢筋研究中备受关注，正被广泛应用在各类工程结构中。

GFRP筋已应用在盾构始发与到达中，并在成都、长沙、东莞、广州、深圳等城市获得了成功，在北京直径线盾构隧道始发中也已得到初步应用。在盾构施工中，利用易于切割的材料——玻璃纤维筋替代洞口处的钢筋而实现直接切削，这是目前进行盾构始发与接收的一种趋势，可以免除由于凿除钢筋混凝土而带来的安全风险。

2 玻璃纤维筋材料的基本力学性能

玻璃纤维(GFRP)筋产品是以纤维为主体材料，以合成树脂(如聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂等)为辅助材料，采用拉挤工艺、在线缠绕以及在线涂层等工艺生产出来的一种新型复合材料(见图1)。玻璃纤维提供了钢筋所需要的高强度，树脂提供了较好的耐腐蚀性能。与传统钢材相比，玻璃纤维筋是水泥结构中钢材的理想替代材料。国内生产的GFRP筋厂家较多，正规的生产厂家产品质量稳定可靠，广东出台的地方标准DB44/T 497—2008《土木工程用玻璃纤维筋增强复合材料(GFRP)筋》，对GFRP筋的基本性质做了明确规定。

图1 玻璃纤维筋

GFRP筋一般具有如下特性:

1)抗拉强度高。抗拉强度优于普通钢材，高于同规格钢筋的20%，而且抗疲劳性好。

2)质量轻。仅为同体积钢筋的1/4，密度在1.5～1.9 g/cm3之间。

3)耐腐蚀性强。耐酸碱等化学物的腐蚀，可抵抗氯离子和低pH值溶液的侵蚀，尤其是抗碳化合物和氯化合物的腐蚀性更强。

4)易切割、施工方便。刀盘可直接切割，可按用户要求生产各种不同截面和长度的标准及非标准件，现场绑扎可用非金属拉紧带，且操作简单。

5)可设计性强。因弹性模量稳定，热应力下尺寸稳定，折弯等形状可任意热成形;安全性能好，不导热、不导电、阻燃抗静电，通过配方改变与金属碰撞不会产生火花。

近年来，国外学者对GFRP筋以及在混凝土结构中用GFRP筋代替钢筋进行了广泛研究，并取得了一定成果。但是，国内在该领域的研究和应用尚处于起步阶段，国内设计主要参照美国混凝土委员会(ACI-440)规范［3］(2006)中有关材料与混凝土的规定，玻璃纤维筋抗拉强度为480～1 600 MPa，弹性模量为35～50 GPa。Weber［4］(2006)认为研究玻璃纤维筋混凝土应先研究其基本性质，在对玻璃纤维筋应力-应变的研究中没有发现明显的屈服阶段，得出其抗拉强度为1 100 MPa，弹性模量为60 GPa，延伸率为1.9%。笔者为了探讨玻璃纤维筋的基本力学特性，取6个样品对其进行了试验，并与同直径的钢筋进行了对比分析(见表1)，其应力-位移曲线参见图2。

表1 GFRP筋与钢筋基本力学性质

图2 GFRP筋应力-位移曲线

通过表1可以看出:实验结果与其他学者的类似，钢筋的弹性模量为GFRP筋的4倍，抗拉强度比较接近，极限应变为1.66%，钢筋在拉力达到487 MPa时开始屈服。通过对图2分析可知，对于相同直径的GFRP筋和钢筋:钢筋应力-位移曲线在屈服之前为直线，在屈服之后进入塑性阶段;GFRP筋的应力-位移曲线为直线，在破坏之前无明显的屈服点，为脆性破坏。国内其他学者都获得了类似结论。

从以上材料的力学基本性能研究可以获得如下结论:在保证生产质量的前提下，玻璃纤维筋的基本力学性质是稳定的，如对于φ20的GFRP筋要求抗拉强度≥600 MPa，弹性模量≥40 GPa，这也是推广应用的前提条件。

3 玻璃纤维筋混凝土设计基础理论

使用GFRP筋来代替部分钢筋或预应力钢筋用在混凝土结构中，在美国、日本、加拿大等国家做了大量的相关研究。Brown［5］等(1993)对6根GFRP筋混凝土梁试件进行了受弯试验，试验中梁是延性破坏，其破坏强度与理论预测值非常相近。然而，由于GFRP筋的弹性模量较低，导致梁体裂缝数目增多、裂缝宽度增加、挠度增大。Alsayed［6］(1998)对3组GFRP筋混凝土梁和1组钢筋混凝土梁进行了抗弯性能对比试验。试验结果表明，GFRP筋混凝土梁的结构性能在很多方面类似于普通钢筋混凝土梁。Bradberry［7］(2011)认为由于GFRP筋呈脆性破坏，应力-应变曲线没有屈服点，因而GFRP筋用于混凝土结构时需按超筋设计，以确保破坏模式为混凝土受压破坏，并避免GFRP筋的突然脆性断裂导致的结构突发失效和破坏。Dong［8］等(2012)进行了梁和板的弯曲试验，采用不带横向钢筋的拼接GFRP筋来测定黏结强度，测试变量包括搭接长度、保护层厚度、钢筋间距。试验结果表明，GFRP筋的黏结强度均低于钢筋的黏结强度，GFRP筋梁全部在搭接部分出现混凝土开裂破坏。

对于GFRP筋混凝土的设计理论，国内虽然起步较晚，但已做了大量研究工作。高丹盈［9］等(2001)通过对受压区和受拉区混凝土应力-应变关系曲线的简化，建立了GFRP筋混凝土梁弯矩曲率的计算模式，提出了纤维增强塑料筋混凝土梁弯矩曲率的简化计算公式以及相应的载荷挠度计算公式。崔强［10］等(2007)推导出GFRP筋混凝土梁斜截面承载力的理论计算公式，并进一步探讨斜截面裂缝及挠度的特征，提出计算公式。邹永威［11］等(2008)推导圆形截面构件筋材应力公式和截面弯矩计算公式，确定GFRP筋围护桩为受压破坏的设计原则，分析GFRP筋围护桩承载力。翟世鸿［12］等(2008)通过ANSYS对用于盾构隧道进口的玻璃纤维筋混凝土双向板的受弯性能进行了非线性全过程分析，并对玻璃纤维筋混凝土双向板和钢筋混凝土双向板的受力机理进行了分析比较。结果表明，通过合理选择有限元数值模型，可以较好地模拟玻璃纤维筋混凝土双向板的受弯性能，其跨中挠度较大，但极限承载力比钢筋混凝土双向板的高，可以满足盾构隧道进口处挡土墙的强度要求。卢致强［13］等(2010)以普通钢筋混凝土结构的设计理论为依据，得到玻璃纤维筋混凝土构件正截面及斜截面的近似计算公式，得出了玻璃纤维筋混凝土构件脆性破坏的机理，应用于成都地铁基坑围护结构并获得了成功。

由GFRP筋力学性能试验研究可知，由于GFRP筋是高抗拉强度、低弹性模量的线弹性脆性材料，其受力破坏机理不完全等同于钢筋混凝土构件，但作为与混凝土组成的复合材料，可采用类似的研究方法，即基于平截面假定和力的平衡，在将受压区混凝土的应力图形简化成等效矩形应力图形的基础上，针对GFRP筋混凝土构件的破坏模式来确定其正截面承载力的计算方法。

4 在盾构始发与接收中的研究与应用

在地铁盾构端头井的围护结构工程中，GFRP筋作为普通钢筋的替代品，在国外已有一定程度的发展，在国内也得到了一定程度的应用，如在成都、长沙、东莞、广州、深圳、北京等城市，2012年底我国颁布了行业标准CJJ/T 192—2012《盾构可切削混凝土配筋技术规程》，该规程主要是根据南方的应用情况而制定的，对设计、施工及质量验收方面做了一些规定。

文献［4］介绍了美国、荷兰、德国、南非等国家在地铁中对GFRP筋的应用，认为盾构直接切削围护结构效果极好，不仅能降低工程费用，而且能够提高施工速度，并从GFRP筋混凝土的强度、耐久性等方面做出分析，认为GFRP筋混凝土与钢筋混凝土具有许多类似的地方。

国内彭惠［14］(2008)结合崇明长江隧道长兴岛岸边段盾构穿越地下墙进洞的工程实例，通过有限元的理论计算与实测数据的对比分析，介绍了GFRP筋代替地下墙钢筋笼的起吊，采用新型桁架的施工工艺(见图3)。蒋小锐［15］(2009)以深圳地铁5号线大学城站工程为背景，通过研究认为采用GFRP筋替代钢筋应用于地铁盾构井处的地下连续墙，能有效提高盾构进、出洞的效率，降低盾构刀盘的切割损耗，同时可提高工程安全性。林刚［16］等(2009)以成都地铁1号线后子门盾构井为背景，通过室内试验、理论推导和现场试验等手段对GFRP筋在盾构端头井围护结构中的应用进行了论述，采用GFRP筋代替盾构端头井围护结构中的钢筋不但可以减少盾构进出洞事故，提高施工效率，还可以减少端头井地层加固费用。李辉龙［17］等(2010)阐述了北京地下直径线盾构施工始发井支护结构地下连续墙GFRP筋混凝土施工技术。钟明［18］(2010)介绍了东莞地铁R2线珊美站站小里程端盾构工程应用GFRP筋的情况。王晓璜［19］(2010)结合广州市番禺区汉溪下穿隧道工程施工1标的具体特点，在明挖式隧道基坑支护桩时，将规划盾构范围内以GFRP筋代替普通钢筋，实现了盾构直接切割混凝土及筋材，认为既可提高盾构通过时的安全性，又节省了材料和时间，具有明显的经济效益。

图3 吊装中的玻璃纤维筋笼

北京地铁15号线应用GFRP筋替代洞口附近同直径的钢筋，成功始发，本文并从施工的安全性、工期及经济效益方面做了初步统计:

1)安全方面。盾构的始发、接收部位不仅开口作业环境极其艰苦，同时由于墙体的开凿破坏、土体的暴露，易出现土体塌方，导致地表下沉并危及地下管线和附近的建筑物，若有地下水则危险性更大。这一施工过程不仅工序复杂，而且需严密的施工组织，以防发生危险和对人身造成伤害。使用GFRP筋替代围护桩中的钢筋，使盾构井出洞时可以直接切割筋材，避免了上述的诸多工序和影响人身安全的危险因素。

2)工期方面。常规盾构穿越洞门前，必须凿除洞门范围内围护桩，待围护桩凿除并清理残渣后，盾构机进洞，通常需要9 d时间。而采用GFRP筋替代桩内钢筋，盾构机刀盘直接切削桩体，省去了凿桩，仅用1d时间即可成功始发。

3)经济方面。以单个洞口为例，每个洞口含6根GFRP筋桩，增加了不同直径的GFRP筋费用，但减少了洞口处钢筋及凿除混凝土桩的费用，总费用中使用GFRP筋后有所减少。

GFRP筋在国内外盾构工程中均获得了较为广泛的应用，采用盾构直接切割桩墙体的方法不仅安全性高，而且施工速度快，经济效益及社会效益明显，是值得进一步推广应用的方法。

5 发展趋势

5.1 在深层地下空间的应用

随着城市化进程的加快、地铁线路的增加，必然会出现大量的线路交叉、换乘问题，或出现快速地铁。下穿工程意味着车站和区间隧道埋深大大增加，使地铁埋深有向更深度化发展的趋势。对于深埋地铁，区间施工仍以盾构法为主，而目前常规的端头井土体加固方法很难应用在深埋地铁的始发与接收中。目前国内外盾构端头井的加固方法有高压旋喷法、水泥土搅拌法、注浆加固法、冻结法、素桩(墙)法等，在浅埋情况下这些方法均具有一定的适应性，在埋深较大的情况下会遇到各种复杂的工程地质与水文地质条件，如北京在埋深30～50 m时会遇见卵漂石、多层承压水，这些常规方法的效果很难保证，甚至可以说是不可行的。

另外，凿除桩(墙)体不仅难度大、工期长，而且风险更大。因此，在桩(墙)中应用易于切割的材料替代洞口附近的钢筋，使盾构直接切割桩(墙)体，实现无障碍始发与接收，这是深埋盾构施工中的首选方法。

5.2 端头井加固的优化

目前盾构端头井土体的加固范围为9 m×12 m(见图4)，加固区一般要求均匀加固，且要求土体的无侧限抗压强度达到0.8 MPa、渗透系数达到1×10-6cm/s，采用5.1中所述的加固方法。前已述及，端头井土体加固后仍然出现了工程事故，可见端头井加固的效果不易保证。采用GFRP筋替代洞口附近的钢筋实现无障碍始发后，避免了人工凿除桩(墙)体，通过一定的辅助方法使得盾构土仓压力尽快建立起来，以平衡机头前方的水土压力，使加固范围得到一定程度的优化，从而减少了土体加固的费用。例如，成都地铁1号线一期工程骡马市站-天府广场站区间的单线始发井盾构在进出洞前未对围护结构的背后土体进行任何加固处理，在盾构始发与接收时，对盾构端头井地层进行了降水处理，在降水条件下盾构机直接切割了玻璃纤维筋桩的围护结构，盾构始发和到达均取得了成功。文献［4］也提出了类似观点。

图4 盾构端头井土体加固范围

实现无障碍始发后，使盾构端头井土体的加固优化不仅具有一定的理论基础，也具有一定的工程实践，相信在不断深入研究的基础上，优化盾构端头井土体的加固范围、降低土体强度要求会成为现实。

5.3 穿越既有结构中的应用

目前，GFRP筋在盾构工程中的研究与应用主要集中在盾构的始发与接收方面。工程实践表明，盾构在掘进中会穿越区间既有附属结构或其他结构，如穿越联络通道、风道等。这些区间附属结构，目前都是在盾构掘进完成后施工。但在施工中需要拆除附属结构附近的管片，风险较大。另外，此处往往出现降水困难以及地层加固困难，若地下水位较高，则会造成极大的安全风险。因此，若先修筑区间附属结构，预留穿越位置并采用GFRP筋替代钢筋，则会极大地降低施工安全风险，而且能加快施工进度。但由于盾构穿越区间附属结构相当于再次接收与始发，且区间附属结构一般体量较小，因此盾构穿越前与穿越中对区间附属结构的稳定性影响需要做进一步研究。图5为北京地铁某区间设置的刀盘检修井，检修井采用直径φ2.4m的人工挖孔桩，穿越部位采用GFRP筋替代钢筋，盾构掘进切割检修井一侧壁进入井内后，进行刀盘检修，检修完成后盾构继续掘进，直接切割另一侧壁。盾构穿越前对检修井的稳定性影响，以及穿越过程中切割检修井侧壁对检修井的稳定性影响是需要深入研究的问题。

图5 盾构穿越刀盘检修井

6 结语

本文充分总结了国内外GFRP筋在盾构工程中的研究与应用现状，结合笔者的研究情况得出以下结论:

1)用GFRP筋局部替代钢筋使盾构直接切削围护结构，从而实现无障碍始发与接收，在国内外已经有了较为广泛的应用，该方法减小了始发与接收的安全风险，且加快了施工进度，社会效益、经济效益十分明显，是值得大力提倡的方法，但目前仅限于临时结构中的应用。

2)正规生产厂家生产的GFRP筋的基本力学性质是稳定的，但原材料的质量检验仍然不能忽视，应制定该产品在土木工程领域应用的国家标准。

3)GFRP筋混凝土构件的受力破坏机理虽然不完全等同于钢筋混凝土构件的受力破坏机理，但可以参考钢筋混凝土的设计方法，GFRP筋用于混凝土结构时应按超筋设计，以避免GFRP筋的脆性断裂导致结构突发失效和破坏。

4)GFRP筋局部替代钢筋实现了无障碍始发与接收，为盾构端头井的加固提出了新思路，但是端头井土体加固的优化还需要进一步研究;另外，该方法在深层地下空间的开发利用及穿越附属结构方面，仍然值得做进一步的研究。

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