GFRP筋混凝土在地铁工程中的施工工法成型.docx
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GFRP筋混凝土在地铁工程中的施工工法成型
玻璃纤维筋在地铁工程中的施工工法
1前言
近年来国内经济快速发展和机动车急剧增加，中国的城市规模与市民数量也日益增大，导致现有的地面交通设施出现了不胜负荷的局面，安全、快捷、无障碍、低污染的地下轨道交通成为中国城市解决交通拥堵的重要手段。
2010年，中国有近30个城市和地区都在着手进行轨道交通的建设、规划，涉及的线路项目多达110多条，中国地铁建设进入一个急速上升的发展时期。
地铁造价昂贵，每公里地铁建设的资金耗费一般在4到5个亿之间，有的甚至达到7个亿。
因此，地铁工程建设成本的精细化、节约化控制的重要性日益凸现。
新材料、新技术的应用市节约成本的有效措施之一。
近几十年来，人们一直在寻求能够替代钢筋用于土木建筑结构当中的加强材料。
本世纪初，玻璃纤维筋作为普通钢筋的替代品，在地铁车站、盾构井的围护结构工程中得到了较广泛的应用，并取得了相当可观的经济效益。
本工法是在2009——2010年中铁一局集团第五工程有限公司承建的长沙市轨道交通二号线一期工程SG-16标杜花路站主体围护结构施工中总结而成的。
杜花路站主体围护结构采用钻孔灌注桩支护加旋喷桩止水帷幕的方案，钻孔桩的直径为1.0m，间距1.3m。
其中位于地铁2号线盾构通道上的支护桩有12根，施工时在规划盾构范围内以玻璃纤维筋代替普通钢筋，可实现盾构直接切割围护桩混凝土及筋材，为盾构预留了通道，避免后期对支护桩的处理。
2工法特点
2.1玻璃纤维筋在性能上基本和钢筋相似，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，可以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，可以避免人工凿除、切割盾构范围内支护桩，能有效提高盾构进、出洞的效率，降低盾构刀盘的切割损耗，不仅能提高工程的安全性，而且有显著的经济效益；
2.2采用盾构刀盘切除围护桩能避免后期对支护桩的处理，大大缩短施工时间，提高施工效率，并降低了施工成本；
2.3玻璃纤维筋施工机具简单，操作方便，施工工序得以简化；
3适用范围
适用于地铁在城市下穿隧道支护结构，例如地铁车站、盾构井处的地下连续墙、围护桩以及隧道明挖围护结构等。
4工艺原理
玻璃纤维筋是一种具有抗拉强度高、抗腐蚀性能好、抗电、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，在特殊环境下可以用来代替普通钢筋。
根据玻璃纤维筋抗拉性能和同直径的普通钢筋相当但是抗剪性相对较差的特点，本工程用玻璃纤维筋代替普通钢筋，将其置入作为盾构始发井的主体围护状体中，灌注混凝土，形成主体围护结构。
既达到了对主体结构相应的围护作用，又为后期盾构预留了通道，避免后期对支护桩的处理。
见图1
图1长沙地铁2号线SG-16标杜花路站西端头井玻璃纤维筋围护桩布置图
5工艺流程及操作要点
5.1施工工艺流程
玻璃纤维筋围护桩施工工艺流程如图2所示。
图2玻璃纤维筋围护桩施工工艺流程
5.2操作方法及要点
5.2.1操作方法
1钻孔
钻孔前对施工场地平整，按设计精确放样确定每个桩位的位置并标号。
钻机进场对准初钻，埋设护筒，护筒必须用厚度3~4mm钢板制成，埋置深度不小于1.5m，护筒顶面应高出地面0.3m，注入泥浆，继续钻进。
在施工中选择与地质条件相适应的泥浆，随时测定泥浆比重，并测定其粘度、含砂率和胶体率，根据不同土层加以调整；
2清孔
钻孔达到设计深度后，对孔深、孔径和垂直度进行测检，符合要求后进行清孔，清孔时注意保持孔内水头压力，防止坍孔。
清空后，泥浆的稠度、含砂率等指标应达到规定的要求。
玻璃纤维筋笼安置后灌注混凝土前，再次检查清孔情况，若不合格，则进行第二次清孔；
3玻璃纤维筋笼制作
由于在生产玻璃纤维筋时，均采用热固性树脂制作，因而一旦成形后，一般在施工现场难以改变其形状。
因此各种形状弯箍及箍筋都在工厂预制，厂家根据施工方要求的长度开料，减少现场制作的时间，也降低了材料的损耗。
由于在长沙地铁基坑围护结构设计中，玻璃纤维筋尚属首次应用，为此，我们对玻璃纤维筋适当的采用了超筋配置。
桩主筋采用Φ32玻璃纤维筋，箍筋为Φ14玻璃纤维筋，另外加设Φ20加强筋。
玻璃纤维筋之间的连接采用12#（2.8mm）镀锌铁线绑扎连接（此方法在实际施工中存在一定弊端，因玻璃纤维钢筋为纯绑扎固定，在吊起过程中，绑扎丝过细，无法承受玻璃纤维钢筋笼的自身重力影响，出现笼体变形，后经过研究采用16#绑扎丝进行施工，效果良好），严禁出现焊接，绑扎采用梅花形布置形式，间距为10cm，所有绑扎一定要牢固。
主筋采用搭接连接，搭接长度为40d（本项目长度为1.28m），此长度要严格控制。
笼体制作如图3、图4。
图3玻璃纤维钢筋笼的制作
图4玻璃纤维钢筋笼的制作
4下玻璃纤维笼
玻璃纤维笼采取两端起吊，即同时使用吊机主副钩（或用两台吊车抬吊）先将笼水平吊起，离开地面后再一边起主钩、一边松副钩，在空中将整节玻璃纤维笼吊至竖直，严禁单钩吊住笼一端在地上拖曳升高来吊起笼身，以防止骨架变形；笼竖直后，检查其竖直度，进入孔口时扶正缓慢下放，严禁摆动碰撞孔壁。
5灌注水下砼
砼灌注是确保成桩的关键工序，灌注前应做好一切准备，保障砼灌注的连续紧凑进行。
开灌前导管居中安装入孔，导管底距孔底高度控制在20cm左右，导管连接要平直可靠，密封性好。
砼灌注过程中导管应始终埋在砼中，严禁将导管提出砼面，导管埋入砼面的深度始终保持在2~4m。
等桩头砼强度达到设计值的25%时，立即拔出地面上钢护筒并人工采用风镐凿出桩头多余砼。
5.2.2操作要点
1玻璃纤维筋不宜用作受压筋，但可作为架立筋。
不允许采用光圆表面的玻璃纤维筋。
为增强玻璃纤维筋与混凝土之间的握裹力，玻璃纤维筋表面须有缠绕成型，并喷砂以保证与混凝土的有效粘接；同时为不降低玻璃纤维筋的有效面积，缠绕深度不大于1mm。
2由于玻璃纤维筋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，在起吊过程中若发生折断现象，立即采用富余玻璃纤维筋根据折断长度进行搭接加固，然后进行下设。
3使用的玻璃纤维筋表面不得有裂纹、结疤和纤维露出；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玻璃纤维筋均采用热固性树脂制作，形状成型后一半不会改变，在外力作用下会产生一定的变形，但卸荷后即恢复原有形状，无需利用钢筋调直机等调制设备；另为保证笼体顺利下放，可利用12#（2.8mm）镀锌铁线将笼底的玻璃纤维主筋绑扎，起到收口的效果。
5玻璃纤维筋各项力学性能及尺寸偏差必须满足表1
表1GFRP筋各项指标参数
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
GFRP筋
≥150MPa
≥600MPa
≥45GPa
70~80
±10mm
±0.5mm
备注：
螺纹成牙形，牙距整齐，牙距10mm±0.5mm
6材料与设备
由于玻璃纤维筋是由现场提供数据，厂家按尺寸制作成半成品运送至现场，因此玻璃纤维筋混凝土的施工较钢筋混凝土施工所需的机具较少。
物料的垂直运输工具为汽车起重机、泵车等，所需数量根据现场实际情况另行确定。
常用机具如表2所示。
玻璃纤维筋混凝土施工常用机具表表2
序号
名称
型号
备注
1
旋挖钻机
SWDM22
钻桩
2
塔吊
55米
吊装材料
3
汽车装载机
LG30
笼体运输、吊装
4
混凝土搅拌运输车
HBT-60A
混凝土运输
5
发电机
150KW
备用发电
6
振捣器
插入式
混凝土浇筑
因为玻璃纤维筋属于玻璃纤维增强复合材料，对于玻璃纤维筋的部分性能指标（纤维含量、弹性模量）本项目部实验室无法检测，因此委托其他专业实验室进行相应的检测；对于杆件的极限抗拉强度实验，由本项目部实验室进行，其方法如下：
随机选取待检测的杆件，去除其两端，取800mm长的杆件，两端各300mm用胶粘剂粘接在与之匹配的钢管内，使粘接强度大于杆体抗拉强度，在万能材料试验机上进行极限抗拉强度测定。
检测结果见下表3。
出厂后检测项目及结果表3
序
号
项目
检测结果
Φ14
Φ20
Φ32
1
纤维含量（%）
74.6
73.8
76.1
2
极限抗拉强度（MPa）
742.9
746.5
745.8
3
弹性模量（GPa）
41.2
40.4
42.5
4
直径偏差（mm）
0.2
-0.1
0.3
5
长度偏差（mm）
-4
3
6
7质量控制
7.1本工法所应用的主要标准、规范
《地铁设计规范》（GB50517-2003）
《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）
《建筑地基基础设计设计规范》（GB50007-2002）
《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-19992003年版）
7.2玻璃纤维筋笼体及桩身质量检测项目（表4）
笼体及桩身质量检测项目表表4
项次
检测项目
规定值或允许偏差
检查方法和频率
1
混凝土强度
在合格标准内
按JTGF80/1-2004检查
2
玻璃纤维筋外观质量
质地均匀、无裂纹、纤维露出
目测
3
玻璃纤维筋长度
偏差±10mm
钢尺测量
4
玻璃纤维筋直径
偏差±0.5mm
游标卡尺测量
5
玻璃纤维筋搭接长度
L≥40d
钢尺测量
6
玻璃纤维筋抗剪强度
Fv≥150MPa
同一批次样本不少于25根
7
玻璃纤维筋抗拉指标
Ff≥600MPa
同一批次样本不少于25根
8安全措施
8.1安全规范
《中华人民共和国安全生产法》
国务院《建设工程安全生产管理条例》
湖南省《湖南省安全生产条例》
8.2安全技术保证措施
8.2.1玻璃纤维筋由多股玻璃纤维胶合而成，难免有纤维丝外露，在搬运或放置过程中操作人员须戴手套。
8.2.2玻璃纤维筋主要由纤维胶合而成，利用细齿钢锯或者金刚石锯片就可以轻易完成切割工作，切割时应戴口罩。
8.2.3操作手要看平台的软基处理，平整度和密实度是否符合安全操作要求；如果能承受设备重量，在设备下面垫上2公分厚的钢板，使设备更加平稳。
8.2.4加固机械的缆绳一律采用钢丝绳，缆绳一端加固在钻机顶距离地面2/3处，一端加固在放置在地面的地锚上；同时要派有责任心的安全员进行防护看守。
8.2.5在孔口周围安设网状围弊，并设立醒目标志。
8.2.6施工现场的起重吊装需由专业队伍进行，信号指挥人员执证上岗。
起重吊装作业前期应根据施工组织设计要求，划定施工作业区域，设置醒目的警示标志和专职监护人员。
起重回转半径与高压线保持安全距离。
8.2.7加强机械设备的检查、维修、保养工作，做到使用前检查，使用后复查。
9环保节能措施
玻璃纤维筋笼体及状体在施工中对大气、水资源等几乎没有污染，且钻孔过程中泥浆做到了循环使用。
灌注前精确核算工程量，尽量避免混凝土的浪费，做好施工废品的及时回收和混凝土的处理，避免了对环境的污染。
10效益分析
对于本项目所设的12根玻璃纤维筋围护桩，假设采用同级配的HRB钢筋，根据物设部门提供的采购单价和设备费用，并结合现场实际工期等数据，进行了详细的造价分析，结果如下表：
玻璃纤维筋
HRB钢筋
比较结果
材料单价（元/米）
28.5
31.8
3.3
材料总用量（米）
9634.6
10602.2
967.6
材料总价差（万元）
27.46
33.72
6.26
焊条、铁线等其他材料总价（万元）
0.03
0.36
0.33
吊装等其他设备费用（万元）
0.25
0.76
0.51
盾构通道打通工期（天）
2
24
22
盾构刀盘损耗费用（万元）
0
总造价（万元）
综上所述可以看出，利用玻璃纤维钢筋代替HRB钢筋，以本项目实际情况为例，12根玻璃纤维桩可以节约成本共计万元，节约工期22天，达到了双赢的目的。
11应用实例
11.1中铁一局五公司承建的长沙地铁2号线一期工程SG-16标杜花路站，为长沙轨道交通2号线一期工程的中间站，位于武广铁路客运专线新长沙站的西侧，起止里程为右YCK18+733.0～右YCK18+912.6。
杜花路站为地下两层10m标准岛式车站，标准段总宽18.5m，车站总长179.6m，有效站台长118m，主体结构建筑面积6779.52㎡，附属建筑面积为2078.51㎡，总建筑面积为8858.03㎡。
造价1.6亿元，开工时间为2009年12月，竣工时间为2011年11月。
基坑围护结构在西端头井盾构洞口处应用了玻璃纤维围护桩，大大的降低了工程成本，节省了工期，应用效果很好。
11.2广州市番禺区汉溪下穿隧道工程施工I标，在明挖式隧道基坑支护桩时，将规划盾构范围内以玻璃纤维筋代替普通钢筋，实现盾构直接切割混凝土及筋材，为盾构预留了通道，避免了后期对支护桩的处理，效果良好。
11.3成都地铁1号线骡马市站至天府广场区间单线盾构始发井后门子盾构始发井，井长76.6m，中间段主体结构宽7.8m，始发端头宽12.1m。
盾构井主体结构大部分位于卵石土中，主体围护结构采用桩径1.2m、间距1.8m的钢筋混凝土人工挖孔桩，桩长25m，插入深度1.5m，为改变传统的盾构进出同端头地层加固方法，便于盾构施工，提高盾构进出洞施工的经济性和安全性，其盾构井端头围护桩盾构施工影响范围内的钢筋采用玻璃纤维筋，其桩径1.5m，间距1.8m。
大大降低了工程成本，节省了工期，应用效果较好。
11.4北京地铁北京站至北京西站地下直径线4#竖井位于天宁寺立交桥2号匝道桥下北侧绿地，为盾构始发井，竖井中心里程为DK6+795.6，竖井向东为盾构法施工区间隧道，向西为浅埋暗挖法施工区间隧道。
基坑围护结构采用厚1.0m的C30钢筋混凝土地下连续墙，该墙共划分为20个施工槽段，槽段编号为DLQ-01~20，成槽深度40.8m，起重DLQ-01、DLQ-02、DLQ-20三副墙盾构掘进部位采用玻璃纤维筋混凝土，其余部位采用钢筋混凝土。
有效的避免了后期人工处理盾构通道，降低了工程造价，应用效果较好。
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