盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的玻璃纖維筋加固設(shè)計(jì)技術(shù)

黃夏寅

(深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東深圳518001)

盾構(gòu)始發(fā)和接收為盾構(gòu)隧道施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。盾構(gòu)機(jī)破除圍護(hù)結(jié)構(gòu)隧道洞門的傳統(tǒng)方法為:加固圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)一定范圍內(nèi)的土體，然后將盾構(gòu)穿越部分的圍護(hù)結(jié)構(gòu)按井字形分成九個(gè)部分，至上而下依次用人工鑿除各部分鋼筋混凝土。當(dāng)存在高地下水位、厚砂層、厚淤泥層等不利因素時(shí)，人工鑿除圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)高。一旦發(fā)生涌水、涌砂、涌泥等工程事故，將會(huì)對(duì)工程安全、人員生命造成極大威脅。

玻璃纖維筋(GFRP)是將高強(qiáng)玻璃纖維浸漬專用環(huán)氧樹脂基體后在光電熱一體的高速聚合裝置內(nèi)受熱固化，經(jīng)牽引連續(xù)拉擠成型一種新型復(fù)合材料。GFRP筋與普通鋼筋相比，其特點(diǎn)在于:良好的防腐性與電、磁場(chǎng)絕緣性;質(zhì)量輕，約為鋼材的1/5～1/4;抗拉強(qiáng)度高于普通鋼筋;各向異性，抗剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)低于普通鋼筋，便于盾構(gòu)機(jī)直接切割。GFRP筋與普通鋼筋最大的差異就是它的彈性模量小，是典型的脆性材料，應(yīng)力－應(yīng)變曲在斷裂前均表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系，沒有延展性或屈服點(diǎn)。用玻璃纖維筋代替圍護(hù)結(jié)構(gòu)中需要破除的鋼筋，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)、接收時(shí)可直接切割圍護(hù)結(jié)構(gòu)，既能減少盾構(gòu)進(jìn)出洞事故，又能提高施工效率、節(jié)省工程造價(jià)[3－5]。本文通過玻璃纖維筋在深圳地鐵11號(hào)線紅樹灣－后海區(qū)間中間風(fēng)井的應(yīng)用，探討了盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的玻璃纖維筋加固設(shè)計(jì)技術(shù)。

1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)中玻璃纖維筋的設(shè)計(jì)

1.1 GFRP筋配置范圍

地鐵車站、中間風(fēng)井一般采用明挖法施工。當(dāng)明挖結(jié)構(gòu)的埋深較大且地下水位接近地面時(shí)，一般采用內(nèi)支撐與地下連續(xù)墻聯(lián)合支護(hù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系。內(nèi)支撐主要承受地層水土壓力經(jīng)連續(xù)墻傳遞而形成的支撐軸力;地下連續(xù)墻主要承受作直接用于墻體的地層水土壓力而產(chǎn)生的彎矩與剪力。因此，地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)要求主筋具有高抗拉強(qiáng)度;通過配置拉結(jié)筋能夠滿足抗剪要求。GFRP筋的高抗拉強(qiáng)度的力學(xué)性能恰好滿足以上條件。所以，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的端頭墻盾構(gòu)穿越區(qū)域采用GFRP筋代替普通鋼筋。

1.2 GFRP筋的配筋設(shè)計(jì)計(jì)算

由于GFRP筋的材料特性，結(jié)構(gòu)破壞前沒有明顯征兆，故傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)方法不能直接用于GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)。GFRP筋彈性模量相對(duì)較低，故使用的安全系數(shù)都高于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。參照美國(guó)的＜Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars＞(Reported by ACI Committee 440)，介紹 GFRP筋的抗彎與抗剪計(jì)算。

1.2.1 玻璃纖維筋抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

一般取一延米寬的地下連續(xù)墻，配置比普通鋼筋至少大一個(gè)直徑等級(jí)的GFRP筋，間距與普通鋼筋主筋相同。具體驗(yàn)算步驟如下:

(1)GFRP筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ffu

式中ffu為GFRP筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

CE為玻璃纖維筋的環(huán)境折減系數(shù)，當(dāng)混凝土未在露天或土壤中時(shí)取0.8，當(dāng)混凝土在露天與土壤內(nèi)時(shí)取0.7;

ffu*為GFRP筋的抗拉強(qiáng)度值。

(2)連續(xù)墻的截面面計(jì)算高度d(保護(hù)層厚度t)

式中db為GFRP筋的主筋直徑。

(3)GFRP筋配筋率ρf

式中Af為縱向受力GFRP筋的面積;

b為連續(xù)墻的截面面計(jì)算寬度。

(4)GFRP筋拉應(yīng)力值ff

式中Ef為GFRP筋彈性模量;

εcu為混凝土極限應(yīng)變，為0.0033;

β1為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù):當(dāng)混凝土強(qiáng)度不大于4000psi(1MPa=145psi)時(shí)，取 0.85;當(dāng)混凝土強(qiáng)度大于4000psi時(shí)，強(qiáng)度每增加1000psi，該系數(shù)就減小0.05，但不得小于0.65;

f'c為ACI標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體抗壓強(qiáng)度，與國(guó)標(biāo)立方體抗壓強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化公式為:f'c=0.79fcu，k。

(5)GFRP筋混凝土結(jié)構(gòu)抗彎能力設(shè)計(jì)值Mn

(6)平衡應(yīng)變條件下的GFRP筋配筋率ρfb

(7)強(qiáng)度折減系數(shù)

(8)抗彎強(qiáng)度檢算

當(dāng)不滿足上式要求，將再選筋進(jìn)行驗(yàn)算，直至滿足要求。

1.2.2 玻璃纖維筋抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

GFRP筋混凝土構(gòu)件抗剪能力分為兩部分，混凝土部分抗剪能力與GFRP筋抗剪能力。取一延米寬的地下連續(xù)墻，配置的GFRP拉結(jié)筋的直徑與數(shù)量均不得少于普通鋼筋的拉結(jié)筋。抗剪筋豎直間距的具體驗(yàn)算步驟如下:

(1)混凝土抗剪能力Vc，f

(2)GFRP抗剪筋允許剪切應(yīng)力ffb

GFRP筋彎曲部分的承載力要小于直線部分。因此，GFRP筋允許剪切應(yīng)力由折彎點(diǎn)控制。

式中db為GFRP抗剪筋直徑;

rb為GFRP抗剪筋的彎曲半徑，rb=3db;

(3)GFRP抗剪筋的設(shè)計(jì)應(yīng)力ffv

(4)GFRP抗剪筋的豎直間距s

GFRP抗剪筋的豎直間距不得大于s。

(5)GFRP抗剪筋的豎直間距檢算

當(dāng)不滿足上式要求，將調(diào)整GFRP拉結(jié)筋的直徑與間距再進(jìn)行驗(yàn)算，直至滿足要求。

2 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

深圳地鐵11號(hào)線紅樹灣－后海區(qū)間的中間風(fēng)井，位于沙河西路邊的綠化帶，向東60 m即為深圳灣水域，地下水水位高且可能存在水力聯(lián)系。風(fēng)井結(jié)構(gòu)沿線路方向長(zhǎng)24 m，寬25.7 m，為地下四層結(jié)構(gòu)。風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000 mm厚地下連續(xù)墻(采用C35砼)與十一道內(nèi)支撐聯(lián)合支護(hù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，盾構(gòu)穿越的洞門范圍內(nèi)設(shè)置兩幅寬3.8 m的墻體，墻體內(nèi)盾構(gòu)刀盤中心對(duì)應(yīng)的上下共7 m范圍布置GFRP筋。

參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，該中間風(fēng)井地下連續(xù)墻中的GFRP筋抗拉強(qiáng)度值取為620 MPa，彈性模量值取為44.8 GPa。根據(jù)該處地質(zhì)水文情況，基坑周邊2 m外荷載20 kPa，荷載分項(xiàng)系數(shù)取恒載為1.4、活載為1.7。理正深基坑6.01計(jì)算得出的結(jié)果為效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，為得出效應(yīng)設(shè)計(jì)值，就要使荷載分項(xiàng)統(tǒng)一。因此，對(duì)活載進(jìn)行折算:20×1.7/1.4=24.3 kPa。經(jīng)過計(jì)算，得到彎矩設(shè)計(jì)值:Mu=1803.92×1.1×1.4=2778 kN·m/m，剪力設(shè)計(jì)值:Vu=1660.64×1.1×1.4=2464 kN/m(注:1.1為基坑重要性系數(shù))。

取一延米寬連續(xù)墻考慮，根據(jù)深基坑軟件的計(jì)算結(jié)果主筋需要配置 32@100的HRB400鋼筋。中間風(fēng)井埋深很大，GFRP筋按增大兩級(jí)考慮，主筋估算配置 43@100的GFRP筋。經(jīng)驗(yàn)算，配置 43@100的GFRP筋抗彎強(qiáng)度滿足。GFRP抗剪筋為地下連續(xù)墻的拉結(jié)筋水平方向按18@200配置。經(jīng)驗(yàn)算，抗剪筋水平間距200 mm、豎向間距100 mm滿足抗剪要求。

3 結(jié)論

本文介紹了一套圍護(hù)結(jié)構(gòu)中玻璃纖維筋的加固設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。玻璃纖維筋的應(yīng)用，使盾構(gòu)機(jī)穿越既有的非素混凝土結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)，為工程預(yù)留接口提供新的解決方案，使工程籌劃和工期安排有了更大的靈活性。當(dāng)盾構(gòu)隧道與明挖結(jié)構(gòu)工期相沖突時(shí)，可先施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)，待盾構(gòu)破除通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)之后，再開挖基坑施做主體結(jié)構(gòu)。另外，采用玻璃纖維筋代替鋼筋的圍護(hù)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)破除部分的鋼筋，不但節(jié)省成本、提高盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與接收的效率，而且消除了人工破除洞門的安全風(fēng)險(xiǎn)。

[1]ACI 440.Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars[S]

[2]曹文宏，申偉強(qiáng).超大特長(zhǎng)盾構(gòu)法隧道工程設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010:191－202

[3]蔣小銳．玻璃纖維筋在地下連續(xù)墻中的應(yīng)用[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009，53(10):48－50

[4]蘇明，張宏斌.玻璃纖維筋在連續(xù)墻中的應(yīng)用[J]，隧道建設(shè)，2011，31(2):73－76

[5]張恒，陳壽根，趙玉報(bào)，等.玻璃纖維筋在盾構(gòu)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究[J]，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011，55(3):73－76