摘要：通过研究地下管廊工程顶管机进出洞口破除工作井支护桩的施工工艺，采用玻璃纤维钢筋制作支护桩钢筋笼，改变普通钢筋制作钢筋笼的传统做法，在保证成桩质量的前提下，大大减少了顶管机进出洞口破除支护桩的难度和成本。结合工程实例，验证了该工艺的可实施性和可推广性，为类似工程的施工提供参考经验，具有较好的推广应用价值。
关键词：玻璃纤维筋；基坑支护桩破除；地下管廊；顶管机
前 言：玻璃纤维钢筋是一种纤维增强复合材料，是由高性能纤维与合成树脂基体、固化剂采用适当的成型工艺所形成的材料，高性能纤维为增强材料，合成树脂为基体材料。（英文缩写：FRP rebar）主要分为碳纤维、芳纶纤维、玄武纤维、玻璃纤维等。
玻璃纤维增强材料是国外20世纪初开发的一种新型复合材料，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐疲劳、绝缘、隔热、隔音、成本低等诸多优点，目前在大多数发达国家广泛使用，国内许多重大工程项目中也有应用。
与普通钢筋相比较，玻璃纤维筋有着优异的力学性能：
①高承载能力，抗拉能力强，杆体强度是同等直径螺纹钢筋的两倍，但重量只有钢筋的1/4；
②弹模稳定，约为钢筋的1/3～2/5；
③电热绝缘，热膨胀系数比钢筋更接近水泥；
④耐腐蚀性能好，适合在水利、桥梁、码头和隧道等潮湿或其它腐蚀性环境中使用；
⑤抗剪强度较低，普通的玻璃纤维筋抗剪强度仅有50～60MPa，具有优良的切割性。在性能上和钢筋基本相似，与混凝土有很好的黏结性，同时又具有很高的抗拉强度和较低的抗剪强度，可以很容易的被顶管机直接切割，而不会造成刀具损坏。
图1玻璃纤维钢筋
1 工程背景
1.1总体概况
雁南一路地下缆线管廊全长1185m，位于西安市雁塔区，为二环内老城区，管廊西起长安南路东至翠华路、沿翠华路向南至昌明路，整体呈“L”型布置，采用顶管法施工，沿线路前进方向共布置 9 口竖井，其中始发井3口、接收井3口、顶管完成后二次开挖施工节点井3口。入廊管线分别为：电力电缆、通信线缆，廊体敷设于现状雁南一路道路机动车道北侧、翠华路道路机动车道南侧。
1.2 地质概况
雁塔区位于西安市城南，处陕西关中渭河冲积平原的腹心地带，地势东高，为黄土台原，西低，为冲积平原，由东南向西北逐渐倾斜，形似“橘瓣”拱托城区，土壤肥沃，气候宜人。区境除有"八水绕长安"的渭、泾、沣、涝、潏、滈、浐、灞八条河流外，还有太平河、大环河以及沣惠渠。
拟建缆线管廊位于西安市已建成市政道路雁南一路和翠华路，场地呈东高西低、南高北低之势，勘探点实测地面高程介于415.92～425.20m，高差最大为9.2m。拟建场地地貌单元为黄土梁洼。
根据甘肃省地质勘查研究院2017 年4月地质勘察报告，实测地下水稳定水位埋深12.6～15.10m，相应高程介于 401.92～410.10m之间，属于潜水类型，地下水的主要补给方式为大气降水，并通过自然蒸发、人工开采以及侧向径流排泄。地下水位年变幅按2.0m考虑。
根据已有的地裂缝勘察及研究成果，本拟建场地不考虑地裂缝的影响。
2 基坑支护结构方案
2.1 基坑支护方案设计
考虑到本工程基坑平面尺寸均较小的特点，经过比较分析，对本工程基坑开挖采取钢筋混凝土支护桩+多道型钢斜撑（角撑）的方法进行支护。对于二次开挖节点井，先进行支护桩施工，顶管施工至上述节点井需将原有支护桩破除以便顶管机穿越，为此提出两种可行性施工方案，方案一：支护桩人工破碎，采用人工配合破碎锤、电镐、水钻等对内侧支护桩破碎，破除前采用高压旋喷桩进行土体加固，防止塌陷。方案二：顶管机采用普通刀头直接磨除支护桩，考虑到顶管机头破除支护桩的难度，需要磨除的支护桩，采取将原设计钢筋采用玻璃纤维钢筋代替普通钢筋的方式。
2.2 最优方案的分析、比较、选择
（1）经济分析
以本工程1号井为例，分别计算两种方案1根支护桩的钢筋价格如下：
因此，采用玻璃纤维钢筋较普通钢筋一个支护桩节约费用1268.51元，本工程顶管机进出洞口需破除的支护桩共计64根，大约可节约8.12万元。除此之外，采用玻璃纤维钢筋制作的支护桩，顶管机机头可直接磨断，省去了人工破碎和土体加固过程，亦可节约部分费用。
（2）施工难度分析
因采用玻璃纤维钢筋制作钢筋笼主筋之间的连接采用钢制U型卡连接，其余部位之间的连接可以采用铁丝绑丝或者尼龙绳进行绑扎，较普通钢筋省去了焊接、套丝等工序，因此采用玻璃纤维钢筋较普通钢筋制作钢筋笼工序更为简便。且采用普通钢筋制作支护桩钢筋笼，普通顶管机机头无法直接磨断支护桩，在结构预留顶管机洞口处内侧，需人工配合破碎锤、电镐、水钻等对内侧支护桩破碎，破除后立即进行土体加固，施工工艺比使用玻璃纤维钢筋更复杂。
（3）确定最优方案
综上所述，方案一相比方案二，在经济上有很大的优势，同时，方案一技术上可行，安全上可靠，可节约工期且施工工艺较简便。因此，最终确定方案一为最优方案。
3 工程应用研究
3.1 顶管机机头选型
以上表格参照《给水排水工程顶管技术规程》（CECS246-2008）
设计管线主要位于③古土壤、④黄土，土质较均匀，属稳定土层。
综上所述，考虑其经济指标、地下管线、可实施操作性及玻璃纤维钢筋支护桩性能等多项重要因素，确定我项目工程顶管采用土压平衡顶管机顶管。
3.2 玻璃纤维钢筋笼制作
玻璃纤维钢筋笼制作需遵循以下原则：
（1）顶管机传节点井处支护桩采用玻璃纤维钢筋代替原有钢筋，钢筋代换采取等面积代换原则；
（2）玻璃纤维钢筋保护层厚度不小于筋材直径，主筋保护层厚度不小于50mm；
图2顶管机选型参考表
（3）玻璃纤维钢筋的锚固长度和搭接长度不小于《混凝土结构设计规范》GB50010中规定的同直径热轧带肋钢筋锚固长度的搭接长度的1.25倍，且不小于40倍的筋材直径；
（4）钢筋笼制作过程中，筋材搭接区布置在顶管机刀盘外1m以上范围，且搭接过程中同一断面搭接应错开50%，其中纵向受拉玻璃纤维钢筋之间的搭接采用U形卡固定。U形卡与筋材直径相适应，每根筋材连接端的U形卡数量不少于2个；其他部位间的玻璃纤维钢筋之间的搭接采用尼龙绳或绑丝进行绑扎，绑扎牢靠；
3.3 混凝土浇筑
混凝土采用水下灌注混凝土，水泥的强度等级不低于42.5，宜为设计混凝土强度的1.5~2倍。混凝土拌合物应有良好的和易性，在运输和灌注过程中无明显离析、泌水现象。灌注时应有良好的流动性，其坍落度宜为180~220mm，保持坍落度降低到150mm的时间不小于1h。
首批混凝土拌合物下落后，混凝土应连续灌注，导管埋深宜控制在2~6m深。在灌注过程中，应随时测探孔内混凝土面的高度，计算导管的埋置深度，及时调整埋深。
为确保桩顶质量，在桩顶设计标高以上应灌注一定高度的混凝土，一般为0.5~1.0m，以保证桩顶混凝土强度，多于部分接桩前凿除，残余桩头应无松散。
3.4 支护桩施工检测
桩基检测在冠梁浇筑前完成支护桩应作桩身完整性检测，检测数量为 100%，合格后方可进行下道工序的施工。桩身不得出现夹泥、断桩等现象。随机抽样检测数量不少于支护桩总数的 20%，待检测合格后，方可进行下道工序施工。
4 效益分析
玻璃纤维支护桩钢筋笼钢筋费用减少约1/3，玻璃纤维筋加工简单，没有剩余废料，消耗工时为钢筋加工的1/3，综上，单位长度玻璃纤维筋钢筋笼比普通钢筋笼造价低1/3。
针对后期施工而言，采用玻璃纤维钢筋支护桩在顶管机施工时对进出洞位置的掘进避免了事前切断钢筋与凿除洞门的工作，简化了施工工艺、加快了施工进度、降低施工风险。
从环保节能方面考虑，玻璃纤维筋也占有很大优势。普通钢筋生产过程中需燃烧大量煤炭等燃料，并产生多种生产废气；玻璃纤维筋是以高强度玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，参入适量辅助剂复合而成的复合材料，生产过程中污染物产生较少，几乎无生产废气。二者相比较，玻璃纤维筋更加环保节能，属于绿色施工材料。
结语
目前西安市地下综合管廊PPP项目I标段（雁南一路）翠华路二次开挖井7号井基坑已施工完毕，本工程DN3500mm顶管施工顶进途径二次开挖井基坑支护区域采用玻璃纤维筋进行替换便于支护结构顺利破除的方法，满足本期基坑施工受力要求，在保证了成桩质量的前提下，降低了成本、缩短了工期，并通过现场操作证明它的可实施性及可复制性。
玻璃纤维钢筋支护桩顺利施工完成，各项数据均满足设计及规范要求。通过本工法在该工程的实践证明，我们总结出了一套较完整的施工技术，以利于推广。
参考文献：
[1]王伟，付凯.玻璃纤维筋锚具研制及其力学性能试验研究[J]，土木工程学报，2010（增）：194-197
[2]罗毅，郑乐怡，李吉涛等.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），2012.10（10）：71-74
论文作者:刘博元,张彬,盛光鑫,祝永辉
论文发表刊物:《基层建设》2018年第20期
论文发表时间:2018/8/9
标签：钢筋论文; 玻璃纤维论文; 顶管论文; 基坑论文; 混凝土论文; 工程论文; 方案论文; 《基层建设》2018年第20期论文;