碳纤维加固修复公路隧道衬砌补强新技术研究

摘要：本文论述了碳纤维隧道衬砌加固修复方法，以及公路隧道衬砌碳纤维补强的计算模式及方法的研究，公路隧道渗漏水的处理及碳纤维补强设计、施工技术标准。

关键词：隧道衬砌；加固修复；碳纤维

Carbon fiber reinforced repair highway tunnel lining reinforcing the research of new technologies

Shao Zi-jian

(Xinxiang City, Rural Road Management Department, Xinxiang, Henan 453000)

Abstract: This paper discusses the the tunnel reinforcement of carbon fiber repair method, as well as highway tunnel carbon fiber reinforced computing model and methods for the highway tunnel seepage water treatment and carbon fiber reinforcement design, construction and technical standards.

Keywords: tunnel lining; strengthening and repairing; carbon fiber

1．引言

粘贴碳纤维加固法修复混凝土结构具有高强高效、施工便捷、耐腐蚀、自重轻、不增加结构尺寸等明显的优点，因而使其在隧道补强工程中具有广泛的应用前景。为推广使用，有必要对碳纤维在公路隧道衬砌补强中的计算方法及施工工艺开展专项研究，并建立相关的设计、施工、检验的行业标准。本文结合工程实践对碳纤维在公路隧道衬砌补强中应用做一介绍。以供同行借鉴。

2．传统加固方法缺陷

我国隧道养护维修中的衬砌补强修复技术仍停留在六、七十年代水平，即二次衬砌开裂几乎都采用换拱、套拱、刻槽嵌钢拱架加固等传统技术，这些方法和技术也有效地解决了不少隧道实际问题，但也存在如下缺点：

（1）维修成本高：采用这种技术维修成本往往接近新建隧道同等长度的30～50%。

（2）维修时间长：采用传统技术处理二次衬砌开裂，从爆破或人工拆墙到立模浇筑。新的混凝土，往往要花数月或一年以上的时间。

（3）对围岩和结构扰动大：由于传统技术需爆破或拆除已有结构，往往造成对混凝土和围岩的进一步扰动，给病害整治带来新的问题。

（4）采用刻槽或套拱加固衬砌，既容易侵入隧道建筑限界又不美观，同时施工往往中断交通。因此，迫切需要对公路隧道衬砌补强技术开展研究，尤其需要在新材料、新工艺采用方面加大力度。

3．国内外碳纤维增强复合材料发展动态

碳纤维又称增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer）CFRP，于1950年在美国 问世，其具有轻质高强、抗腐蚀、耐老化、耐久性好、物理性能稳定等诸多优点。其抗拉强度约为同等截面钢材的7～10倍。碳纤维材料首先应用于航天工业，七十年代在技术上已趋成熟，但直到八十年代初才开始在土建工程中开始进行应用研究。瑞士联邦材料测试研究所首先于1991年7月在总长228米的多跨连续箱形梁桥（Ibach桥）进行了碳纤维加固试验和研究并获得了成功。90年代在国际上对碳纤维材料怎样应用于土建工程中进行了广泛的系统的研究。

我国约在1997年才开始对碳纤维加固修复土木结构进行研究，但发展势头迅猛，进展较快。国内已有很多科研院和高等学校进行了各种实验研究，积累了一些资料。因而大都仍是从基本性、验证性和试验着手，从简支梁、柱的加固着眼，因而重复性较多，尚有待进一步深化。2001年重庆交通科研设计院率先开始了新材料加固隧道衬砌的有关工作。

4．碳纤维在公路隧道衬砌补强中的应用意义

4．1碳纤维修复补强技术的特点

工程实践表明，碳纤维维修复补强混凝土结构具有很多优于传统方法的特点，是混凝土结构修复补强技术的一个新发展。

（1）施工简便迅速

用碳纤维片修复补强混凝土结构只需将修补部位的混凝土表面修补打磨平整，表面净涂刷特定的环氧树脂，然后粘贴碳纤维片，最好在涂刷一层环氧树脂自然固话养护即可。不需任何夹具、模版的支撑，施工既简便又迅速。必要时可不中断交通。

（2）不增加结构重量

碳纤维片的重量仅200～300g/m2，设计厚度0.111～0.167mm，加上环氧树脂的重量也仍然很轻，对结构自重的影响甚微，可忽略不计。

（3）能适应各种结构外形的补强

碳纤维片的厚度很薄，可以裁剪成所需形状，顺应结构的外形粘贴在混凝土表面，如变截面梁、曲线梁、拱形结构，均可方便地粘贴。

（4）可以多层粘贴

根据补强设计的要求，碳纤维片可以在一个部位重叠粘贴，即贴一层后上面再贴一层，连续贴很多层，充分满足补强的要求。

（5）能有效地封闭混凝土的裂缝

碳纤维片粘贴在混凝土的表面，不仅封闭了混凝土的裂缝，碳纤维片高强高模量的特性还约束了混凝土构件的整体刚度。

（6）不影响结构的外观

碳纤维片的厚度很薄，粘贴固化后表面还可涂刷于原结构颜色一致的涂料，而不影响结构的外观。

（7）耐久性好

碳纤维片和环氧树脂的化学稳定性都非常好，耐酸、碱和盐类的腐蚀，还可以防水。在重复荷载作用下的疲劳性能也优于金属及混凝土材料。可长期经受核辐射和紫外线照射。在-54℃～82℃温度环境条件下使用，强度不降低。经加速老化试验，可历时40年性能不变，且在表面涂装后，其耐久性将更为突出。

4．2砌碳纤维补强隧道衬砌适应条件

隧道衬砌结构在外荷载作用下产生的裂缝，是衬砌承载过程和内力状态的变化的综合反映。裂缝的成因与衬砌结构形式、围岩压力的大小及分布、施工方法、工程质量及建筑材料因素密切相关。对既有拱圈部分出现一些宽度不大的受拉裂缝，开裂衬砌断面受压应力尚未达到抗压极限强度，截面形成塑性铰，拱圈尚有一定的强度储备，这类情况采用碳纤维加固应当是有效的；当拱圈截面内缘出现压裂性破碎或宽度较大的拉裂，而外缘混凝土也可能已压碎，衬砌截面的有效截面大为减小，并产生较大的局部压缩变形，此时，若裂缝出现两条以上，或边墙也同时发生移动，则衬砌已基本丧失稳定。这类情况采用换拱或碳纤维加固需具体分析；当衬砌出现剪裂，并沿剪裂面发生错动，结构已经湿稳，不宜采用碳纤维加固方案；对需提高结构抗拉强度和抗震强度的完整衬砌，碳纤维加固是值得认真考虑的方案。

4．3公路隧道衬砌碳纤维补强的计算基本方法

隧道衬砌结构的强度验算目前均采用钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件的计算方法。偏心距的大小直接影响结构的受力情况。

当偏心距e较小，0

当偏心距e增大，0.17≤e≤0.3h，由于偏心距增大，截面弯矩增大，一个边缘出现拉应力，即使受拉区混凝土出现裂缝，但截面的破坏形式仍以受压边缘压应力大于混凝土的抗压强度后，混凝土发生压碎破坏。