魏來

（貴州省公路工程集團有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

碳纖維加固技術是一種新型的結構加固技術，對公路隧道襯砌體系的混凝土結構修復具有高強度、高效力、施工技術便捷、高耐腐蝕性、自身重量較輕、不會額外增加結構尺寸等明顯優(yōu)勢。碳纖維布用專業(yè)配套的膠與混凝土能夠形成一個復合型整體，該材料適用于混凝土結構的維修加固，碳纖維材料根據(jù)生產(chǎn)工藝方式和原材料的不同，可以分為瀝青基碳纖維和聚丙烯腈基碳纖維。由于碳纖維材料具有強度高、成本低、自重輕、易裁剪、工期短等特點，其加固施工技術被廣泛應用并取得不斷發(fā)展，深受業(yè)內(nèi)人士的青睞。

采用碳纖維加固材料修復補強混凝土結構，是近年來橋隧工程施工中采用較為普遍的新型工法。利用碳纖維材料的抗拉強度性能，以增強隧道襯砌體系承載能力及剛度的目的。碳纖維加固技術包括碳纖維布加固和碳纖維板加固兩種。在眾多加固方法中，碳纖維加固技術一直處于重要地位，成為橋隧工程或建筑工程中對結構受力裂縫加固處理使用的一種普遍方法。通過碳纖維加固公路隧道襯砌前后的失效模式及可靠程度變化也獲得驗證。

1 碳纖維布的加固原理

碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP）含碳量高于90%，具有碳素材料耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕的特點，同時具有纖維材料纖維軸向極高的抗拉能力，極強的可加工性。碳纖維比重小，不到鋼材的1/4，剛性強度大，且與混凝土和鋼材具有非常相近的熱膨脹系數(shù)，其在公路隧道襯砌體系加固過程中，不會對隧道的原始結構造成影響，且施工工期短，用于橋隧工程或建筑結構加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學性能，其抗拉強度一般為建筑用鋼材的十幾倍。但碳纖維材料織成碳纖維布后，其中的各碳纖維絲很難完全共同工作，在承受較低的荷載時，一部分應力水平較高的碳纖維絲首先達到其抗拉強度并退出工作狀態(tài)，以此類推得出，各碳纖維絲逐漸斷裂，直至整體破壞。而在使用黏結劑后，各碳纖維絲能很好地共同工作，大幅提高了碳纖維布的抗拉性能和強度，所以碳纖維加固首先必須使碳纖維布中的碳纖維絲能夠共同工作，因此黏結劑對碳纖維布的加固起到關鍵作用，其既要確保各碳纖維絲共同工作，又要確保碳纖維布與結構相協(xié)調(diào)的共同工作，從而達到加固構件的目的。

在公路隧道襯砌體系施工中，由于施工區(qū)域非常復雜及多變的作業(yè)環(huán)境，碳纖維復合材料的使用能夠較好地彌補這些缺點，取得更為理想的效果。碳纖維復合材料具有很好的可塑性，可用于曲面或其他不規(guī)則形狀，有效地改善材料質(zhì)量，且極為輕便，不會增大太多結構重量。此外，碳纖維布具有很好的防水特性，使用碳纖維材料加固隧道襯砌體系，能夠取得很好的防水效果。

2 極限狀態(tài)分析與結構內(nèi)力計算

碳纖維材質(zhì)自重輕，施工方便快捷，不增加結構荷載；強度高，能靈活地應用于抗彎、封閉箍和抗剪加固；柔韌性好，不受結構外形限制；耐久性佳，抗化學腐蝕和惡劣環(huán)境氣候變化的能力強；同時抗高溫、抗蠕變、抗磨蝕、抗震性能好，在混凝土構件、鋼結構、木結構中均被廣泛采用。極限狀態(tài)可分為大偏壓破壞、小偏壓破壞；其中大偏壓破壞過程為：受拉鋼筋先屈服，受壓區(qū)混凝土最后被壓碎。

（1）加固方案。結合工程項目所在區(qū)域?qū)嶋H情況，經(jīng)過項目經(jīng)理、項目技術負責人對項目的論證和經(jīng)濟可行性分析，決定采用碳纖維加固施工技術。

（2）碳纖維布材料特性，工程項目使用的碳纖維布主要性能指標如表1所示。

表1 碳纖維加固施工技術主要性能指標

3 施工技術分析

施工前期需要按比例配制碳纖維布底膠（一次調(diào)和量需在可使用時間內(nèi)用完，超過時間則絕對不能使用），使用滾筒或刷子均勻地涂抹在基面上，涂抹均勻并自然風干。底膠硬化后表面有凸起部分要用磨光機或砂紙打光。若表面有凹入部位，應用找平膠進行修補，保證粘貼面的平整，以確保加固效果。下一道工序是粘貼碳纖維布，在施工現(xiàn)場根據(jù)現(xiàn)場實際尺寸裁剪碳纖維布，下料數(shù)量以當天用完為準，粘貼碳纖維布時應使材料充分浸潤，膠水的配置和涂抹按設計和規(guī)范要求進行，粘貼時用特制滾筒反復沿纖維方向滾壓[5]。由于碳纖維材料的抗拉性能突出，在隧道襯砌體系加固過程中應更多地將其粘貼在結構的受拉表面，并粘接牢固，使其與隧道襯砌體系構件形成一體，以共同承受拉應力，從而有效提升隧道襯砌體系的承載能力，取得加固補強的效果。

施工開始前，應仔細考察需要加固的襯砌體系結構，了解其實際情況，包括原襯砌體系結構的配筋及受力程度，根據(jù)設計需要科學、合理地選擇碳纖維材料。對施工環(huán)境的溫度應盡量控制在5～35℃，相對濕度在70%左右，施工范圍內(nèi)應清潔、無過多沙塵，以確保施工質(zhì)量。同時，在較為狹小的空間進行施工時，應注意通風，保證操作人員的人身安全，避免發(fā)生中毒現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范與相關要求，為提高隧道廊道的承載能力和安全性能，需對其缺陷區(qū)域部分進行加固處理，主要包括以下六個方面的內(nèi)容。

3.1 拱墻襯砌拆除

在移除隧道襯砌體系的劃界切槽之前，需要先對保留區(qū)域和拆除區(qū)域交界的部位進行測量并劃線，明確切割的具體邊界。將二襯拆除邊界進行切割處理，切下20～30cm的凹槽作為減震槽，防止拆除時對留存下來的結構帶來負面影響。突破口的具體寬度為2m，將拆除部位詳細標明，并在分界部位使用切割機進行切割，使其與其他結構分離。在進行與分界線相距1.5m部位的拆除作業(yè)時，需要按照自二襯墻腳向上進行拆除的方式朝拱頂進行，一直到對面邊墻墻腳的對應部位，再拆除臨界線的1.5m部分。在進行整環(huán)二襯混凝土的拆除作業(yè)時，深度可到初期支護表層，不可對初期支護造成破壞，在形成突破口之后再逐步進行拆除。

3.2 柱體抗震與受剪加固

公路隧道襯砌體系柱體加固時，一般采用封閉式粘貼碳纖維片材的方法，同時需要保障碳纖維片材在箍筋加密區(qū)進行連續(xù)性的均勻分布。此外，碳纖維片材的搭接長度不應小于155mm，并且各條帶的搭接位置應保持相互錯開，而對于碳纖維片材的兩端位置，則應形成一個較為封閉的形態(tài)。在對公路隧道襯砌體系的鋼筋混凝土梁、柱構件的受剪加固時，需要保障碳纖維片材的纖維方向與構件軸方向垂直。當碳纖維片材采用條帶布置時，應保障其凈間距不大于最大箍筋間距的0.7倍的要求，可以參考《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）有關標準執(zhí)行。此外，隧道襯砌體系構建的受剪截面尺寸也應符合《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）的有關規(guī)定，同時在實際工程中應盡可能地避免碳纖維布早于混凝土破壞的情況發(fā)生[6]。

3.3 豎向注漿及隧底初支拆換

在隧道襯砌體系仰拱全部拆除完畢之后，需要對隧道底部使用豎向直徑為89mm的鋼管進行注漿加固。先進行鋼管安設，其后使用高壓注漿方式進行注漿，注漿時壓力需要嚴格控制在1～3MPa，在逐漸結束后便可實行隧道底部初期支護的拆除替換，縱向每次拆換長度需控制在3m以內(nèi)。拆除工作結束后，需要清理隧道底部的雜物和淤積水體，新制作的仰拱拱架和邊墻拱架使用200mm×450mm連接板與M30×70mm高強螺栓進行穩(wěn)固連接，以提升鋼架的牢固性與一體性。在鋼架間隔處安設直徑為22mm的連接筋，環(huán)向間距為1m，選用C25混凝土，第一、二層支護的厚度分別為0.3m和0.2m。

3.4 涂刷底膠及找平處理

將主劑和固化劑按照一定比例攪拌均勻后倒入容器中，主劑和固化劑的調(diào)和量應在規(guī)定的時間內(nèi)使用完畢，超過時間的調(diào)和量不得使用。使用滾筒或者刷子將攪拌均勻后的主劑和固化劑均勻涂抹于混凝土構件表面上，等待自然風干。底層膠的干燥時間隨氣溫的影響有所不同，一般在涂抹后的3～24h會出現(xiàn)變化，待主劑和固化劑完全硬化。使用結構膠黏劑將混凝土表面凹陷的部分填補平整，直至沒有棱角。轉角處同樣使用找平材料將其修理成半徑大于等于20mm光滑的圓弧，指觸判斷結構膠粘劑表面干燥后粘貼碳纖維布[7]。

3.5 粘貼碳纖維布

（1）嚴格按照施工設計方案中要求的尺寸裁剪碳纖維布。

（2）按照工藝流程配置膠材。根據(jù)結構膠粘劑標準的使用量，計算出所涂抹碳纖維布的需要量，結合施工現(xiàn)場的溫度和濕度，確保配置的膠材在規(guī)定時間內(nèi)一次使用完畢。

（3）粘貼碳纖維布。在準確確定粘貼部位的情況下，先使用特制的工具沿纖維粘貼方向滾壓，其目的是去除氣泡和空鼓，使結構膠粘劑與碳纖維布充分結合，在使用刮板刮除碳纖維布表面多余的粘貼劑，使其分布均勻。需要強調(diào)的是，待碳纖維表面結構膠粘劑指觸干燥后方可進行下一層粘貼。

（4）通過使用小錘輕輕敲擊準確判斷碳纖維布與混凝土構件表面的粘貼質(zhì)量，在具體的敲擊過程中如果依然存在空鼓、氣泡等現(xiàn)象應及時處理，此時可以利用刀片將碳纖維布劃開一道小口，然后使用注射器針管將已經(jīng)調(diào)制好的主劑和固化劑注入空鼓或氣泡內(nèi)，直至填充至密實即可[8]。

3.6 養(yǎng)護

碳纖維布粘貼好后需要自然養(yǎng)護24h才能達到初期固化的目的，并保證其在固化期間不會受到任何因素的干擾，碳纖維布施工技術流程為：混凝土表面打磨處理→涂底層膠→構件表面殘缺修補→粘貼碳纖維布→涂刷浸漬膠→養(yǎng)護。

4 可靠度計算實例及特點分析

本實驗以某工程段的雙線公路隧道聯(lián)絡通道為例，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對其進行抗爆加固的數(shù)值模擬研究。該工程右線長2 325m，左線長2 380。采用“漢光一號”盾構機土壓平衡進行盾構，盾構隧道外徑6m，內(nèi)徑5.4m，襯砌厚度0.3m。區(qū)間內(nèi)包含三條聯(lián)絡通道，其斷面形式為直墻半圓拱，斷面凈寬3.2m，圓拱內(nèi)徑1.6m，直墻部分凈高2.7m，襯砌厚度為0.3m。隧道襯砌體系頂部覆土層厚度為8～19m，穿越地層土質(zhì)條件復雜，有淤泥質(zhì)地層、復合地層和黏土地層。選用碳纖維對通道拱頂和側壁進行整體加固，通過改變碳纖維的厚度考察不同碳纖維厚度對公路隧道襯砌體系的可靠度模型構建，從而驗證最終實際的加固效果，具體隨機變量的統(tǒng)計特征如表1所示。

表2 隨機變量的統(tǒng)計特征

5 結語

通過初期實驗得知，碳纖維加固可以有效提高公路隧道截面的可靠指標，尤其以大偏壓更為明顯，其提高幅度與截面偏心距呈正向關系。碳纖維加固施工技術與其他的加固技術相比具有優(yōu)勢，可以大幅提升公路隧道混凝土構件的強度值，且不受施工環(huán)境、加固物體形狀的影響，碳纖維加固施工技術應更多推廣和應用在公路隧道襯砌體系的混凝土構件加固施工中。