公路运营隧道碳纤维布加固技术应用

景建军

【摘要】 碳纤维布在混凝土加固修复工程中应用广泛，本文介绍了在运营公路隧道使用碳纤维布技术加固隧道裂缝的原理、碳纤维布的性能，总结了碳纤维布加固隧道裂缝的施工工艺和要点，可为类似工程提供经验参考。

【关键词】 公路运营隧道 碳纤维布 加固技术

1.引言

随着城市交通的发展，既有市政公路隧道日渐成为城市交通的瓶颈，急需进行拓宽改造。为不中断城市交通，只能封闭半幅隧道施工，另外半幅隧道保持双向通行。在封闭的半幅隧道开挖爆破过程中，会加剧通行半幅隧道的病害，如裂缝发展加快，拱顶掉块等现象，产生安全隐患，需要对运营的半幅隧道裂缝进行加固。碳纤维布加固钢筋混凝土结构裂缝具有施工简便，施工不受空间限制等有利因素，确定使用碳纤维布技术修复加固该运营隧道。

2.加固原理

碳纤维材料是一种力学性能优异的新材料，它补强加固原理是采用层压方式，将浸透了树脂粘胶的碳纤维布贴合到钢筋混凝土表面，通过树脂胶结材料的粘合使其与混凝土结合成为一体，提高隧道二衬混凝土的力学性能和延性，延缓爆破冲击波，有效控制混凝土裂缝延伸。碳纤维布配套树脂包括底层树脂，找平树脂及粘结树脂，前两者的作用是为了提高碳纤维布的粘结质量，后者的作用是使碳纤维布与混凝土形成一个复合型的整体，共同受力。

碳纤维布加固施工技术有以下优点：具有高强特点，可提高隧道二衬混凝土的承载力；能有效封闭混凝土表面的裂缝，提高混凝土的整体刚度，改善其受力性能；施工时通过树脂粘结，不损伤原有隧道二衬混凝土结构；施工成本低；施工便利迅速，时效性好；施工空间不受限制；补强物形状不受限制，具有随型性特点；不增加恒载和结构物断面尺寸，不减小隧道净空；补强质量易检测；抗酸、碱、腐蚀及不渗透。

3.碳纤维布加固施工工艺

3.1施工准备

⑴施工方案准备：勘查施工现场，编制碳纤维加固施工方案，制定施工计划。施工前应对隧道进行全面检查，对隧道二衬混凝土表面的裂缝状况、基底树脂的涂敷、碳纤维布的粘贴、养护、表面处理措施进行充分的设计。

⑵施工材料准备：碳纤维布须平整无褶皱弯曲，纹理清晰，符合国家质量标准，进场的碳纤维布必须附带产品出厂检验报告，材料进场后应抽样送检，检验合格后方可投入使用。粘结树脂要根据界面胶、整平胶和粘结胶的不同作用，选择不同粘稠度、粘结强度的树脂。

⑶施工工具准备：制作移动式作业台车，台车须与隧道净空相适应；砂轮机、搅拌器、称量器、刮刀、滚筒和油刷。

⑷施工环境准备：加强隧道照明设施，协调交通主管部门，做好交通封闭、交通绕行等管制措施。根据交警审批的封闭区域及交通疏导路线，提前设置交通警示标志，提醒车辆绕行。封闭时刻安排交通协管人员同时在进出路口设置封闭限行标志。夜间施工时做好交通巡视工作，防止个别车辆闯入施工区域，影响施工安全。

⑸渗水裂缝处理：沿施工缝将衬砌凿开6×6×10cm沟槽，埋设?50mm透水软管至边墙墙角排水沟，沟槽采用抗渗强度较高的砂浆回填密实，与原来衬砌面相平。

3.2混凝土裂缝表面处理

隧道二衬混凝土面的打磨与找平，是一道关键工序，表面污物、浮浆去除不干净或不平整、或有错台，将严重影响碳纤维布与混凝土之间的粘结强度，直接影响施工质量和加固效果。用手提砂轮机将准备贴纤维布的混凝土表面层清理，除去表面疏松层及杂质，并打磨至露出粗骨料界面为止。打磨完成后用高压气枪将粉尘及松动物质清除，并确保其表面充分干燥，平整无灰尘。

3.3修复和整平贴合面

贴纤维布范围内的裂缝，根据裂缝宽度进行裂缝封闭或灌胶处理，然后用无水酒精冲洗混凝土表面，除去表面粉尘。面层上有剥落、孔隙、蜂窝或模板高差的部位，需先清理并磨平，再用找平树脂进行修复，以消除表面不平整处，待找平表面干燥时再细部打磨。钢筋露出部位需做防锈处理。若补强施工范围内存在锐利棱角，须将其磨成圆弧角，以免造成应力集中而降低补强效果。

3.4涂刷底胶

底胶有主剂（环氧树脂、稀释剂）和固化剂（改型铝粉、固化促进剂）两种成分组成，用低速搅拌机进行充分搅拌。在清理后的隧道二衬混凝土表面涂刷基底树脂，加强碳纤维布与二衬混凝土表面的粘结力。在有效操作时间内，用滚动性毛刷将底层树脂均匀涂在粘贴面上，使每一部位均涂有底胶，底胶厚度不应大于2mm。施工时保持环境干燥，湿气太大将导致树脂与水气产生作用而干扰胶化过程。底层树脂有效操作时间与环境温度有关，温度越高可操作时间越短，常温时，控制操作时间在40min内。

3.5粘贴碳纤维布

粘贴碳纤维布的施工要点：

⑴裁剪碳纤维布：将碳纤维布按设计尺寸预先裁好，纤维布在纵向搭接时，搭接长度须在15cm以上。切口要求整齐，切口与碳纤维布的横向编织丝重合时，应该将切口适当平移。

⑵配制树脂：专人按比例配制浸渍树脂，每次配制的量应以在可用时间内用完为准。其有效操作时间与环境温度有关，常温时约60min。

⑶涂刷第一层浸渍树脂：在确认施工环境干燥、底胶干燥的情况下，用滚筒毛刷将树脂涂布在预定的区域内，用橡胶刮板均匀抹平。树脂用量要适当，避免树脂过量而导致碳纤维布滑移或扭曲，抑或树脂少导致浸渍不足。

⑷粘贴碳纤维布：将预先剪好的碳纤维布铺到涂有树脂的混凝土面上，一边铺一边用刮刀沿纤维方向用力刮平，以去除气泡，贴平贴片。在整段碳纤维布完全贴合到混凝土表面后，再用脱泡滚筒反复碾压，使粘贴胶充分渗入碳纤维布中，同时消除纤维布与贴合面之间的气泡。施工中不要使纖维布出现扭曲、起皱或毛刺。若贴合的碳纤维布表面呈现明显的扭曲、起皱或隆起，须将该纤维布揭起重铺。

⑸涂刷第二层浸渍树脂：碳纤维布浸透刮平后，再涂一层浸渍树脂，用橡胶刮板、脱泡滚筒重复以上操作，务必使碳纤维布浸渍完全。涂刷时不能损伤碳纤维布。

⑹多层碳纤维布粘贴时，重复上述步骤，间隔时间应不小于12h。

3.6养护与表面处理

在最后一层碳纤维表面均匀涂抹粘贴胶，覆盖塑料薄膜；养护时间应根据环境温度来定，常温时养护3d，温度低时，可适当延长养护时间。为保护碳纤维布，去除塑料薄膜后，在碳纤维布表面喷一层基底树脂。

3.7检查验收

表1 碳纤维布质量检查验收表

序号 检查项目 规定值或允许偏差 检测方法

1 外观平整度 不能有间隙、缺胶区，无皱纹 目视检测

2 密实度 碳纤维布补强面不能有空洞，空隙率小于5% 金属锤测试

3 尺寸数量 碳纤维布材料的粘贴尺寸、数量不小于设计要求 尺量

4 粘结强度 拉拔结果破坏面必须为混凝土破坏或拉拔强度大于2.5MPa 现场拉拔试验

4.工程應用实例

4.1工程概况

××市既有××隧道位于该市二环路东北段，为复合式衬砌结构，隧道建成于1995年，为分离式隧道，双向4车道，长576米。隧道位于该市道路路网的核心位置，是重要的交通干道之一，目前该隧道为双向4车道，与全线8车道无法匹配，需要将隧道拓宽改造为双向8车道。

该隧道共分两个阶段施工，一阶段施工隧道右洞，施工期间隧道左洞保持双向通行。在隧道前几次右洞的爆破作业时，监控量测单位在对隧道通行洞（左洞）检查中，发现隧道原有衬砌病害较严重地段，会出现1-2cm的小石子掉落，存在较大的安全隐患，需要对运营的半幅隧道裂缝进行加固，延缓爆破冲击波的动能，提高混凝土的整体性，保证通行安全。

4.2碳纤维布加固处理方案

由于考虑白天不能中断交通，施工时间短，空间有限，对隧道二衬裂缝采用碳纤维布粘贴加固。隧道加固利用夜间交通流量相对较小的11点至次日凌晨5：30时间段进行作业。

4.3加固施工

在前期充分调查的基础上确定加固部位，做好各项准备工作，按照施工工艺流程精心组织施工，为确保施工质量，每次施工结束前对粘贴部位进行检查，发现严重空鼓现象，进行重新粘贴。

4.4加固效果

项目于2014年3月25日开始对左洞（通行洞）裂缝加固，9月20日隧道右洞（封闭拓宽施工洞）贯通。在左洞开挖爆破过程中，右洞隧道裂缝未发展延伸，拱顶边墙未出现掉块现象，保证了行车安全。

图1 隧道裂缝加固后效果

5.结束语

总体而言，碳纤维布加固隧道裂缝施工工艺简单，但要充分注意施工的各个环节，保证加固质量。碳纤维布加固处理方法施工速度快，周期短，优越性明显，在土木工程加固补强中具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]碳纤维布补强加固混凝土结构新技术，赵彤 谢剑 天津大学出版社

[2]碳纤维片加固混凝土技术规程， CECS146：2003