碳纤维加固条件下公路隧道衬砌体系可靠度模型构建

魏来

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

碳纤维加固技术是一种新型的结构加固技术，对公路隧道衬砌体系的混凝土结构修复具有高强度、高效力、施工技术便捷、高耐腐蚀性、自身重量较轻、不会额外增加结构尺寸等明显优势。碳纤维布用专业配套的胶与混凝土能够形成一个复合型整体，该材料适用于混凝土结构的维修加固，碳纤维材料根据生产工艺方式和原材料的不同，可以分为沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维。由于碳纤维材料具有强度高、成本低、自重轻、易裁剪、工期短等特点，其加固施工技术被广泛应用并取得不断发展，深受业内人士的青睐。

采用碳纤维加固材料修复补强混凝土结构，是近年来桥隧工程施工中采用较为普遍的新型工法。利用碳纤维材料的抗拉强度性能，以增强隧道衬砌体系承载能力及刚度的目的。碳纤维加固技术包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。在众多加固方法中，碳纤维加固技术一直处于重要地位，成为桥隧工程或建筑工程中对结构受力裂缝加固处理使用的一种普遍方法。通过碳纤维加固公路隧道衬砌前后的失效模式及可靠程度变化也获得验证。

1 碳纤维布的加固原理

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）含碳量高于90%，具有碳素材料耐高温、耐摩擦、耐腐蚀的特点，同时具有纤维材料纤维轴向极高的抗拉能力，极强的可加工性。碳纤维比重小，不到钢材的1/4，刚性强度大，且与混凝土和钢材具有非常相近的热膨胀系数，其在公路隧道衬砌体系加固过程中，不会对隧道的原始结构造成影响，且施工工期短，用于桥隧工程或建筑结构加固的碳纤维材料具有优良的力学性能，其抗拉强度一般为建筑用钢材的十几倍。但碳纤维材料织成碳纤维布后，其中的各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推得出，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体破坏。而在使用黏结剂后，各碳纤维丝能很好地共同工作，大幅提高了碳纤维布的抗拉性能和强度，所以碳纤维加固首先必须使碳纤维布中的碳纤维丝能够共同工作，因此黏结剂对碳纤维布的加固起到关键作用，其既要确保各碳纤维丝共同工作，又要确保碳纤维布与结构相协调的共同工作，从而达到加固构件的目的。

在公路隧道衬砌体系施工中，由于施工区域非常复杂及多变的作业环境，碳纤维复合材料的使用能够较好地弥补这些缺点，取得更为理想的效果。碳纤维复合材料具有很好的可塑性，可用于曲面或其他不规则形状，有效地改善材料质量，且极为轻便，不会增大太多结构重量。此外，碳纤维布具有很好的防水特性，使用碳纤维材料加固隧道衬砌体系，能够取得很好的防水效果。

2 极限状态分析与结构内力计算

碳纤维材质自重轻，施工方便快捷，不增加结构荷载；强度高，能灵活地应用于抗弯、封闭箍和抗剪加固；柔韧性好，不受结构外形限制；耐久性佳，抗化学腐蚀和恶劣环境气候变化的能力强；同时抗高温、抗蠕变、抗磨蚀、抗震性能好，在混凝土构件、钢结构、木结构中均被广泛采用。极限状态可分为大偏压破坏、小偏压破坏；其中大偏压破坏过程为：受拉钢筋先屈服，受压区混凝土最后被压碎。

（1）加固方案。结合工程项目所在区域实际情况，经过项目经理、项目技术负责人对项目的论证和经济可行性分析，决定采用碳纤维加固施工技术。

（2）碳纤维布材料特性，工程项目使用的碳纤维布主要性能指标如表1所示。

表1 碳纤维加固施工技术主要性能指标

3 施工技术分析

施工前期需要按比例配制碳纤维布底胶（一次调和量需在可使用时间内用完，超过时间则绝对不能使用），使用滚筒或刷子均匀地涂抹在基面上，涂抹均匀并自然风干。底胶硬化后表面有凸起部分要用磨光机或砂纸打光。若表面有凹入部位，应用找平胶进行修补，保证粘贴面的平整，以确保加固效果。下一道工序是粘贴碳纤维布，在施工现场根据现场实际尺寸裁剪碳纤维布，下料数量以当天用完为准，粘贴碳纤维布时应使材料充分浸润，胶水的配置和涂抹按设计和规范要求进行，粘贴时用特制滚筒反复沿纤维方向滚压[5]。由于碳纤维材料的抗拉性能突出，在隧道衬砌体系加固过程中应更多地将其粘贴在结构的受拉表面，并粘接牢固，使其与隧道衬砌体系构件形成一体，以共同承受拉应力，从而有效提升隧道衬砌体系的承载能力，取得加固补强的效果。

施工开始前，应仔细考察需要加固的衬砌体系结构，了解其实际情况，包括原衬砌体系结构的配筋及受力程度，根据设计需要科学、合理地选择碳纤维材料。对施工环境的温度应尽量控制在5～35℃，相对湿度在70%左右，施工范围内应清洁、无过多沙尘，以确保施工质量。同时，在较为狭小的空间进行施工时，应注意通风，保证操作人员的人身安全，避免发生中毒现象。根据现行规范与相关要求，为提高隧道廊道的承载能力和安全性能，需对其缺陷区域部分进行加固处理，主要包括以下六个方面的内容。

3.1 拱墙衬砌拆除

在移除隧道衬砌体系的划界切槽之前，需要先对保留区域和拆除区域交界的部位进行测量并划线，明确切割的具体边界。将二衬拆除边界进行切割处理，切下20～30cm的凹槽作为减震槽，防止拆除时对留存下来的结构带来负面影响。突破口的具体宽度为2m，将拆除部位详细标明，并在分界部位使用切割机进行切割，使其与其他结构分离。在进行与分界线相距1.5m部位的拆除作业时，需要按照自二衬墙脚向上进行拆除的方式朝拱顶进行，一直到对面边墙墙脚的对应部位，再拆除临界线的1.5m部分。在进行整环二衬混凝土的拆除作业时，深度可到初期支护表层，不可对初期支护造成破坏，在形成突破口之后再逐步进行拆除。

3.2 柱体抗震与受剪加固

公路隧道衬砌体系柱体加固时，一般采用封闭式粘贴碳纤维片材的方法，同时需要保障碳纤维片材在箍筋加密区进行连续性的均匀分布。此外，碳纤维片材的搭接长度不应小于155mm，并且各条带的搭接位置应保持相互错开，而对于碳纤维片材的两端位置，则应形成一个较为封闭的形态。在对公路隧道衬砌体系的钢筋混凝土梁、柱构件的受剪加固时，需要保障碳纤维片材的纤维方向与构件轴方向垂直。当碳纤维片材采用条带布置时，应保障其净间距不大于最大箍筋间距的0.7倍的要求，可以参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）有关标准执行。此外，隧道衬砌体系构建的受剪截面尺寸也应符合《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）的有关规定，同时在实际工程中应尽可能地避免碳纤维布早于混凝土破坏的情况发生[6]。

3.3 竖向注浆及隧底初支拆换

在隧道衬砌体系仰拱全部拆除完毕之后，需要对隧道底部使用竖向直径为89mm的钢管进行注浆加固。先进行钢管安设，其后使用高压注浆方式进行注浆，注浆时压力需要严格控制在1～3MPa，在逐渐结束后便可实行隧道底部初期支护的拆除替换，纵向每次拆换长度需控制在3m以内。拆除工作结束后，需要清理隧道底部的杂物和淤积水体，新制作的仰拱拱架和边墙拱架使用200mm×450mm连接板与M30×70mm高强螺栓进行稳固连接，以提升钢架的牢固性与一体性。在钢架间隔处安设直径为22mm的连接筋，环向间距为1m，选用C25混凝土，第一、二层支护的厚度分别为0.3m和0.2m。

3.4 涂刷底胶及找平处理

将主剂和固化剂按照一定比例搅拌均匀后倒入容器中，主剂和固化剂的调和量应在规定的时间内使用完毕，超过时间的调和量不得使用。使用滚筒或者刷子将搅拌均匀后的主剂和固化剂均匀涂抹于混凝土构件表面上，等待自然风干。底层胶的干燥时间随气温的影响有所不同，一般在涂抹后的3～24h会出现变化，待主剂和固化剂完全硬化。使用结构胶黏剂将混凝土表面凹陷的部分填补平整，直至没有棱角。转角处同样使用找平材料将其修理成半径大于等于20mm光滑的圆弧，指触判断结构胶粘剂表面干燥后粘贴碳纤维布[7]。

3.5 粘贴碳纤维布

（1）严格按照施工设计方案中要求的尺寸裁剪碳纤维布。

（2）按照工艺流程配置胶材。根据结构胶粘剂标准的使用量，计算出所涂抹碳纤维布的需要量，结合施工现场的温度和湿度，确保配置的胶材在规定时间内一次使用完毕。

（3）粘贴碳纤维布。在准确确定粘贴部位的情况下，先使用特制的工具沿纤维粘贴方向滚压，其目的是去除气泡和空鼓，使结构胶粘剂与碳纤维布充分结合，在使用刮板刮除碳纤维布表面多余的粘贴剂，使其分布均匀。需要强调的是，待碳纤维表面结构胶粘剂指触干燥后方可进行下一层粘贴。

（4）通过使用小锤轻轻敲击准确判断碳纤维布与混凝土构件表面的粘贴质量，在具体的敲击过程中如果依然存在空鼓、气泡等现象应及时处理，此时可以利用刀片将碳纤维布划开一道小口，然后使用注射器针管将已经调制好的主剂和固化剂注入空鼓或气泡内，直至填充至密实即可[8]。

3.6 养护

碳纤维布粘贴好后需要自然养护24h才能达到初期固化的目的，并保证其在固化期间不会受到任何因素的干扰，碳纤维布施工技术流程为：混凝土表面打磨处理→涂底层胶→构件表面残缺修补→粘贴碳纤维布→涂刷浸渍胶→养护。

4 可靠度计算实例及特点分析

本实验以某工程段的双线公路隧道联络通道为例，采用ANSYS/LS-DYNA软件对其进行抗爆加固的数值模拟研究。该工程右线长2 325m，左线长2 380。采用“汉光一号”盾构机土压平衡进行盾构，盾构隧道外径6m，内径5.4m，衬砌厚度0.3m。区间内包含三条联络通道，其断面形式为直墙半圆拱，断面净宽3.2m，圆拱内径1.6m，直墙部分净高2.7m，衬砌厚度为0.3m。隧道衬砌体系顶部覆土层厚度为8～19m，穿越地层土质条件复杂，有淤泥质地层、复合地层和黏土地层。选用碳纤维对通道拱顶和侧壁进行整体加固，通过改变碳纤维的厚度考察不同碳纤维厚度对公路隧道衬砌体系的可靠度模型构建，从而验证最终实际的加固效果，具体随机变量的统计特征如表1所示。

表2 随机变量的统计特征

5 结语

通过初期实验得知，碳纤维加固可以有效提高公路隧道截面的可靠指标，尤其以大偏压更为明显，其提高幅度与截面偏心距呈正向关系。碳纤维加固施工技术与其他的加固技术相比具有优势，可以大幅提升公路隧道混凝土构件的强度值，且不受施工环境、加固物体形状的影响，碳纤维加固施工技术应更多推广和应用在公路隧道衬砌体系的混凝土构件加固施工中。