碳纖維加固條件下公路隧道襯砌體系可靠度模型構(gòu)建

魏來(lái)

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

碳纖維加固技術(shù)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，對(duì)公路隧道襯砌體系的混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)具有高強(qiáng)度、高效力、施工技術(shù)便捷、高耐腐蝕性、自身重量較輕、不會(huì)額外增加結(jié)構(gòu)尺寸等明顯優(yōu)勢(shì)。碳纖維布用專業(yè)配套的膠與混凝土能夠形成一個(gè)復(fù)合型整體，該材料適用于混凝土結(jié)構(gòu)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(qiáng)度高、成本低、自重輕、易裁剪、工期短等特點(diǎn)，其加固施工技術(shù)被廣泛應(yīng)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(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)，是近年來(lái)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(qiáng)度性能，以增強(qiáng)隧道襯砌體系承載能力及剛度的目的。碳纖維加固技術(shù)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(shù)一直處于重要地位，成為橋隧工程或建筑工程中對(duì)結(jié)構(gòu)受力裂縫加固處理使用的一種普遍方法。通過(guò)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(yàn)證。

1 碳纖維布的加固原理

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)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(diǎn)，同時(shí)具有纖維材料纖維軸向極高的抗拉能力，極強(qiáng)的可加工性。碳纖維比重小，不到鋼材的1/4，剛性強(qiáng)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(guò)程中，不會(huì)對(duì)隧道的原始結(jié)構(gòu)造成影響，且施工工期短，用于橋隧工程或建筑結(jié)構(gòu)加固的碳纖維材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)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(shí)，一部分應(yīng)力水平較高的碳纖維絲首先達(dá)到其抗拉強(qiáng)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(jié)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(qiáng)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(jié)劑對(duì)碳纖維布的加固起到關(guān)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(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)的共同工作，從而達(dá)到加固構(gòu)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(fù)雜及多變的作業(yè)環(huán)境，碳纖維復(fù)合材料的使用能夠較好地彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，取得更為理想的效果。碳纖維復(fù)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(huì)增大太多結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

碳纖維材質(zhì)自重輕，施工方便快捷，不增加結(jié)構(gòu)荷載；強(qiáng)度高，能靈活地應(yīng)用于抗彎、封閉箍和抗剪加固；柔韌性好，不受結(jié)構(gòu)外形限制；耐久性佳，抗化學(xué)腐蝕和惡劣環(huán)境氣候變化的能力強(qiáng)；同時(shí)抗高溫、抗蠕變、抗磨蝕、抗震性能好，在混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)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(guò)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(jié)合工程項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)嶋H情況，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目經(jīng)理、項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人對(duì)項(xiàng)目的論證和經(jīng)濟(jì)可行性分析，決定采用碳纖維加固施工技術(shù)。

（2）碳纖維布材料特性，工程項(xiàng)目使用的碳纖維布主要性能指標(biāo)如表1所示。

表1 碳纖維加固施工技術(shù)主要性能指標(biāo)

3 施工技術(shù)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(shí)間內(nèi)用完，超過(guò)時(shí)間則絕對(duì)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(fēng)干。底膠硬化后表面有凸起部分要用磨光機(jī)或砂紙打光。若表面有凹入部位，應(yīng)用找平膠進(jìn)行修補(bǔ)，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(chǎng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸裁剪碳纖維布，下料數(shù)量以當(dāng)天用完為準(zhǔn)，粘貼碳纖維布時(shí)應(yīng)使材料充分浸潤(rùn)，膠水的配置和涂抹按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求進(jìn)行，粘貼時(shí)用特制滾筒反復(fù)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(guò)程中應(yīng)更多地將其粘貼在結(jié)構(gòu)的受拉表面，并粘接牢固，使其與隧道襯砌體系構(gòu)件形成一體，以共同承受拉應(yīng)力，從而有效提升隧道襯砌體系的承載能力，取得加固補(bǔ)強(qiáng)的效果。

施工開(kāi)始前，應(yīng)仔細(xì)考察需要加固的襯砌體系結(jié)構(gòu)，了解其實(shí)際情況，包括原襯砌體系結(jié)構(gòu)的配筋及受力程度，根據(jù)設(shè)計(jì)需要科學(xué)、合理地選擇碳纖維材料。對(duì)施工環(huán)境的溫度應(yīng)盡量控制在5～35℃，相對(duì)濕度在70%左右，施工范圍內(nèi)應(yīng)清潔、無(wú)過(guò)多沙塵，以確保施工質(zhì)量。同時(shí)，在較為狹小的空間進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)注意通風(fēng)，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(guān)要求，為提高隧道廊道的承載能力和安全性能，需對(duì)其缺陷區(qū)域部分進(jìn)行加固處理，主要包括以下六個(gè)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(duì)保留區(qū)域和拆除區(qū)域交界的部位進(jìn)行測(cè)量并劃線，明確切割的具體邊界。將二襯拆除邊界進(jìn)行切割處理，切下20～30cm的凹槽作為減震槽，防止拆除時(shí)對(duì)留存下來(lái)的結(jié)構(gòu)帶來(lái)負(fù)面影響。突破口的具體寬度為2m，將拆除部位詳細(xì)標(biāo)明，并在分界部位使用切割機(jī)進(jìn)行切割，使其與其他結(jié)構(gòu)分離。在進(jìn)行與分界線相距1.5m部位的拆除作業(yè)時(shí)，需要按照自二襯墻腳向上進(jìn)行拆除的方式朝拱頂進(jìn)行，一直到對(duì)面邊墻墻腳的對(duì)應(yīng)部位，再拆除臨界線的1.5m部分。在進(jìn)行整環(huán)二襯混凝土的拆除作業(yè)時(shí)，深度可到初期支護(hù)表層，不可對(duì)初期支護(hù)造成破壞，在形成突破口之后再逐步進(jìn)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(shí)，一般采用封閉式粘貼碳纖維片材的方法，同時(shí)需要保障碳纖維片材在箍筋加密區(qū)進(jìn)行連續(xù)性的均勻分布。此外，碳纖維片材的搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于155mm，并且各條帶的搭接位置應(yīng)保持相互錯(cuò)開(kāi)，而對(duì)于碳纖維片材的兩端位置，則應(yīng)形成一個(gè)較為封閉的形態(tài)。在對(duì)公路隧道襯砌體系的鋼筋混凝土梁、柱構(gòu)件的受剪加固時(shí)，需要保障碳纖維片材的纖維方向與構(gòu)件軸方向垂直。當(dāng)碳纖維片材采用條帶布置時(shí)，應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。此外，隧道襯砌體系構(gòu)建的受剪截面尺寸也應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）的有關(guān)規(guī)定，同時(shí)在實(shí)際工程中應(yīng)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(duì)隧道底部使用豎向直徑為89mm的鋼管進(jìn)行注漿加固。先進(jìn)行鋼管安設(shè)，其后使用高壓注漿方式進(jìn)行注漿，注漿時(shí)壓力需要嚴(yán)格控制在1～3MPa，在逐漸結(jié)束后便可實(shí)行隧道底部初期支護(hù)的拆除替換，縱向每次拆換長(zhǎng)度需控制在3m以內(nèi)。拆除工作結(jié)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(qiáng)螺栓進(jìn)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(shè)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(hù)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(yīng)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使用完畢，超過(guò)時(shí)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(gòu)件表面上，等待自然風(fēng)干。底層膠的干燥時(shí)間隨氣溫的影響有所不同，一般在涂抹后的3～24h會(huì)出現(xiàn)變化，待主劑和固化劑完全硬化。使用結(jié)構(gòu)膠黏劑將混凝土表面凹陷的部分填補(bǔ)平整，直至沒(méi)有棱角。轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yán)格按照施工設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)膠粘劑標(biāo)準(zhǔn)的使用量，計(jì)算出所涂抹碳纖維布的需要量，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度，確保配置的膠材在規(guī)定時(shí)間內(nèi)一次使用完畢。

（3）粘貼碳纖維布。在準(zhǔn)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(jié)構(gòu)膠粘劑與碳纖維布充分結(jié)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(qiáng)調(diào)的是，待碳纖維表面結(jié)構(gòu)膠粘劑指觸干燥后方可進(jìn)行下一層粘貼。

（4）通過(guò)使用小錘輕輕敲擊準(zhǔn)確判斷碳纖維布與混凝土構(gòu)件表面的粘貼質(zhì)量，在具體的敲擊過(guò)程中如果依然存在空鼓、氣泡等現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理，此時(shí)可以利用刀片將碳纖維布劃開(kāi)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(shí)即可[8]。

3.6 養(yǎng)護(hù)

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

4 可靠度計(jì)算實(shí)例及特點(diǎn)分析

本實(shí)驗(yàn)以某工程段的雙線公路隧道聯(lián)絡(luò)通道為例，采用ANSYS/LS-DYNA軟件對(duì)其進(jìn)行抗爆加固的數(shù)值模擬研究。該工程右線長(zhǎng)2 325m，左線長(zhǎng)2 380。采用“漢光一號(hào)”盾構(gòu)機(jī)土壓平衡進(jìn)行盾構(gòu)，盾構(gòu)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(luò)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(fù)雜，有淤泥質(zhì)地層、復(fù)合地層和黏土地層。選用碳纖維對(duì)通道拱頂和側(cè)壁進(jìn)行整體加固，通過(guò)改變碳纖維的厚度考察不同碳纖維厚度對(duì)公路隧道襯砌體系的可靠度模型構(gòu)建，從而驗(yàn)證最終實(shí)際的加固效果，具體隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。

表2 隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特征

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)初期實(shí)驗(yàn)得知，碳纖維加固可以有效提高公路隧道截面的可靠指標(biāo)，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(guān)系。碳纖維加固施工技術(shù)與其他的加固技術(shù)相比具有優(yōu)勢(shì)，可以大幅提升公路隧道混凝土構(gòu)件的強(qiáng)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(shù)應(yīng)更多推廣和應(yīng)用在公路隧道襯砌體系的混凝土構(gòu)件加固施工中。