优秀科技论文碳纤维加固修复公路隧道衬砌补强新技术研究

　　随着科技的发展，碳纤维的运用和越来越广泛了，在一些工程项目，公路隧道施工中也经常会用到碳纤维加固技术。那么碳纤维加固有什么优势呢？本文是一篇优秀科技论文范文，主要论述了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

　　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。

　　当偏心距e>0.3h时，截面一侧受压，另一侧受拉，随着受拉区拉应里的不断增大，受拉区裂缝不断扩大，受压面面积不断减小，从而截面的破坏形式接近于受弯构件的破坏状态。

　　隧道衬砌碳纤维补强主要是以碳纤维的高抗拉特性弥补混凝土开裂后抗拉强度的降低，因此应主要用于偏心距较大的拉裂破坏，同时对恢复或提高截面的抗压强度也是有益的。具体计算方法有待试验数据和理论分析研究确定。

　　1)基本假定

　　衬砌结构一般是压弯构件，参照桥梁和其他结构对贴碳纤维片后受弯构件的设计计算有以下假定：

　　a.纤维片仅在活载作用下分担一部分承载能力，故可按相应的弹性模量比值，按容许应力法计算其应力状态;

　　b.平截面假定成立;

　　c.不计混凝土的抗拉强度;

　　d.混凝土的极限应变为∑cu=0.0033;普通钢筋的极限应变为∑s=0.01;由于碳纤维材料无明显流限，其应力应变关系几乎呈线性变化，故假定其极限应变∑cf=∑s=0.01;

　　2)受弯构件碳纤维的锚固长度

　　当碳纤维片贴于衬砌内缘时，对于一般受弯构件加固时，并不需要通长粘贴碳纤维片，仅需在弯矩包络图的配筋切断点及普通钢筋屈服段再延伸一个锚固长度，根据日本《碳纤维加固工法》中规定，一端的锚固长度为200mm。为确保碳纤维有可靠锚固，在碳纤维的实际切断处应采取附加的锚固措施，建议可粘贴100mm宽的碳纤维lJ型箍。当两层碳纤维片搭接时，其搭接长度应≥100mm。原则上可参照钢筋混凝土结构设计原理进行，但尚有很多研究工作有待深化和认识。

　　4.4公路隧道渗漏水及村砌背后空洞的处理：

　　通过她下水的处理以提高公路隧道衬砌碳纤维补强的效果，确保碳纤维粘贴质量和减少水的腐蚀俸用，一般采用环氧嵌缝法，缝细时采用注射法，既解决渗漏水问题，又可提高裂面结合强度。公路隧道衬砌背后空洞往往导致实际与嘏设不符，并导致衬砌裂缝，必须进行拱背注浆。这也是隧道有别于其他结构的特点。

　　4.5公路隧道衬砌碳纤维补强设计、施工技术标准

　　借鉴国内外已有资料和桥梁工程、工民建的工程实践，编写公路隧道衬砌碳纤维补强施工技术指南，为该技术的推广形成成套技术。结合“公路遂道衬砌碳纤维补强施工技术指南”，形成与之配套的，同时又便于解决工程问题的“公路隧道衬砌碳纤维补强的验收标准”，这是公路隧道衬砌碳纤维补强推广实施的关键口

　　5.结论及建议

　　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。施工简便迅速，不增加结构重量。碳纤维的上述特点就决定了它是一种值得采用的隧道衬砌加固修复方案，如果采用这一技术，衬砌修复就可较传统的换拱等方法缩短工期，造价也会大幅下降。因此应用前景将会很广。目前，我国公路隧道的衬砌补强修复技术还落后，追切需要在新材料、新工艺采用方面加大研究力度，对碳纤维材料怎样应用于土建工程中进行了广泛和系统的研究，公路隧道渗漏水的处理及碳纤维补强设计、施工细则的编制是做好碳纤维在公路隧道衬砌补强中应用的关键。尤其在桥梁、隧道和房建加固工程中推广应用。

　　参考文献

　　[1] 公路隧道养护技术规范.JTG H12-2003).北京.人民交通出版社，2003.

　　[2] 孙钧、侯学渊.地下结构.北京.科学出版社，1987.

　　[3] 易萍丽.现代隧道设计与施工技术手册.北京.中国铁道出版社，l997.
　　科技论文发表期刊推荐《工程地质学报》(双月刊)是我国工程地质学科综合性的高级学术期刊。1993年批准创刊发行16开本，每期96页，国内外公开发行。工程地质学报办刊宗旨是加强学术交流，促进工程地质科学的理论，应用和技术的发展，使工程地质学科更好地为国民经济建设服务。着重于理论研究和工程实践的结合。《工程地质学报》主要介绍当前规划、设计和在建国家重点工程的工程地质和地质环境实例及其论证;讨论理论进展和方法创新;讨论在土木、水电、铁路、公路、及矿山建设、城乡规划、地质环境和灾害治理，以及能源和工业采掘等方面的新技术和经营、适用于科研工作者、高校师生和专业工程技术人员参阅。