隨著科技的發(fā)展，碳纖維的運用和越來越廣泛了，在一些工程項目，公路隧道施工中也經(jīng)常會用到碳纖維加固技術(shù)。那么碳纖維加固有什么優(yōu)勢呢？本文是一篇優(yōu)秀科技論文范文，主要論述了碳纖維加固修復公路隧道襯砌補強新技術(shù)研究。
　　摘 要：本文論述了碳纖維隧道襯砌加固修復方法，以及公路隧道襯砌碳纖維補強的計算模式及方法的研究，公路隧道滲漏水的處理及碳纖維補強設(shè)計、施工技術(shù)標準。

　　關(guān)鍵詞：隧道襯砌,加固修復,碳纖維

　　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

　　粘貼碳纖維加固法修復混凝土結(jié)構(gòu)具有高強高效、施工便捷、耐腐蝕、自重輕、不增加結(jié)構(gòu)尺寸等明顯的優(yōu)點，因而使其在隧道補強工程中具有廣泛的應用前景。為推廣使用，有必要對碳纖維在公路隧道襯砌補強中的計算方法及施工工藝開展專項研究，并建立相關(guān)的設(shè)計、施工、檢驗的行業(yè)標準。本文結(jié)合工程實踐對碳纖維在公路隧道襯砌補強中應用做一介紹。以供同行借鑒。

　　2.傳統(tǒng)加固方法缺陷

　　我國隧道養(yǎng)護維修中的襯砌補強修復技術(shù)仍停留在六、七十年代水平，即二次襯砌開裂幾乎都采用換拱、套拱、刻槽嵌鋼拱架加固等傳統(tǒng)技術(shù)，這些方法和技術(shù)也有效地解決了不少隧道實際問題，但也存在如下缺點：

　　(1)維修成本高：采用這種技術(shù)維修成本往往接近新建隧道同等長度的30～50%。

　　(2)維修時間長：采用傳統(tǒng)技術(shù)處理二次襯砌開裂，從爆破或人工拆墻到立模澆筑。新的混凝土，往往要花數(shù)月或一年以上的時間。

　　(3)對圍巖和結(jié)構(gòu)擾動大：由于傳統(tǒng)技術(shù)需爆破或拆除已有結(jié)構(gòu)，往往造成對混凝土和圍巖的進一步擾動，給病害整治帶來新的問題。

　　(4)采用刻槽或套拱加固襯砌，既容易侵入隧道建筑限界又不美觀，同時施工往往中斷交通。因此，迫切需要對公路隧道襯砌補強技術(shù)開展研究，尤其需要在新材料、新工藝采用方面加大力度。

　　3.國內(nèi)外碳纖維增強復合材料發(fā)展動態(tài)

　　碳纖維又稱增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer)CFRP，于1950年在美國 問世，其具有輕質(zhì)高強、抗腐蝕、耐老化、耐久性好、物理性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點。其抗拉強度約為同等截面鋼材的7～10倍。碳纖維材料首先應用于航天工業(yè)，七十年代在技術(shù)上已趨成熟，但直到八十年代初才開始在土建工程中開始進行應用研究。瑞士聯(lián)邦材料測試研究所首先于1991年7月在總長228米的多跨連續(xù)箱形梁橋(Ibach橋)進行了碳纖維加固試驗和研究并獲得了成功。90年代在國際上對碳纖維材料怎樣應用于土建工程中進行了廣泛的系統(tǒng)的研究。

　　我國約在1997年才開始對碳纖維加固修復土木結(jié)構(gòu)進行研究，但發(fā)展勢頭迅猛，進展較快。國內(nèi)已有很多科研院和高等學校進行了各種實驗研究，積累了一些資料。因而大都仍是從基本性、驗證性和試驗著手，從簡支梁、柱的加固著眼，因而重復性較多，尚有待進一步深化。2001年重慶交通科研設(shè)計院率先開始了新材料加固隧道襯砌的有關(guān)工作。

　　4.碳纖維在公路隧道襯砌補強中的應用意義

　　4.1碳纖維修復補強技術(shù)的特點

　　工程實踐表明，碳纖維維修復補強混凝土結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)于傳統(tǒng)方法的特點，是混凝土結(jié)構(gòu)修復補強技術(shù)的一個新發(fā)展。

　　(1)施工簡便迅速

　　用碳纖維片修復補強混凝土結(jié)構(gòu)只需將修補部位的混凝土表面修補打磨平整，表面凈涂刷特定的環(huán)氧樹脂，然后粘貼碳纖維片，最好在涂刷一層環(huán)氧樹脂自然固話養(yǎng)護即可。不需任何夾具、模版的支撐，施工既簡便又迅速。必要時可不中斷交通。

　　(2)不增加結(jié)構(gòu)重量

　　碳纖維片的重量僅200～300g/m2，設(shè)計厚度0.111～0.167mm，加上環(huán)氧樹脂的重量也仍然很輕，對結(jié)構(gòu)自重的影響甚微，可忽略不計。

　　(3)能適應各種結(jié)構(gòu)外形的補強

　　碳纖維片的厚度很薄，可以裁剪成所需形狀，順應結(jié)構(gòu)的外形粘貼在混凝土表面，如變截面梁、曲線梁、拱形結(jié)構(gòu)，均可方便地粘貼。

　　(4)可以多層粘貼

　　根據(jù)補強設(shè)計的要求，碳纖維片可以在一個部位重疊粘貼，即貼一層后上面再貼一層，連續(xù)貼很多層，充分滿足補強的要求。

　　(5)能有效地封閉混凝土的裂縫

　　碳纖維片粘貼在混凝土的表面，不僅封閉了混凝土的裂縫，碳纖維片高強高模量的特性還約束了混凝土構(gòu)件的整體剛度。

　　(6)不影響結(jié)構(gòu)的外觀

　　碳纖維片的厚度很薄，粘貼固化后表面還可涂刷于原結(jié)構(gòu)顏色一致的涂料，而不影響結(jié)構(gòu)的外觀。

　　(7)耐久性好

　　碳纖維片和環(huán)氧樹脂的化學穩(wěn)定性都非常好，耐酸、堿和鹽類的腐蝕，還可以防水。在重復荷載作用下的疲勞性能也優(yōu)于金屬及混凝土材料�？砷L期經(jīng)受核輻射和紫外線照射。在-54℃～82℃溫度環(huán)境條件下使用，強度不降低。經(jīng)加速老化試驗，可歷時40年性能不變，且在表面涂裝后，其耐久性將更為突出。

　　4.2砌碳纖維補強隧道襯砌適應條件

　　隧道襯砌結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生的裂縫，是襯砌承載過程和內(nèi)力狀態(tài)的變化的綜合反映。裂縫的成因與襯砌結(jié)構(gòu)形式、圍巖壓力的大小及分布、施工方法、工程質(zhì)量及建筑材料因素密切相關(guān)。對既有拱圈部分出現(xiàn)一些寬度不大的受拉裂縫，開裂襯砌斷面受壓應力尚未達到抗壓極限強度，截面形成塑性鉸，拱圈尚有一定的強度儲備，這類情況采用碳纖維加固應當是有效的;當拱圈截面內(nèi)緣出現(xiàn)壓裂性破碎或?qū)挾容^大的拉裂，而外緣混凝土也可能已壓碎，襯砌截面的有效截面大為減小，并產(chǎn)生較大的局部壓縮變形，此時，若裂縫出現(xiàn)兩條以上，或邊墻也同時發(fā)生移動，則襯砌已基本喪失穩(wěn)定。這類情況采用換拱或碳纖維加固需具體分析;當襯砌出現(xiàn)剪裂，并沿剪裂面發(fā)生錯動，結(jié)構(gòu)已經(jīng)濕穩(wěn)，不宜采用碳纖維加固方案;對需提高結(jié)構(gòu)抗拉強度和抗震強度的完整襯砌，碳纖維加固是值得認真考慮的方案。 　　4.3公路隧道襯砌碳纖維補強的計算基本方法

　　隧道襯砌結(jié)構(gòu)的強度驗算目前均采用鋼筋混凝土矩形截面偏心受壓構(gòu)件的計算方法。偏心距的大小直接影響結(jié)構(gòu)的受力情況。

　　當偏心距e較小，0　　當偏心距e增大，0.17≤e≤0.3h，由于偏心距增大，截面彎矩增大，一個邊緣出現(xiàn)拉應力，即使受拉區(qū)混凝土出現(xiàn)裂縫，但截面的破壞形式仍以受壓邊緣壓應力大于混凝土的抗壓強度后，混凝土發(fā)生壓碎破壞。

　　當偏心距e>0.3h時，截面一側(cè)受壓，另一側(cè)受拉，隨著受拉區(qū)拉應里的不斷增大，受拉區(qū)裂縫不斷擴大，受壓面面積不斷減小，從而截面的破壞形式接近于受彎構(gòu)件的破壞狀態(tài)。

　　隧道襯砌碳纖維補強主要是以碳纖維的高抗拉特性彌補混凝土開裂后抗拉強度的降低，因此應主要用于偏心距較大的拉裂破壞，同時對恢復或提高截面的抗壓強度也是有益的。具體計算方法有待試驗數(shù)據(jù)和理論分析研究確定。

　　1)基本假定

　　襯砌結(jié)構(gòu)一般是壓彎構(gòu)件，參照橋梁和其他結(jié)構(gòu)對貼碳纖維片后受彎構(gòu)件的設(shè)計計算有以下假定：

　　a.纖維片僅在活載作用下分擔一部分承載能力，故可按相應的彈性模量比值，按容許應力法計算其應力狀態(tài);

　　b.平截面假定成立;

　　c.不計混凝土的抗拉強度;

　　d.混凝土的極限應變?yōu)?sum;cu=0.0033;普通鋼筋的極限應變?yōu)?sum;s=0.01;由于碳纖維材料無明顯流限，其應力應變關(guān)系幾乎呈線性變化，故假定其極限應變∑cf=∑s=0.01;

　　2)受彎構(gòu)件碳纖維的錨固長度

　　當碳纖維片貼于襯砌內(nèi)緣時，對于一般受彎構(gòu)件加固時，并不需要通長粘貼碳纖維片，僅需在彎矩包絡(luò)圖的配筋切斷點及普通鋼筋屈服段再延伸一個錨固長度，根據(jù)日本《碳纖維加固工法》中規(guī)定，一端的錨固長度為200mm。為確保碳纖維有可靠錨固，在碳纖維的實際切斷處應采取附加的錨固措施，建議可粘貼100mm寬的碳纖維lJ型箍。當兩層碳纖維片搭接時，其搭接長度應≥100mm。原則上可參照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理進行，但尚有很多研究工作有待深化和認識。

　　4.4公路隧道滲漏水及村砌背后空洞的處理：

　　通過她下水的處理以提高公路隧道襯砌碳纖維補強的效果，確保碳纖維粘貼質(zhì)量和減少水的腐蝕俸用，一般采用環(huán)氧嵌縫法，縫細時采用注射法，既解決滲漏水問題，又可提高裂面結(jié)合強度。公路隧道襯砌背后空洞往往導致實際與嘏設(shè)不符，并導致襯砌裂縫，必須進行拱背注漿。這也是隧道有別于其他結(jié)構(gòu)的特點。

　　4.5公路隧道襯砌碳纖維補強設(shè)計、施工技術(shù)標準

　　借鑒國內(nèi)外已有資料和橋梁工程、工民建的工程實踐，編寫公路隧道襯砌碳纖維補強施工技術(shù)指南，為該技術(shù)的推廣形成成套技術(shù)。結(jié)合“公路遂道襯砌碳纖維補強施工技術(shù)指南”，形成與之配套的，同時又便于解決工程問題的“公路隧道襯砌碳纖維補強的驗收標準”，這是公路隧道襯砌碳纖維補強推廣實施的關(guān)鍵口

　　5.結(jié)論及建議

　　工程實踐表明，碳纖維維修復補強混凝土結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)于傳統(tǒng)方法的特點，是混凝土結(jié)構(gòu)修復補強技術(shù)的一個新發(fā)展。施工簡便迅速，不增加結(jié)構(gòu)重量。碳纖維的上述特點就決定了它是一種值得采用的隧道襯砌加固修復方案，如果采用這一技術(shù)，襯砌修復就可較傳統(tǒng)的換拱等方法縮短工期，造價也會大幅下降。因此應用前景將會很廣。目前，我國公路隧道的襯砌補強修復技術(shù)還落后，追切需要在新材料、新工藝采用方面加大研究力度，對碳纖維材料怎樣應用于土建工程中進行了廣泛和系統(tǒng)的研究，公路隧道滲漏水的處理及碳纖維補強設(shè)計、施工細則的編制是做好碳纖維在公路隧道襯砌補強中應用的關(guān)鍵。尤其在橋梁、隧道和房建加固工程中推廣應用。

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　　科技論文發(fā)表期刊推薦《工程地質(zhì)學報》(雙月刊)是我國工程地質(zhì)學科綜合性的高級學術(shù)期刊。1993年批準創(chuàng)刊發(fā)行16開本，每期96頁，國內(nèi)外公開發(fā)行。工程地質(zhì)學報辦刊宗旨是加強學術(shù)交流，促進工程地質(zhì)科學的理論，應用和技術(shù)的發(fā)展，使工程地質(zhì)學科更好地為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。著重于理論研究和工程實踐的結(jié)合。《工程地質(zhì)學報》主要介紹當前規(guī)劃、設(shè)計和在建國家重點工程的工程地質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境實例及其論證;討論理論進展和方法創(chuàng)新;討論在土木、水電、鐵路、公路、及礦山建設(shè)、城鄉(xiāng)規(guī)劃、地質(zhì)環(huán)境和災害治理，以及能源和工業(yè)采掘等方面的新技術(shù)和經(jīng)營、適用于科研工作者、高校師生和專業(yè)工程技術(shù)人員參閱。

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