碳纤维筋加固隧道衬砌效果模拟及施工工艺探讨

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(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055；2.北京通运科技有限公司，北京 100088)

1 研究背景

隧道是交通工程的重要部分，众多学者对隧道开展了广泛的研究[1-3]。随着越来越多的既有隧道进入运营维护期，如何更有效地延长隧道的使用寿命、提高危险隧道的改造翻新技术，是当前面临且急需解决的问题。碳纤维增强复合材料(简称CFRP)加固修复结构技术因具有施工干扰小、加固效果好、附加荷载轻、占用空间小等明显优点，在隧道补强加固中具有广泛的应用前景[4]。贾良等[5]用CFRP布修复冻融损伤混凝土构件并进行抗弯试验，研究了CFRP布修复不同冻融损伤试件的效果，试验结果表明CFRP布能有效提高损伤试件的承载力、延性性能；张团结[6]通过对南昌—福州铁路隧道病害的现场调查研究，分别采用了锚固注浆、碳纤维加固以及嵌填沟槽后注浆加固等措施，采用压浆填充、封堵防水的方法整治隧道病害，证明该方法合理有效；刘德军等[7]提出了纤维编织网增强混凝土补强隧道衬砌正截面受力全过程分析方法，并开展了验证试验，研究结果表明衬砌截面偏心距、配网率和混凝土强度越大，前期受力历史和钢筋强度越小，补强效果越明显；马志文[8]阐述了石河口隧道内裂缝的加固措施为采取锚杆碳纤维加固衬砌后回填注浆，介绍了整治工艺、施工方法及注意事项；Hamid等[9]采用CFRP对地震后受损的桥墩进行加固并研究其抗震性能，试验结果表明，加固后的桥墩在横向循环荷载作用下承载力、延展性及等效黏性阻尼比加固前都有较大提高；Ju等[10]研究了CFRP筋加固后桥面板的疲劳性能，应用变幅载荷工况下的疲劳寿命模型，分析了变幅载荷作用下的疲劳极限；Khelifa等[11]对使用CFRP材料加固的云杉木材梁的关键节点进行了试验研究与数值模拟，结果表明CFRP材料的加固效果显著。综上所述，碳纤维材料对桥梁、隧道等工程的加固修复效应明显。

本文以贵州省南瓦隧道为研究对象，通过对南瓦隧道病害的检测与分析，提出碳纤维筋补强加固技术修复方法，采用有限元数值模拟分析，对碳纤维筋补强隧道衬砌的加固效果进行了探讨，提出针对不同病害位置的加固措施。

2 工程病害评价

2.1 南瓦隧道病害

南瓦隧道位于贵州省国道G320线台江至凯里段，为单洞式汽车双向行驶隧道。该隧道按二级公路隧道标准进行设计，于2001年建成通车。隧道全长101 m，最大埋深37.53 m。建筑限界设计值宽度为8.6 m，净高5.0 m，地质勘查资料显示，隧道区围岩级别分为Ⅲ级和Ⅳ级。

经过近20 a的营运，南瓦隧道出现了衬砌渗水、局部开裂、混凝土剥落、局部松散等病害，影响到安全使用。为查明南瓦隧道各部位的功能技术状况，对隧道结构外观、二次衬砌混凝土强度、衬筑体侵限、衬砌厚度和衬砌背后的空洞等进行检测。由检测结果可知隧道洞身衬砌普遍存在混凝土剥落破损(接缝处尤为严重)、开裂、渗漏水、泛白等病害，衬砌总面积1 500 m2，混凝土破损总面积约329.13 m2，破损率达衬砌总面积的21.0%；衬砌裂缝总长约271.4 m，防水破坏面积约570 m2，防水破损率达总面积的36.0%。该隧道部分典型病害见图1。

图1南瓦隧道部分典型病害
Fig.1TypicaldiseasesofNanwatunnel

依据《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015)，对南瓦隧道的病害缺损进行鉴定评级，专项检查结果判定标准见表1，各部分分项判定情况见表2。

表1 专项检查结果判定标准Table 1 Criteria for special inspection results

由表2可知，南瓦隧道技术状况评定为1A，依据规范建议“结构存在破坏，可能会危及行人行车安全，应准备采取对策措施”。

表2 南瓦隧道各部分分项判定情况Table 2 Result of disease judgment for each partof Nanwa tunnel

2.2 南瓦隧道病害原因分析

南瓦隧道于2001年建成通车，鉴于当时的施工工艺，隧道衬砌台车以小模板为主，模板接缝较多，拱部混凝土振捣不密实，导致衬砌背后空洞；围岩地质条件变化、不均匀荷载、施工缝、伸缩缝、沉降缝等接缝处处理不当导致衬砌开裂；隧道拱部围岩与衬砌间存在间隙，为隧道渗漏水提供了通道。地下水的硫酸根离子在水中含量高达5 000 mg/L，是造成混凝土衬砌被腐蚀，导致混凝土强度降低25%左右的主要原因。

2.3 南瓦隧道加固方案选择

混凝土结构传统加固方法主要有加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、外部粘钢加固法、改变传力途径加固法[12]。对于隧道工程，根据其特点和结构特征，目前在加固方法中，常采取加大截面加固法和粘钢加固法等。碳纤维筋加固法与传统加固法相比具有几乎不受现场条件限制、施工方法简单等很多优点,在实际工程加固中得到广泛应用,并成为国际上混凝土结构加固技术的一个亮点。通过分析,南瓦隧道衬砌加固方案拟采用碳纤维筋进行加固。

3 有限元数值模拟及分析

3.1 有限元模型建立

图2 衬砌模型网格划分 Fig.2 Meshing of liningmodel

采用大型有限元软件ANSYS对南瓦隧道衬砌进行模拟分析，采用“荷载-结构法”计算模型，钢筋混凝土衬砌采用整体性模型计算，在平面应变二维实体结构模型下，采用PLANE182单元来模拟隧道衬砌混凝土、Combin14弹簧单元模拟衬砌与围岩 的相互作用、 BEAM3来模拟碳纤维单元，该单元通过计算惯性矩和面积可用于任何形状截面的梁；用TARGET169目标单元和CONTAL171接触单元模拟裂缝。在弹簧四周各节点施加x和y方向的位移约束。衬砌模型采用规则的四边形单元，共划分540个网格域(zones)和906个节点(grid-points)，如图2所示。对于混凝土本构模型，上升段采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)规定的公式；下降段采用Hongnestad的处理方法，碳纤维筋材料则采用理想的弹性模型。

3.2 计算参数选取

数值模拟参数的确定直接影响模拟计算结果，是模拟过程的关键环节，模拟前进行了Φ 6 mm碳纤维筋拉伸性能试验、高强聚合物砂浆的物理力学性能试验及碳纤维筋和高强聚合物砂浆的粘结性能试验。通过计算确定了碳纤维筋的最小锚固长度为0.74 m，碳纤维筋、高强聚合物砂浆材料参数见表3及表4。

表3 碳纤维筋力学技术指标Table 3 Mechanical parameters of carbonfiber reinforcement

表4 聚合物砂浆力学技术指标Table 4 Mechanical parameters of polymer mortar

3.3 数值模拟方案

从对南瓦隧道现场检测结果可知，隧道洞身衬砌普遍存在混凝土剥落破损和开裂等病害，其中开裂病害尤为突出。由于影响裂缝周围混凝土结构承载力的主要因素是裂缝开裂深度，因此在进行数值模拟分析时仅考虑裂缝深度的影响，为体现碳纤维筋加固效果，按以下2种方案进行衬砌加固前后模拟分析：方案1，仅拱顶存在裂缝且裂缝深度分别为a=1/4b，a=2/4b，a=3/4b，其中b为衬砌厚度，使用Φ 6 mm碳纤维筋加固拱顶部分，余下部分喷射C30混凝土的加固措施，如图3(a)所示；方案2，拱顶和边墙均存在裂缝且裂缝深度为a=1/4b，a=2/4b，a=3/4b，使用Φ 6 mm碳纤维筋加固衬砌全断面的加固措施，如图3(b)所示。

图3隧道衬砌加固示意图
Fig.3Schematicdiagramoftunnelliningreinforcement

3.4 数值模拟及分析

3.4.1 方案1数值模拟分析

仅拱顶有裂缝且裂缝深度分别为a=1/4b，a=2/4b，a=3/4b时，隧道衬砌加固前后应力及位移云图如图4所示(限于文章篇幅，仅列出a=3/4b时隧道衬砌加固前后应力及位移云图)。

图4方案1隧道衬砌加固前后总位移及等效应力云图(a=3/4b)
Fig.4Totaldisplacementsandequivalentstressesoftunnelliningbeforeandafterreinforcement(a=3/4b)

从图4(a)、图4(c)可以看出，隧道衬砌加固前仰拱中心处位移最大，为14.55 mm，拱顶及拱脚次之，最大应力位于拱脚处，为18.8 MPa。由此可知，拱顶及拱脚为最薄弱环节，也验证了隧道检测结果，即拱顶和拱脚部位裂缝和破损居多。从图4(a)与图4(b)，图4(c)与图4(d)的对比可知，加固后衬砌拱顶、拱脚及仰拱中心位移、应力比加固前大为减小，其中，拱顶最大位移由5.81 mm减小至3.36 mm，减小了42.2%；最大主应力由5.51 MPa减小至5.2 MPa，减小了5.6%。拱脚最大位移由2.88 mm减小至2.46 mm，减小了14.6%；最大主应力由18.8 MPa减小至16 MPa，减小了14.9%。仰拱中心最大位移由14.55 mm减小至13.67 mm，减小了6.1%，最大主应力由5.0 MPa减小至3.36 MPa，减小了32.8%。上述分析表明，仅拱顶有裂缝，且裂缝深度为a=3/4b时，拱顶采用碳纤维筋加固，其余部位喷射C30混凝土的加固措施，加固效果明显，能够满足加固要求。

表5为拱顶存在不同深度裂缝使用碳纤维筋加固前后模拟结果对比。

从表5可知，碳纤维筋加固前，衬砌拱顶存在同一深度裂缝时，仰拱中心位移最大，拱顶次之，拱脚最小，且随着裂缝深度加深，仰拱中心位移增大，分别为11.76，12.65，14.55 mm，拱顶及拱脚处最大位移变化趋势与仰拱中心相同。衬砌拱顶存在同一深度裂缝时，最大主应力位于衬砌拱脚处，拱顶次之，仰拱中心处最小，且随着裂缝深度加深，拱脚处最大主应力增大，分别为16.7，16.8，18.8 MPa，拱顶及仰拱中心处最大主应力变化趋势与仰拱中心相同。衬砌拱顶裂缝深度不同时，随着裂缝深度的加深，其变形量逐渐增大，拱脚及仰拱中心变形量的变化趋势与拱顶大致相同。碳纤维筋加固后，衬砌拱顶、拱脚及仰拱中心的最大主应力和最大位移均明显减小，从其最大位移来看，拱顶加固效果最为明显，在裂缝深度分别为a=1/4b，a=2/4b，a=3/4b时，拱顶位移分别从4.38 mm减小至2.8 mm，4.81 mm减小至2.85 mm，5.81 mm减小至3.36 mm，各自减小了36.1%，40.7%，42.2%。上述分析表明，仅拱顶有裂缝，且裂缝深度不同时，拱顶采用碳纤维筋加固，其余部位喷射C30混凝土的加固措施，加固效果明显，能够满足加固要求。

3.4.2 方案2数值模拟

拱顶及边墙都有裂缝且裂缝深度分别为a=1/4b，a=2/4b，a=3/4b时，隧道衬砌加固前后应力及位移云图如图5所示(限于文章篇幅，仅列出a=3/4b时隧道衬砌加固前后应力及位移云图)。

从图5(a)与图5(b)，图5(c)与图5(d)的对比可知，加固后衬砌拱顶、拱脚及仰拱中心的位移、应力比加固前减小较多，其中：拱顶最大位移由6.17 mm减小至3.64 mm，减小了41.0%；最大主应力由12.3 MPa减小至7.33 MPa，减小了40.4%。拱脚最大位移由3.29 mm减小至3 mm，减小了8.8%；最大主应力由30.4 MPa减小至20.4 MPa，减小了32.9%。仰拱中心最大位移由17.35 mm减小至15.95 mm，减小了8.1%；最大主应力由4.52 MPa减小至3.9 MPa，减小了13.7%。上述分析表明，拱顶及边墙均存在裂缝，且裂缝深度为a=3/4b时，采用碳纤维筋加固全断面的措施，加固效果明显，能够满足加固要求。

图5方案2隧道衬砌加固前后总位移及等效应力云图(a=3/4b)

Fig.5Totaldisplacementsandequivalentstressesoftunnelliningbeforeandafterreinforcement(a=3/4b)

表6为全断面存在不同深度裂缝时用碳纤维筋加固前后模拟结果对比。

从表6可知，碳纤维筋加固前，拱顶及边墙均存在同一深度裂缝时，仰拱中心位移最大，拱顶次之，拱脚最小，且随着裂缝深度加深，仰拱中心最大位移增大，分别为11.98，15.15，17.35 mm，拱顶及拱脚处最大位移变化趋势与仰拱中心相同。拱顶及边墙均存在同一深度裂缝时，最大主应力位于衬砌拱脚处，拱顶次之，仰拱中心处最小，且随着裂缝深度加深，拱脚处最大主应力增大，分别为23.4，26.3，30.4 MPa，拱顶及仰拱中心处最大主应力变化趋势与仰拱中心相同。衬砌拱顶裂缝深度不同时，随着裂缝深度的加深，其变形量逐渐增大，拱脚及仰拱中心变形量的变化趋势与拱顶大致相同。碳纤维筋加固全断面后，衬砌拱顶、拱脚及仰拱中心的最大主应力和最大位移均明显减小，从其最大位移来看，拱顶加固效果最为明显，在裂缝深度分别为a=1/4b，a=2/4b，a=3/4b时，拱顶位移分别从5.74 mm减小至3.32 mm，5.88 mm减小至3.49 mm，6.17 mm减小至3.64 mm，各自减小了42.2%，40.6%，41.0%。上述分析表明，拱顶及边墙均存在裂缝，且裂缝深度不同时，采用碳纤维筋加固全断面的措施，加固效果明显，能够满足加固要求。

表5 拱顶使用碳纤维筋加固前后模拟结果对比Table 5 Comparison of simulation results before and after using carbon fiber reinforcement bars

表6 全断面使用碳纤维筋加固前后模拟结果对比Table 6 Comparison of the simulation results before and after reinforcement with carbonfiber reinforced bars in the whole section

3.4.3 隧道衬砌的强度安全系数分析

为进一步分析碳纤维筋加固对衬砌安全的提高作用，根据内力结果计算衬砌结构的安全系数，对衬砌的安全性能进行检验。根据《公路隧道设计规范》[13]规定，对隧道拱圈单元的安全系数进行了计算。统计碳纤维筋加固后隧道拱顶、拱脚、仰拱中心单元的安全系数于表7，具体算法参见文献[14]。

表7 安全系数统计Table 7 Statistics of factor of safety

由表7可见，随着裂缝深度的增加，衬砌强度安全系数呈减小趋势；拱脚因应力集中是低安全系数的危险区；以隧道结构强度安全系数2.0为标准，经碳纤维筋加固后的隧道衬砌拱顶、拱脚及仰拱中心的强度安全系数均能满足要求，反映该加固方式对衬砌安全起到有效作用。

4 南瓦隧道补强加固施工措施

以南瓦隧道专项检测结果为基础，碳纤维筋力学性能试验以及有限元数值分析为依据，对南瓦隧道进行加固设计，并提出了相应的施工建议措施。

(1)拱顶有病害而边墙完好(方案1)时，结合有限元数值分析结果，在拱顶用Ф 6 mm碳纤维筋加固补强，边墙喷射C30混凝土进行加固的方案，加固详图如图6所示。

图6方案1加固示意图
Fig.6Reinforcementdetailsofplan1

(2)衬砌全断面都存在病害(方案2)时，结合有限元数值分析结果，全断面用Ф 6mm碳纤维筋加固补强的方案，加固详图如图7所示，局部详图同图6(b)。

图7方案二衬砌加固图
Fig.7Liningreinforcementofplan2

(3)碳纤维筋加固施工工艺流程如图8所示。

图8纤维筋加固施工工艺流程
Fig.8Flowchartofconstructionprocessoffiberreinforcement

根据前述内容，针对南瓦隧道加固流程，给出以下隧道加固施工工艺：

(1)混凝土表面处理[15]，采用碳纤维筋加固时，应根据隧道衬砌混凝土表面情况采取对应的措施处理。①混凝土结构表面若出现蜂窝、剥落等部位应予修补，对剥落部位尺寸较大的，用混凝土角磨机剔除混凝土表面的浮浆，对生锈的钢筋用砂轮(砂纸)等工具进行除锈，剔净后采用高强聚合物砂浆进行修复；结构表面的凸出部位要磨平，基面打磨平整。②用电锤钻按照图纸对碳纤维筋的锚固孔进行钻孔施工。③原结构表面打磨平整后，喷涂1%酚酞溶液，用来检验混凝土表面是否中和，中和后方可进行后续工作。④用高压喷水器冲涤混凝土表面后晾干。

(2)涂抹表面强化剂。混凝土表面强化剂用来提高原结构混凝土与聚合物砂浆的黏结性，增强原构件表面的密实性，混凝土表面干燥后，用喷涂机或刷子涂抹混凝土表面强化剂，一次涂抹量的控制以无流坠为准；阻锈剂渗透至混凝土结构表面，残留部分用抹布等擦拭干净。

(3)喷涂高强聚合物砂浆。①涂抹阻锈剂和表面强化剂后，把原混凝土表面修复平整，以便更好地将碳纤维筋粘合固定，使得碳纤维筋能与原结构共同受力、变形协调；现场调配高强聚合物砂浆，对混凝土表面裂损和开裂部位进行修补，保证表面的平整度。②采用喷涂机进行喷涂，为清除孔隙，增强粘结力，应先涂抹5 mm厚的聚合物砂浆进行打底后再进行喷涂。③常温下高强聚合物砂浆的使用时间为25 min之内，建议每次混合较少的使用量。④施工温度在25 ℃以下时，聚合物砂浆应分层涂抹，确保首层在硬化状态后再做后续涂抹。⑤涂抹砂浆后，使用滚筒、刷子在表面涂抹液体成膜养护剂以湿润养护。⑥施工温度在10 ℃以下时，聚合物砂浆的养护时间要充足，5 ℃以下、35 ℃以上宜停止施工。

(4)安装锚具及复合纤维筋。①碳纤维筋应与混凝土表面紧密贴合，避免空隙；②为防止碳纤维筋脱落，固定锚具要按1 m间距固定安装，对碳纤维筋与混凝土表面有空隙处，应适当减小锚具间距；③采用植筋胶把碳纤维筋锚固在拱圈预留的锚固孔内，锚固施工应符合《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ 145—2013)中钢筋锚固的规定。

(5)喷涂高强聚合物砂浆。碳纤维筋安装完成后，喷涂高强聚合物砂浆，保护层厚度最小控制在20 mm以上，最后用钢泥刀摸墙收尾，确保表面的平整与美观。

(6)养护与保养。①养护以湿润养护为原则，可反复洒水保持湿润状态；②常温下需养护3 d，根据天气及气温情况，可增减养护时间。

5 结 论

论文以贵州省南瓦隧道工程为依托，结合隧道病害检测与分析，提出了碳纤维筋补强加固方案，应用有限元软件ANSYS对不同病害部位不同裂缝深度条件下隧道衬砌使用碳纤维筋加固前后进行数值分析，提出加固措施，得到以下结论：

(1)对南瓦隧道衬砌裂缝特征、产生原因及病害发生机理进行了分析，评定了技术状况等级，参考传统混凝土加固方法，比较其优缺点，提出碳纤维筋补强加固隧道技术。

(2)隧道仅拱顶存在裂缝(方案1)时，使用碳纤维筋加固前，随着裂缝深度的增加，衬砌变形量明显增大，其中最大位移位于仰拱中心，为5.81 mm，最大应力位于拱脚处，为18.80 MPa，使用碳纤维筋加固后衬砌变形减小较大，拱顶最为明显，其最大位移由5.81 mm减小至3.36 mm，减小了42.2%。

(3)隧道拱顶及边墙均存在裂缝(方案2)时，使用碳纤维加固前，仰拱中心处位移最大为17.35 mm，拱脚处应力最大为30.4 MPa，使用碳纤维筋加固后衬砌位移及应力均有较大减小，拱顶位移最为明显，其最大位移由6.17 mm减小至3.64 mm，减小了41.0%。

(4)隧道仅拱顶存在裂缝时，使用Ф6 mm碳纤维筋加固拱顶部分，余下部分喷射C30混凝土；拱顶和边墙均存在裂缝时，使用Ф6 mm碳纤维筋加固衬砌全断面。数值模拟结果表明，碳纤维筋加固工艺对南瓦隧道的加固具有良好的效果，能够有效地控制衬砌变形，改善其应力分布。