CFRP在隧洞补强加固中的工程应用研究

金典琦，曹生荣，秦 敢,3

(1.深圳市城市公共安全技术研究院有限公司，广东 深圳 518000；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；3.哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院，广东 深圳 518055)

隧洞是水利枢纽工程中的主要建筑物之一，根据其功能的不同，有发电、灌溉、供水、防洪等不同类型的隧洞。我国有大量的隧洞已运行数十年，受到设计、施工、运行和管理等多方面因素的共同影响，相当数量的隧洞存在不同程度的老化和病害问题，如混凝土碳化、衬砌开裂、渗水、钢筋锈蚀等[1-3]。这些病害的存在会导致隧洞结构的安全性、稳定程度降低，严重时将会危及整个工程的安全。因此，对已建隧洞的病害及其相应整治措施的研究已经引起国内外学者的普遍重视。

碳纤维布(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)作为一种新型复合材料，具有高强高效、施工便捷、耐腐蚀、自重轻等明显的优点[4]，从20世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到了广泛的应用。近年来，CFRP因其较好的结构性能和耐久性能而逐步转向民用领域。由于CFRP作为抗拉材料能有效地控制衬砌裂缝的继续扩展，防止衬砌掉块、剥落，也逐渐成为了隧洞衬砌内表面补强方法中迅速发展的一种，在隧洞结构加固补强中具有广泛的应用前景[5]。

针对CFRP加固混凝土技术，国内外学者已经进行了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果[6-10]。日本、美国、加拿大以及部分欧洲国家先后制订了相应的加固设计规范、规程或指南。我国的研究工作起步相对较晚，尽管也已形成了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》[11]，然而，由于研究工作的相对滞后，可参考的国内文献相对较少，技术规程中较多地参考了国外的研究成果或规范公式，并且有限的研究成果主要是针对工业民用建筑以及桥梁的加固特点进行的，严重限制了该技术在隧洞加固领域的推广应用。因此，本文总结了CFRP加固隧洞结构当前研究工作的进展，并探讨了CFRP加固隧洞结构今后的研究重点，以期促进CFRP在隧洞加固领域的推广应用。

1 CFRP加固隧洞结构研究现状

采用CFRP加固衬砌结构时，是通过粘胶将CFRP材料粘贴于混凝土的内表面，并通过粘胶传递应力使CFRP能够参与承载。内贴CFRP能否有效的提高加固后结构的承载力，主要取决于CFRP、粘胶以及混凝土之间能否形成整体、变形协调、共同受力。因而，CFRP在隧洞补强加固中的作用效果如何一直是研究者所关心的核心问题。在采用CFRP材料对隧洞结构进行加固前，衬砌混凝土都会存在一定的损伤。因而实际的加固结构属于二次受力结构，存在着应变滞后和应力超前现象，与普通混凝土结构有着本质的区别。因而考虑隧洞衬砌结构损伤历史对CFRP加固效果的影响也是目前研究的热点问题。

1.1 CFRP在隧洞补强加固中的作用效果研究

早期主要采用模型试验的方法研究CFRP加固技术针对衬砌特定病害的补强加固效果。兰宇[12]分析了衬砌背后存在空洞的情况下，隧洞采用内贴CFRP加固时粘贴范围和加固材料刚度对加固效果的影响，实验结果表明内贴CFRP加固能够有效的限制裂缝的继续发展，从而提高隧洞的承载力。何川等[13]选取Ⅲ类围岩中拱顶空洞60°的缺陷隧洞为研究对象，重点研究了在相同围岩级别、缺陷形式及加载方式下结构产生病害后，内表面粘贴CFRP的加固效果，并探讨了加固材料刚度和粘贴范围对结构最终承载力的影响。

为了研究在静力荷载作用下的补强加固效果，刘逸敏和王利阳等[14-16]将输水隧洞的荷载模式进行了简化，分别分析了均匀内压条件和垂直外压条件引起的结构破坏模式，并对比了结构在采用CFRP加固后开裂荷载以及极限承载能力的差别。刘飞等[17-18]基于均匀内压模型试验，分析了内贴CFRP加固震损输水隧洞的加固效果，试验分析结果表明：CFRP参与承载后，可以显著改善衬砌混凝土的应力水平，提高震损隧洞的极限承载能力，并使得衬砌混凝土中钢筋的抗拉性能得到充分的发挥。柳献等[19]基于1∶1模型试验，分析了CFRP加固盾构隧洞管片纵缝接头的受力性能以及破坏模式，对比了加固和未加固两种试验条件下纵缝接头的转角变化和连接螺栓的应力水平差别，试验结果表明：在CFRP和管片粘结牢靠的前提条件下，加固接头的转角刚度较未加固而言可以提升约110%。Yuan H等[20-21]通过室内试验研究了隧洞衬砌混凝土的剥落行为，并指出在衬砌混凝土内表面粘贴CFRP可以有效的防止保护层混凝土的剥落。

在动力荷载的作用下，CFRP加固隧洞结构也能表现出良好的力学性能。Xie W等[22-23]基于一系列的模型试验，研究了在隧洞附近区域出现爆炸对衬砌结构产生的影响，并对比了衬砌结构采用CFRP加固后，衬砌混凝土的变形、应变、开裂情况以及失效模式。Wang P等[24]分析了在爆破荷载作用下CFRP加固隧洞结构的动力过程响应以及失效模式，研究结果表明：在爆破荷载作用下，CFRP能明显减小衬砌混凝土的开裂面积并防止结构出现大面积的混凝土剥落。

随着有限元模拟技术的发展，许多学者也开始基于有限元模拟技术来进行CFRP加固隧洞的加固效果研究。杨成忠等[25-26]基于有限元理论对隧洞开裂段加固前后衬砌结构的应力场及位移场进行了对比分析，同时分析了CFRP的变形状况。分析结果表明，当二次衬砌开裂后将CFRP粘贴于衬砌混凝土内表面，由于CFRP参与承担荷载，对衬砌混凝土受拉变形能起到明显地约束作用。李宇杰等[27]以既有衬砌裂缝病害为研究背景，在隧洞衬砌无损检测结果的基础上，采用有限元仿真技术对CFRP加固隧洞衬砌的效果开展研究，分析结果表明：由于CFRP与混凝土的粘结作用，增加了衬砌结构抵抗外部荷载的能力，隧洞衬砌由单纯受拉状态转化为受拉与受剪共同作用状态，混凝土的损伤由拱部中央转移到拱部两侧。

由于CFRP本身的局限性(在纤维方向的力学性能良好，在垂直纤维两个方向的力学性能较差)，CFRP加固技术在隧洞补强中的适用范围也有所限制。彭伟[28]指出内贴CFRP对衬砌混凝土压性裂缝的加固效果较差。周大举[29]认为内贴CFRP对于由衬砌内表面受拉而产生的部分病害可起到明显地加固作用，而对于衬砌出现的压溃、错台等重大病害，CFRP加固技术并不适用。

1.2 隧洞损伤历史对补强效果的影响研究

葛立福等[30-31]基于ANSYS平台建立了CFRP加固隧洞三维有限元模型，模型中通过荷载步结合单元“生死”来模拟隧洞在采用CFRP加固前的损伤历史。研究结果表明：由于在加固之前衬砌混凝土在自重以及土压力等荷载的作用下已经产生了一定的变形，在采用CFRP进行加固后CFRP中的应力水平远小于设计强度，CFRP的高强性能并没有得到充分的发挥。罗立娜[32]认为当衬砌混凝土裂缝开展到一定深度后，因开裂部分的混凝土退出工作而不能继续提供有效的压应力与CFRP提供的拉应力组成增强力偶，从而会导致CFRP的加固作用不能得到充分发挥，故加固前要保证混凝土的受压区高度大于极限承载时混凝土受压区高度的1.2倍，同时要保证受拉钢筋在加固前不能屈服。

在实际加固过程中，衬砌混凝土无法做到完全卸载。考虑隧洞衬砌结构加固前的受损历史将成为未来CFRP加固隧洞结构研究的基本前提，这也把握住了CFRP加固隧洞结构重要的受力特点[33-35]。从当前研究状况看，衬砌混凝土的损伤历史对加固效果影响很大，加固前衬砌混凝过度的破损往往会导致CFRP的高强性能得不到充分的发挥。故在《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》(GB50608-2010)中对CFRP加固受弯构件时规定：当加固前计算截面承担的初始弯矩小于未加固截面受弯承载力的20%时，可不计前期受载历时的影响；当加固前计算截面承担的初始弯矩大于未加固截面受弯承载力的50%以上，且无法卸载时，不宜采用非预应力的加固方法。

2 存在的问题及展望

从已有的研究成果可以看出，国内外开展CFRP加固隧洞衬砌结构的研究历史并不长，但取得了大量具有实际工程意义的成果，研发了适用于潮湿界面的粘结剂以及CFRP表面防护材料，对CFRP加固隧洞结构的作用效果也有了进一步的认识，为CFRP加固技术在隧洞中的应用提供了丰富实用的技术指导。然而，分析现有的研究成果可以发现，目前以解决终端工程问题为目标而进行的重复性的应用研究居多，而缺乏对CFRP加固隧洞结构的界面粘结滑移机理和剥离机理的探索以及对CFRP加固隧洞结构研究中存在的共性科学问题的提炼和总结。因此，从总体上讲，CFRP加固技术在隧洞补强加固中的应用研究仍然需要从以下几个方面展开。

1)水流冲刷作用下CFRP-混凝土界面粘结-滑移性能研究。采用CFRP加固混凝土时，主要通过加固界面传递的界面应力使CFRP参与承载。因而，CFRP-混凝土界面力学性能是研究者所关心的核心问题。然而，分析现有研究成果可以发现，现有研究多是针对以下结构而展开：①各类梁、板结构的抗弯或抗剪加固；②各类柱、墩结构的抗压加固或者抗震加固；③剪力墙的抗剪加固。采用CFRP补强压力隧洞时，CFRP除了要分担隧洞外部的水土荷载外，还需要抵抗洞内水流的冲刷作用，CFRP的承载环境相比于加固上述结构而言更为复杂。目前，针对在水流冲刷作用下CFRP-混凝土的界面粘结滑移性能的研究尚不充分。

2)水流冲刷作用下CFRP-混凝土界面剥离破坏规律。CFRP能否充分发挥其抗拉性能，主要取决于胶层和混凝土之间能否粘结牢靠。因此，如何保证加固效果和预防早期剥离破坏也是研究的一大热点。然而现有研究主要是针对面内剪切剥离、受弯加固剥离和受剪加固剥离等3种破坏模式展开。而针对水流冲刷作用下CFRP-混凝土界面压剪耦合作用的破坏机理尚未明确，相应的界面剥离承载力计算方法也亟待建立。

3)数值模型的深入研究。界面剥离往往发生在衬砌保护层混凝土中，剥离下来的混凝土的尺寸一般为几个毫米。因而，采用传统的有限元方法对该问题进行细观尺度上的求解时，需要对求解区域进行非常精细的剖分。由此产生的节点数量过多，往往要耗费巨大的计算量和很长的计算时间才能算得比较满意的结果。因而，可以寻求多尺度有限元建模方法或者将离散元与有限元方法耦合，在保证计算精度的同时又可以节省计算资源。

3 结 语

考虑到隧洞在运行过程中可能会出现各种各样的病害，对已建隧洞的病害及其相应整治措施的研究已经成为国内外学者所关注的焦点。随着潮湿界面粘结问题的解决，结合CFRP材料具有轻质高强、耐腐蚀性好、占用隧洞净空小等优势，CFRP加固技术在隧洞补强加固中具有十分广泛地应用前景。本文对CFRP加固技术在隧洞结构中的应用情况进行了介绍，总结了CFRP加固隧洞结构当前研究工作的进展，并对目前研究工作中的不足和今后的研究重点进行了展望，相信这一问题的深入研究将推动CFRP加固技术在隧洞补强加固中的进一步应用。