运营地铁隧道修复中碳纤维布的应用
夏阳，岳丰田**
作者简介：夏阳，（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：人工地层冻结理论与技术。
通信联系人：岳丰田，（1963-），男，教授，主要研究方向：深部岩土与地下工程. E-mail: cumtxywins@163.com
（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：碳纤维布加固技术在土木工程各领域中应用广泛，近年来上海等软土地区运营地铁隧
道管片修复中也引入碳纤维布加固技术，本文以上海地铁一号线某区间隧道部分管片修复加
固工程为例，介绍管片碳纤维布加固的原理，详细总结了该工法在管片修复中的施工工艺及
要点，可供软土地区隧道管片加固施工参考，最后得出总结，对该技术在地铁隧道等地下工
程中的应用前景作出展望。
10 关键词：岩土工程；地铁隧道；管片修复；碳纤维布；加固
 0 引言
软土地区地铁隧道在运营过程中的不均匀沉降会使隧道产生弯曲变形，导致隧道接缝张
30 开，管片破损，从而导致管片渗漏[1][2]，这将导致地铁维护费用大为增加，从运营上来说，
会影响轨道的平整性、乘坐的舒适性和行车的安全性。因此，必须通过有效的修复加固，提
高管片的强度，改善管片的受力状态，以有效控制隧道的渗漏状况，保证隧道的安全使用。
碳纤维布加固是近年来应用比较广泛的新兴高技术含量的加固方法，与其他如粘钢加固
和玻璃钢加固等方法相比，使用碳纤维布加固具有明显的优点[3][4]：（1）高强高效；（2）
35 明显提高结构耐腐蚀性能及耐久性；（3）不增加构件的自重及体积；（4）适用面广；（5）
适用面广；（6）便于施工，易于操作。碳纤维布加固的这些优势使其在土木工程各领域中
得到广泛应用，随着研究工作的不断深入，其在隧道衬砌修复加固中也得到推广。
本文结合上海地铁一号线某区间上行线部分管片结构加固实例，具体阐述隧道修复中管
片碳纤维加固原理、施工工艺和施工要点。
40 1 工程概况
上海地铁一号线某区间隧道上行线在地铁运营期间，发现区间泵站附近隧道有较大沉降
情况，同时经现场勘察泵站附近隧道有横向变形，其中顶部封顶块纵缝有较大张开，管片破
 损严重。经研究，破裂的部分管片结构加固采用粘贴碳纤维布方式加固，以控制局部管片之
间的裂缝进一步扩展，经过现场确定需加固50 环。
45 2 加固原理和方案
碳纤维材料具有优良的力学性能，其强度一般为建筑钢材的十几倍，但碳纤维材料织成
碳纤维布后，各碳纤维丝很难完全共同工作，在承受较低的荷载时，一部分应力水平较高的
碳纤维丝首先达到其抗拉强度并退出工作状态，以此类推，各碳纤维丝逐渐断裂，直至整体
破坏。而使用粘结剂既可以确保各碳纤维丝共同工作，同时又确保碳纤维与结构共同工作，
50 从而达到加固的目的[5]。
在隧道修复过程中，对损坏的管片，碳纤维布和粘结剂共同作用可以提高管片的力学性
能和延性，能有效控制管片裂缝的发展。另外，粘结剂本身在管片受荷过程中有效的传递剪
应力，使得碳纤维能较好地发挥强度高的特点，这在管片受荷后期可发挥较大的承载潜能。
本工程采用碳纤维布沿环向粘贴，均为四层，管片与管片拼缝处要求离缝粘贴，拼缝两
55 侧各粘贴宽度为150mm,长度2200mm 碳布，管片中间沿环向粘贴宽度为300mm，长度为
2200mm 碳纤维布，加固50 环需粘贴碳纤维布267 ㎡。具体施工时，粘贴的范围和管片根
据破损的状况进行确定。碳纤维布的粘贴示意位置见图1 所示。
邻接块
标准块
拱底块
标准块
邻接块
图1 碳纤维布的粘贴位置示意图
60 Fig.1 Pasting position of CFRP
3 施工材料
施工中，选用日本前田工纤生产的FF 型CR-130 碳纤维布及配套胶。包括CR-130 碳纤
维布、P-10 底胶、T-31 找平胶、D-70 粘结胶等。其中，P-10 底胶、T-31 找平胶正拉粘结强
 65 度不小于2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值；CR-130 碳纤维布和D-70 粘
结胶得主要性能如下表1 和表2 所示。
表1 CR-130 碳纤维布性能指标
Tab.1 Performance index of CR-130
纤维重量 设计厚度抗拉强度弹性模量 极限延伸率
300 g/m2 0.167 mm 3400Mpa >2.1x105Mpa 1.5%
70
表2 D-70 粘结胶性能指标
Tab.2 Performance index of
性能项目 性能指标
拉伸剪切强度 ≥10Mpa
拉伸强度 ≥30Mpa
压缩强度 ≥70Mpa
弯曲强度 ≥40Mpa
正拉粘结强度 ≥2.5Mpa，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值
弹性模量 ≥1500Mpa
伸长率 ≥1.5%
4 施工工艺流程和施工方法
75 4.1 施工工艺流程
本修补加固工程工艺流程如下图2 所示：
表面处理
地胶配制及涂刷：一昼夜
（以指触干燥为准：温度15-25℃，干燥时间3小时）
找平胶配制，对不平整处修复：一昼夜
粘贴胶配制，粘贴一层碳纤维布：一昼夜
（满足2小时工作时）平均粘贴10环
多层粘贴碳纤维布（每层间隔一昼夜）
检查验收
图2 施工工艺流程
Fig.2 Construction technological process
80
4.2 施工方法
4.2.1 表面处理
（1）以砂轮机或磨光机将混凝土表面劣化层（风化、游离石灰、脱模剂、剥离之砂浆、
粉刷层、污物等）除去并研磨至粗骨料外露为止。
85 （2）研磨完后以毛刷或高压空气枪将粉尘及松动物质去除，并确保其充分干燥，表面
要平整无灰尘。
（3）按设计要求对裂缝进行灌缝或封闭处理。
 4.2.2 底胶配制及涂刷
（1）底胶由主剂 [成分：环氧树脂，稀释剂] 与固化剂 [成分：改型铝粉、固化促进剂、
90 着色颜料（黄）] 2 种成份按规定比例2:1 混合而成，采用低速电动搅拌机进行充分地搅拌。
（2）用一次性软毛刷或特制滚筒将底胶均匀涂抹到混凝土表面。待胶表面指触干燥时
即进行下一道工序。底胶厚度不应大于2mm。在清理后的混凝土管片表面涂刷基底树脂，
加强碳纤维布与混凝土管片表面的粘结力，充分发挥碳纤维布的加固效果。用滚筒刷将组份
充分搅拌的底胶，均匀涂刷于混凝土管片表面。
95 4.2.3 管片不平整处的填补处理
（1）找平胶由主剂[成分：环氧树脂、稀释剂、填料、增稠剂、着色颜料（黑、白）]
与固化剂[成分：改型铝粉、填料、固化促进剂、增稠剂、着色颜料（白）]2 种成份按规定
比例2:1 混合而成，配制方法同底胶。
（2）混凝土表面凹陷部位用找平胶填补平整，且不应有棱角。
100 （3）若补强部位在阴角处应用找平胶修复为光滑的圆弧，以利贴片贴覆。
（4）待找平胶表面指触干燥时细部打磨即进行下一步工序施工
4.2.4 粘贴碳纤维布
（1）粘贴胶由主剂[成分：环氧树脂、稀释剂、增稠剂]与固化剂[成分：改型铝粉、着
色颜料（蓝）] 2 种成份按规定比例2:1 混合而成，配制方法同底胶。
105 （2）将配制好的粘贴胶均匀涂刷在所要粘贴部位，覆盖已裁剪好的碳纤维布，用一次
性软毛刷或特制滚筒沿碳纤维方向多次涂刷。
（3）使用硬辊往复碾压，赶出气泡，促使粘合剂渗透。半小时后，再使用硬橡胶辊往
复碾压消除可能出现的浮动和错动。
（4）指触干后表面再涂粘贴胶往复涂刷，使粘贴胶渗入碳纤维布中去，涂刷时不得损
110 伤碳纤维布。
（5）多层粘贴重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥后即进行下一层的粘贴。
（6）在最后一层的碳纤维布表面均匀涂抹粘贴胶。
4.2.5 表面防护
（1）当需要做出表面防护时，纤维布外表面宜粘贴洁净砂，或按设计施工拉接件，以
115 保证防护材料与原有碳纤维布之间有可靠的粘结。
（2）对于有防火要求的构件，应涂专门防火涂料或采用其它防火措施加以设计和施工。
粘贴至少8 小时后，去除塑料薄膜，在碳纤维布表面涂抹一层基底树脂。
4.2.6 检查及验收
碳纤维布加固施工后检查和验收的工作包括：
120 （1）采用碳纤维材料对结构进行修复或加固时，应严格按规范有关条款进行表面处理、
涂刷底胶和找平处理三道工序隐蔽工程检验与验收。
（2）碳纤维材料的实际粘贴尺寸和数量不得小于设计要求。
（3）纤维材料与原有结构物的粘结必须密实。
（4）施工完毕，通过目测或小锤轻击进行检查，每平方米纤维布内空鼓数量不得超过
125 10 个。
 4.2.7 施工安全及注意事项
（1）碳纤维布用配套树脂胶的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射。
（2）树脂胶的配制和使用场所，应保持通风良好。
（3）施工时，应远离电源、火源，工作场所应配备专用的灭火器，并有专人负责防火
130 安全。
（4）现场施工人员根据使用树脂材料采取相应的劳动保护措施（穿戴工作服、面罩、
眼镜、手套等）。并遵守施工现场其他安全规定。
（5）涂布粘合胶前必须先确认底胶干燥。
5 结论
135 总体而言，隧道管片碳纤维布加固技术工艺比较简单，但各施工工艺注意的要点较多，
必须把握好每个环节，以使碳纤维布的加固作用得到充分的发挥，保证管片的承载能力得到
实质性的提高。
碳纤维布加固技术在我国起步较晚，但近几年随着对其研究的日益深入，其在水利工程、
桥梁工程、建筑工程和隧道工程等各土木工程领域已得到了广泛的应用。因碳纤维布加固技
140 术突出的特点和优势，其在隧道管片修复等地下工程加固中拥有广阔的前景，必促进我国城
市地下工程建设的进步。
[参考文献] (References)
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