新七道梁隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)損毀特性及處治

郭毓新(甘肅路橋建設(shè)集團有限公司，甘肅蘭州 730030)

1 引言

隨著高速公路的發(fā)展，公路隧道里程迅速增長，而且規(guī)模越來越大。由于公路隧道空間結(jié)構(gòu)上的特殊性，其發(fā)生火災(zāi)的潛在可能性普遍存在。近年來，世界各地隧道火災(zāi)事故頻發(fā)，1996年的英吉利海峽隧道火災(zāi)、1999年的奧地利勃朗峰隧道火災(zāi)、2008年京珠高速大寶山隧道火災(zāi)等等事故，都造成了巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，同時導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)和設(shè)施嚴重受損。隧道火災(zāi)的危害引起了各國對隧道消防安全問題的高度重視。

2011年4 月8 日，G75 蘭 海 高 速 公 路甘肅段新七道梁隧道上行線發(fā)生火災(zāi)，造成四人死亡、三輛車燒毀，導(dǎo)致隧道上行線K18+530-K19+090 段560m 襯砌結(jié)構(gòu)、路面、交通機電設(shè)施、內(nèi)裝修受損嚴重。本文通過對受損后隧道斷面尺寸、二襯砼強度檢測，分析了襯砌結(jié)構(gòu)損傷特性，對火災(zāi)損傷等級進行判定；結(jié)合揭露后防水板取樣檢測情況、圍巖情況，受損后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測結(jié)果，制定了合理的處治方案，安全高效的完成了隧道襯砌損毀處治。

2 新七道梁隧道火災(zāi)概況

2.1 隧道概況

新七道梁隧道為上、下行分離式，上行線長4003m、縱坡為+2.05%，下行線長4070m、縱坡+2.11%，屬石質(zhì)特長隧道；采用豎井+射流風機通風；隧道行車道中心線間距45m，共布設(shè)5 處緊急停車帶和5 處車行橫洞；隧道襯砌表面進行了裝修，未涂裝防火材料。該隧道于2004年12 月建成通車。

2.2 火災(zāi)概述

2011年4 月8 日凌晨3 時30 分許，G75 蘭海高速公路甘肅段新七道梁隧道上行線由于兩輛油罐車追尾，導(dǎo)致罐內(nèi)近40 噸190 號溶劑油泄露著火并引燃前方150m 處緊急停車帶內(nèi)?？康囊惠v半掛車，火災(zāi)持續(xù)約2h。兩輛油罐車追尾的主著火點位于K18+665-K18+700 段，距進口1225m。由于為上坡隧道，且前方有豎井，在風力作用下導(dǎo)致著火點向出口方向火災(zāi)損毀嚴重。

2.3 損傷段原襯砌情況

火災(zāi)損毀段落圍巖主要為紫紅色中～厚層狀礫巖，含砂礫巖、砂巖夾泥巖。K18+530～K18+775 段圍巖屬Ⅲ類，原設(shè)計支護采用WTD25 注漿錨桿、間距15×15cm 鋼筋網(wǎng)片、12cm 厚C20 噴射混凝土，PVC 復(fù)合土工防水板，50cm 厚C25 混凝土襯砌、40cm 厚混凝土仰拱；K18+775～K19+090 段圍巖屬Ⅳ類，原設(shè)計支護采用局部WTD25 注漿錨桿、8cm 厚C20 噴射混凝土，PVC 復(fù)合土工防水板，45cm 厚C25 混凝土襯砌。

3 火災(zāi)對襯砌結(jié)構(gòu)的損傷

3.1 燃燒溫度估計

受燃燒高溫影響，襯砌混凝土內(nèi)產(chǎn)生不均勻復(fù)雜應(yīng)力，致使襯砌混凝土大面積爆裂剝落，隧道內(nèi)路面上形成了大量的混凝土碎渣堆積物。根據(jù)剝落襯砌混凝土顏色呈灰白色至淺黃色和現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的鋁材的熔塊，對照《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準》(CECS252:2009)，判斷火災(zāi)現(xiàn)場的溫度應(yīng)在600 攝氏度以上，主著火區(qū)內(nèi)隧道拱頂部位二襯混凝土表面溫度在1000 攝氏度左右。

3.2 損傷后斷面檢測

斷面尺寸檢測采用隧道專用斷面儀，根據(jù)現(xiàn)場目測的混凝土崩落量較大斷面進行測量，共計測量14個斷面，各斷面實測面積與理論面積的差值沿隧道長度方向的變化情況如圖1。

圖1 火災(zāi)后隧道凈空斷面面積增加示意圖

圖2 拱頂混凝土強度沿隧道縱向分布示意圖

可以看出，斷面崩落厚度最大為35.4cm，發(fā)生在K18+680 斷面的右側(cè)拱腰，崩落厚度較大的斷面主要集中在K18+663 至K18+712 間，平均厚度為29.3cm。

3.3 損傷后二襯混凝土強度檢測

3.3.1 回彈法

對隧道受損段落采用回彈法檢測了襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強度。拱頂混凝土強度沿隧道縱向分布，見圖2。

3.3.2 鉆芯取樣法

對隧道K18+590～K19+240 段右邊墻采用鉆孔取芯法進行了混凝土強度測定。試驗結(jié)果如下：

(1)芯樣外觀正常，顏色均勻、混凝土密實、無斷裂及其它損傷，芯樣孔壁光滑，無異常。

(2) 抗壓強度最小值為22.3MPa(K18+694處1# 芯樣，火災(zāi)事故點集中在K18+665～K18+690 段)，其余芯樣強度均在30 MPa 以上，最大值為47.8MPa。

(3)對抗壓試件進行了編號，靠近洞壁的試件編為1#，靠近圍巖的試件編為2#，對比幾組測試數(shù)據(jù)，見圖3 所示。

圖3 隧道右邊墻鉆孔取芯混凝土強度

可見，同一芯樣制取的1#試件的抗壓強度均低于2#試件的抗壓強度。說明混凝土外表受高溫影響比內(nèi)部大，強度有所降低。

3.4 開挖揭露情況

3.4.1 防水板

拆除揭露后PVC 防水板表觀沒有高溫熱熔的跡象。分別從K18+800、K18+740、K18+657.5三處裁取防水板取樣檢測，性能指標如下表，表中主著火區(qū)性能指標最小，離主著火區(qū)越遠處性能指標越大，可見火災(zāi)高溫導(dǎo)致防水板性能降低。

3.4.2 圍巖

開挖揭露，火災(zāi)損毀段圍巖主要為紫紅色中～厚層狀礫巖，圍巖強度高、完整性好，未受到火災(zāi)影響。

3.5 損傷等級評定

表1 幾個隧道斷面的火災(zāi)影響檢測分析結(jié)果

圖4 嚴重損傷段襯砌混凝土剝落情況

依據(jù)《火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準》(CECS 252:2009)，綜合表1 中火災(zāi)影響檢測分析結(jié)果，對隧道損壞段落按損傷輕重程度進行了段落劃分及等級評定，具體結(jié)果如下：

圖5 中度損傷段襯砌混凝土剝落情況

圖6 輕度損傷段襯砌混凝土剝落情況

1)嚴重損傷段：K18+657.5～K18+776，共計118.5m。如圖4 所示，洞身二襯混凝土大面積剝落，洞身襯砌結(jié)構(gòu)完全破壞，風機處二襯加強鋼拱架裸露在外，剝落深度在10～35 ㎝間，洞頂混凝土強度損失大，評定為Ⅳ級。

2) 中度損傷段：K18+620～K18+657.5、K18+776～K18+827 和K18+873～K18+923共計138.5m。如圖5 所示，該段洞身二襯混凝土大面積剝落，剝落深度在2～10 ㎝間，局部超過10cm，洞身襯砌結(jié)燈具以下部位破壞相對嚴重，洞頂混凝土強度損失較大，評定為Ⅲ級。

3)輕度損傷段：K18+530～620、K18+827～K18+873 和K18+923～K19+090，共 計303m。如圖6 所示，該段二襯混凝土表面局部剝落，剝落深度在2～6 ㎝間，洞頂混凝土強度損失較小，評定為Ⅱ級。

4 襯砌結(jié)構(gòu)損傷處治

4.1 處治方案確定的依據(jù)

1)損傷后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性監(jiān)測情況。火災(zāi)后對損傷段落采用全站儀免接觸監(jiān)控量測，隧道整體穩(wěn)定性未受到火災(zāi)影響。

2)圍巖情況。圍巖未受火災(zāi)高溫影響，整體性好，處治時以不擾動圍巖為原則。

3)原支護結(jié)構(gòu)。依據(jù)原支護結(jié)構(gòu)確定處治深度。

4)襯砌結(jié)構(gòu)損傷程度。依據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)損傷程度確定處治方案，嚴重損傷段襯砌混凝土強度損失嚴重，剝落深度大，防水板性能降低；中度損傷度和輕度損傷段襯砌混凝土強度損失較小、強度均大于原設(shè)計強度，剝落深度較小，防水板性能降低較小。

4.2 處治方案

針對襯砌損傷程度，結(jié)合原襯砌結(jié)構(gòu)，采用以下處治方案：嚴重損傷段二次襯砌結(jié)構(gòu)性能及承載能力完全喪失，將二次襯砌全部拆除更換，同時更換防排水系統(tǒng)；中度損傷段和輕度損傷段火災(zāi)只是表面損毀，為處治襯砌外觀及提高受損表面混凝土的耐久性，采用表面整平處理，掛網(wǎng)后聚合物砂漿抹平。

4.2.1 更換襯砌

嚴重損傷度圍巖屬Ⅲ類，原支護結(jié)構(gòu)中二襯承受部分圍巖壓力。拆除重新施做二次襯砌采用12m 長模板臺車，由于受損二襯受力狀況不明，為防止拆除較長段落時隧道圍巖及原初襯自穩(wěn)能力不足，處治時對原初期支護重新施做加強。具體方案為：短進尺(＜2m)拆除原50cm 二次襯砌和12cm 初期支護，施做22cm 厚噴射混凝土初襯(水泥藥卷錨桿、I18 工字鋼間距50cm)，鋪設(shè)防水板后施做40cm 厚C25 鋼筋混凝土二襯(雙層鋼筋)。二襯鋼筋用植筋的方式加強與原襯砌下邊墻的連接，以確保結(jié)構(gòu)成環(huán)、整體受力；重新施做防水板及環(huán)向排水管，以滿足隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性及耐久性要求。

施工時根據(jù)K18+695～K18+740 段的拆除情況，由于圍巖及原初期支護整體性及自穩(wěn)能力好，對剩余嚴重損傷段處治方案進行優(yōu)化，拆除50cm 厚模筑襯砌后，原初期支護拱部增設(shè)錨桿補強，更換防水板及環(huán)向盲管，直接施做50cm厚C25 模筑混凝土二次襯砌。

4.2.2 表面修復(fù)

對該段襯砌結(jié)構(gòu)，將模筑襯砌表層已燒損混凝土鑿除，清洗。燈具以下(路面以上5.6m)范圍，破壞較深＞5cm 處，清除浮渣掛φ6 鋼筋網(wǎng)，M8×100mm 膨脹螺栓固定，聚合物砂漿整平,破壞較淺處，聚合物砂漿直接抹平；拱頂部位鑿除浮渣，掛φ1mm 鐵絲網(wǎng)，M6×85mm 膨脹螺栓固定，聚合物砂漿抹平。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)估計，新七道梁隧道火災(zāi)持續(xù)2h，溫度達到600 攝氏度以上，主著火區(qū)混凝土表面溫度在1000 攝氏度左右。

(2)在火災(zāi)高溫下，襯砌結(jié)構(gòu)損傷有如下特性：火災(zāi)對襯砌結(jié)構(gòu)拱頂和拱腰部位損傷最為嚴重；，混凝土強度受損降低，溫度越高，混凝土強度損失越大；由于混凝土表面溫度高，致使襯砌結(jié)構(gòu)靠火一側(cè)強度損失大，襯砌內(nèi)部強度損失較??；混凝土為熱惰性材料，熱容大、導(dǎo)熱系數(shù)小，熱量在混凝土內(nèi)部傳遞較緩慢，導(dǎo)致產(chǎn)生巨大的不均勻溫度應(yīng)力，致使混凝土爆裂剝落，影響襯砌結(jié)構(gòu)安；高溫導(dǎo)致襯砌背后防水材料性能降低。

(3)根據(jù)火災(zāi)后襯砌損傷特性，針對對不同損傷程度，結(jié)合圍巖揭露情況和受損后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定監(jiān)控量測結(jié)果，采取了合理的處治方案，安全、高效的完成了隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)損毀處治。

[1]康曉龍，王偉，趙耀華，華高英.公路隧道火災(zāi)事故調(diào)研與對策分析[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2007，17(5)：110-116

[2]蔣樹屏.關(guān)于貓貍嶺隧道火災(zāi)的調(diào)查與啟示[J].地下空間，2002，22(2)：172-173

[3]CECS252:2009.火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)鑒定標準[S].北京：中國計劃出版社

[4]JTG/TD70-2004.公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社

[5]JTG/TJ22-2008.公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社

[6]甘肅省交通科學(xué)研究院.蘭海高速公路(G75)甘肅段新七道梁隧道4.8 火災(zāi)后應(yīng)急檢測及災(zāi)害損毀評估報告[R].蘭州，2011

[7]甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院.蘭海高速公路(G75)甘肅段新七道梁隧道“4.8”災(zāi)害恢復(fù)處治一階段施工圖設(shè)計[R].蘭州，2011