灣塢隧道燒損及災(zāi)后加固分析

■ 陳長(zhǎng)偉

（福寧高速公路有限責(zé)任公司， 寧德 352000）

1 工程概況

福鼎-寧德高速公路福安連接線灣塢隧道位于福安市灣塢鄉(xiāng)灣塢村，為上下行分離式四車道高速公路隧道。 隧道起訖樁號(hào)為BK1950+630～BK1952+260，全長(zhǎng)1630 m。2019 年4 月1 日上午10：00， 在灣塢下行隧道BK1950+850 超車道內(nèi)，運(yùn)載蔬菜的貨車與前方一輛運(yùn)載石板材的貨車發(fā)生刮擦事故，造成運(yùn)載石板材車輛發(fā)生著火事故，起火直至滅火結(jié)束，持續(xù)時(shí)間近110 min。 火災(zāi)影響區(qū)域?yàn)锽K1950+630～BK1951+420，影響區(qū)域長(zhǎng)度790 m。

其 中BK1950+885 ～+915 和BK1951+258 ～+283.5 兩個(gè)區(qū)域均為重度燒傷區(qū)，長(zhǎng)度55.5 m，該兩處均為Ⅳ級(jí)圍巖。 根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該區(qū)段初支采用C20 噴射素混凝土，厚度為12 cm；長(zhǎng)度為2.5 m 的Φ22 砂漿錨桿；局部采用Φ8 鋼筋網(wǎng)；二襯設(shè)計(jì)為素混凝土，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25，厚度為40 cm。 竣工時(shí)隧道內(nèi)鋪設(shè)水泥混凝土路面，路面板厚度26 cm，其整平層采用10 cm 厚C10 混凝土?；馂?zāi)發(fā)生前隧道路面已完成白改黑改造， 路面已鋪設(shè)6 cm 厚瀝青混凝土路面。

2 隧道結(jié)構(gòu)損傷情況分析

圖1 BK1950+897 襯砌燒損

圖2 BK1951+264 路面燒損

灣塢下行隧道結(jié)構(gòu)物火災(zāi)病害主要表現(xiàn)為二次襯砌層混凝土出現(xiàn)大面積熏黑、網(wǎng)裂、裂縫和瀝青混凝土路面燒損等病害，詳見圖1～2。 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，BK1951+420～BK1952+260 屬未影響區(qū)，長(zhǎng)度840 m。BK1950+630～+856、BK1950+922.5～BK1951+240.5、BK1951+299.5～+420 屬輕度燒傷區(qū)，長(zhǎng)度664.5 m，該區(qū)段僅混凝土表面、照明燈飾被熏黑，未見表層混凝土由火災(zāi)引起的剝落及網(wǎng)裂現(xiàn)象，混凝土顏色正 常。 BK1950+856 ～+885、BK1950+915 ～+922.5、BK1951+240.5 ～+258、BK1951+283.5 ～+299.5 屬 中度燒傷區(qū)，長(zhǎng)度70 m，該區(qū)段大部分混凝土和照明燈具被嚴(yán)重熏黑，未見表層混凝土剝落現(xiàn)象，但二襯混凝土出現(xiàn)部分裂縫情況， 用硬毛刷刷除附著物后，混凝土偏白。BK1950+885～+915、BK1951+258～+283.5 屬于重度燒傷區(qū)，長(zhǎng)度55.5 m，該區(qū)段二襯表層混凝土大面積網(wǎng)裂， 路面出現(xiàn)破損 （燒損）。 混凝土顏色被熏黑，錘擊聲音響亮。

隧道重度燒傷區(qū)病害情況見表1。 裂縫最長(zhǎng)達(dá)6 m，最大寬度為0.5 mm，襯砌結(jié)構(gòu)多處出現(xiàn)網(wǎng)裂。

通過回彈法檢測(cè)二襯混凝土強(qiáng)度，BK1950+910 燒傷區(qū)中混凝土強(qiáng)度最小值出現(xiàn)在樁號(hào)BK1950+886.5～+898.5 重度燒傷區(qū)內(nèi)， 實(shí)測(cè)值為15.0 MPa；BK1951+264 燒傷區(qū)， 混凝土強(qiáng)度最小值出現(xiàn)在樁號(hào)BK1951+258～+264 重度燒傷區(qū)內(nèi)，實(shí)測(cè)值為12.1 MPa，均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度C25。

表1 灣塢下行隧道重度燒傷區(qū)病害統(tǒng)計(jì)表

現(xiàn)場(chǎng)利用超聲波法檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷，選取火場(chǎng)中心區(qū)域BK1950+885～+915、BK1951+258～+283.5 兩段范圍內(nèi)，分別在拱頂、拱腰、邊墻各測(cè)試聲速值。 推斷出BK1950+885～+915 區(qū)域損傷層厚度最大值在拱頂BK1950+905 處，損傷層厚度值為33.1 mm；BK1951+258～+283.5 損傷層厚度最大值在拱頂BK1951+265 處，損傷層厚度值為33.8 mm。

將本次重、 中度燒傷區(qū)襯砌火災(zāi)受損病害與2018 年8 月同一段落定期檢查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)上述段落襯砌病害在火災(zāi)受損后發(fā)展迅速，基本可斷定重、中度燒傷區(qū)襯砌出現(xiàn)的網(wǎng)裂、混凝土剝落、裂縫等病害由本次火災(zāi)造成。 襯砌重、中度燒傷區(qū)應(yīng)立即進(jìn)行加固處理[1]。

3 重度燒傷區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)高溫后變形分析

采用MIDAS 有限元軟件計(jì)算分析灣塢隧道下行洞重度燒傷區(qū)在起火時(shí)、滅火時(shí)、滅火后不同時(shí)刻的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大主應(yīng)變的分布情況，結(jié)果如圖3～7 所示。 計(jì)算中采用的火災(zāi)曲線， 設(shè)定0～1 h為升溫階段，1～2 h 為恒溫階段，2～6h 為降溫階段，6～24 h 為自然冷卻階段[2]。分析得出，當(dāng)襯砌溫度升高后，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)變發(fā)生較大變化，尤其是拱頂、拱腳及拱腰等處，應(yīng)變變化較大（圖4）。滅火時(shí)二襯應(yīng)變達(dá)到最大值，滅火后隨著時(shí)間的延續(xù)，襯砌溫度降低，變形逐步恢復(fù)，應(yīng)變逐步減少。 滅火后24 h，最大應(yīng)變值僅略高于起火時(shí)，最大應(yīng)變的分布特征與其接近（圖3、7）。

圖3 起火時(shí)二襯內(nèi)最大應(yīng)變分布云圖

圖4 滅火時(shí)二襯內(nèi)最大應(yīng)變分布云圖

圖5 起火4 h 二襯最大應(yīng)變分布云圖

圖6 起火12 h 二襯內(nèi)最大應(yīng)變分布云圖

圖7 起火24 h 二襯內(nèi)最大應(yīng)變分布云圖

圖8 所示為隧道襯砌豎向拱頂位移隨時(shí)間的變化。 在升溫初始階段（0～1 h 為升溫階段，其中0～0.5 h 為升溫初始階段），隧道拱頂襯砌結(jié)構(gòu)下沉（向坐標(biāo)軸負(fù)方向）。 當(dāng)升溫半小時(shí)后，隨著溫度向襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播和升高，襯砌混凝土受熱膨脹，膨脹產(chǎn)生的變形增大且占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為拱頂襯砌結(jié)構(gòu)正向（向坐標(biāo)軸正方向）變形，當(dāng)溫度開始降低時(shí)（2～6 h 為降溫階段）， 由固相變形和孔隙氣體膨脹導(dǎo)致的變形隨隧道溫度降低而減小， 最終基本消失，而由升溫引起的混凝土化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的巨大膨脹變形不可恢復(fù)，與混凝土力學(xué)性能劣化產(chǎn)生的沉降疊加，表現(xiàn)為拱頂下沉。 混凝土自然冷卻后，其力學(xué)性能得到部分恢復(fù)，拱頂沉降略有減小。

圖8 著火后隧道二襯拱頂豎向位移變化曲線

火災(zāi)高溫中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度分布不均勻，截面各位置受熱膨脹不均勻；同時(shí)高溫環(huán)境下鋼筋混凝土力學(xué)性能劣化、彈性模量降低，共同導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變形。 由圖8 可知，火災(zāi)過程中隧道二襯拱頂豎向位移最大增加了1.29 mm，起火后24 h 隧道二襯拱頂豎向位移增加了0.36 mm。

4 中-重度燒傷區(qū)加固方案

4.1 路面破損修復(fù)

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧道重度燒傷區(qū)出現(xiàn)路面破損，局部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)松散。 考慮到實(shí)際汽車燃燒對(duì)影響區(qū)路面也有損傷， 且為了保證路面施工質(zhì)量，路面破損修復(fù)的區(qū)域范圍分別以路面破損中心區(qū)域BK1950+910、BK1951+264 為中心前后各增加25 m， 即為BK1950+885～+935 及BK1951+239～+289，路面修復(fù)長(zhǎng)度為100 m。

對(duì)破損的道路結(jié)構(gòu)層銑刨后，重新鋪筑瀝青混凝土。 由于路面經(jīng)歷了白改黑工程，銑刨的道路結(jié)構(gòu)層厚度包含6 cm 厚瀝青混凝土面層及水泥混凝土路面層， 水泥混凝土路面層應(yīng)銑刨至新鮮混凝土，水泥混凝土路面層銑刨厚度按4 cm 計(jì)。

4.2 襯砌混凝土剝落、裂縫處治

對(duì)于襯砌混凝土剝落、網(wǎng)狀裂縫分布區(qū)域先進(jìn)行混凝土表面清理。 現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查可知，BK1950+910 燒傷區(qū)及BK1951+264 燒傷區(qū)隧道襯砌混凝土損傷層厚度最大值出現(xiàn)在拱頂處， 最大損傷層厚度值為33.8 mm，屬于淺表面的病害。 對(duì)淺表面的剝落、網(wǎng)裂混凝土病害，處治設(shè)計(jì)采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)[3]。 混凝土剝落、網(wǎng)裂病害修復(fù)后，用經(jīng)顏色調(diào)配的膩?zhàn)幽z修補(bǔ)表面以修飾修補(bǔ)痕跡。

修補(bǔ)過程中應(yīng)鑿除碳化、松散混凝土至新鮮混凝土表面[4]，鑿除及環(huán)氧砂漿修補(bǔ)按平均厚度3 cm計(jì)算。

裂縫處理參照《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ/T J22-2008）的規(guī)定，即對(duì)于寬度小于0.15 mm 的裂縫采用表面封閉法修補(bǔ)，涂刷專用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封閉；寬度大于等于0.15 mm 的裂縫采用壓力注漿法修補(bǔ)。

灣塢隧道下行洞燒損加固后運(yùn)營(yíng)至今已有1年半，整座隧道拱部和邊墻沒有出現(xiàn)滲漏水，加固結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由此說明上述加固方案是合理的。

5 結(jié)論

（1）2019 年4 月灣塢隧道下行洞因交通事故起火， 火災(zāi)歷時(shí)近110 min， 導(dǎo)致BK1950+885～+915和BK1951+258～+283.5 兩個(gè)區(qū)域遭受重度燒傷。

（2）災(zāi)后單條裂縫最長(zhǎng)達(dá)6 m，最大寬度0.5 mm?；炷磷畹蛷?qiáng)度為12.1 MPa，損傷層厚度最大為33.8 mm。 有限元計(jì)算結(jié)果顯示火災(zāi)過程中隧道二襯拱頂豎向位移最大增加了1.29 mm， 起火后24h 拱頂位移增加了0.36 mm。

（3）為確保隧道安全使用，對(duì)BK1950+885～+935及BK1951+239～+289 段道路結(jié)構(gòu)層銑刨后， 重新鋪筑瀝青混凝土；對(duì)襯砌淺表面的剝落、網(wǎng)裂混凝土病害采用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)；對(duì)襯砌裂縫根據(jù)寬度分別采用表面封閉或壓力注漿修補(bǔ)。