公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災損傷檢測與評估研究

劉 俊

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司 武漢 430050)

山區(qū)公路隧道結(jié)構(gòu)狹長、空間小、道路窄、通風條件差、受火溫度高，一旦發(fā)生火災不能及時撲滅時，高溫會導致隧道襯砌混凝土的爆裂和力學性能劣化，降低結(jié)構(gòu)的承載力和安全性[1]。郭盛[2]研究火災高溫下隧道襯砌在不同溫度區(qū)域與不同襯砌深度混凝土的物理力學性能的劣化規(guī)律；韓泰然[3]通過火災下的襯砌結(jié)構(gòu)熱應力模擬計算，總結(jié)火災后襯砌結(jié)構(gòu)損傷檢測與評價及提高襯砌結(jié)構(gòu)耐火性能的方法；趙曉曉[4]利用現(xiàn)場勘測法對火災隧道進行初步損傷評價并有針對性地提出加固方法。由上可知，以往相關研究多集中在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災模擬計算及安全性評估的理論和初步應用方面，對于火災后現(xiàn)場襯砌結(jié)構(gòu)的檢測和安全評估應用研究甚少。本文依托因貨車起火燃燒的某運營隧道典型襯砌火損病害，通過實地調(diào)研、表觀檢查、實測數(shù)據(jù)分析與評價等手段，從多個角度對隧道火災襯砌的影響進行分析和安全性評價，以期為類似工程提供借鑒。

1 襯砌火損調(diào)查與評估概述

隧道襯砌混凝土在火災高溫作用下的物理力學性能持續(xù)劣化后一般會產(chǎn)生防火涂層剝落、表層裂縫或爆裂掉塊等典型病害，可能導致隧道局部坍塌的嚴重后果。隧道襯砌火損調(diào)查與評價主要依據(jù)表面特征觀查并結(jié)合斷面測量、地質(zhì)雷達檢測、襯砌混凝土強度檢測等其他特殊檢測結(jié)果進行。調(diào)查評價流程可分為以下3個步驟：初步踏勘、表觀詳細調(diào)查和風險識別評價。評價流程圖見圖1。

圖1 襯砌表觀調(diào)查及風險評價流程

1.1 初步踏勘

由檢測人員進入災后現(xiàn)場進行初步踏勘，摸清起火點位置、火勢蔓延過程等，通過現(xiàn)場觀察、敲擊襯砌并觀察災后殘留物，初步判斷火災燃燒程度及襯砌受損情況，并確定襯砌結(jié)構(gòu)過火區(qū)域和詳細調(diào)查范圍，做好下一步襯砌表觀系統(tǒng)調(diào)查的準備工作。

1.2 襯砌表觀詳細調(diào)查

隧道火災后的清障和排險工作完成后，使用三維實景重建與全景展開圖技術(3DZI)進行襯砌表觀系統(tǒng)調(diào)查。即對隧道調(diào)查區(qū)域的襯砌結(jié)構(gòu)進行全覆蓋和高密度的拍照工作后對現(xiàn)場照片集進行三維重建，以獲得災后現(xiàn)場的三維實景模型。根據(jù)隧道設計參數(shù)建立設計輪廓模型，對三維重建模型與設計輪廓進行匹配和核準，并利用設計輪廓模型對現(xiàn)場照片進行矯正拼接，獲得隧道襯砌火災后的全景展開圖。

結(jié)合初步踏勘資料和相關標準規(guī)范，對襯砌全景展開圖進行詳細解釋與標識，根據(jù)圖中襯砌混凝土表面顏色、裂紋、爆裂和剝落的情況推定不同區(qū)域的損壞程度，并以單模襯砌為基本單元進行火損區(qū)段劃分。

1.3 風險識別與評估

火災后隧道襯砌的火損風險識別與評估主要基于對襯砌外觀和混凝土材料劣化性能的檢測結(jié)果。隧道外觀檢測主要對表觀損傷特征進行檢查，包括襯砌破損的位置、范圍或程度，墻身施工縫開裂寬度、錯位量等。襯砌混凝土材料的劣化性能檢測主要包括襯砌厚度及缺陷、隧道內(nèi)輪廓、混凝土回彈強度及碳化深度、襯砌混凝土鉆芯及抗壓強度等。

襯砌火損風險識別與評估時通過總結(jié)類似火災事故得到的風險類型，結(jié)合襯砌表觀系統(tǒng)詳細調(diào)查得到的隧道火損區(qū)段對可能發(fā)生的風險進行一一辨識，然后基于隧道內(nèi)火損圖像采集和處理結(jié)果，結(jié)合襯砌外觀和混凝土材料劣化性能的檢測報告，采用R=P×C定級法對隧道過火段進行火災風險評估。

2 襯砌火損調(diào)查與評估應用

2.1 工程概況

某山區(qū)上、下行分離的雙洞公路隧道，左、右線全長均約6.9 km，采用分段送排式縱向通風方案。隧道右線洞內(nèi)發(fā)生貨車起火并引燃周圍車輛的燃燒事故，過火影響段圍巖類別為IV類～V類。地質(zhì)縱斷面圖見圖2。

圖2 右線火災過火段的地質(zhì)縱斷面

2.2 初步踏勘結(jié)果

消防搜救結(jié)束后的踏勘情況表明，隧道起火位置距離右線洞口不足500 m，高溫煙氣蔓延后引燃的起火車輛多達30輛，本次火災過火段長約700 m，埋深范圍為80～160 m。過火段拱部防火涂層大范圍脫落，拱腰至邊墻部分出現(xiàn)不同程度的龜裂和起鼓脫空，二次襯砌混凝土受熱開裂、脫落，受損嚴重的地段拱部混凝土出現(xiàn)掉塊，最大掉塊厚度超過10 cm，堆積虛渣厚度達到50 cm之多。初步踏勘情況圖見圖3。

圖3 隧道右線襯砌損毀嚴重段踏勘情況

2.3 襯砌表觀詳細調(diào)查結(jié)果

運用航拍建模技術采集隧道過火段現(xiàn)場地形信息及詳細調(diào)查拍攝的洞內(nèi)火損現(xiàn)場照片經(jīng)三維重建后得到正洞的災后三維實景模型，全景展開圖見圖4。

圖4 隧道右線過火段三維重建結(jié)果

然后對拍攝照片進行矯正拼接即可獲得右線過火段的全景展開影像，增加樁號及標尺后即可據(jù)此進行隧道襯砌的表觀詳細調(diào)查。

參照T/CECS 252-2019 《火災后工程結(jié)構(gòu)鑒定標準》對襯砌表觀進行詳細調(diào)查以確定隧道混凝土的火災損傷等級。根據(jù)規(guī)范要求結(jié)合現(xiàn)場條件，將過火段受損程度分為3個等級：輕度損傷(IIa)、中度損傷(IIb)和嚴重損傷(III)，并據(jù)此對過火段襯砌進行損傷區(qū)域劃分，損傷區(qū)域劃分標繪示例圖見圖5。

圖5 隧道右線某過火段損傷區(qū)域劃分標繪示例圖

由圖5可知，嚴重損傷區(qū)域主要分布在車輛聚集處。同時將現(xiàn)場灼燒區(qū)域判定及所留火災車輛影像資料對比可知，嚴重損傷區(qū)域通常分布在裝滿貨物的貨車附近。其可燃物直接影響了襯砌灼燒嚴重程度，造成混凝土襯砌的大范圍剝落掉塊。中度損傷區(qū)主要夾雜于嚴重損傷區(qū)域中間及過火段端口處，距離火源位置較遠。輕度損傷區(qū)多為火災邊緣段落及邊墻部位，未觸及火災核心區(qū)。

2.4 襯砌外觀及材料劣化性能檢測

根據(jù)右洞檢測樁號標段劃分和現(xiàn)場調(diào)查情況，將火損段落劃分為：煙熏段、防火涂料剝落段、厚度小于6 cm襯砌剝落段、厚度6～15 cm襯砌剝落段、厚度大于15 cm襯砌剝落段，通過目測及尺量的方法對檢測段內(nèi)襯砌外觀逐段進行檢測。外觀檢測中發(fā)現(xiàn)存在洞門墻及遮光棚及鋼架結(jié)構(gòu)煙熏嚴重，防火涂料和襯砌不同程度的剝落，路面存在全幅損壞和嚴重坑槽等明顯病害，外觀檢查示例見圖6。

根據(jù)襯砌外觀檢測結(jié)果，采用激光斷面儀檢測隧道襯砌內(nèi)輪廓。隧道斷面儀可對采集信息進行成圖處理，經(jīng)實測斷面與竣工斷面襯砌輪廓線對比可得到襯砌的實際輪廓線及襯砌受火破損情況[5]，斷面對照圖見圖7。

圖7 隧道右線過火段實測斷面與竣工斷面對照圖(單位:m)

由斷面輪廓線對照圖中深色區(qū)域揭示的襯砌破損情況可知襯砌的最小實際厚度、對應的樁號位置，以及拱腰及拱頂?shù)臑暮笃茡p的具體部位。通過實測斷面與竣工斷面比較分析的結(jié)果表明火災后的隧道凈空滿足原竣工設計要求，未侵入建筑限界。

同時，采用鉆孔取芯和常規(guī)的地質(zhì)雷達檢測方法對典型過火段的隧道襯砌厚度及缺陷進行逐條測線的詳細檢測，以掌握重點位置的襯砌厚度及背后空洞、鋼筋間距及鋼支撐的實際情況[6]。從雷達檢測結(jié)果分析來看，隧道拱頂二次襯砌背后存在層間脫空或空洞現(xiàn)象，但與火災的直接聯(lián)系尚需討論，雷達掃描結(jié)果圖見圖8。

圖8 隧道右線過火段拱頂二襯空洞的雷達掃描結(jié)果圖

一般而言，高溫使得混凝土內(nèi)部水分急劇蒸發(fā)，混凝土裂隙體積驟增產(chǎn)生爆裂，導致表面混凝土剝落，進而使得內(nèi)部混凝土產(chǎn)生進一步剝落[7]。同時高溫煙氣傳遞的熱能量使得混凝土表面碳化，從而呈現(xiàn)黑灰色骨料。因此，過火段襯砌混凝土的強度是需要特別關注的材料實際性能的指標，選取靠近嚴重過火或剝落部位采用回彈法結(jié)合碳化深度和鉆芯抗壓強度檢測法對襯砌混凝土的材料劣化程度進行檢測[8]。

回彈和碳化檢測結(jié)果顯示襯砌回彈強度能夠滿足設計要求，碳化深度較深且均大于5 mm。鉆孔取芯點選在受火損傷最嚴重的拱腰及拱頂部位，取芯結(jié)果表明二襯混凝土密實且防水層完好，受火災影響較小，襯砌背后圍巖較完整，取芯結(jié)果示例圖見圖9。

由圖9可知，檢測結(jié)果反映出過火段的防水板現(xiàn)狀基本良好。防火層破除后的二襯外觀良好，即防火涂料對二襯具有相當?shù)谋Ｗo作用，受火后襯砌抗壓強度仍滿足設計要求，無大面積裂縫及滲漏水現(xiàn)象。

圖9 隧道右線過火段拱頂鉆孔取芯結(jié)果示例圖

2.5 風險識別與評估

風險識別與評估時需要對一些典型隧道火災案例進行調(diào)研，歸納出隧道火災的常見病害，一般包括：局部坍塌、結(jié)構(gòu)掉塊、結(jié)構(gòu)裂損、防排水失效和風機掉落等，然后參考隧道應急特殊檢測的結(jié)果對過火段襯砌進行風險識別與評估[9]，也為進一步處治提供依據(jù)。

R=P×C定級法綜合考慮風險因素發(fā)生概率和風險后果。其中：R為風險；P為風險因素發(fā)生的概率；C為風險因素發(fā)生時可能產(chǎn)生的后果。P×C為風險因素發(fā)生概率和風險因素產(chǎn)生后果的級別的組合[10]。根據(jù)該方法對隧道過火段以里程范圍為單元進行火災風險評估，部分評估結(jié)果見表1。

表1 隧道火災風險評估示例表

通過評估得到隧道過火段嚴重灼燒區(qū)域局部坍塌、結(jié)構(gòu)掉塊、結(jié)構(gòu)裂損、風機掉落風險等級為高度(III級)～極高(IV級)，為不期望或不可接受范圍，必須采取相應加固措施，將風險降至中度以下可接受范圍。全段結(jié)構(gòu)掉塊、風機掉落風險尤為突出且風險等級為高度，所占比例幾乎貫穿整個過火段，是制約隧道災后安全的重要因素，應對其予以重點關注。

3 結(jié)語

本文通過隧道火災對襯砌的影響分析和安全性評價的具體應用，得出以下結(jié)論。

1) 過火段拱部防火涂層大范圍脫落，拱腰至邊墻部分出現(xiàn)不同程度的龜裂和脫空，襯砌受損嚴重段拱部出現(xiàn)不同程度的掉塊。由損傷區(qū)域劃分圖歸納出重、中、輕3種損傷區(qū)域分布范圍及火災損傷分布規(guī)律。

2) 襯砌材料劣化性能檢測顯示隧道實測斷面未侵入建筑限界，襯砌存在幾處脫空或空洞現(xiàn)象。襯砌強度滿足要求但碳化深度較深，取芯處二襯混凝土密實且防水層受火災影響較小，襯砌背后圍巖穩(wěn)定。

3) 結(jié)構(gòu)掉塊、風機掉落風險尤為突出，風險所占比例大，應采取針對性的措施將風險降到“中度”以下可接受的范圍。隧道過火段風險評估等級越高，加固處置應越緊迫。