高速公路隧道火災(zāi)災(zāi)后損傷檢測及結(jié)構(gòu)安全評價(jià)

李 清,靳紅濤

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420；2.廣東交科檢測有限公司，廣州 510550)

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0 引言

根據(jù)運(yùn)營公路隧道情況統(tǒng)計(jì)，以隧道火災(zāi)為代表的突發(fā)性災(zāi)害已成為危害公路隧道結(jié)構(gòu)與運(yùn)營安全的關(guān)鍵因素[1]。高速公路隧道由于其交通流量大、結(jié)構(gòu)狹長、通風(fēng)條件相對較差，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重火災(zāi)往往難以及時(shí)撲滅，并易造成一系列嚴(yán)重后果[2]。相關(guān)災(zāi)害案例表明[3-4]，隧道火災(zāi)不僅會對其內(nèi)部車輛、人員和機(jī)電設(shè)施造成傷害，還會因火災(zāi)的高溫灼燒與爆破沖擊導(dǎo)致力學(xué)性能劣化，甚至出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)爆裂、剝離等不可逆損傷，致使結(jié)構(gòu)承載力與安全性大大降低。因此，高速公路隧道火災(zāi)的災(zāi)后檢測、快速修復(fù)與安全評價(jià)是工程技術(shù)人員關(guān)注的重點(diǎn)問題[5]。

本文以云梧高速公路石牙山隧道火災(zāi)事故為例，通過系統(tǒng)性的災(zāi)后檢測流程探明火災(zāi)對隧道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施的損傷情況，并基于FLAC3D軟件模擬分析受損隧道結(jié)構(gòu)的安全性,以期為類似火災(zāi)案例的檢測與評估提供參考。

1 工程概況

云梧高速公路石牙山隧道為分離式單向行車雙車道隧道，設(shè)計(jì)速度為80km/h，長4 555m。隧道火災(zāi)事故段落圍巖條件相對較好，圍巖等級為Ⅰ ～ Ⅲ級，地層巖性主要為弱風(fēng)化砂巖?；馂?zāi)段落隧道結(jié)構(gòu)采用采用復(fù)合式襯砌，以錨桿、噴射混凝土或鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，格柵鋼筋拱架和輕型工字鋼鋼架作為初期支護(hù)。具體的支護(hù)參數(shù)：Ⅰ級、Ⅱ級圍巖，初支均為5cm厚C20噴砼，二襯均為30cm厚C20模注砼；Ⅲ級圍巖，初支均為10cm厚C20噴砼，二襯均為35cm厚C20模注混凝土。其中，Ⅲ級圍巖段隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

圖1 Ⅲ級圍巖段隧道結(jié)構(gòu)斷面(單位：cm)

2020年7月4日凌晨3：00，石牙山隧道K108+360斷面附近(距離洞口約1 500m)發(fā)生追尾交通事故并引燃事故車輛，致使隧道部分主體結(jié)構(gòu)、設(shè)施設(shè)備受損。事故發(fā)生后，相關(guān)單位立即啟動應(yīng)急預(yù)案，對火災(zāi)損傷情況進(jìn)行了應(yīng)急檢測及災(zāi)后隧道安全性評價(jià)工作。

2 隧道受損應(yīng)急檢測及分析

2.1 檢測項(xiàng)目

由于本事故系車輛追尾導(dǎo)致的貨物著火，可燃物多且持續(xù)時(shí)間長，受煙氣擴(kuò)散影響，造成的損傷范圍相對較大。根據(jù)現(xiàn)場勘測初定，火災(zāi)影響段為K108+050～+900，長850m。其中，受損最嚴(yán)重的為K108+360斷面，燒傷段為K108+324～+381，輕度燒傷段為K108+306～+324和K108+381～+426，其余段落為輕微影響區(qū)?？紤]到隧道火災(zāi)受損涉及因素眾多，災(zāi)后隧道的檢測應(yīng)不僅包括結(jié)構(gòu)外觀、混凝土回彈、碳化深度、結(jié)構(gòu)厚度、混凝土燒失量等基礎(chǔ)性測試，還應(yīng)包括過火襯砌力學(xué)性能、隧道侵限風(fēng)險(xiǎn)等潛在風(fēng)險(xiǎn)檢測。根據(jù)火災(zāi)實(shí)際情況，確定隧道過火檢測項(xiàng)目(表1)。

表1 火災(zāi)隧道應(yīng)急檢測項(xiàng)目

2.2 外觀

經(jīng)外觀檢測，火災(zāi)后隧道病害表觀特征主要包括：二襯砼燒傷、二襯砼失水疏松剝落、燈架變形、邊墻瓷磚脫落、交安附屬設(shè)施破壞等現(xiàn)象。燒傷段(K108+324～+381)是燒傷最嚴(yán)重的段落，其燒傷區(qū)面積約為1 106m2，以主車道右側(cè)邊墻最嚴(yán)重，拱部和超車道側(cè)邊墻次之。經(jīng)測算，混凝土剝落深度較大，平均深度為32mm，最大剝落深度達(dá)40mm。而輕度燒傷段雖影響面積達(dá)1 209m2，但主要為瓷片、防火涂料和附屬設(shè)施等損壞，并未危及隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，現(xiàn)場檢測表明，瓷片的破損狀態(tài)與其至著火點(diǎn)的距離存在明顯的相關(guān)性，位于燒傷段內(nèi)的瓷片因?yàn)?zāi)時(shí)溫度過高，基本全部脫落；位于輕度燒傷段的瓷片僅有上半部分脫離，這應(yīng)與高溫氣體浮于頂部有關(guān)；而位于輕微影響段的瓷片多數(shù)完好，僅少部分存在脫落或空鼓。

圖2 二襯剝離情況及深度測試

2.3 襯砌砼回彈與碳化深度

現(xiàn)場檢測時(shí)在隧道左右邊墻、左右拱腰、拱頂布設(shè)了共99處的回彈測區(qū)，回彈強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如圖3a所示。從回彈強(qiáng)度來看：(1)回彈強(qiáng)度均大于20MPa但分布不均，20～30MPa的測點(diǎn)占比為38.8%，30～40MPa的測點(diǎn)占比為27.5%，大于40MPa的測點(diǎn)占比達(dá)33.7%；(2)最小回彈強(qiáng)度為20.6MPa，位于K108+349斷面(臨近燃燒點(diǎn)斷面)，這應(yīng)與燃燒車輛長時(shí)間燃燒有關(guān)；(3)全部測點(diǎn)回彈強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)值，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

同時(shí)，現(xiàn)場檢測還進(jìn)行了碳化深度的測試，測試結(jié)果如圖3b所示，可見：(1)碳化深度分布不均，過半測點(diǎn)碳化深度小于1mm，而碳化深度為1～2mm、2～3mm、3～5mm的測點(diǎn)占比分別為17.4%、14.7%、15.6%；(2)結(jié)合現(xiàn)場情況，碳化深度3～5mm的測點(diǎn)主要分布于燒傷段，表明越靠近燃燒點(diǎn)，其碳化深度值相對較大；(3)襯砌混凝土最大碳化深度僅5mm，總體不大，混凝土過火灼燒的不利影響可控。

圖3 襯砌回彈與碳化深度

2.4 襯砌砼厚度與災(zāi)后力學(xué)性能

襯砌砼厚度檢測采用地質(zhì)雷達(dá)無損檢測的方式，基于連續(xù)測量法選用900MHz天線進(jìn)行探測，并沿隧道縱向分別在拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右兩側(cè)邊墻布置7條縱向測線。測試結(jié)果顯示，1 006個統(tǒng)計(jì)的襯砌厚度測點(diǎn)中厚度合格點(diǎn)達(dá)940個，厚度合格率達(dá)93.4%，平均襯砌厚度為36cm(設(shè)計(jì)厚度30cm)，僅有少數(shù)測點(diǎn)厚度小于23cm。

為進(jìn)一步探明災(zāi)后襯砌力學(xué)性能，于燒傷段邊墻部位取芯23處，每處芯樣長度為22cm以上且均取出兩個試件進(jìn)行了單軸抗壓試驗(yàn)?，F(xiàn)場取芯及測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場鉆芯取樣測試結(jié)果

由圖4可知：(1)由于燃燒點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)存在一定的剝離，其芯樣表層完整性一般；(2)近圍巖側(cè)襯砌芯樣強(qiáng)度主要集中于23～26MPa，而近凈空側(cè)的強(qiáng)度主要集中于20～23MPa，因此近圍巖側(cè)襯砌普遍比近凈空側(cè)襯砌強(qiáng)度更高，由此可見火災(zāi)對襯砌強(qiáng)度有一定的影響，燒傷后強(qiáng)度存在一定的衰減；(3)除1處芯樣強(qiáng)度低于20MPa外(18.9MPa)，其余各部位芯樣強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，因此災(zāi)后隧道砼結(jié)構(gòu)基本符合服役強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 襯砌砼燒失量

隧道火災(zāi)中被燒混凝土是火災(zāi)物證鑒定的重要內(nèi)容之一，對其在高溫下的變化情況可判定火場災(zāi)時(shí)的作用溫度。首先從未過火段二襯砼取樣，進(jìn)行灼燒溫度-燒失量的標(biāo)準(zhǔn)曲線測定,如圖5所示；然后從燃燒點(diǎn)附近(K108+358、+360)拱腳部位取樣，獲得對應(yīng)的燒失量，分別對應(yīng)平均燃燒溫度542℃、632℃。

圖5 燃燒溫度-燒失量關(guān)系曲線

由此可以確定，燃燒點(diǎn)附近過火溫度達(dá)540℃～630℃，根據(jù)《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECS 252-2019)，該溫度已達(dá)C20混凝土爆裂的臨界溫度，確會導(dǎo)致現(xiàn)場混凝土表層剝離。

2.6 隧道凈空

為防止火災(zāi)損傷后襯砌二次變形導(dǎo)致的侵限風(fēng)險(xiǎn)，針對燒傷嚴(yán)重段落共檢測13個典型斷面，檢測其襯砌斷面凈空，如圖6所示。從檢測結(jié)果來看，隧道寬度和凈空均滿足原設(shè)計(jì)的尺寸要求，隧道過火后引發(fā)的不良變形總體處于合理范圍。

圖6 斷面凈空檢測結(jié)果

2.7 災(zāi)后隧道損傷評估

災(zāi)后隧道各項(xiàng)檢測結(jié)果顯示：(1)火災(zāi)主要影響范圍為K108+324～+381(燃燒點(diǎn)前后約20m)，主破損區(qū)面積約1 106m2；(2)該范圍內(nèi)表面瓷片基本炸裂脫落，襯砌混凝土剝離以拱圈部位為主，平均剝離深度為32mm，最大深度為40mm；(3)回彈測試與鉆芯取樣均顯示，災(zāi)后襯砌結(jié)構(gòu)厚度、強(qiáng)度雖有所降低但仍基本滿足設(shè)計(jì)要求；(4)依據(jù)燒失量，推測該區(qū)段火災(zāi)時(shí)的過火溫度可達(dá)630℃；(5)災(zāi)后襯砌結(jié)構(gòu)變形總體不大，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)侵限的情況。

從檢測結(jié)果來看，火災(zāi)對案例隧道的影響總體可控，但為進(jìn)一步明確災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)安全性，采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行過火隧道結(jié)構(gòu)安全評價(jià)。

3 災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)安全性評價(jià)

3.1 模型建立及材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場火災(zāi)情況，選取燃燒點(diǎn)所在的K108+360斷面作為本次模擬的分析斷面，該斷面埋深120m，圍巖等級為Ⅱ級?；趯?shí)際工程，建立雙車道公路隧道“隧道-地層”模型[6]，如圖7所示。模型水平方向上向隧道兩側(cè)取3倍以上洞徑，各延伸50m；模型豎直方向上從隧底向下方取3倍以上洞高，共50m；模型豎直方向上從隧頂向上方取3倍以上洞高，共50m；未建立至表面部分采用等效重力法將重力作用于模型上表面。模型中全部單元均為實(shí)體單元，圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，而支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，具體的材料參數(shù)見表2。模型力學(xué)邊界條件：地層左右兩側(cè)設(shè)置水平約束，地層底部設(shè)置豎直約束，地層頂部設(shè)置上部圍巖自重應(yīng)力的力學(xué)邊界條件。

圖7 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

表2 圍巖與結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)

3.2 計(jì)算工況

根據(jù)實(shí)際火災(zāi)情況(燃燒車輛位于右側(cè)車道，右側(cè)剝離程度大于左側(cè))，以剝離深度、拱部剝離角度作為分析因素，設(shè)置了四種計(jì)算工況：(1)無剝離工況；(2)拱部右側(cè)75°范圍剝離4cm工況；(3)拱部120°范圍剝離4cm工況；(4)拱部120°范圍剝離10cm工況。各工況隧道結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。

圖8 各工況隧道結(jié)構(gòu)模型

3.3 計(jì)算結(jié)果分析與討論

提取各工況下隧道結(jié)構(gòu)豎向位移分布、結(jié)構(gòu)小主應(yīng)力分布，如圖9和圖10所示。其中豎向位移以豎直向上為正，結(jié)構(gòu)應(yīng)力以受拉為正。需要說明的是，由于結(jié)構(gòu)水平位移、結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)變化較小，故未予以繪出。

圖9 結(jié)構(gòu)豎向位移云圖(單位：mm)

圖10 結(jié)構(gòu)小主應(yīng)力云圖(單位：MPa)

由圖9可見：(1)各工況下隧道結(jié)構(gòu)的最大沉降位移均位于拱頂部位，最大隆起均位于邊墻角部位；(2)各工況下隧道拱頂沉降分別為3.39mm、3.55mm、3.79mm、4.07mm，隨剝離范圍或剝離深度的增長，拱頂沉降持續(xù)增加，但增量僅為0.68mm，影響相對較?。?3)由于拱部結(jié)構(gòu)剛度的削減，結(jié)構(gòu)剝離的影響主要呈現(xiàn)為拱頂沉降的增長，而對于其他部位的影響并不明顯。

經(jīng)分析，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)僅存在小幅的位移量增長，這應(yīng)與圍巖等級較高且具備良好的自穩(wěn)能力有關(guān)。

由圖10可見：(1)隧道火災(zāi)剝離襯砌后，混凝土壓應(yīng)力最值從未剝離工況的10.54MPa增長至現(xiàn)場剝離條件(4cm)時(shí)的12.09MPa，應(yīng)力增量為1.55MPa，應(yīng)引起重視；(2)當(dāng)襯砌剝離厚度繼續(xù)增長到10cm時(shí)，結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力最值增長至12.61MPa，應(yīng)力增量達(dá)2.07MPa；(3)各工況下隧道結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)力最值均位于拱腳部位，而由于拱部結(jié)構(gòu)剛度的削減，拱頂部位的壓應(yīng)力存在明顯的增長。

為評價(jià)隧道結(jié)構(gòu)的安全性，提取數(shù)值模型結(jié)構(gòu)內(nèi)力并依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]計(jì)算其典型部位結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表3。需要說明的是，表3中的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均為抗壓安全系數(shù)，規(guī)范要求此系數(shù)需大于2.0。

表3 典型部位結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

由表3可知：(1)各工況下雖然拱部安全系數(shù)降幅明顯，但是結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)仍均位于右拱腳部位，表明拱腳部位為受力薄弱環(huán)節(jié)，需予以關(guān)注；(2)隧道火災(zāi)剝離襯砌后，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)從未剝離工況的9.87逐步降至現(xiàn)場剝離條件(4cm)時(shí)的7.43，安全系數(shù)降幅較為明顯，應(yīng)引起重視；(3)當(dāng)襯砌剝離厚度繼續(xù)增長到10cm時(shí)，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)降至5.88，降幅明顯，但仍能滿足規(guī)范要求。

總體來看，過火后拱部襯砌的剝離引發(fā)了拱部整體支護(hù)剛度的削減，進(jìn)而導(dǎo)致拱頂沉降的增加、結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力的上升、結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)的減少。同時(shí)，拱部剝離范圍與剝離深度的增大均會加劇上述不利影響，應(yīng)予以重視。但在拱部剝離深度達(dá)到10cm的工況下，拱頂沉降量為4.07mm、混凝土最大壓應(yīng)力為12.61MPa、結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為5.88，均能符合規(guī)范限值的要求。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合典型隧道火災(zāi)案例，提出了系統(tǒng)性的災(zāi)后檢測流程，具體包括外觀、襯砌砼回彈與碳化深度、襯砌砼厚度與災(zāi)后力學(xué)性能、襯砌砼燒失量、隧道凈空等多項(xiàng)檢測內(nèi)容。通過上述流程，基本探明了火災(zāi)對隧道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)施的損傷情況，可供同類火災(zāi)案例參考。

(2)檢測結(jié)果表明，案例隧道火災(zāi)主要影響范圍為燃燒點(diǎn)前后約20m，主破損區(qū)內(nèi)表面瓷片炸裂脫落嚴(yán)重；拱圈襯砌砼普遍存在剝離，平均剝離深度為32mm，最大深度為40mm，但襯砌厚度仍可滿足設(shè)計(jì)要求；襯砌過火后表層砼強(qiáng)度存在下降，襯砌強(qiáng)度呈現(xiàn)“內(nèi)高外低”的特征；依據(jù)燒失量試驗(yàn)結(jié)果，可推測燃燒點(diǎn)的過火溫度達(dá)630℃；襯砌結(jié)構(gòu)變形較小，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)侵限。因此，火災(zāi)對案例隧道的影響總體可控。

(3)基于FLAC3D軟件分析了隧道過火后不同剝離情況下隧道結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力及安全性規(guī)律特征。

計(jì)算結(jié)果表明，拱部襯砌的剝離會導(dǎo)致拱頂沉降小幅增大、結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力一定的增加、結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)明顯降低。同時(shí)，拱部剝離范圍與剝離深度的增大均會加劇上述不利影響。但在拱部剝離深度達(dá)到10cm的工況下，拱頂沉降量為4.07mm、混凝土最大壓應(yīng)力為12.61MPa、結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為5.88，均能符合規(guī)范限值的要求?；诖?，處治設(shè)計(jì)采用了高強(qiáng)環(huán)氧砂漿修復(fù)，經(jīng)過一年的營運(yùn)，處治效果良好，與計(jì)算分析結(jié)果一致。