基于剩余承載能力的隧道火災(zāi)損傷檢查評(píng)估

徐洪彬、陶雙江、李鵬

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

截至2021年底，根據(jù)2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)可知，我國運(yùn)營公路隧道已超過23268 萬座，總長超過2.479 萬km，是名副其實(shí)的“隧道大國”。然而，隨著我國運(yùn)營公路隧道的數(shù)量越來越龐大，運(yùn)營安全問題也越來越突出。近年來，運(yùn)營隧道內(nèi)頻發(fā)的火災(zāi)事故，不僅造成了嚴(yán)重的損失，還造成隧道結(jié)構(gòu)不同程度的破壞。

目前國內(nèi)對(duì)火災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)破壞特征及溫度場(chǎng)變化規(guī)律研究較多，如閆治國等對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)后的損害及防范措施進(jìn)行了研究，得到了高溫下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并提出采取措施提高襯砌的耐火性能；王明年等對(duì)公路隧道火災(zāi)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了隨風(fēng)速及火災(zāi)規(guī)模的不同，溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義；苗春等對(duì)火災(zāi)混凝土損失特點(diǎn)，現(xiàn)有檢測(cè)方法的局限性及新方法的適用性進(jìn)行了分析論證，建議采用兩種或幾種方法綜合檢測(cè)。但是，對(duì)隧道發(fā)生火災(zāi)后快速安全性評(píng)估方面的研究較少，還未形成相應(yīng)的評(píng)估體系。有關(guān)學(xué)者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)火災(zāi)后隧道燒傷狀況，按照重度、中度、輕度混凝土燒傷分別采用不同措施處治。未充分考慮隧道剩余承載能力，存在過度處治的風(fēng)險(xiǎn)，易增加處治成本，造成損失。本文提出了一套快速檢測(cè)火災(zāi)損傷深度的方法，并對(duì)如何計(jì)算剩余承載能力進(jìn)行了說明，提出的火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法具備可行性，對(duì)其他類似工程具有借鑒意義。

1 火災(zāi)高溫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響

與地面火災(zāi)的特征明顯不同，隧道結(jié)構(gòu)狹長，內(nèi)部環(huán)境相對(duì)封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲滅難度大，并且由于煙囪效應(yīng)，隧道發(fā)生火災(zāi)后，出現(xiàn)損傷的結(jié)構(gòu)主要為襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、防排水系統(tǒng)以及附屬照明通風(fēng)等設(shè)備。其影響主要表現(xiàn)在：

1.1 混凝土表層爆裂剝落

混凝土是水泥和砂石集料與水拌和后的固化物，經(jīng)高溫火焰灼燒后混凝土表面會(huì)產(chǎn)生爆裂、剝落、裂縫和鋼筋裸露等現(xiàn)象。隧道火災(zāi)會(huì)對(duì)襯砌受力和耐久性產(chǎn)生不利影響。

1.2 襯砌表層附屬燈具、電纜線等的破壞

在火災(zāi)高溫的影響下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面布設(shè)有照明燈具、攝像監(jiān)控及電纜電線，會(huì)發(fā)生破壞。

1.3 混凝土自身強(qiáng)度的降低

混凝土強(qiáng)度遇火災(zāi)高溫后降低，尤其是表層混凝土強(qiáng)度下降明顯，致使結(jié)構(gòu)承載能力與耐久性降低。

1.4 混凝土對(duì)鋼筋的黏結(jié)力及保護(hù)力降低

隧道襯砌混凝土在高溫作用下，水化物脫水分解，其內(nèi)部微空隙增加，結(jié)構(gòu)疏松，混凝土與鋼筋在高溫下熱變形不協(xié)調(diào)，形成大量界面裂縫，可能導(dǎo)致混凝土與鋼筋之間黏結(jié)力降低。且隧道襯砌混凝土的游離氫氧化鈣在高溫下發(fā)生熱分解，混凝土呈中性。使其保護(hù)鋼筋的作用大幅度降低，從而影響混凝土構(gòu)件的耐久性。

1.5 鋼筋屈服強(qiáng)度降低

普通鋼筋屬于低碳鋼，當(dāng)受火溫度大于200C 時(shí)鋼筋極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等指標(biāo)均開始下降，材料脆性增加。

1.6 防水板、止水帶等材料的軟化及老化

隧道施工縫設(shè)置橡膠止水條，背后滿布防水板（聚乙烯）。隧道在火災(zāi)高溫的影響下，溫度沿混凝土結(jié)構(gòu)和施工縫位置向內(nèi)側(cè)傳遞，會(huì)加速防水材料的老化甚至出現(xiàn)軟化破壞的情況，減弱防水效果，甚至直接防水失效。襯砌混凝土結(jié)構(gòu)作為直接與火災(zāi)高溫接觸的構(gòu)件，其影響要遠(yuǎn)大于埋設(shè)在其中的鋼筋、防水材料，其對(duì)隧道承載能力的影響是主要的，所以把襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的損傷程度及范圍作為隧道發(fā)生火災(zāi)后檢測(cè)評(píng)估的重點(diǎn)。

2 剩余承載能力的檢測(cè)與評(píng)估

根據(jù)混凝土在高溫下發(fā)生變化的機(jī)理及火災(zāi)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響形式分析，可以確定檢測(cè)的項(xiàng)目及內(nèi)容。

2.1 檢測(cè)內(nèi)容及方法

2.1.1 火作用調(diào)查

火作用調(diào)查的目的是掌握火災(zāi)的發(fā)生過程，了解火災(zāi)的燃燒物及作用時(shí)間，對(duì)隧道表觀的損傷做初步調(diào)查。

2.1.2 表觀灼燒調(diào)查

通過調(diào)查掌握火災(zāi)的影響范圍及表觀特征，為推測(cè)表觀溫度提供依據(jù)。主要采用人工抵近檢查的方式，配備必要的工具，如卷尺、全站儀等。調(diào)查的要點(diǎn)包含混凝土表觀顏色、混凝土是否開裂剝落、附屬結(jié)構(gòu)物的破損情況、錘擊混凝土聲音等。

2.1.3 中性化檢查

根據(jù)混凝土受火災(zāi)影響后變化機(jī)理可知，溫度升高至500C 左右時(shí)，Ca（OH）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分解成CaO 和HO，導(dǎo)致混凝土中性化，通過中性化檢查，找到火災(zāi)影響下混凝土內(nèi)部發(fā)生中性化的界面深度，利用隧道縱向中性化深度推斷縱向溫度場(chǎng)分布規(guī)律。根據(jù)表觀灼燒調(diào)查結(jié)果，有規(guī)律地布設(shè)檢查孔，用濃度為1%的酚酞酒精溶液噴灑在檢查孔壁中，借助酚酞試劑遇堿變紅色的原理，來檢測(cè)中性化深度。

2.1.4 襯砌強(qiáng)度檢查

受火災(zāi)影響，混凝土襯砌強(qiáng)度會(huì)降低，通過襯砌強(qiáng)度檢測(cè)可以直接對(duì)襯砌強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。因受火影響，混凝土強(qiáng)度已不能采用回彈法檢測(cè)。推薦采用取芯抗壓試驗(yàn)取得混凝土強(qiáng)度值，分為迎火面與背火面進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1.5 襯砌厚度檢查

掌握襯砌的實(shí)際厚度，減去受損混凝土厚度即為未受損襯砌厚度，進(jìn)行剩余承載能力評(píng)估。采用電磁法（地質(zhì)雷達(dá)）對(duì)襯砌厚度進(jìn)行檢查，并結(jié)合取芯驗(yàn)證。

2.1.6 凈空斷面檢查

通過測(cè)量，掌握混凝土表層脫落深度及凈空斷面尺寸，為后期加固提供依據(jù)。采用全站儀或激光斷面儀（極坐標(biāo)法）對(duì)襯砌凈空斷面進(jìn)行檢查。

2.2 評(píng)估方法

2.2.1 推斷混凝土表面曾經(jīng)達(dá)到的最高溫度

（1）根據(jù)混凝土構(gòu)件表面特征與溫度的關(guān)系推斷。

（2）根據(jù)火場(chǎng)殘留物、燒損狀況推斷（如金屬材料、有機(jī)材料的熔化變形燃燒的溫度）。

以上兩種方法的具體執(zhí)行可參考現(xiàn)行《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（T/CECS 252—2019）。

2.2.2 計(jì)算理論損傷深度

（1）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量升溫時(shí)間

隧道內(nèi)火災(zāi)燃燒一般具有明確的燃燒物，且通風(fēng)條件好，不易發(fā)生轟燃，可以根據(jù)相應(yīng)公式（1）計(jì)算當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間（采用國際標(biāo)準(zhǔn)ISO834-1 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)達(dá)到火災(zāi)作用最高溫度時(shí)對(duì)應(yīng)的升溫時(shí)間）。

式（1）中：t——當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間；

T——構(gòu)件表面曾達(dá)到的最高溫度（C）。

（2）推測(cè)理論損傷深度

根據(jù)單面受火混凝土構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的溫度場(chǎng)曲線，得到襯砌厚度方向的溫度分布。可以把水變?yōu)樗魵饧?00C 對(duì)應(yīng)的襯砌厚度作為高溫下混凝土的損傷深度。

2.2.3 建立隧道火災(zāi)損傷坐標(biāo)系

（1）以隧道長度方向?yàn)闄M坐標(biāo)，以襯砌厚度方向的損傷情況為縱坐標(biāo)，將表觀灼燒情況及剝落深度、中性化深度、理論損傷深度、實(shí)測(cè)襯砌厚度展布在此坐標(biāo)系中。

（2）假定不同位置溫度場(chǎng)分布規(guī)律一致，即可按照中性化深度縱向分布規(guī)律推測(cè)全段理論損傷厚度，此方法偏于安全。

2.2.4 剩余承載能力計(jì)算評(píng)估

分析評(píng)估的主要依據(jù)是原設(shè)計(jì)，可把原設(shè)計(jì)襯砌厚度及強(qiáng)度作為保證隧道承載能力的最低限度，則未損傷襯砌厚度將存在以下幾種情況：

（1）未損傷襯砌厚度≥設(shè)計(jì)襯砌厚度

剩余承載能力滿足原設(shè)計(jì)要求，僅采取提高耐久性的措施或局部處理即可。

（2）未損傷襯砌厚度＜設(shè)計(jì)襯砌厚度

計(jì)算剩余承載能力，根據(jù)計(jì)算結(jié)果采取提高安全性的加固補(bǔ)強(qiáng)措施。

3 工程案例應(yīng)用

3.1 工程概況

本文引用一火災(zāi)隧道案例驗(yàn)證前文提供的火災(zāi)發(fā)生后隧道安全性評(píng)估方法。經(jīng)了解，起火貨車所裝載的物品為木門、線纜（外包皮應(yīng)為PVC 材料）及生活用品，隧道內(nèi)燃燒時(shí)間約6h。

3.2 檢測(cè)分析過程

3.2.1 表觀灼燒調(diào)查

（1）受火直接灼燒致襯砌混凝土表面剝落，位于左拱腰及拱頂部，面積約為4m×4m（縱向×環(huán)向），經(jīng)凈空斷面檢測(cè)可知?jiǎng)兟渥钌钐帪?cm?；炷帘砻骖伾珵橥咙S色或淡黃色，錘擊聲音沉悶。

（2）受火灼燒或熏烤致混凝土表面出現(xiàn)魚鱗狀裂紋或網(wǎng)狀紋，位于左拱腰及拱頂部。靠近混凝土表面剝落位置處混凝土表面顏色為土黃色或淡黃色，遠(yuǎn)離處為灰色。

（3）隧道左拱腰處照明用的LED 燈受火災(zāi)的影響，熔化或燒毀。

（4）隧道左線左車道貨車燃燒處，路面瀝青混凝土因火災(zāi)產(chǎn)生坑槽。

（5）本次受火災(zāi)高溫影響的區(qū)段為70m 左右，建立坐標(biāo)系，展布其病害特征。

3.2.2 理論損傷深度

（1）推測(cè)表觀溫度。根據(jù)混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系初步判斷混凝土表面局部受火溫度為800C 左右。

（2）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量升溫時(shí)間。根據(jù)公式（1）計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量升溫時(shí)間為50.5min。

（3）推測(cè)理論損傷深度。根據(jù)單面受火混凝土構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的溫度場(chǎng)曲線，得到100C 對(duì)應(yīng)的受火面距離為75mm，混凝土表層剝落30mm，即損傷深度為105mm。

3.2.3 中性化深度檢測(cè)

在拱部選取10 處位置進(jìn)行中性化深度檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果分別為13.6mm、10.4mm、14mm、11mm、38mm、45mm、11mm、8mm、11mm、9mm。

3.2.4 襯砌強(qiáng)度檢測(cè)

（1）表面強(qiáng)度檢測(cè)

回彈法對(duì)混凝土表面強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果依次為：42.1MPa、 40MPa、 36MPa、 35.7MPa、 27.6MPa、8.3MPa、40.3MPa、38.3MPa、37.5MPa、43.4MPa。（此處回彈法測(cè)得強(qiáng)度僅供參考）。從檢測(cè)結(jié)果可以看出受火災(zāi)高溫影響，襯砌表面強(qiáng)度嚴(yán)重降低。

（2）內(nèi)部強(qiáng)度檢測(cè)

鉆孔取芯，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，分別對(duì)臨火側(cè)及背火側(cè)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。從檢測(cè)結(jié)果可以看出直接受火焰灼燒的位置，襯砌內(nèi)部強(qiáng)度降低明顯，受混凝土不均勻性的影響，其余部位無明顯規(guī)律。

3.2.5 襯砌厚度檢測(cè)

在拱部布置3 條測(cè)線，對(duì)襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)，每10m 統(tǒng)計(jì)一處實(shí)測(cè)厚度代表值，如表1 所示。

表1 襯砌厚度統(tǒng)計(jì)表

實(shí)測(cè)厚度/cm里程樁號(hào)設(shè)計(jì)厚度/cm K0+60 K0+70 K0+80 K0+90 K0+100 K0+110 K0+120 K0+130 60 60 45 45 45 45 45 45左拱腰60 61 49 52 52 57 55 45拱頂61 63 46 47 39 44 47 39右拱腰60 50 45 52 61 55 56 44最小值60 50 45 47 39 44 47 39

3.3 剩余承載能力計(jì)算評(píng)估

3.3.1 計(jì)算未損傷厚度

假定不同位置溫度場(chǎng)分布規(guī)律一致，即可通過中性化深度與表面溫度最高點(diǎn)計(jì)算損傷層厚度，推測(cè)全段理論損傷厚度，此方法偏于安全。

3.3.2 分析評(píng)估

從隧道火災(zāi)損傷坐標(biāo)系中可以直觀看到計(jì)算未損傷層厚度與設(shè)計(jì)厚度的關(guān)系，需結(jié)合實(shí)測(cè)強(qiáng)度對(duì)每一模板混凝土單獨(dú)計(jì)算分析。此處僅展示受火災(zāi)影響最嚴(yán)重處計(jì)算過程：襯砌厚度采用損傷層厚度為34.5cm，襯砌強(qiáng)度為40MPa，采用通用有限元計(jì)算軟件建立結(jié)構(gòu)模型計(jì)算。計(jì)算的最小安全系數(shù)為1.489，說明剩余承載能力不滿足原設(shè)計(jì)承載能力，應(yīng)采取提高安全性的加固補(bǔ)強(qiáng)措施。

4 結(jié)語

本文針對(duì)火災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)的安全性問題，提出了基于剩余承載能力的檢測(cè)評(píng)估方法，解決了運(yùn)營公路隧道發(fā)生火災(zāi)后快速對(duì)結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評(píng)估的問題。提出的襯砌結(jié)構(gòu)損傷層厚度的檢測(cè)方法簡(jiǎn)便易實(shí)施，使隧道管養(yǎng)技術(shù)人員在隧道火災(zāi)發(fā)生后第一時(shí)間掌握災(zāi)損嚴(yán)重程度成為可能。

在推定損傷層厚度的時(shí)，采用“不同位置溫度場(chǎng)分布規(guī)律一致”的假定，使計(jì)算損傷層厚度偏大，造成計(jì)算剩余承載能力偏小，需采取強(qiáng)有力的措施才能保證隧道結(jié)構(gòu)安全性，是偏于保守的，在后續(xù)工作中，應(yīng)加強(qiáng)損傷層厚度的檢測(cè)方法研究，分析不同位置溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。