福建某高速隧道火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)損傷檢測及處置方案設(shè)計(jì)

■胡德雄

（莆田市高速公路建設(shè)有限公司，莆田 351106）

近年來， 我國高速公路建設(shè)發(fā)展速度不斷加快，與之配套的隧道建設(shè)也不斷進(jìn)行，由于交通量的急劇增加，運(yùn)營過程中產(chǎn)生的隧道病害也屢見不鮮，各類因素導(dǎo)致的隧道火災(zāi)損傷也時有發(fā)生。 由于隧道的固有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特別是特長隧道具有環(huán)境密閉特征，在火情發(fā)生時，受急劇升高的溫度影響，隧道襯砌混凝土受熱脫水，混凝土性能在短時間內(nèi)會迅速劣化，造成碳化、剝落及開裂等病害，嚴(yán)重威脅通行車輛及行人安全。 而火損后隧道的修復(fù)往往需要中斷交通，影響高速公路的順暢通行。 因此，如何在災(zāi)后快速進(jìn)行損傷檢測及評定，并依據(jù)檢測結(jié)果提出行之有效的加固措施，最大程度縮短修復(fù)加固工期，盡快恢復(fù)交通通行顯得尤為重要。 基于此，本文以福建省某高速隧道火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)損傷為實(shí)例，探討了隧道襯砌火燒損傷評定依據(jù)與程度分級，并根據(jù)受損程度提出相應(yīng)的處置加固措施，以期為類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

1.1 原設(shè)計(jì)概況

該隧道為雙向隧道，全長約3 km，隧道內(nèi)最大及最小縱坡分別為：±3%，±0.3%。 洞門進(jìn)口和出口均為端墻式，凈高為5.0 m，凈寬為10.25 m。 隧道由曲線及直線構(gòu)成，通車時間為2017 年。

該區(qū)屬構(gòu)造為侵蝕剝蝕低山地貌，隧道軸線總體呈南北走向，地形差異較大。 隧道最大埋深約為220 m，上覆蓋層較薄且植被較為發(fā)育。 深部圍巖主要為微風(fēng)化云母石英片巖，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。

1.2 火災(zāi)情況

事故造成的火燒區(qū)域位于距隧道洞口500 m附近，火燒區(qū)為Ⅲ級和Ⅳ級圍巖；二襯類型分別為Z3 型及Z4 型復(fù)合襯砌， 如表1 所示。 隧道襯砌構(gòu)造如圖1 所示，隧道限界如圖2 所示。

圖1 復(fù)合式襯砌構(gòu)造

圖2 隧道單洞建筑限界

表1 隧道火燒區(qū)域襯砌類型

2 隧道受損檢定

2.1 隧道受損檢測結(jié)果

由檢測報告及現(xiàn)場調(diào)查可知，該隧道結(jié)構(gòu)物火損主要為二襯砌混凝土大范圍熏黑、并產(chǎn)生襯砌開裂、網(wǎng)裂以及襯砌剝落掉塊，且瀝青混凝土路面被燒損等；各類病害情況如圖3 所示。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)物火損病害情況

具體情況如下：（1）混凝土剝落掉塊8 處，總面積為864 m2，剝落最深為30 cm；龜裂1 處，總面積為560 m2；網(wǎng)狀裂縫7 處，總面積為1774 m2；環(huán)向裂縫共16 條，總長為57.1 m；斜向裂縫共3 條，總長為6 m；縱向裂縫共10 條，總長為57.5 m；止水帶外露1 處，面積為0.02 m2；表層起層剝落7 處，總面積為1.29 m2；檢修道邊溝破損1 處，長45 m；瀝青路面破損1 處，面積為225 m2；輪廓標(biāo)等交通標(biāo)志燒損1 處，長305 m；消防栓燒毀6 個。（2）經(jīng)現(xiàn)場檢查， 起火點(diǎn)約48 m 范圍處于火災(zāi)溫度場中心區(qū)域，起火點(diǎn)火場溫度約為1 053°C。（3）采用超聲波法對混凝土深層缺陷進(jìn)行檢測。 在起火點(diǎn)前后50 m 范圍內(nèi)，對隧道拱頂、邊墻進(jìn)行聲速值測定。 檢測結(jié)果表明，100 m 段落內(nèi)，襯砌混凝土剝落最深達(dá)30 cm。

2.2 隧道火災(zāi)損傷程度評定

依據(jù)隧道受損程度將襯砌受損表面分為構(gòu)件破壞區(qū)、構(gòu)件損傷區(qū)、構(gòu)件表層性能劣化區(qū)、構(gòu)件表面性能劣化區(qū)4 個區(qū)域[1-2]，如圖4 所示。

圖4 隧道結(jié)構(gòu)物火災(zāi)損傷區(qū)分

2.2.1 構(gòu)件表面性能劣化區(qū)

該區(qū)域受火災(zāi)影響最小，主要體現(xiàn)為二襯混凝土面層以及照明燈飾受煙霧熏黑，表層混凝土未因火災(zāi)產(chǎn)生剝落與網(wǎng)裂病害，且顏色與之前無異，采用錘子擊打聲音脆亮。

2.2.2 構(gòu)件表層性能劣化區(qū)

該區(qū)域受火災(zāi)影響較小，主要體現(xiàn)為混凝土表面及照明燈飾被煙霧熏黑，混凝土表層因高溫發(fā)生少量開裂，且用硬毛刷清除表面煙灰后，混凝土呈灰白色，顏色仍正常，用錘子敲擊聲音仍響亮。

2.2.3 構(gòu)件損傷區(qū)

該區(qū)域受火災(zāi)影響大，總體表現(xiàn)為大面積混凝土和照明燈具被煙霧嚴(yán)重熏黑，且部分燈具受高溫影響融化。 二襯混凝土面層出現(xiàn)較大面積網(wǎng)裂、部分區(qū)域混凝土剝落掉塊，刷除表面松散附著物后，可見混凝土顏色偏白。

2.2.4 構(gòu)件破壞區(qū)

該區(qū)域火災(zāi)影響嚴(yán)重，主要體現(xiàn)為二襯嚴(yán)重?zé)齻淼栏綄僭O(shè)施均被燒毀。 二襯混凝土大面積剝落、龜裂、拱頂縱向裂縫；部分龜裂錘擊后混凝土松散掉落；混凝土表面熏黑，用硬毛刷刷除后，混凝土顏色發(fā)白；路面出現(xiàn)破損（燒損）。

采用回彈法對隧道襯砌混凝土進(jìn)行強(qiáng)度檢測[4]，燒傷區(qū)共檢測出18 個測區(qū)（表2）。 18 個測區(qū)內(nèi)二襯混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C25，由檢測結(jié)果可知，構(gòu)件表面劣化區(qū)及構(gòu)件表層裂化區(qū)襯砌混凝土強(qiáng)度基本滿足原設(shè)計(jì)要求，而構(gòu)件損傷區(qū)及構(gòu)件破壞區(qū)在火燒損害后混凝土強(qiáng)度均有所折損，特別是構(gòu)件破壞區(qū)的混凝土強(qiáng)度大幅下降，不滿足原設(shè)計(jì)要求。 部分混凝土強(qiáng)度回彈法檢測結(jié)果如表3 所示。

表2 隧道襯砌混凝土損傷分區(qū)及數(shù)量分布

表3 回彈法檢測混凝土強(qiáng)度結(jié)果

3 針對性加固方案

3.1 加固處置原則

加固處置原則如下：（1）隧道受損段落圍巖等級主要為Ⅲ級和Ⅳ級，二襯受火災(zāi)高溫影響較大，但圍巖并未受損，仍具有較好整體性；且二襯厚度基本滿足原設(shè)計(jì)要求，故在不擾動圍巖穩(wěn)定性的前提下對襯砌進(jìn)行相應(yīng)處置措施，以保證襯砌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 （2）需依據(jù)檢測報告的襯砌受損分區(qū)結(jié)果，有針對性地提出處置措施[5]。

3.2 有限元分析計(jì)算

構(gòu)件表面性能劣化區(qū)及構(gòu)件表層性能劣化區(qū)損傷處于襯砌表面，混凝土強(qiáng)度基本滿足隧道原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全要求。 而構(gòu)件損傷區(qū)混凝土強(qiáng)度最小值為19.7 MPa，構(gòu)件破壞區(qū)混凝土強(qiáng)度最小值為11.0 MPa，不滿足原設(shè)計(jì)要求。

3.2.1 計(jì)算工況

采用Midas GTS NX 有限元計(jì)算軟件， 按隧道原設(shè)計(jì)參數(shù)及檢測實(shí)際參數(shù)建立二維荷載—結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型[3]，對以下2 個工況進(jìn)行分析計(jì)算。 工況一：原設(shè)計(jì)工況。 取Z4 型復(fù)合襯砌，隧道圍巖等級為Ⅳ級， 二襯厚度35 cm， 混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C25，荷載組合系數(shù)取1.0（綜合安全系數(shù)法），二襯按承擔(dān)70%荷載取值。工況二：火損后檢測工況。依據(jù)檢測報告AK85+410～422 段落襯砌混凝土拱腰處剝落最深達(dá)20 cm，混凝土強(qiáng)度推定值為11 MPa，故火損后該斷面二襯計(jì)算厚度應(yīng)取15 cm，其余部位按實(shí)測厚度取值，混凝土強(qiáng)度取C10，隧道圍巖級別為Ⅳ級，荷載組合系數(shù)取1.0（綜合安全系數(shù)法），二襯按承擔(dān)70%荷載取值。

3.2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)如表4 所示。

表4 有限元模型計(jì)算參數(shù)

3.2.3 計(jì)算結(jié)果

二次襯砌的軸力圖和彎矩圖， 如圖5～8 所示。根據(jù)JTG 3370.1-2018 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》 的規(guī)定，計(jì)算各個截面的安全系數(shù)（表5）。 計(jì)算結(jié)果表明，因火損造成的混凝土強(qiáng)度不足，以及二襯剝落變薄，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承載力大幅降低，拱頂、左拱腰及左邊墻襯砌安全系數(shù)不滿足要求，需采取加固措施，以保證結(jié)構(gòu)安全。

圖5 工況一的二襯軸力圖

圖6 工況一的二襯彎矩圖

圖7 工況二的二襯軸力圖

圖8 工況二的二襯彎矩圖

表5 二襯內(nèi)力值及其安全系數(shù)

3.3 加固處置方案

根據(jù)檢測報告劃分的襯砌結(jié)構(gòu)損失程度和判定的損傷層厚度，采取分段治理方案。 （1）構(gòu)件表面性能劣化區(qū)采用高壓水槍清刷二襯表面煙熏部分，對局部存在的外觀缺陷進(jìn)行修復(fù)。 （2）構(gòu)件表層性能劣化區(qū)采用高壓水槍清刷二襯表面煙熏部分，對局部存在的裂縫缺陷進(jìn)行封閉修復(fù)。 （3）構(gòu)件損傷區(qū)采用鑿除松散混凝土至新鮮混凝土界面，經(jīng)打磨平整后再用粘鋼處理。 （4）構(gòu)件破壞區(qū)，設(shè)計(jì)認(rèn)為該區(qū)域襯砌混凝土在高溫作用下基本已經(jīng)失效，為確保結(jié)構(gòu)安全本次采用的治理方案為原位襯砌拆換，路面層洗刨重鋪。

3.4 裂縫處置原則

根據(jù)檢測報告，本次襯砌存在多處上述以外的其他形態(tài)裂縫，因構(gòu)件破壞區(qū)采用拆換設(shè)計(jì)，本次裂縫處置段落為構(gòu)件損傷區(qū)、構(gòu)件表層性能劣化區(qū)及構(gòu)件表面性能劣化區(qū)。 本次設(shè)計(jì)常規(guī)其他裂縫外觀修復(fù)設(shè)計(jì)如下：（1）隧道裂縫裂縫寬度（W≤0.2 mm）修復(fù)設(shè)計(jì)采用表面環(huán)氧膠泥封閉法處理。（2）隧道裂縫寬度（0.2 mm＜W＜0.5 mm）為常規(guī)裂縫，修復(fù)設(shè)計(jì)采用畢可法（恒壓灌漿法）處理后再采用表層涂抹密封膠進(jìn)行處理。 （3）隧道超限寬裂縫寬度（W≥0.5mm）修復(fù)設(shè)計(jì)采用騎縫注漿法進(jìn)行處理。

4 結(jié)論與建議

本文依托福建某高速公路隧道火災(zāi)損傷為工程實(shí)例，在現(xiàn)場檢測的基礎(chǔ)上，根據(jù)損傷程度提出了相應(yīng)的加固處置方案，得出以下結(jié)論：（1）通過受損隧道襯砌表面檢查、回彈法測試襯砌強(qiáng)度情況、鉆孔取芯檢測襯砌碳化深度并測定抗壓強(qiáng)度、采用地質(zhì)雷達(dá)探測二襯厚度等措施，能對隧道受損程度進(jìn)行較為全面的評定，并可依據(jù)受損評定結(jié)果提出相應(yīng)的加固措施；（2）根據(jù)火損程度不同，將損傷段落進(jìn)行分段后，對應(yīng)采取修復(fù)加固措施，在經(jīng)濟(jì)性及適用性等方面能取得更好的加固效果。