劉 俊

(中交第二公路勘察設(shè)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(fēng)條件差、受火溫度高，一旦發(fā)生火災(zāi)不能及時撲滅時，高溫會導(dǎo)致隧道襯砌混凝土的爆裂和力學(xué)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(zāi)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(xué)性能的劣化規(guī)律；韓泰然[3]通過火災(zāi)下的襯砌結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力模擬計算，總結(jié)火災(zāi)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(zāi)隧道進(jìn)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(guān)研究多集中在隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)模擬計算及安全性評估的理論和初步應(yīng)用方面，對于火災(zāi)后現(xiàn)場襯砌結(jié)構(gòu)的檢測和安全評估應(yīng)用研究甚少。本文依托因貨車起火燃燒的某運(yùn)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(zāi)襯砌的影響進(jìn)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(zāi)高溫作用下的物理力學(xué)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(dǎo)致隧道局部坍塌的嚴(yán)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(dá)檢測、襯砌混凝土強(qiáng)度檢測等其他特殊檢測結(jié)果進(jìn)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(xì)調(diào)查和風(fēng)險識別評價。評價流程圖見圖1。

圖1 襯砌表觀調(diào)查及風(fēng)險評價流程

1.1 初步踏勘

由檢測人員進(jìn)入災(zāi)后現(xiàn)場進(jìn)行初步踏勘，摸清起火點(diǎn)位置、火勢蔓延過程等，通過現(xiàn)場觀察、敲擊襯砌并觀察災(zāi)后殘留物，初步判斷火災(zāi)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(xì)調(diào)查范圍，做好下一步襯砌表觀系統(tǒng)調(diào)查的準(zhǔn)備工作。

1.2 襯砌表觀詳細(xì)調(diào)查

隧道火災(zāi)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(shù)(3DZI)進(jìn)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(jìn)行全覆蓋和高密度的拍照工作后對現(xiàn)場照片集進(jìn)行三維重建，以獲得災(zāi)后現(xiàn)場的三維實景模型。根據(jù)隧道設(shè)計參數(shù)建立設(shè)計輪廓模型，對三維重建模型與設(shè)計輪廓進(jìn)行匹配和核準(zhǔn)，并利用設(shè)計輪廓模型對現(xiàn)場照片進(jìn)行矯正拼接，獲得隧道襯砌火災(zāi)后的全景展開圖。

結(jié)合初步踏勘資料和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對襯砌全景展開圖進(jìn)行詳細(xì)解釋與標(biāo)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(jìn)行火損區(qū)段劃分。

1.3 風(fēng)險識別與評估

火災(zāi)后隧道襯砌的火損風(fēng)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(jìn)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(qiáng)度及碳化深度、襯砌混凝土鉆芯及抗壓強(qiáng)度等。

襯砌火損風(fēng)險識別與評估時通過總結(jié)類似火災(zāi)事故得到的風(fēng)險類型，結(jié)合襯砌表觀系統(tǒng)詳細(xì)調(diào)查得到的隧道火損區(qū)段對可能發(fā)生的風(fēng)險進(jìn)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(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險評估。

2 襯砌火損調(diào)查與評估應(yīng)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(fēng)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(zāi)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?zé)煔饴雍笠嫉钠鸹疖囕v多達(dá)30輛，本次火災(zāi)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(yán)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(dá)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(yán)重段踏勘情況

2.3 襯砌表觀詳細(xì)調(diào)查結(jié)果

運(yùn)用航拍建模技術(shù)采集隧道過火段現(xiàn)場地形信息及詳細(xì)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(zāi)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(jìn)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(biāo)尺后即可據(jù)此進(jìn)行隧道襯砌的表觀詳細(xì)調(diào)查。

參照T/CECS 252-2019 《火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)》對襯砌表觀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查以確定隧道混凝土的火災(zāi)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(yán)重?fù)p傷(III)，并據(jù)此對過火段襯砌進(jìn)行損傷區(qū)域劃分，損傷區(qū)域劃分標(biāo)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(biāo)繪示例圖

由圖5可知，嚴(yán)重?fù)p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(zāi)車輛影像資料對比可知，嚴(yán)重?fù)p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(yán)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(yán)重?fù)p傷區(qū)域中間及過火段端口處，距離火源位置較遠(yuǎn)。輕度損傷區(qū)多為火災(zāi)邊緣段落及邊墻部位，未觸及火災(zāi)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(biāo)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(jìn)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(yán)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(yán)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(jìn)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(yīng)的樁號位置，以及拱腰及拱頂?shù)臑?zāi)后破損的具體部位。通過實測斷面與竣工斷面比較分析的結(jié)果表明火災(zāi)后的隧道凈空滿足原竣工設(shè)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(dá)檢測方法對典型過火段的隧道襯砌厚度及缺陷進(jìn)行逐條測線的詳細(xì)檢測，以掌握重點(diǎn)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(dá)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(zāi)的直接聯(lián)系尚需討論，雷達(dá)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(dá)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(dǎo)致表面混凝土剝落，進(jìn)而使得內(nèi)部混凝土產(chǎn)生進(jìn)一步剝落[7]。同時高溫?zé)煔鈧鬟f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(qiáng)度是需要特別關(guān)注的材料實際性能的指標(biāo)，選取靠近嚴(yán)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(qiáng)度檢測法對襯砌混凝土的材料劣化程度進(jìn)行檢測[8]。

回彈和碳化檢測結(jié)果顯示襯砌回彈強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計要求，碳化深度較深且均大于5 mm。鉆孔取芯點(diǎn)選在受火損傷最嚴(yán)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(zāi)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(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)作用，受火后襯砌抗壓強(qiáng)度仍滿足設(shè)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(fēng)險識別與評估

風(fēng)險識別與評估時需要對一些典型隧道火災(zāi)案例進(jìn)行調(diào)研，歸納出隧道火災(zāi)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(fēng)機(jī)掉落等，然后參考隧道應(yīng)急特殊檢測的結(jié)果對過火段襯砌進(jìn)行風(fēng)險識別與評估[9]，也為進(jìn)一步處治提供依據(jù)。

R=P×C定級法綜合考慮風(fēng)險因素發(fā)生概率和風(fēng)險后果。其中：R為風(fēng)險；P為風(fēng)險因素發(fā)生的概率；C為風(fēng)險因素發(fā)生時可能產(chǎn)生的后果。P×C為風(fēng)險因素發(fā)生概率和風(fēng)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(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險評估，部分評估結(jié)果見表1。

表1 隧道火災(zāi)風(fēng)險評估示例表

通過評估得到隧道過火段嚴(yán)重灼燒區(qū)域局部坍塌、結(jié)構(gòu)掉塊、結(jié)構(gòu)裂損、風(fēng)機(jī)掉落風(fēng)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(yīng)加固措施，將風(fēng)險降至中度以下可接受范圍。全段結(jié)構(gòu)掉塊、風(fēng)機(jī)掉落風(fēng)險尤為突出且風(fēng)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(zāi)后安全的重要因素，應(yīng)對其予以重點(diǎn)關(guān)注。

3 結(jié)語

本文通過隧道火災(zāi)對襯砌的影響分析和安全性評價的具體應(yīng)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(yán)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(zāi)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(qiáng)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(zāi)影響較小，襯砌背后圍巖穩(wěn)定。

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