徐洪彬、陶雙江、李鵬

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

0 引言

截至2021年底，根據(jù)2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報可知，我國運營公路隧道已超過23268 萬座，總長超過2.479 萬km，是名副其實的“隧道大國”。然而，隨著我國運營公路隧道的數(shù)量越來越龐大，運營安全問題也越來越突出。近年來，運營隧道內(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)對火災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)破壞特征及溫度場變化規(guī)律研究較多，如閆治國等對隧道襯砌結(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，并提出采取措施提高襯砌的耐火性能；王明年等對公路隧道火災(zāi)溫度場的分布規(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，溫度場的變化規(guī)律，對防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計具有現(xiàn)實意義；苗春等對火災(zāi)混凝土損失特點，現(xiàn)有檢測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。但是，對隧道發(fā)生火災(zāi)后快速安全性評估方面的研究較少，還未形成相應(yīng)的評估體系。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，易增加處治成本，造成損失。本文提出了一套快速檢測火災(zāi)損傷深度的方法，并對如何計算剩余承載能力進(jìn)行了說明，提出的火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全評估方法具備可行性，對其他類似工程具有借鑒意義。

1 火災(zāi)高溫對隧道結(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產(chǎn)生爆裂、剝落、裂縫和鋼筋裸露等現(xiàn)象。隧道火災(zāi)會對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)后檢測評估的重點。

2 剩余承載能力的檢測與評估

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

2.1 檢測內(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)的燃燒物及作用時間，對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，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)度會降低，通過襯砌強(qiáng)度檢測可以直接對襯砌強(qiáng)度進(jìn)行評估。因受火影響，混凝土強(qiáng)度已不能采用回彈法檢測。推薦采用取芯抗壓試驗取得混凝土強(qiáng)度值，分為迎火面與背火面進(jìn)行試驗。

2.1.5 襯砌厚度檢查

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

2.1.6 凈空斷面檢查

通過測量，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）對襯砌凈空斷面進(jìn)行檢查。

2.2 評估方法

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 計算理論損傷深度

（1）計算標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量升溫時間

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）計算當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時間（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)試驗達(dá)到火災(zāi)作用最高溫度時對應(yīng)的升溫時間）。

式（1）中：t——當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)升溫時間；

T——構(gòu)件表面曾達(dá)到的最高溫度（C）。

（2）推測理論損傷深度

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曲線，得到襯砌厚度方向的溫度分布?？梢园阉?yōu)樗魵饧?00C 對應(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）以隧道長度方向為橫坐標(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、實測襯砌厚度展布在此坐標(biāo)系中。

（2）假定不同位置溫度場分布規(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 剩余承載能力計算評估

分析評估的主要依據(jù)是原設(shè)計，可把原設(shè)計襯砌厚度及強(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)計襯砌厚度

剩余承載能力滿足原設(shè)計要求，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)計襯砌厚度

計算剩余承載能力，根據(jù)計算結(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)隧道案例驗證前文提供的火災(zāi)發(fā)生后隧道安全性評估方法。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)燃燒時間約6h。

3.2 檢測分析過程

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)凈空斷面檢測可知剝落最深處為3cm?；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?？拷炷帘砻鎰兟湮恢锰幓炷帘砻骖伾珵橥咙S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）計算標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量升溫時間。根據(jù)公式（1）計算得到標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量升溫時間為50.5min。

（3）推測理論損傷深度。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曲線，得到100C 對應(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

在拱部選取10 處位置進(jìn)行中性化深度檢測，測量結(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

（1）表面強(qiáng)度檢測

回彈法對混凝土表面強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果依次為：42.1MPa、 40MPa、 36MPa、 35.7MPa、 27.6MPa、8.3MPa、40.3MPa、38.3MPa、37.5MPa、43.4MPa。（此處回彈法測得強(qiáng)度僅供參考）。從檢測結(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

鉆孔取芯，進(jìn)行抗壓試驗，分別對臨火側(cè)及背火側(cè)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行試驗。從檢測結(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

在拱部布置3 條測線，對襯砌厚度進(jìn)行檢測，每10m 統(tǒng)計一處實測厚度代表值，如表1 所示。

表1 襯砌厚度統(tǒng)計表

實測厚度/cm里程樁號設(shè)計厚度/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 剩余承載能力計算評估

3.3.1 計算未損傷厚度

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

3.3.2 分析評估

從隧道火災(zāi)損傷坐標(biāo)系中可以直觀看到計算未損傷層厚度與設(shè)計厚度的關(guān)系，需結(jié)合實測強(qiáng)度對每一模板混凝土單獨計算分析。此處僅展示受火災(zāi)影響最嚴(yán)重處計算過程：襯砌厚度采用損傷層厚度為34.5cm，襯砌強(qiáng)度為40MPa，采用通用有限元計算軟件建立結(jié)構(gòu)模型計算。計算的最小安全系數(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評估方法，解決了運營公路隧道發(fā)生火災(zāi)后快速對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行評估的問題。提出的襯砌結(jié)構(gòu)損傷層厚度的檢測方法簡便易實施，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，采用“不同位置溫度場分布規(guī)律一致”的假定，使計算損傷層厚度偏大，造成計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)損傷層厚度的檢測方法研究，分析不同位置溫度場的分布規(guī)律。