劉 俊，黃漢義

(中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢 430050)

隧道火災(zāi)事故時有發(fā)生，襯砌過火后出現(xiàn)的混凝土開裂、剝離掉塊等狀況會危及隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全與行車安全?；饟p后襯砌安全性評價應(yīng)包含實地調(diào)研、應(yīng)急檢測與監(jiān)測、實測數(shù)據(jù)分析與評價，結(jié)合理論與數(shù)值模擬分析等方式，多手段、多角度地對隧道火災(zāi)影響和整治方案進(jìn)行分析，并對整治后的效果進(jìn)行評價。

對檢測或監(jiān)測的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行反向分析可確定圍巖初始地應(yīng)力和巖體的力學(xué)特性參數(shù)[1]。通常隧道二次襯砌僅作為安全儲備結(jié)構(gòu)，不承受荷載或僅承受小部分荷載[2]，但火損后襯砌的安全儲備作用存在不同程度的削弱。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和圍巖力學(xué)參數(shù)[3]，再結(jié)合隧道設(shè)計參數(shù)等，即可通過數(shù)值分析方法對襯砌安全性做出合理評價。通過大量監(jiān)控量測數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，圍巖穩(wěn)定性引起的安全事故主要發(fā)生在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖的隧道中，且位移變化是圍巖穩(wěn)定狀態(tài)最直觀的外在反映[4]。因此進(jìn)行火損隧道襯砌安全性驗算時，應(yīng)重視相關(guān)圍巖級別下的襯砌位移變化。

本研究中某火損隧道的襯砌安全性分析與評價是在監(jiān)控量測以及對病害段的勘探與測試的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行的，可判斷火災(zāi)損傷及整治后襯砌性能是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)[5]。

1 工程概況

某上下行全長約7 km的分離式雙洞山區(qū)隧道的右線洞內(nèi)發(fā)生一起因半掛貨車起火燃燒并引燃前后近30臺車輛的火災(zāi)事故，火災(zāi)時長約3 h，根據(jù)過火襯砌損傷程度分析，最高燃燒溫度約1 000 ℃。過火段長約700 m，火災(zāi)影響段長約0.6 km且主要穿越Ⅳ級圍巖至Ⅴ級圍巖，復(fù)合式襯砌的初期支護(hù)為錨網(wǎng)噴混凝土和砂漿錨桿，二次襯砌為模筑混凝土?；馂?zāi)影響段支護(hù)結(jié)構(gòu)類型參數(shù)如表1所示，火災(zāi)影響段原設(shè)計襯砌支護(hù)類型如圖1所示。

表1 火災(zāi)影響段支護(hù)結(jié)構(gòu)類型參數(shù)

(a)Ⅳ級圍巖的S4a襯砌類型

2 襯砌安全性評價依據(jù)

2.1 安全性評價對象和評價內(nèi)容

所研究的安全性評價對象為隧道火災(zāi)影響段的結(jié)構(gòu)安全性，即在災(zāi)害發(fā)生后對病害段進(jìn)行勘探、應(yīng)急檢測和監(jiān)控量測的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)規(guī)范[6]，通過工程類比、理論和數(shù)值分析等手段，考慮不同工況并進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價。

項目中襯砌結(jié)構(gòu)評價對象主要包含：①火災(zāi)前的Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖和緊急停車帶；②火災(zāi)后拱圈不同剝離深度(10 cm、15 cm、20 cm和30 cm)條件下的Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖和緊急停車帶，附帶存在明顯缺陷的襯砌典型斷面；③完成整治施工后的Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖和緊急停車帶。

根據(jù)火災(zāi)后安全性評價結(jié)果，采取針對緊急停車帶和正常段嚴(yán)重?fù)p傷段(大面積剝落深度>15 cm)的整治方案S1，正常段中等損傷段(大面積剝落深度為6～15 cm)的整治方案S2以及正常段輕微損傷段(大面積剝落深度為0～6 cm)的整治方案S3。結(jié)合專家評審意見，考慮到襯砌的模筑混凝土較噴射混凝土的施工工藝更為復(fù)雜，施工進(jìn)度無法保證隧道盡快恢復(fù)運(yùn)營的需求[7]，各方案中均采用噴射鋼纖維混凝土工藝。

2.2 襯砌安全性控制標(biāo)準(zhǔn)

火災(zāi)后隧道襯砌材料性能降低，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，進(jìn)而引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)變形和損傷等風(fēng)險[8]，計算評價時須依據(jù)相關(guān)的安全控制標(biāo)準(zhǔn)。

依據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70—2010)，可通過結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和襯砌安全系數(shù)評價隧道火災(zāi)后襯砌混凝土的結(jié)構(gòu)安全性。當(dāng)隧道按極限狀態(tài)法設(shè)計時，混凝土結(jié)構(gòu)計算中混凝土容許強(qiáng)度的極限值依規(guī)取用；采用安全性系數(shù)進(jìn)行隧道火災(zāi)段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析時，基于既有隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度準(zhǔn)則，強(qiáng)度安全系數(shù)具體控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 強(qiáng)度安全系數(shù)具體控制標(biāo)準(zhǔn)

3 火災(zāi)影響段襯砌結(jié)構(gòu)安全性評價

3.1 建立典型斷面數(shù)值仿真模型

綜合考慮隧道不同支護(hù)類型和應(yīng)急檢測中地質(zhì)雷達(dá)與鉆芯取樣揭示的襯砌厚度結(jié)果，計算出模型的典型斷面選擇：①Ⅴ級圍巖典型斷面，R1+202斷面二襯設(shè)計厚度為30 cm，剝落厚度檢測結(jié)果約為20 cm；②Ⅳ級圍巖典型斷面，R1+050斷面二襯設(shè)計厚度為30 cm，剝落厚度檢測結(jié)果約為10 cm；③緊急停車帶典型斷面，R1+160斷面二襯設(shè)計厚度為40 cm，剝落厚度檢測結(jié)果約為22 cm；④襯砌缺陷段典型斷面，R1+410斷面拱腰部位二襯存在厚度不足，欠厚量近10 cm。隧道過火段(黑實線)典型斷面位置如圖2所示。

圖2 隧道過火段(黑實線)典型斷面位置

依據(jù)上述4個斷面的實際地表狀況，兼顧模型計算效率，繪制出橫向長為140 m、深度取實際深度的真實地表仿真模型。各模型中隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)均與隧道結(jié)構(gòu)實際設(shè)計參數(shù)對應(yīng)。計算模型及其網(wǎng)格劃分如圖3所示。

(a)R1+050斷面模型網(wǎng)格

根據(jù)襯砌損傷情況擬定整治方案，包含緊急停車帶嚴(yán)重?fù)p傷段和正常段嚴(yán)重?fù)p傷段(大面積剝落深度>15 cm)的整治方案S1、正常段中等損傷段(大面積剝落深度6～15 cm)的整治方案S2以及正常段輕微損傷段(大面積剝落深度0～6 cm)的整治方案S3。

S1方案將原有二襯全部鑿除后，布置單層或雙層鋼筋網(wǎng)。環(huán)向采用Φ22鋼筋并用Φ25錨固鋼筋對環(huán)向鋼筋進(jìn)行固定，再對拱部噴射30～40 cm厚的C25混凝土。

S2方案中鑿除受損混凝土后，拱部區(qū)域火損較嚴(yán)重部位設(shè)置輕型鋼軌拱架，鋼架間采用單層鋼筋網(wǎng)加固，再噴射CF25鋼纖維混凝土。

S3方案中鑿除受損混凝土后，采用單層鋼筋網(wǎng)加固，并設(shè)置Φ25錨固鋼筋進(jìn)行固定，再噴射CF25鋼纖維混凝土至原有襯砌表面。

針對Ⅳ級圍巖段、Ⅴ級圍巖段和緊急停車帶3種支護(hù)方式下S1～S3整治方案的治理效果進(jìn)行仿真分析，以確保整治方案對過火段隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的保障效果。主要計算內(nèi)容包含：①整治前后襯砌結(jié)構(gòu)的位移量；②整治前后襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)；③整治后隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力及其安全系數(shù)。

模型中的計算單元均選用實體單元，模型中的圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型、襯砌采用彈性本構(gòu)模型。整治方案中新施作的襯砌結(jié)構(gòu)均以線彈性實體單元進(jìn)行模擬，新施作的結(jié)構(gòu)范圍對應(yīng)襯砌結(jié)構(gòu)剝離范圍。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)參考隧道實際地勘資料，襯砌各項材料參數(shù)根據(jù)工程設(shè)計圖選取。計算模型地層及力學(xué)參數(shù)如表3所示；整治前后結(jié)構(gòu)模型對比如圖4所示。

表3 計算模型地層及力學(xué)參數(shù)

(a)剝離30 cm后的襯砌結(jié)構(gòu)模型

3.2 模型計算工況及結(jié)果分析

根據(jù)隧道實際火災(zāi)情況，以不同支護(hù)類型下剝離深度(未剝離、拱圈剝離10 cm、拱圈剝離15 cm和拱圈剝離20 cm)作為分析因素，共設(shè)置4種支護(hù)類型計算工況，分別為Ⅳ級圍巖支護(hù)、Ⅴ級圍巖支護(hù)、緊急停車帶支護(hù)和局部厚度不足時支護(hù)。

對未經(jīng)火災(zāi)的隧道進(jìn)行襯砌安全性評價的具體模擬步驟為：①施加模型邊界條件、初始地應(yīng)力條件；②進(jìn)行隧道開挖、初支施作模擬及其應(yīng)力場和位移場分析；③隧道二襯結(jié)構(gòu)施作并求解其應(yīng)力場和位移場；④提取模型結(jié)果數(shù)據(jù)，計算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

考慮整治過程的隧道襯砌安全性評價的具體模擬步驟為：步驟①、步驟②和步驟③與原先模擬步驟相同；④模擬火災(zāi)引起的拱部襯砌剝離，并求解其應(yīng)力場和位移場；⑤模擬火災(zāi)后新襯砌結(jié)構(gòu)的施作，求解其應(yīng)力場和位移場，提取模型結(jié)果數(shù)據(jù)，計算襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力。修補(bǔ)前后襯砌結(jié)構(gòu)檢算模型中的強(qiáng)度值，以不同過火段的鉆芯取樣檢測結(jié)果為依據(jù)，綜合考慮不同位置火損程度的差異，結(jié)合《公路隧道設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70—2010)得出安全系數(shù)，最終從變形量、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力和襯砌安全系數(shù)這4個方面進(jìn)行評估[9]。

Ⅳ級圍巖段隧道結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果如表4所示；Ⅳ級圍巖段隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果如表5所示。

表4 Ⅳ級圍巖段隧道結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果

表5 Ⅳ級圍巖段隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果

由隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力可根據(jù)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D70—2010)計算出隧道的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，并判斷結(jié)構(gòu)安全性是否滿足相關(guān)規(guī)范要求。計算結(jié)果表明，未過火隧道襯砌(包含Ⅳ級圍巖支護(hù)、Ⅴ級圍巖支護(hù)和緊急停車帶支護(hù))結(jié)構(gòu)位移量較小，材料應(yīng)力與結(jié)構(gòu)安全系數(shù)符合規(guī)范規(guī)定的限值要求[10]，未過火隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如圖5所示。

(a)Ⅳ級圍巖支護(hù)下

現(xiàn)以Ⅳ級圍巖支護(hù)截面為例，對比未剝離和剝離10 cm、15 cm以及20 cm工況下襯砌位移和應(yīng)力分布，襯砌拱圈豎向位移變化量和主應(yīng)力隨剝離深度的增大而增大，特征斷面位置處襯砌結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果如表6所示，特征斷面位置處襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果如表7所示。隨剝離深度的增大，應(yīng)力極值部位逐漸轉(zhuǎn)移至剝離部位邊界處，部分剝離部位應(yīng)力集中且應(yīng)力增長造成襯砌混凝土材料應(yīng)力安全余量削弱，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大幅降低。若支護(hù)未達(dá)到設(shè)計要求或遭遇特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，會存在壓潰、開裂和失穩(wěn)的風(fēng)險。

表6 特征斷面位置處襯砌結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果

表7 特征斷面位置處襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果

以緊急停車帶和正常段嚴(yán)重?fù)p傷段的S1整治方案所對應(yīng)的斷面為例，對比整治前后各工況最大水平位移與最大豎向位移均有較大程度的改善，最大豎向位移改善最為明顯。襯砌內(nèi)力受到圍巖應(yīng)力重分布影響而趨于合理[11]，各應(yīng)力對比結(jié)果表明整治后隧道襯砌受力良好，結(jié)構(gòu)大主應(yīng)力和結(jié)構(gòu)小主應(yīng)力減小，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)隨之增大。整治后襯砌結(jié)構(gòu)全環(huán)受壓，隧道拱頂壓力值較小，結(jié)構(gòu)受力薄弱部位在邊墻和拱腳，斷面最小結(jié)構(gòu)安全系數(shù)達(dá)到規(guī)范中“抗拉安全系數(shù)大于2.4，抗壓安全系數(shù)大于2.0”的要求，特征斷面位置處的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)如表8所示。

表8 特征斷面位置處的襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)

4 結(jié)論

通過某火損隧道襯砌的典型斷面數(shù)值模擬和理論分析，結(jié)合隧道實際火災(zāi)情況，對不同工況下的襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析與評價。分析表明，3類支護(hù)類型在5種襯砌剝離深度工況下，在剝離深度較大時襯砌混凝土材料應(yīng)力會超過規(guī)范容許應(yīng)力，致使材料應(yīng)力安全余量明顯削弱，襯砌結(jié)構(gòu)存在較大的失穩(wěn)風(fēng)險。完成3種整治方案后，新襯砌與原隧道結(jié)構(gòu)的聯(lián)合承載體系的位移與結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)得到明顯改善，襯砌結(jié)構(gòu)安全性得到較大提高。