公路隧道火災損傷快速檢測與加固方法

■葉晨峰

（1.近海公路建設與養護新材料技術應用交通運輸行業研發中心，福州 350004；2.福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

隨著福建省高速公路的快速發展，特長隧道數量不斷增多，同時交通量急劇增加，高速公路隧道火災風險日益增大。 由于特長隧道的環境密閉性，火災發生時，散熱與排煙條件差，局部段落溫度急劇升高，隧道襯砌受高溫影響性能迅速劣化，主要表現為襯砌結構嚴重變形、開裂、剝落掉塊，襯砌混凝土強度降低，嚴重的將導致襯砌坍塌。 為保障通行安全，火災后需全洞封閉通行，導致高速公路通行中斷， 特長隧道改道還會帶來嚴峻的安全隱患，因此災后隧道損傷快速檢測與加固顯得尤為重要。

國內學者對隧道火災損傷的檢測與加固方法的研究已有一定基礎。 梅志榮[1]等通過理論分析、室內試驗、現場模擬試驗和現場測試等一系列試驗研究，提出襯砌結構損傷程度的分級、災后襯砌燒損評估標準以及鋼纖維（網）噴混凝土加固等燒損襯砌修復加固的措施。 李清[2]以京珠高速公路大寶山隧道火災后結構物損傷為研究對象， 采用外觀檢查、超聲檢測、碳化深度檢測、鉆芯檢測等檢測手段，評估火災燒損等級，提出以鋼纖維噴射砼為主的處置方案。 田世雄[3]等以新七道梁隧道大型火災損毀為研究對象， 對不同損傷程度的襯砌結構、路面及電纜槽等分別提出了不同的恢復設計方案，并對隧道防火、逃生通道、標志標牌、照明設施設置提出了相關建議。 楊婕[4]以梧桐隧道火災損傷為研究對象，對火災損傷段火災前及火災后襯砌結構進行受力驗算，評估受損隧道安全性，提出以高強度砂漿掛網修復為主的處置加固方案。 王明年[5]等在現有隧道結構非線性瞬態熱—力耦合有限元模型基礎上，提出一種在火災高溫條件下混凝土發送剝落的循環算法， 模擬火災下襯砌結構截面面積的損失，得出基于混凝土循環剝落的隧道襯砌火災損傷數值的模型建立流程。 本文在前人研究的基礎上，以福建某高速公路特長隧道火災為例，重點研究火災后如何對隧道襯砌損傷程度進行快速檢測、評估，并制定科學合理的搶修加固方案。

1 工程概況

1.1 火災概況

2019 年4 月14 日， 在福建某高速公路隧道主車道內， 運載木頭貨車發生刮擦燃燒事故，在K2993+200 處燃燒近3 h48 min。 火滅后現場調查發現，二襯表層混凝土大面積網裂、剝落，路面出現破損（燒損）等隧道病害，嚴重影響著該段高速公路的通車安全。

1.2 隧道概況

火災隧道為雙向高速公路隧道， 全長3267 m，設計縱坡為-0.90%的單向坡，隧道凈高5.0 m，凈寬9.75 m，隧道由曲線和直線構成。隧址區第四系殘坡積層松散堆積層強、 弱風化巖層中有孔隙裂隙水發育，水量較為貧乏，對隧道洞身的開挖和圍巖穩定影響不大。 事故造成的火燒區域為Ⅱ級圍巖，初襯為C20 噴射素混凝土， 厚度為8 cm，Φ22 砂漿錨桿L=3.5 m，Φ6 鋼筋網；二襯為素混凝土，設計強度為C25，厚度為35 cm。 隧道斷面及支護形式如圖1 所示。

2 火災損傷檢定與加固程序

火災損傷快速檢定與加固程序主要分為外觀調查、初步檢測、初步評估、專項檢測、詳細評估、設計、施工、驗收共8 個階段。 為快速恢復交通，保障通行安全，外觀調查、初步檢測、初步評估由第三方檢測單位完成，提出火災損傷初步評估結果和加固方案建議；再采用總承包模式委托專業加固單位完成專項檢測、詳細評估、設計、施工工作（圖2）。

圖2 火災損傷快速檢測與加固程序

3 火災損傷病害檢測

3.1 檢測目的

（1）通過對隧道目前的總體健康狀況的檢查、檢測，獲悉隧道目前詳細的病害狀況和實際的工作狀態，以便對隧道的工作性能進行綜合評估；（2）針對發生火災受損段的損傷情況進行全面檢查，確定襯砌結構的損傷范圍和程度及其發展情況，為制定災后隧道處治加固方案提供依據。

3.2 檢測內容

本次檢測采用現場檢測與試驗分析相結合的形式。 通過目視和量測，首先確定隧道襯砌燒傷的面積、混凝土剝落的程度，然后其次根據現場情況確定待檢的部位和范圍； 從而而后對損傷部位進行詳細檢測， 在此基礎上進行火災對結構材料強度、損傷深度、襯砌厚度、結構變形等影響程度的評定。

3.2.1 隧道損傷外觀調查

對火災影響段落， 檢查隧道襯砌混凝土裂縫、剝落、露筋等病害，標記病害位置與程度。 結合手敲錘擊，初步評價襯砌混凝土強度狀況，檢查路面及機電、電纜槽、標志標牌等附屬設施的損傷情況。

3.2.2 襯砌混凝土強度檢測

對火災影響段落選取20 個斷面采用回彈法對襯砌表面強度進行檢測，每個斷面拱頂、兩側拱腰、兩側邊墻各測一點。

3.2.3 襯砌厚度檢測

對火災影響段落襯砌進行地質雷達探測，檢測判定拱頂、兩側拱腰、兩側邊墻襯砌厚度及襯砌后脫空情況，檢測結果與鉆芯取樣結果進行對比修正。

3.2.4 襯砌鉆芯取樣檢測

在回彈檢測點附近對襯砌鉆孔取芯，對芯樣進行碳化深度檢測， 判斷火災對襯砌的損傷深度，同時， 將芯樣制作成100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土試塊進行抗壓強度檢測。

3.2.5 隧道斷面尺寸檢測

采用激光斷面儀對火災影響段落進行斷面尺寸檢測，為制定加固方案提供依據，防止加固措施侵限。

4 火災損傷評定

在研究大量國內外隧道火災實例的基礎上，參考《火災后建筑結構鑒定標準》[6]等相關標準，根據火災損傷檢測結果， 將隧道受火災影響段落劃分為嚴重損傷、中度損傷、輕度損傷和輕微損傷4 個區域。

5 損傷加固方案制定

5.1 加固原則

（1）該段隧道圍巖等級為Ⅱ級，圍巖未受火災高溫影響，整體性好；襯砌厚度滿足原設計要求，處治時以不擾動圍巖、 保證襯砌自身結構穩定為原則。 （2）依據檢測報告劃分的襯砌結構損失程度，制定相應的治理措施。 （3）依據檢測報告檢測判定的損傷層厚度對襯砌結構進行治理。 （4）加固方案應在保證高速公路通行安全的基礎上，注重考慮加固方法的便捷性，以實現交通快速恢復。

5.2 加固方案

綜合考慮隧道圍巖、襯砌損傷程度、快速通行要求，比較噴射高強環氧砂漿、噴射鋼纖維混凝土、混凝土套拱、鋼板加固等加固方法，認為在本隧道圍巖等級較高、襯砌損傷深度較淺、高速公路要求快速恢復通行等條件下，適宜采用噴射高強環氧砂漿為主的加固方法。

根據不同的損傷程度，不同段落采用不同的加固方案（表2），具體如下：（1）嚴重損傷段加固方案：鑿除襯砌砼至新鮮面（約5～10 cm 厚），襯砌表面應形成不小于6 mm 凹凸差； 在襯砌上垂直植入Φ16鋼筋，植入深度20 cm，鋼筋間距60 cm×60 cm，梅花型布置， 植筋上綁扎Φ8 鋼筋網， 間距10 cm×10 cm；噴射10 cm 厚高強砂漿。 （2）中度損傷段加固方案：鑿除襯砌砼至新鮮面（約3～5 cm 厚），襯砌表面應形成不小于6 mm 凹凸差； 在襯砌上垂直植入Φ16 鋼筋， 鋼筋植入襯砌20 cm， 鋼筋間距60 cm×60 cm， 梅花型布置， 植筋上綁扎鍍鋅鐵絲網；噴射約4 cm 厚高強砂漿。 （3）輕度損傷段加固方案：鑿除襯砌砼至新鮮面（約2 cm 厚），襯砌表面應形成不小于6 mm 凹凸差；噴射約2 cm 厚高強砂漿。 （4）輕微損傷段加固方案：襯砌結構性能影響較小，只需對襯砌表層進行清洗，采用“畢可法”封閉裂縫。

表2 不同損傷程度段落加固方案

6 加固效果評價

該項目從火災發生到加固完成恢復通行僅用了3 個月工期。 隧道火災損傷加固段落運營至今已有2 年，2021 年進行外觀檢查， 僅發現部分環向微表裂縫，未發現縱向裂縫、網狀裂縫以及混凝土剝落等病害，說明該項目實現了快速處治，且加固效果良好。

7 結語

該項目依托福建某高速公路特長隧道火災損傷工程實例，研究火災后公路隧道的檢測與加固處置，可知：（1）采用“第三方初步評估+專項檢測、設計、施工總承包”的管理模式更有利于高速公路隧道火災損傷的快速檢測與加固。 （2）外觀檢查、回彈法測襯砌強度、鉆芯取樣測碳化深度與試件抗壓強度、地質雷達探測襯砌厚度、激光斷面儀測隧道斷面尺寸是高速公路隧道火災損傷的主要檢測內容。（3）對于圍巖等級較高、襯砌損傷深度較淺的高速公路隧道火災損傷段落，適宜采用噴射高強環氧砂漿的加固方法，加固效果良好。