公路隧道火灾损伤快速检测与加固方法

■叶晨峰

（1.近海公路建设与养护新材料技术应用交通运输行业研发中心，福州 350004；2.福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

随着福建省高速公路的快速发展，特长隧道数量不断增多，同时交通量急剧增加，高速公路隧道火灾风险日益增大。 由于特长隧道的环境密闭性，火灾发生时，散热与排烟条件差，局部段落温度急剧升高，隧道衬砌受高温影响性能迅速劣化，主要表现为衬砌结构严重变形、开裂、剥落掉块，衬砌混凝土强度降低，严重的将导致衬砌坍塌。 为保障通行安全，火灾后需全洞封闭通行，导致高速公路通行中断， 特长隧道改道还会带来严峻的安全隐患，因此灾后隧道损伤快速检测与加固显得尤为重要。

国内学者对隧道火灾损伤的检测与加固方法的研究已有一定基础。 梅志荣[1]等通过理论分析、室内试验、现场模拟试验和现场测试等一系列试验研究，提出衬砌结构损伤程度的分级、灾后衬砌烧损评估标准以及钢纤维（网）喷混凝土加固等烧损衬砌修复加固的措施。 李清[2]以京珠高速公路大宝山隧道火灾后结构物损伤为研究对象， 采用外观检查、超声检测、碳化深度检测、钻芯检测等检测手段，评估火灾烧损等级，提出以钢纤维喷射砼为主的处置方案。 田世雄[3]等以新七道梁隧道大型火灾损毁为研究对象， 对不同损伤程度的衬砌结构、路面及电缆槽等分别提出了不同的恢复设计方案，并对隧道防火、逃生通道、标志标牌、照明设施设置提出了相关建议。 杨婕[4]以梧桐隧道火灾损伤为研究对象，对火灾损伤段火灾前及火灾后衬砌结构进行受力验算，评估受损隧道安全性，提出以高强度砂浆挂网修复为主的处置加固方案。 王明年[5]等在现有隧道结构非线性瞬态热—力耦合有限元模型基础上，提出一种在火灾高温条件下混凝土发送剥落的循环算法， 模拟火灾下衬砌结构截面面积的损失，得出基于混凝土循环剥落的隧道衬砌火灾损伤数值的模型建立流程。 本文在前人研究的基础上，以福建某高速公路特长隧道火灾为例，重点研究火灾后如何对隧道衬砌损伤程度进行快速检测、评估，并制定科学合理的抢修加固方案。

1 工程概况

1.1 火灾概况

2019 年4 月14 日， 在福建某高速公路隧道主车道内， 运载木头货车发生刮擦燃烧事故，在K2993+200 处燃烧近3 h48 min。 火灭后现场调查发现，二衬表层混凝土大面积网裂、剥落，路面出现破损（烧损）等隧道病害，严重影响着该段高速公路的通车安全。

1.2 隧道概况

火灾隧道为双向高速公路隧道， 全长3267 m，设计纵坡为-0.90%的单向坡，隧道净高5.0 m，净宽9.75 m，隧道由曲线和直线构成。隧址区第四系残坡积层松散堆积层强、 弱风化岩层中有孔隙裂隙水发育，水量较为贫乏，对隧道洞身的开挖和围岩稳定影响不大。 事故造成的火烧区域为Ⅱ级围岩，初衬为C20 喷射素混凝土， 厚度为8 cm，Φ22 砂浆锚杆L=3.5 m，Φ6 钢筋网；二衬为素混凝土，设计强度为C25，厚度为35 cm。 隧道断面及支护形式如图1 所示。

2 火灾损伤检定与加固程序

火灾损伤快速检定与加固程序主要分为外观调查、初步检测、初步评估、专项检测、详细评估、设计、施工、验收共8 个阶段。 为快速恢复交通，保障通行安全，外观调查、初步检测、初步评估由第三方检测单位完成，提出火灾损伤初步评估结果和加固方案建议；再采用总承包模式委托专业加固单位完成专项检测、详细评估、设计、施工工作（图2）。

图2 火灾损伤快速检测与加固程序

3 火灾损伤病害检测

3.1 检测目的

（1）通过对隧道目前的总体健康状况的检查、检测，获悉隧道目前详细的病害状况和实际的工作状态，以便对隧道的工作性能进行综合评估；（2）针对发生火灾受损段的损伤情况进行全面检查，确定衬砌结构的损伤范围和程度及其发展情况，为制定灾后隧道处治加固方案提供依据。

3.2 检测内容

本次检测采用现场检测与试验分析相结合的形式。 通过目视和量测，首先确定隧道衬砌烧伤的面积、混凝土剥落的程度，然后其次根据现场情况确定待检的部位和范围； 从而而后对损伤部位进行详细检测， 在此基础上进行火灾对结构材料强度、损伤深度、衬砌厚度、结构变形等影响程度的评定。

3.2.1 隧道损伤外观调查

对火灾影响段落， 检查隧道衬砌混凝土裂缝、剥落、露筋等病害，标记病害位置与程度。 结合手敲锤击，初步评价衬砌混凝土强度状况，检查路面及机电、电缆槽、标志标牌等附属设施的损伤情况。

3.2.2 衬砌混凝土强度检测

对火灾影响段落选取20 个断面采用回弹法对衬砌表面强度进行检测，每个断面拱顶、两侧拱腰、两侧边墙各测一点。

3.2.3 衬砌厚度检测

对火灾影响段落衬砌进行地质雷达探测，检测判定拱顶、两侧拱腰、两侧边墙衬砌厚度及衬砌后脱空情况，检测结果与钻芯取样结果进行对比修正。

3.2.4 衬砌钻芯取样检测

在回弹检测点附近对衬砌钻孔取芯，对芯样进行碳化深度检测， 判断火灾对衬砌的损伤深度，同时， 将芯样制作成100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土试块进行抗压强度检测。

3.2.5 隧道断面尺寸检测

采用激光断面仪对火灾影响段落进行断面尺寸检测，为制定加固方案提供依据，防止加固措施侵限。

4 火灾损伤评定

在研究大量国内外隧道火灾实例的基础上，参考《火灾后建筑结构鉴定标准》[6]等相关标准，根据火灾损伤检测结果， 将隧道受火灾影响段落划分为严重损伤、中度损伤、轻度损伤和轻微损伤4 个区域。

5 损伤加固方案制定

5.1 加固原则

（1）该段隧道围岩等级为Ⅱ级，围岩未受火灾高温影响，整体性好；衬砌厚度满足原设计要求，处治时以不扰动围岩、 保证衬砌自身结构稳定为原则。 （2）依据检测报告划分的衬砌结构损失程度，制定相应的治理措施。 （3）依据检测报告检测判定的损伤层厚度对衬砌结构进行治理。 （4）加固方案应在保证高速公路通行安全的基础上，注重考虑加固方法的便捷性，以实现交通快速恢复。

5.2 加固方案

综合考虑隧道围岩、衬砌损伤程度、快速通行要求，比较喷射高强环氧砂浆、喷射钢纤维混凝土、混凝土套拱、钢板加固等加固方法，认为在本隧道围岩等级较高、衬砌损伤深度较浅、高速公路要求快速恢复通行等条件下，适宜采用喷射高强环氧砂浆为主的加固方法。

根据不同的损伤程度，不同段落采用不同的加固方案（表2），具体如下：（1）严重损伤段加固方案：凿除衬砌砼至新鲜面（约5～10 cm 厚），衬砌表面应形成不小于6 mm 凹凸差； 在衬砌上垂直植入Φ16钢筋，植入深度20 cm，钢筋间距60 cm×60 cm，梅花型布置， 植筋上绑扎Φ8 钢筋网， 间距10 cm×10 cm；喷射10 cm 厚高强砂浆。 （2）中度损伤段加固方案：凿除衬砌砼至新鲜面（约3～5 cm 厚），衬砌表面应形成不小于6 mm 凹凸差； 在衬砌上垂直植入Φ16 钢筋， 钢筋植入衬砌20 cm， 钢筋间距60 cm×60 cm， 梅花型布置， 植筋上绑扎镀锌铁丝网；喷射约4 cm 厚高强砂浆。 （3）轻度损伤段加固方案：凿除衬砌砼至新鲜面（约2 cm 厚），衬砌表面应形成不小于6 mm 凹凸差；喷射约2 cm 厚高强砂浆。 （4）轻微损伤段加固方案：衬砌结构性能影响较小，只需对衬砌表层进行清洗，采用“毕可法”封闭裂缝。

表2 不同损伤程度段落加固方案

6 加固效果评价

该项目从火灾发生到加固完成恢复通行仅用了3 个月工期。 隧道火灾损伤加固段落运营至今已有2 年，2021 年进行外观检查， 仅发现部分环向微表裂缝，未发现纵向裂缝、网状裂缝以及混凝土剥落等病害，说明该项目实现了快速处治，且加固效果良好。

7 结语

该项目依托福建某高速公路特长隧道火灾损伤工程实例，研究火灾后公路隧道的检测与加固处置，可知：（1）采用“第三方初步评估+专项检测、设计、施工总承包”的管理模式更有利于高速公路隧道火灾损伤的快速检测与加固。 （2）外观检查、回弹法测衬砌强度、钻芯取样测碳化深度与试件抗压强度、地质雷达探测衬砌厚度、激光断面仪测隧道断面尺寸是高速公路隧道火灾损伤的主要检测内容。（3）对于围岩等级较高、衬砌损伤深度较浅的高速公路隧道火灾损伤段落，适宜采用喷射高强环氧砂浆的加固方法，加固效果良好。