鋼帶加固技術(shù)在公路隧道火災(zāi)損傷搶險治理中的應(yīng)用

■周允諄

（福建省高速公路集團有限公司泉州管理分公司， 泉州 362000）

隧道火災(zāi)發(fā)生后，一旦發(fā)生火災(zāi)不能及時撲滅的情況，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的劣化，降低整個結(jié)構(gòu)的承載力和安全性。 本文依托因貨車起火燃燒引發(fā)的的沙廈高速公路泉州德化段龍嶺隧道典型襯砌火災(zāi)損傷病害， 通過實地調(diào)查、表觀檢查、試驗檢測、專家論證等手段，采用鍍鋅鋼板和化學(xué)錨栓相結(jié)合的方法對該隧道進行加固。 高強度鋼帶可以和襯砌形成一個整體的承載結(jié)構(gòu)，使混凝土襯砌與鋼帶共同受力、分擔(dān)一部分荷載，可通過鋼帶縱向連接防止坍塌，從而保證結(jié)構(gòu)的安全性，且鋼帶加固具有施工速度快、污染小、空間占用小等優(yōu)點[1]。 針對運營隧道結(jié)構(gòu)的火災(zāi)損傷，要確保其安全性和及時恢復(fù)通車運營，鋼帶加固是本次隧道火災(zāi)損傷搶險治理的優(yōu)先選擇。

1 工程概況

沙廈高速公路泉州德化段龍嶺隧道全長2982 m，雙向四車道，屬于長隧道，隧道內(nèi)最大縱坡±3%，最小縱坡±0.3%，于2017 年建成通車。 本隧道損傷區(qū)樁號為右洞AK85+326～AK85+398， 圍巖類型為IV 類，長度72 m，右洞AK85+446～AK85+493，圍巖類型為III 類，長度47 m。

2 隧道病害情況

（1）二襯裂縫主要為AK85+374 襯砌全幅網(wǎng)裂S=（14×12）m2、W=0.2 mm，AK85+386 襯砌全幅網(wǎng)裂S=（17×12）m2、W=0.2 mm，縱向裂縫7 條L=3.5～10 m、W=0.16～0.7 mm，橫向裂縫9 條L=1.8～7.5 m、W=0.1～0.5 mm，斜向裂縫1 條L=2.5 m、W=0.26 mm。 病害詳細位置如圖1 所示。 （2）此次隧道二襯受火災(zāi)影響的構(gòu)件損傷區(qū)產(chǎn)生的外觀缺陷情況主要有：大部分混凝土和照明燈具被嚴重熏黑、部分融化，二襯混凝土出現(xiàn)龜裂、網(wǎng)裂和部分區(qū)域剝落，邊墻出現(xiàn)橫向裂縫，拱腰、拱頂出現(xiàn)縱向裂縫，用硬毛刷刷涂附著物后，混凝土偏白。 （3）通過回彈強度在損傷區(qū)布置10 段檢測區(qū)域， 檢測段落內(nèi)的二襯混凝土抗壓強度設(shè)計值為C25， 實測數(shù)據(jù)分析得出：AK85+326～AK85+398 （后續(xù)取芯驗證強度滿足要求）、AK85+446～AK85+493 段二襯混凝土強度均不滿足設(shè)計要求。 （4）現(xiàn)場采用超聲波法檢測混凝土內(nèi)部缺陷，選取AK85+326～AK85+398、AK85+446～AK85+493 段范圍內(nèi)分別在拱頂、邊墻選取測試聲速值，檢測結(jié)果顯示AK85+338～AK85+342 右邊H=1.9 m處剝落最深為220 mm。 損傷層厚度最大位于AK85+386 拱頂部位，損傷值為34 mm。

圖1 火災(zāi)損傷段落病害

3 火災(zāi)受火溫度對材料性能的影響

（1）混凝土在高溫作用下，其力學(xué)性能會隨溫度升高而降低。一般在300～400℃時，混凝土強度會降低10%～20%；400℃以上后強度急劇降低；800℃以上混凝土基本崩裂[2]。 此次龍嶺隧道火災(zāi)受火溫度約500℃～700℃，持續(xù)時間長達22 h，二襯混凝土結(jié)構(gòu)在高溫作用下劣化了其材料性能，降低了襯砌的承載能力。 混凝土中的水泥石受熱分解，使混凝土骨架結(jié)構(gòu)變得疏松，嚴重劣化了混凝土的抗壓強度。 高溫下混凝土的彈性模量隨著溫度的升高而逐漸降低。 （2）火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會使鋼筋的力學(xué)性能降低，在高溫作用下，在20℃～400℃范圍內(nèi)，鋼筋的極限強度隨溫度的增加而緩慢下降；400℃以后下降速度加快，700℃時達到最低點；其后鋼筋的極限強度略有回升，從而導(dǎo)致由鋼筋組成的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的力學(xué)性能降低，從而影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在火災(zāi)下的使用壽命。

4 鋼帶加固技術(shù)

4.1 加固方法

為了改善混凝土和鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)，提高隧道結(jié)構(gòu)的承載力，針對該隧道襯砌損傷區(qū)域采用鋼帶加固技術(shù)進行補強。 鋼帶采用寬度為300 mm、厚度為6 mm 的鍍鋅鋼板， 長度方向涵蓋隧道頂拱圓弧120°區(qū)域， 鋼帶沿隧道長度方向布置間距Z3 類型800 mm、Z4 類型1000 mm， 采用M16 高強化學(xué)錨栓和復(fù)合灌鋼膠與隧道的襯砌進行粘結(jié)和錨固，錨栓有效錨固深度≥16 cm， 確保鋼板帶與二村共同受力，如圖2～3 所示。

圖2 隧道粘貼鋼帶立面圖

圖3 鋼板帶加固縱斷面圖

4.2 主要材料要求

（1）鋼板采用Q355 熱軋鋼板，鋼材質(zhì)量須符合GB/T 1591-2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求，并進行防銹處理。 （2）復(fù)合灌鋼膠的技術(shù)性能指標(biāo)須符合GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》和GB 50728-2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

4.3 鋼帶施工工藝流程及操作要點

4.3.1 鋼帶施工工藝流程

鋼帶施工工藝流程如下：原有襯砌表面鑿除清洗→測量定位→鉆孔→錨固螺栓安裝→鋼帶粘貼→壓入復(fù)合灌鋼膠→鋼帶連接→鋼帶涂裝。

4.3.2 鋼帶施工操作要點

（1）清除原有表面松散混凝土，鑿除并打磨清洗表面灰塵，使襯砌混凝土完全露出新鮮面，并用高壓水槍沖洗，待其表面干燥后用丙酮將混凝土表面清洗干凈。 （2）根據(jù)火災(zāi)損傷區(qū)的范圍，按施工圖紙進行測量放樣及定位，采用隧道激光斷面儀進行線型控制， 并用墨斗線做好每條鋼帶的位置記號。（3）通過測量定位后鉆孔，在鋼板對應(yīng)位置開孔，通過M16 高強化學(xué)錨栓將鋼板錨固于二襯上，M16 高強化學(xué)錨栓施工徹底清潔鉆孔。M16 高強化學(xué)錨栓植入深度≥16 cm， 待達到強度后需對錨栓進行拉拔試驗， 檢驗合格后方可進行鋼帶安裝。 （4）采用M16 高強化學(xué)錨栓固定鋼帶和幫接鋼板、并對鋼帶和幫接鋼板的周邊用結(jié)構(gòu)膠封邊，封邊固化結(jié)硬后、從預(yù)留灌膠嘴（環(huán)向間距為0.3～0.5 m）壓入復(fù)合灌鋼膠，確保注漿壓力持續(xù)、緩慢、均勻，保證注漿密實度[3]。 （5）M16 高強化學(xué)錨栓施工未固化前嚴禁觸動桿體，結(jié)合現(xiàn)場溫度進行固化養(yǎng)護，固化期間應(yīng)避免受荷載擾動影響。 （6）鋼帶連接、注入復(fù)合灌漿膠施工完成后，對化學(xué)錨栓和鋼帶表面及孔位進行防銹漆涂刷處理，防銹漆含鋅量≥65%，防銹漆干膜厚度≥250 μm。

4.4 鋼帶加固施工安全注意事項

（1）復(fù)合灌鋼膠操作要嚴格按照比例配制，不同組分的化學(xué)品要分類放置，應(yīng)有專人監(jiān)護，嚴禁無關(guān)人員觸動。 （2）在鋼板打磨和鋼板粘貼部位鑿毛過程中要正確使用打磨機和鑿毛電錘，防止砂輪片飛出和電錘崩斷傷人， 同時避免發(fā)生觸電事故。（3）鋼板運輸至臺車的過程中，應(yīng)使用符合規(guī)范要求的鋼絲繩起吊，吊點應(yīng)當(dāng)定期檢查，在起吊重物過程中，吊孔下面嚴禁站人。 鋼板的堆積應(yīng)當(dāng)擺放在平穩(wěn)的地點、嚴禁堆積過高或堆放在臺車上。 （4）臺車投入使用前必須組織現(xiàn)場驗收，嚴格檢查臺車焊縫是否飽滿，臺車作用平臺強度是否滿足施工要求。

5 加固效果評價

本隧道采用單洞A 洞全封閉、B 洞單向通行的交通管制， 對隧道進行119 m 的鋼帶加固施工，合計工期為30 d。此隧道于2021 年10 月1 日開始全封閉進行病害處治施工，處治后在隧道拱頂設(shè)置下沉觀測點，每10 m 設(shè)置一個觀測點，由專人采用免棱鏡全站儀對測點進行觀測并記錄，經(jīng)過連續(xù)15 d變形監(jiān)測結(jié)果顯示其變形速率＜1.0 mm/d，并對該隧道的左邊墻、左拱腳、拱頂、右拱腳、右邊墻進行了每3 d 一觀測的跟蹤觀測和隧道表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測， 隧道斷面表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果如表1 所示。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，隧道拱頂變形速率＜1.0 mm/d，應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無明顯的波動。 根據(jù)檢測結(jié)果，鋼帶加固段隧道襯砌表面未出現(xiàn)開裂和襯砌剝落等現(xiàn)象。 綜合監(jiān)測和檢測結(jié)果， 目前隧道結(jié)構(gòu)安全性有保障，鋼帶加固對此隧道的加固效果明顯[4]，隧道處治后狀況如圖4 所示。

表1 隧道斷面表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果

圖4 隧道處治后狀況

6 結(jié)語

隧道火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫還會導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的劣化，降低了整個結(jié)構(gòu)的承載力和安全性，因此高速公路隧道火災(zāi)損傷的病害治理是運營隧道病害治理急之又急、重中之重的問題。 廈沙公路泉州德化段龍嶺隧道采用鋼帶加固技術(shù)具有施工速度快、可操作性強、工程造價低、修復(fù)效果好等諸多優(yōu)點，可以成為隧道襯砌火災(zāi)損傷搶險治理的優(yōu)先選擇。

鋼帶加固技術(shù)在不增加原有設(shè)計結(jié)構(gòu)荷載或不改變原有設(shè)計結(jié)果體系和受力情況下，通過大面積鋼板粘貼保護原構(gòu)件混凝土以及加固后的效果觀察、監(jiān)測、檢測，隧道襯砌未出現(xiàn)開裂及剝落現(xiàn)象，表明該處治方法對此次火災(zāi)損傷病害的加固效果良好， 有效提升了隧道襯砌結(jié)構(gòu)能力和安全性能，確保了隧道運營行車安全，為同類工程提供了良好借鑒。