基于剩余承載能力的隧道火災損傷檢查評估

徐洪彬、陶雙江、李鵬

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

截至2021年底，根據2021年交通運輸行業發展統計公報可知，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，運營隧道內頻發的火災事故，不僅造成了嚴重的損失，還造成隧道結構不同程度的破壞。

目前國內對火災后隧道結構破壞特征及溫度場變化規律研究較多，如閆治國等對隧道襯砌結構在發生火災后的損害及防范措施進行了研究，得到了高溫下隧道襯砌結構的受力特點，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溫度場的分布規律進行了研究，得到了隨風速及火災規模的不同，溫度場的變化規律，對防災減災設計具有現實意義；苗春等對火災混凝土損失特點，現有檢測方法的局限性及新方法的適用性進行了分析論證，建議采用兩種或幾種方法綜合檢測。但是，對隧道發生火災后快速安全性評估方面的研究較少，還未形成相應的評估體系。有關學者認為應根據火災后隧道燒傷狀況，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損傷深度的方法，并對如何計算剩余承載能力進行了說明，提出的火災后結構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 火災高溫對隧道結構的影響

與地面火災的特征明顯不同，隧道結構狹長，內部環境相對封閉，一旦發生火災，撲滅難度大，并且由于煙囪效應，隧道發生火災后，出現損傷的結構主要為襯砌鋼筋混凝土結構、防排水系統以及附屬照明通風等設備。其影響主要表現在：

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，經高溫火焰灼燒后混凝土表面會產生爆裂、剝落、裂縫和鋼筋裸露等現象。隧道火災會對襯砌受力和耐久性產生不利影響。

1.2 襯砌表層附屬燈具、電纜線等的破壞

在火災高溫的影響下，隧道襯砌結構表面布設有照明燈具、攝像監控及電纜電線，會發生破壞。

1.3 混凝土自身強度的降低

混凝土強度遇火災高溫后降低，尤其是表層混凝土強度下降明顯，致使結構承載能力與耐久性降低。

1.4 混凝土對鋼筋的黏結力及保護力降低

隧道襯砌混凝土在高溫作用下，水化物脫水分解，其內部微空隙增加，結構疏松，混凝土與鋼筋在高溫下熱變形不協調，形成大量界面裂縫，可能導致混凝土與鋼筋之間黏結力降低。且隧道襯砌混凝土的游離氫氧化鈣在高溫下發生熱分解，混凝土呈中性。使其保護鋼筋的作用大幅度降低，從而影響混凝土構件的耐久性。

1.5 鋼筋屈服強度降低

普通鋼筋屬于低碳鋼，當受火溫度大于200C 時鋼筋極限強度、屈服強度、彈性模量、延伸率等指標均開始下降，材料脆性增加。

1.6 防水板、止水帶等材料的軟化及老化

隧道施工縫設置橡膠止水條，背后滿布防水板（聚乙烯）。隧道在火災高溫的影響下，溫度沿混凝土結構和施工縫位置向內側傳遞，會加速防水材料的老化甚至出現軟化破壞的情況，減弱防水效果，甚至直接防水失效。襯砌混凝土結構作為直接與火災高溫接觸的構件，其影響要遠大于埋設在其中的鋼筋、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構的損傷程度及范圍作為隧道發生火災后檢測評估的重點。

2 剩余承載能力的檢測與評估

根據混凝土在高溫下發生變化的機理及火災對隧道結構的影響形式分析，可以確定檢測的項目及內容。

2.1 檢測內容及方法

2.1.1 火作用調查

火作用調查的目的是掌握火災的發生過程，了解火災的燃燒物及作用時間，對隧道表觀的損傷做初步調查。

2.1.2 表觀灼燒調查

通過調查掌握火災的影響范圍及表觀特征，為推測表觀溫度提供依據。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、附屬結構物的破損情況、錘擊混凝土聲音等。

2.1.3 中性化檢查

根據混凝土受火災影響后變化機理可知，溫度升高至500C 左右時，Ca（OH）發生化學反應分解成CaO 和HO，導致混凝土中性化，通過中性化檢查，找到火災影響下混凝土內部發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律。根據表觀灼燒調查結果，有規律地布設檢查孔，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 襯砌強度檢查

受火災影響，混凝土襯砌強度會降低，通過襯砌強度檢測可以直接對襯砌強度進行評估。因受火影響，混凝土強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度值，分為迎火面與背火面進行試驗。

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，進行剩余承載能力評估。采用電磁法（地質雷達）對襯砌厚度進行檢查，并結合取芯驗證。

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。采用全站儀或激光斷面儀（極坐標法）對襯砌凈空斷面進行檢查。

2.2 評估方法

2.2.1 推斷混凝土表面曾經達到的最高溫度

（1）根據混凝土構件表面特征與溫度的關系推斷。

（2）根據火場殘留物、燒損狀況推斷（如金屬材料、有機材料的熔化變形燃燒的溫度）。

以上兩種方法的具體執行可參考現行《火災后工程結構鑒定標準》（T/CECS 252—2019）。

2.2.2 計算理論損傷深度

（1）計算標準當量升溫時間

隧道內火災燃燒一般具有明確的燃燒物，且通風條件好，不易發生轟燃，可以根據相應公式（1）計算當量標準升溫時間（采用國際標準ISO834-1 標準升溫曲線進行標準火災試驗達到火災作用最高溫度時對應的升溫時間）。

式（1）中：t——當量標準升溫時間；

T——構件表面曾達到的最高溫度（C）。

（2）推測理論損傷深度

根據單面受火混凝土構件在標準升溫條件下的溫度場曲線，得到襯砌厚度方向的溫度分布。可以把水變為水蒸氣即100C 對應的襯砌厚度作為高溫下混凝土的損傷深度。

2.2.3 建立隧道火災損傷坐標系

（1）以隧道長度方向為橫坐標，以襯砌厚度方向的損傷情況為縱坐標，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系中。

（2）假定不同位置溫度場分布規律一致，即可按照中性化深度縱向分布規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是原設計，可把原設計襯砌厚度及強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≥設計襯砌厚度

剩余承載能力滿足原設計要求，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＜設計襯砌厚度

計算剩余承載能力，根據計算結果采取提高安全性的加固補強措施。

3 工程案例應用

3.1 工程概況

本文引用一火災隧道案例驗證前文提供的火災發生后隧道安全性評估方法。經了解，起火貨車所裝載的物品為木門、線纜（外包皮應為PVC 材料）及生活用品，隧道內燃燒時間約6h。

3.2 檢測分析過程

3.2.1 表觀灼燒調查

（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×環向），經凈空斷面檢測可知剝落最深處為3cm。混凝土表面顏色為土黃色或淡黃色，錘擊聲音沉悶。

（2）受火灼燒或熏烤致混凝土表面出現魚鱗狀裂紋或網狀紋，位于左拱腰及拱頂部。靠近混凝土表面剝落位置處混凝土表面顏色為土黃色或淡黃色，遠離處為灰色。

（3）隧道左拱腰處照明用的LED 燈受火災的影響，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產生坑槽。

（5）本次受火災高溫影響的區段為70m 左右，建立坐標系，展布其病害特征。

3.2.2 理論損傷深度

（1）推測表觀溫度。根據混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應與溫度的關系初步判斷混凝土表面局部受火溫度為800C 左右。

（2）計算標準當量升溫時間。根據公式（1）計算得到標準當量升溫時間為50.5min。

（3）推測理論損傷深度。根據單面受火混凝土構件在標準升溫條件下的溫度場曲線，得到100C 對應的受火面距離為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 處位置進行中性化深度檢測，測量結果分別為13.6mm、10.4mm、14mm、11mm、38mm、45mm、11mm、8mm、11mm、9mm。

3.2.4 襯砌強度檢測

（1）表面強度檢測

回彈法對混凝土表面強度進行測試，結果依次為：42.1MPa、 40MPa、 36MPa、 35.7MPa、 27.6MPa、8.3MPa、40.3MPa、38.3MPa、37.5MPa、43.4MPa。（此處回彈法測得強度僅供參考）。從檢測結果可以看出受火災高溫影響，襯砌表面強度嚴重降低。

（2）內部強度檢測

鉆孔取芯，進行抗壓試驗，分別對臨火側及背火側混凝土強度進行試驗。從檢測結果可以看出直接受火焰灼燒的位置，襯砌內部強度降低明顯，受混凝土不均勻性的影響，其余部位無明顯規律。

3.2.5 襯砌厚度檢測

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

表1 襯砌厚度統計表

實測厚度/cm里程樁號設計厚度/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

從隧道火災損傷坐標系中可以直觀看到計算未損傷層厚度與設計厚度的關系，需結合實測強度對每一模板混凝土單獨計算分析。此處僅展示受火災影響最嚴重處計算過程：襯砌厚度采用損傷層厚度為34.5cm，襯砌強度為40MPa，采用通用有限元計算軟件建立結構模型計算。計算的最小安全系數為1.489，說明剩余承載能力不滿足原設計承載能力，應采取提高安全性的加固補強措施。

4 結語

本文針對火災后隧道結構的安全性問題，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生火災后快速對結構安全進行評估的問題。提出的襯砌結構損傷層厚度的檢測方法簡便易實施，使隧道管養技術人員在隧道火災發生后第一時間掌握災損嚴重程度成為可能。

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，需采取強有力的措施才能保證隧道結構安全性，是偏于保守的，在后續工作中，應加強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律。