隧道火災后的結構損傷檢測及承載力評價

劉文興

（四川華騰公路試驗檢測有限責任公司，四川 成都 230000）

0 引言

近年國內公路建設高速發展，隧道建設規模逐漸擴大，加之道路上各種車輛較多，車流密度較大，隧道內光線變化，對駕駛人員駕車安全產生較大的影響，隧道內出現交通事故的概率有所增加，由汽車自燃、危化品易燃品造成的交通事故也隨之增多。因此，為了隧道的安全運行，隧道火災后的深度檢測勢在必行。本文對于家灣隧道一起火災事故后隧道受損情況的檢測及判定過程進行分析總結。

1 隧道位置及火災概況

于家灣隧道為一座上、下行分離的四車道高速公路中隧道。隧道左線起訖樁號ZK134+135～ZK135+017，長882m，縱坡為-2.7%單向下坡，最大埋深109m；隧道右線起訖樁號YK134+190～YK135+036，長846m，縱坡為-2.7%單向下坡，最大埋深108m，洞軸線走向方位角232°。隧道平面線形：左線進口位于R=3100m 的圓曲線上，中部位于直線上，出口位于R=3000m的圓曲線上；右線進口位于R=2800m的圓曲線上，中部位于直線上，出口位于R=3100m 的圓曲線上。隧道左右線路面橫坡均不存在超高。2017 年7 月28 日凌晨3 點左右，在于家灣隧道左線ZK1318+540～ZK1318+550 處由于兩輛汽車追尾引起貨車內運輸的罐裝瀝青燃燒起火。經調查，本次火災起火點位于車禍處隧道左側電纜溝附近，火勢持續時間約為35min。

2 檢測內容及方法

（1）檢測內容。根據現場實際情況，對火災隧道的檢測一般包含隧道外觀受損情況判定、襯砌結構受損厚度判定、隧道襯砌結構的剩余有效厚度、隧道襯砌混凝土強度經過火災后的損失情況、隧道斷面尺寸變化情況，基于上述方面的檢測結果，對隧道的受損情況基本可以準確判斷，同時為隧道的后期維修加固處置提供相關依據。

（2）主要檢測方法。外觀檢測主要采用目測、錘擊及表層剝離等方法對各襯砌混凝土進行逐一檢查，根據構件的損傷程度對其進行區域分類。應詳細記錄因火災導致襯砌混凝土出現的結構表觀性病害，在結構物表面進行標示并拍照。檢測混凝土的脫落主要從脫落部位、面積等方面進行，當脫落較為嚴重時，應測量脫落的具體部位、面積及最大深度。損傷層厚度檢測采用超聲儀進行，具體如下：

采用低頻超聲波檢測儀對各構件進行測試，測量超聲脈沖縱波在結構混凝土中的傳播速度、首波幅度和接受信號頻率等聲學參數，并根據這些聲學參數的相對變化，判定混凝土的損傷狀況。本項檢測需根據結構的損傷情況和外觀質量選取有代表性的部位，采用超聲波平測法對混凝土構件受高溫影響后的表面損傷厚度檢測。

為了避免T、R 換能器的連線方向與附近主鋼筋的軸線平行，每個測區沿隧道橫向布置測點，同時盡量遠離附近橫向鋼筋以減少干擾，測試示意見圖1所示。

測試時T 換能器應耦合好，并保持不動，然后將R換能器依次耦合在測點1、2、3……位置上，讀取相應的聲時值t1、t2、t3……，并測量每次 T-R 換能器內邊緣之間的距離l1、l2、l3……。每一測區的測點數為9個，當損傷層較厚時，應適當增加測點數。當結構的損傷層厚度不均勻時，應適當增加測區數，如圖1所示。

圖1 損傷層檢測的換能器布置

最后結合隧道外觀受損情況確定火損區域劃分、火災溫度、損傷層厚度三者數據，確保檢測數據的合理性、準確性。

（3）隧道襯砌混凝土強度檢測。采用鉆芯法鉆取隧道不同受損區域內的二次襯砌混凝土，對不同深度范圍內的襯砌混凝土分別做抗壓試驗，以此來檢測襯砌混凝土在受火災影響后，不同深度范圍內的抗壓強度值，判定隧道在火災中的受損情況，為后期加固處治提供依據。

3 隧道受損情況判定

3.1 外觀檢測情況

隧道內著火點處左邊墻至拱頂燒毀現象較為嚴重，出現大面積的混凝土剝落現象，其中著火點處左拱腳至左拱腰處剝落最為嚴重，剝落體最大厚度約10cm，右拱腰處也存在幾處面積較小的表層混凝土輕微剝落的現象。同時在著火點附近拱頂的混凝土由于燒灼出現大面積的網狀裂紋，鉆芯取樣發現網狀裂紋深度普遍在5～10cm 左右。其他結構及設施的主要病害表現為：著火點處路面出現大面積燒熔現象，導致洞內路面凹凸不平，影響行車安全；檢修道破損嚴重，左邊墻消防設施、右拱腰線纜槽、燈具燒毀變形，無法正常使用，同時隧道內大部分襯砌受煙熏呈黑色，嚴重影響隧道美觀。

根據現場實際情況判定該隧道ZK1318+520～ZK1318+560為Ⅲ級損傷，屬于嚴重燒傷，顏色呈灰白、顯淺黃，局部混凝土剝落，表層混凝土碳化嚴重，顯著影響結構材料及結構性能，對結構安全產生不利影響 ；ZK1318+506～ZK1318+520、ZK1318+560～ZK1318+570為Ⅱb級損傷，顏色呈灰白，屬于輕度燒灼，未對結構及材料產生顯著影響，尚不影響結構安全；ZK1318+460～ZK1318+506、ZK1318+570～ZK1318+595 為Ⅱa 級損傷，未直接受到燒灼作用，顏色近視正常，結構材料及結構性能僅受輕微影響。

3.2 隧道襯砌混凝土碳化情況

隧道Ⅲ級損傷區域二次襯砌混凝土碳化狀況較為嚴重，局部碳化深度達到12mm，表明火災對該區域混凝土碳化狀況影響較大；Ⅱb、Ⅱa 類損傷區域襯砌混凝土碳化程度均較輕，表明該區域其受火災影響相對較小。

3.3 襯砌混凝土損傷層厚度判定

根據結構的損傷情況和外觀質量選取有代表性的部位，采用超聲波平測法對混凝土構件進行受高溫影響后的混凝土的表面損傷厚度檢測。依據火災后混凝土脫落的位置、表面顏色、龜裂裂紋，并結合小錘錘擊時的聲音，確定損傷厚度檢測范圍，分別選擇Ⅲ類損傷區域、Ⅱb、Ⅱa襯砌混凝土測試其損傷層厚度。

以各測點的聲時值和相應測距值繪制“時—距”坐標圖，如圖2所示。

圖2 測點聲時值和測距坐標圖

由圖2 可得到聲速改變所形成的轉折點，該轉折點前、后分別表示損傷和未損傷混凝土的距離與聲時相關直線。用回歸分析方法分別求出損傷、未損傷混凝土距離與聲時的回歸直線方程：

式中各符號含義詳見《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》（CECS 21∶2000）第8 節，根據混凝土損傷厚度測試結果可知：在Ⅲ類損傷區混凝土損傷層普遍較厚，最大厚度約11.7cm，表明火災對該區域襯砌結構的整體性、安全性有較大影響；Ⅱb類損傷區域火災損傷厚度約2.0cm，表明本次火災對該區域襯砌結構整體性有輕微影響；Ⅱa類損傷區域火災損傷厚度為0.3cm，表明本次火災對該區域襯砌結構整體性幾乎沒有影響。本次檢測與現場外觀檢查結果基本一致，表明測試結果合理。

3.4 襯砌混凝土剩余有效厚度判定

采用地質雷達對火災范圍內二次襯砌混凝土的厚度及缺陷進行檢測，結果如下：對隧道拱頂、拱腰、邊墻5 條測線進行檢測，并每間隔2m 將厚度實測值與設計值進行比較，共計檢測625個點，合格601個點，合格率為96.2%。其中ZK1318+400～+507 段襯砌設計厚度35cm，實測平均厚度60.4cm，ZK1318+507～ZK1318+650設計厚度45cm，實測平均厚度59.0cm，本次檢測范圍內二次襯砌混凝土實測厚度平均值均遠大于設計厚度。

3.5 襯砌混凝土強度判定

混凝土強度檢測采用鉆芯法鉆取不同受損區域內的二次襯砌混凝土，對不同深度范圍內的襯砌混凝土分別做抗壓試驗，以此檢測襯砌混凝土在受火災影響后，不同深度范圍內的抗壓強度值，判定隧道在火災中的受損情況，為后期加固處治提供依據。通過對芯樣的加工打磨，有2 個芯樣由于加工等原因造成芯樣無法滿足試驗要求，故未進行抗壓試驗，其余10 個芯樣滿足試驗要求，其試驗結果見表1。

表1 芯樣抗壓強度試驗結果

通過對芯樣進行抗壓試驗發現：（1）所進行的10個二次襯砌混凝土芯樣抗壓試驗中實測抗壓強度均大于設計強度；（2）不同深度范圍內芯樣的抗壓強度存在一定差異，同一位置處表面混凝土芯樣抗壓強度比內部混凝土芯樣抗壓強度普遍低5～10MPa。

該結果表明受火災影響的區域襯砌表面混凝土抗壓強度較內部混凝土有所降低，但其抗壓強度仍能滿足設計要求。

4 火災對隧道的影響及技術狀況評定

綜合于家灣隧道的外觀檢測及相關實體檢測，判定火災對隧道的主要影響如下：

（1）ZK1318+520～ZK318+560 里程范圍內襯砌、路面及其他設施受火災影響較大，結構受到較大的損傷，對隧道結構整體、安全性有明顯的不利影響，應盡快處置，確保隧道結構安全及運營安全。

（2）ZK1318+506～ZK1318+520、ZK1318+560～ZK1318+570 里程范圍內隧道結構受火災影響較小，結構整體性、安全性未受到明顯弱化，應采取提高耐久性和外觀修復的措施。

（3）ZK1318+460～ZK1318+506、ZK1318+570～ZK1318+595里程范圍內隧道結構僅受輕微影響，僅需進行外觀的修復。

（4）其余段落未受到明顯影響，僅在襯砌及相關結構表面覆蓋有大量灰塵，影響隧道美觀，需對隧道進行整體的清洗、除塵。

綜合考慮隧道的火災受損情況及隧道的技術狀況，該隧道ZK1318+520～ZK318+560 襯砌結構材料明顯弱化，襯砌強度有相當程度的降低，結構功能物受到損傷，根據《公路隧道養護技術規范》（JTGH 12-2015）中表B-3的描述，該隧道襯砌結構狀況值為3，同時依據該規范中4.5.4節第5條的規定，土建結構技術狀況評定時，當洞口、洞門、襯砌、路面和吊頂及預埋件項目的評定狀況值到達3或者4時，對應土建結構技術狀況直接評定為4類或5類，于家灣隧道左線土建結構的技術狀況為4類，應實行交通管制，并盡快實施病害處治。

5 結束語

雖然目前隧道在設計上充分考慮了隧道內防火的要求，并采取了設置消防水箱、消火栓等措施，但對于較大的火勢來說，往往不能有效阻斷火勢的蔓延，對隧道結構及行人行車安全造成極大的隱患。

因此隧道火災后開展相關檢測十分必要，在檢測過程中應綜合考慮各受檢構件結構受損程度各參數間的相互關系，確保隧道檢測數據的準確性、客觀性、可靠性，并對后期的維修加固處置提供堅實的數據基礎。

本次于家灣隧道受火災損傷后，各檢測參數數據互相印證，無損檢測與鉆芯檢測數據基本吻合，現場外觀病害表現與相關檢測數據也十分吻合，在各檢測數據的強力支持下，可以客觀準確地評定隧道的受損情況，評定其技術狀況，并驗算其結構承載力。