新七道梁隧道衬砌结构火灾损毁特性及处治

郭毓新(甘肃路桥建设集团有限公司，甘肃兰州 730030)

1 引言

随着高速公路的发展，公路隧道里程迅速增长，而且规模越来越大。由于公路隧道空间结构上的特殊性，其发生火灾的潜在可能性普遍存在。近年来，世界各地隧道火灾事故频发，1996年的英吉利海峡隧道火灾、1999年的奥地利勃朗峰隧道火灾、2008年京珠高速大宝山隧道火灾等等事故，都造成了巨大的人员伤亡和财产损失，同时导致隧道结构和设施严重受损。隧道火灾的危害引起了各国对隧道消防安全问题的高度重视。

2011年4 月8 日，G75 兰 海 高 速 公 路甘肃段新七道梁隧道上行线发生火灾，造成四人死亡、三辆车烧毁，导致隧道上行线K18+530-K19+090 段560m 衬砌结构、路面、交通机电设施、内装修受损严重。本文通过对受损后隧道断面尺寸、二衬砼强度检测，分析了衬砌结构损伤特性，对火灾损伤等级进行判定；结合揭露后防水板取样检测情况、围岩情况，受损后结构稳定性监测结果，制定了合理的处治方案，安全高效的完成了隧道衬砌损毁处治。

2 新七道梁隧道火灾概况

2.1 隧道概况

新七道梁隧道为上、下行分离式，上行线长4003m、纵坡为+2.05%，下行线长4070m、纵坡+2.11%，属石质特长隧道；采用竖井+射流风机通风；隧道行车道中心线间距45m，共布设5 处紧急停车带和5 处车行横洞；隧道衬砌表面进行了装修，未涂装防火材料。该隧道于2004年12 月建成通车。

2.2 火灾概述

2011年4 月8 日凌晨3 时30 分许，G75 兰海高速公路甘肃段新七道梁隧道上行线由于两辆油罐车追尾，导致罐内近40 吨190 号溶剂油泄露着火并引燃前方150m 处紧急停车带内停靠的一辆半挂车，火灾持续约2h。两辆油罐车追尾的主着火点位于K18+665-K18+700 段，距进口1225m。由于为上坡隧道，且前方有竖井，在风力作用下导致着火点向出口方向火灾损毁严重。

2.3 损伤段原衬砌情况

火灾损毁段落围岩主要为紫红色中～厚层状砾岩，含砂砾岩、砂岩夹泥岩。K18+530～K18+775 段围岩属Ⅲ类，原设计支护采用WTD25 注浆锚杆、间距15×15cm 钢筋网片、12cm 厚C20 喷射混凝土，PVC 复合土工防水板，50cm 厚C25 混凝土衬砌、40cm 厚混凝土仰拱；K18+775～K19+090 段围岩属Ⅳ类，原设计支护采用局部WTD25 注浆锚杆、8cm 厚C20 喷射混凝土，PVC 复合土工防水板，45cm 厚C25 混凝土衬砌。

3 火灾对衬砌结构的损伤

3.1 燃烧温度估计

受燃烧高温影响，衬砌混凝土内产生不均匀复杂应力，致使衬砌混凝土大面积爆裂剥落，隧道内路面上形成了大量的混凝土碎渣堆积物。根据剥落衬砌混凝土颜色呈灰白色至浅黄色和现场发现的铝材的熔块，对照《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS252:2009)，判断火灾现场的温度应在600 摄氏度以上，主着火区内隧道拱顶部位二衬混凝土表面温度在1000 摄氏度左右。

3.2 损伤后断面检测

断面尺寸检测采用隧道专用断面仪，根据现场目测的混凝土崩落量较大断面进行测量，共计测量14个断面，各断面实测面积与理论面积的差值沿隧道长度方向的变化情况如图1。

图1 火灾后隧道净空断面面积增加示意图

图2 拱顶混凝土强度沿隧道纵向分布示意图

可以看出，断面崩落厚度最大为35.4cm，发生在K18+680 断面的右侧拱腰，崩落厚度较大的断面主要集中在K18+663 至K18+712 间，平均厚度为29.3cm。

3.3 损伤后二衬混凝土强度检测

3.3.1 回弹法

对隧道受损段落采用回弹法检测了衬砌结构混凝土强度。拱顶混凝土强度沿隧道纵向分布，见图2。

3.3.2 钻芯取样法

对隧道K18+590～K19+240 段右边墙采用钻孔取芯法进行了混凝土强度测定。试验结果如下：

(1)芯样外观正常，颜色均匀、混凝土密实、无断裂及其它损伤，芯样孔壁光滑，无异常。

(2) 抗压强度最小值为22.3MPa(K18+694处1# 芯样，火灾事故点集中在K18+665～K18+690 段)，其余芯样强度均在30 MPa 以上，最大值为47.8MPa。

(3)对抗压试件进行了编号，靠近洞壁的试件编为1#，靠近围岩的试件编为2#，对比几组测试数据，见图3 所示。

图3 隧道右边墙钻孔取芯混凝土强度

可见，同一芯样制取的1#试件的抗压强度均低于2#试件的抗压强度。说明混凝土外表受高温影响比内部大，强度有所降低。

3.4 开挖揭露情况

3.4.1 防水板

拆除揭露后PVC 防水板表观没有高温热熔的迹象。分别从K18+800、K18+740、K18+657.5三处裁取防水板取样检测，性能指标如下表，表中主着火区性能指标最小，离主着火区越远处性能指标越大，可见火灾高温导致防水板性能降低。

3.4.2 围岩

开挖揭露，火灾损毁段围岩主要为紫红色中～厚层状砾岩，围岩强度高、完整性好，未受到火灾影响。

3.5 损伤等级评定

表1 几个隧道断面的火灾影响检测分析结果

图4 严重损伤段衬砌混凝土剥落情况

依据《火灾后建筑结构鉴定标准》(CECS 252:2009)，综合表1 中火灾影响检测分析结果，对隧道损坏段落按损伤轻重程度进行了段落划分及等级评定，具体结果如下：

图5 中度损伤段衬砌混凝土剥落情况

图6 轻度损伤段衬砌混凝土剥落情况

1)严重损伤段：K18+657.5～K18+776，共计118.5m。如图4 所示，洞身二衬混凝土大面积剥落，洞身衬砌结构完全破坏，风机处二衬加强钢拱架裸露在外，剥落深度在10～35 ㎝间，洞顶混凝土强度损失大，评定为Ⅳ级。

2) 中度损伤段：K18+620～K18+657.5、K18+776～K18+827 和K18+873～K18+923共计138.5m。如图5 所示，该段洞身二衬混凝土大面积剥落，剥落深度在2～10 ㎝间，局部超过10cm，洞身衬砌结灯具以下部位破坏相对严重，洞顶混凝土强度损失较大，评定为Ⅲ级。

3)轻度损伤段：K18+530～620、K18+827～K18+873 和K18+923～K19+090，共 计303m。如图6 所示，该段二衬混凝土表面局部剥落，剥落深度在2～6 ㎝间，洞顶混凝土强度损失较小，评定为Ⅱ级。

4 衬砌结构损伤处治

4.1 处治方案确定的依据

1)损伤后结构稳定性监测情况。火灾后对损伤段落采用全站仪免接触监控量测，隧道整体稳定性未受到火灾影响。

2)围岩情况。围岩未受火灾高温影响，整体性好，处治时以不扰动围岩为原则。

3)原支护结构。依据原支护结构确定处治深度。

4)衬砌结构损伤程度。依据衬砌结构损伤程度确定处治方案，严重损伤段衬砌混凝土强度损失严重，剥落深度大，防水板性能降低；中度损伤度和轻度损伤段衬砌混凝土强度损失较小、强度均大于原设计强度，剥落深度较小，防水板性能降低较小。

4.2 处治方案

针对衬砌损伤程度，结合原衬砌结构，采用以下处治方案：严重损伤段二次衬砌结构性能及承载能力完全丧失，将二次衬砌全部拆除更换，同时更换防排水系统；中度损伤段和轻度损伤段火灾只是表面损毁，为处治衬砌外观及提高受损表面混凝土的耐久性，采用表面整平处理，挂网后聚合物砂浆抹平。

4.2.1 更换衬砌

严重损伤度围岩属Ⅲ类，原支护结构中二衬承受部分围岩压力。拆除重新施做二次衬砌采用12m 长模板台车，由于受损二衬受力状况不明，为防止拆除较长段落时隧道围岩及原初衬自稳能力不足，处治时对原初期支护重新施做加强。具体方案为：短进尺(＜2m)拆除原50cm 二次衬砌和12cm 初期支护，施做22cm 厚喷射混凝土初衬(水泥药卷锚杆、I18 工字钢间距50cm)，铺设防水板后施做40cm 厚C25 钢筋混凝土二衬(双层钢筋)。二衬钢筋用植筋的方式加强与原衬砌下边墙的连接，以确保结构成环、整体受力；重新施做防水板及环向排水管，以满足隧道衬砌结构安全性及耐久性要求。

施工时根据K18+695～K18+740 段的拆除情况，由于围岩及原初期支护整体性及自稳能力好，对剩余严重损伤段处治方案进行优化，拆除50cm 厚模筑衬砌后，原初期支护拱部增设锚杆补强，更换防水板及环向盲管，直接施做50cm厚C25 模筑混凝土二次衬砌。

4.2.2 表面修复

对该段衬砌结构，将模筑衬砌表层已烧损混凝土凿除，清洗。灯具以下(路面以上5.6m)范围，破坏较深＞5cm 处，清除浮渣挂φ6 钢筋网，M8×100mm 膨胀螺栓固定，聚合物砂浆整平,破坏较浅处，聚合物砂浆直接抹平；拱顶部位凿除浮渣，挂φ1mm 铁丝网，M6×85mm 膨胀螺栓固定，聚合物砂浆抹平。

5 结论

(1)经估计，新七道梁隧道火灾持续2h，温度达到600 摄氏度以上，主着火区混凝土表面温度在1000 摄氏度左右。

(2)在火灾高温下，衬砌结构损伤有如下特性：火灾对衬砌结构拱顶和拱腰部位损伤最为严重；，混凝土强度受损降低，温度越高，混凝土强度损失越大；由于混凝土表面温度高，致使衬砌结构靠火一侧强度损失大，衬砌内部强度损失较小；混凝土为热惰性材料，热容大、导热系数小，热量在混凝土内部传递较缓慢，导致产生巨大的不均匀温度应力，致使混凝土爆裂剥落，影响衬砌结构安；高温导致衬砌背后防水材料性能降低。

(3)根据火灾后衬砌损伤特性，针对对不同损伤程度，结合围岩揭露情况和受损后结构稳定监控量测结果，采取了合理的处治方案，安全、高效的完成了隧道衬砌结构火灾损毁处治。

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