浅谈公路隧道火灾后病害处治技术

翟正平

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

1 概述

岩后隧道位于国道二广高速公路山西境内晋城至济源段，为分离式双向四车道隧道，左洞长839.5 m，右洞长785.5 m，净高为5 m，隧道净宽为9.75 m，设计速度80 km/h。2014年3月1日隧道右线发生危化品燃爆事故，造成液态天然气车辆爆炸，隧道内42辆汽车、1 500多吨煤炭燃烧，大火燃烧了73 h，隧道被严重破坏。

2 衬砌结构及检测

2.1 既有衬砌结构

隧道衬砌结构是按照《公路行业隧道设计规范》（JTJ 026—90）设计。明洞为60 cm厚C25防水钢筋混凝土结构，拱背回填M7.5浆砌片石、土石及50 cm厚黏土隔水层。暗洞衬砌结构为复合式衬砌，有Ⅱa型、Ⅱb型、Ⅲa型、Ⅲb型、Ⅳa型共5类复合式衬砌[1]，具体支护参数见表1。

表1 既有复合式衬砌结构设计参数

2.2 隧道病害状况调查及检测方法

隧道病害调查采用了照相机、摄像机、直尺、皮尺等记录和量测工具，对隧道内病害状况进行了详细的调查，主要是衬砌、路面、排水边沟、电缆槽、洞门、防排水系统、机电等方面开展及其他设施[2]。

隧道衬砌检测主要针对隧道断面、衬砌厚度、衬砌结构，以确定衬砌结构变形情况和结构强度安全状况。采用激光断面仪检测隧道断面来确定隧道变形情况。二衬混凝土强度采用回弹法和超声回弹综合法进行无损检测，并结合钻芯法芯样强度试验结果，综合评定混凝土强度。隧道衬砌与围岩状况检测采用地质雷达，鉴于隧道衬砌表面平整连续，选择了时间方式连续测量方法进行检测。根据隧道衬砌取芯试验强度和衬砌损坏情况，结合不同位置衬砌结构强度变化情况，确定了衬砌结构损坏范围。

3 火灾后右线隧道损坏状况

3.1 隧道右线出口洞门

隧道右线出口为端墙式洞门，被火烧熏黑，但洞门墙墙身结构没有发现病害。火灾后发现问题：a）洞门墙顶帽石为块石，边沿被烧脱落；b）洞门墙左侧有1条横向的裂缝，为墙面装饰块石被火烧剥离开裂；c）明洞衬砌混凝土强度检测不足设计强度的50%，不满足使用安全要求。

图1 隧道出口洞门

3.2 衬砌结构

根据衬砌损坏情况和衬砌混凝土强度情况，将右线隧道内衬砌损坏分为3个区：损坏严重区、损坏中等区和损坏轻微区。

3.2.1 损坏严重区

K9+950—K10+361出口段为火灾后衬砌损坏严重区。火灾后隧道状况：a）隧道衬砌剥离脱落24处、深度在5～32 cm间，最长剥落段K10+187—K10+238段有51 m长；b）衬砌表面都是网状裂缝；c）隧道的配电箱室和灭火器室都存在不同程度损坏；d）人行横通道与主隧道交叉处衬砌混凝土已经烧坏。

3.2.2 损坏中等区

K9+800—K9+950段为火灾后衬砌损坏中等区。火灾后隧道状况：a）隧道衬砌剥离脱落1处、深度在10 cm；b）麻面2处；c）衬砌表面有环向、纵向和网状裂缝；d）隧道的配电箱室和灭火器室个别轻度损坏。

3.2.3 损坏轻微区

K9+575.5—K9+800段为火灾后衬砌损坏轻微区。火灾后隧道状况：a）隧道衬砌环向施工缝和结构缝基本全部显现；b）衬砌结构局部有裂缝，裂缝宽度在0.5～1 mm之内。

3.2.4 防火涂层

右线隧道已全部被烧毁，隧道中涂层不断小块脱落或开裂。

3.3 隧道防排水设施

衬砌施工缝处橡胶止水带基本被损坏。衬砌背后EVA防水板部分被热熔，隧道的配电箱室和灭火器室处EVA防水板被烧掉。

3.4 隧道边沟及电缆槽

K9+575.5—K9+950损坏轻微段和中等段的盖板边沿的电缆槽都被烧坏，盖板有个别的损坏。K9+950—K10+361损坏严重段的电缆槽外侧槽身和盖板都被烧坏，盖板用锤砸能砸下小坑，且表面出现裂缝。

3.5 机电及其他设施

隧道内机电及其他设施全部损坏，包括隧道洞口的机电设施控制室内部分设备受爆炸冲击被损坏。

4 病害处治技术

4.1 处治原则

隧道处治依据《公路隧道设计规范》和《公路隧道养护技术规范》，以彻底地处理隧道病害和保证隧道安全运营为原则[1-2]。处理方案要费用少、施工快，不得恶化现有围岩条件、不得加速病害发展、尽量不损伤既有无病害结构。隧道加固材料采用无毒、无污染材料，满足安全、环保的要求。

4.2 具体处治措施

4.2.1 出口洞门处治

隧道右线出口洞门采用拆除重新修筑，和新建隧道洞门一样，墙身C20现浇片石混凝土，表面采用块料石镶面。洞门和明洞之间采用φ22钢筋连接。

4.2.2 隧道衬砌替换和加固

4.2.2.1 二次衬砌整体换拱

a）K9+950—K10+361损坏严重区采用隧道整体换拱，将二次衬砌全部拆除重筑。重新砌筑隧道的二次衬砌，因隧道建筑限界是确定不变的，所以二次衬砌结构厚度同原衬砌厚度，采用C30防水混凝土。其中，Ⅳ型衬砌段考虑围岩受大火烧时间长，对外围松散危岩进行清除，清除范围按照外围30 cm厚度考虑，清除完后喷射10 cm厚C25喷射混凝土（考虑抢险工期要求添加2%早强剂来加快施工进度）。

b）对隧道周边围岩加固，考虑火灾对围岩裂隙发展的影响，为保证安全，对整体换拱段全部采用φ42小导管进行注浆加固，长250 cm，环向间距80 cm，纵向间距100 cm，注水泥浆。拱部是加固重点部位。

c）拆除衬砌采用机械切割和人工凿除。拆除时二次衬砌初始凿除开口，要做切割或切槽，方便后期人工凿除。凿除时作安全防护支架保护施工人员的安全。施工时对拆除二次衬砌工艺和安全保护进行设计。

d）拆除二衬后要立即进行临时防护支撑，采用I16工字钢钢拱架支撑。

e）防排水设计和新建隧道衬砌防排水一样。明洞衬砌外设置土工布、EVA防水卷材，拱墙外侧设置纵向排水管，每隔5 m设盲管与底部纵向排水管相通。洞顶回填土上置一层厚50 cm的黏土防水层将水排入洞顶水沟，顺势集入天然水沟内排出隧区。洞身在初期支护与二次衬砌间设置EVA复合防水板（300 g/m2土工布、EVA防水板厚1.2 mm），要求二次防水衬砌混凝土的抗渗系数大于S8，对施工缝、工作缝、沉降缝作专门的防水处理[1]，同时每10 m设置一环向盲管与拱脚的纵向排水管相连，通过横向排水管将水排入路侧排水边沟中。路面排水通过两侧边沟排走。

4.2.2.2 隧道嵌钢拱架

在紧靠隧道损坏严重区段K9+900—K9+950段，采用隧道嵌钢拱架方案，针对隧道衬砌裂缝为大面积网状发展处，或衬砌表面强度大面积不足处。衬砌嵌入格栅钢拱架支撑，就是在二次衬砌上开深20 cm宽30 cm的槽，将H-13C cm格栅钢拱架放入，钢拱架采用φ20的U型钢筋固定，在拱架每段接头处必须定位1次，中间定位2次，最后采用C30细粒式混凝土充填（碎石粒径不大于2 cm）。

4.2.2.3 二次衬砌局部更换

衬砌局部更换就是将衬砌结构厚度和强度不满足要求处，厚度不小于原设计衬砌厚度1/2，强度低于设计强度70%处，将局部不满足要求处二次衬砌结构切除或凿除，切除平面形式为方形。在切除二次衬砌前，应提前根据切除环向宽度加工好I18工字钢支撑，切除完成后立即将钢支撑放入。衬砌采用C30防水混凝土。

4.2.2.4 衬砌表面修补

衬砌表面为麻面和表层脱落，采用挂钢筋网喷射钢纤维混凝土修补。将劣化结构清除，然后挂φ6钢筋网，网间距25 cm×25 cm，钢筋网采用φ12钢筋固定，钢筋植入衬砌15 cm。最后喷射C25钢纤维混凝土补平，人工抹平表面。

4.2.3 衬砌裂缝处治

4.2.3.1 施工缝处治

施工缝在火烧后混凝土结构膨胀收缩显现，有的止水带被破坏，必须对施工缝渗水进行处治。采用U形槽保温排水措施进行处治，即在衬砌上切15 cm×15 cm的U形槽，埋设φ100Yas排水半管，其四周用堵漏胶充填；之后，铺设8 cm保温材料；最后，喷涂防火涂层。

4.2.3.2 衬砌裂缝处治

a）对宽度大于1 mm的衬砌裂缝采用压力注浆法处治。垂直于裂缝或在裂缝侧面钻孔注超细水泥浆，注浆钻孔直径25 mm，间距30 cm，压力注浆顺序从下到上进行，即从衬砌竖向表面的最低点开始。注浆前在槽内采用环氧树脂、环氧砂浆等材料封闭裂缝。

b）对宽度在0.2～1 mm的衬砌裂缝采用凿槽充填法处治。修补时沿裂缝用机械开凿和人工剔凿，凿成“V”或“U”形，槽宽和槽深根据裂缝深度和有利于封缝来确定。“V”形槽采用树脂类的填充料，其宽度为50 mm、深度为50 mm；“U”形槽采用水泥砂浆填充，其宽度为50 mm、深度为50 mm。

c）对宽度小于0.2 mm的表面裂缝采用粘贴碳纤维布处治。涂刷底胶前，裂缝缝口表面要求基面平顺、干燥、无附着物，露出结构新面。粘贴碳纤维布（300 g/m2）时，将环氧树脂结构胶用滚筒均匀涂刷于需要黏结的混凝土表面，尽量将在碳纤维布和树脂间空气除去，滚压时不得损伤碳纤维，粘贴碳纤维布后应养护让自然达到初期固化，保证固化期间不受外界干扰和碰撞。

4.2.4 其他工程处治

4.2.4.1 电缆槽处治

损坏严重段电缆槽和盖板全部重新修筑。损坏轻微段和中等段盖板，按照个别损坏进行更换；电缆槽外侧边沿损坏植筋法修补，用φ16钢筋植入好的槽身内15 cm，露头10 cm，纵向间距50 cm，作为固定钢筋，设置φ12纵向钢筋绑扎在固定钢筋上，修补采用C25混凝土修补。

4.2.4.2 防排水处治

没有更换衬砌段隧道喷涂防水层。防水层采用聚氨脂系列，要求每平米刷2 kg且厚度不小于1 mm。在清除干净衬砌表面之后[3]，须按要求进行表面验收。

4.2.4.3 路面和防火喷涂

右线隧道内路面沥青混凝土面层全部凿除，采用原沥青混凝土路面结构。隧道内装采用防火涂层，要求耐火极限不小于2 h。防火涂层施工在衬砌加固、防水处治全部施工完成后施工。

5 处治措施优化方案

5.1 裂缝处治方法调整

a）对不影响结构安全、长度小于1 m且宽度小于0.2 mm的衬砌表面裂缝不作处理。

b）为加快施工进度，对宽度小于0.2 mm的裂缝采用环氧树脂胶封闭；对宽度大于0.2 mm且小于1.5 mm的裂缝采用低压渗透法灌注胶处治，可避免衬砌开槽，能加快施工进度。

图2 低压渗透法灌注灌封胶

c）施工现场对所有处治的裂缝应做好记录，并归档保存，以便在后期对病害处治情况进行核实和观察处治效果。

5.2 衬砌加固与预埋件交叉处理

通过采用调整施工工艺处理，损坏中度区嵌入钢格栅加固中时，发现钢格栅与纵向预埋镀锌钢管相交叉，施工现场增加钢格栅时需纵向开凿并重新埋设管件。为保证二衬混凝土的整体性，不能开凿通长的纵向槽。对于预埋管交叉的钢格栅，采用在槽内安装完主筋后，根据实际情况调整斜筋和环向钢筋的位置进行现场焊接，增加了施工费用，但保护了衬砌结构。

5.3 衬砌围岩加固调整

隧道衬砌换拱加固段中，Ⅳ类围岩段换拱加固段，依据现场拆除衬砌后情况，围岩状况较好，基本不存在危岩，且隧道围岩监控量测稳定，取消Ⅳ类围岩段的周边清除30 cm厚危岩，取消周边注浆加固，只对围岩裂隙明显处进行注浆加固。

5.4 衬砌表面修补调整

衬砌表面局部损坏修补时，考虑施工更快，对位置在边墙且面积小于0.5 m2的表面损坏，采用聚合物水泥混凝土（砂浆）、改性环氧混凝土（砂浆）等材料。

6 结论

a）设计时加固方案要考虑对预埋管道和设施的影响，处治设计时要对原设计预留预埋件有详细的了解，采取有效的保护措施，要求施工工艺精细化来减少破坏，处治方案尽量避开对预留预埋件的干扰。

b）施工中要注意机电和其他工程设施中预埋件的施工，特别是机电及其他工程在施工开始前进行技术交底，对预埋件必须强调。

c）处治方案要细化，对病害情况和危害程度进行分类和定性，根据其危害程度进行处治，让方案安全、施工快、费用少。

d）衬砌裂缝处治应根据裂缝宽度、深度、长度和危害程度对其进行定性和分类，然后根据裂缝情况采用不同的处治方法，让处治方法更加安全、施工快速、经济节约。