高速公路隧道火灾灾后损伤检测及结构安全评价

李 清,靳红涛

(1.广东华路交通科技有限公司，广州 510420；2.广东交科检测有限公司，广州 510550)

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0 引言

根据运营公路隧道情况统计，以隧道火灾为代表的突发性灾害已成为危害公路隧道结构与运营安全的关键因素[1]。高速公路隧道由于其交通流量大、结构狭长、通风条件相对较差，一旦出现严重火灾往往难以及时扑灭，并易造成一系列严重后果[2]。相关灾害案例表明[3-4]，隧道火灾不仅会对其内部车辆、人员和机电设施造成伤害，还会因火灾的高温灼烧与爆破冲击导致力学性能劣化，甚至出现混凝土结构爆裂、剥离等不可逆损伤，致使结构承载力与安全性大大降低。因此，高速公路隧道火灾的灾后检测、快速修复与安全评价是工程技术人员关注的重点问题[5]。

本文以云梧高速公路石牙山隧道火灾事故为例，通过系统性的灾后检测流程探明火灾对隧道结构及内部设施的损伤情况，并基于FLAC3D软件模拟分析受损隧道结构的安全性,以期为类似火灾案例的检测与评估提供参考。

1 工程概况

云梧高速公路石牙山隧道为分离式单向行车双车道隧道，设计速度为80km/h，长4 555m。隧道火灾事故段落围岩条件相对较好，围岩等级为Ⅰ ～ Ⅲ级，地层岩性主要为弱风化砂岩。火灾段落隧道结构采用采用复合式衬砌，以锚杆、喷射混凝土或钢筋网喷射混凝土，格栅钢筋拱架和轻型工字钢钢架作为初期支护。具体的支护参数：Ⅰ级、Ⅱ级围岩，初支均为5cm厚C20喷砼，二衬均为30cm厚C20模注砼；Ⅲ级围岩，初支均为10cm厚C20喷砼，二衬均为35cm厚C20模注混凝土。其中，Ⅲ级围岩段隧道支护结构断面如图1所示。

图1 Ⅲ级围岩段隧道结构断面(单位：cm)

2020年7月4日凌晨3：00，石牙山隧道K108+360断面附近(距离洞口约1 500m)发生追尾交通事故并引燃事故车辆，致使隧道部分主体结构、设施设备受损。事故发生后，相关单位立即启动应急预案，对火灾损伤情况进行了应急检测及灾后隧道安全性评价工作。

2 隧道受损应急检测及分析

2.1 检测项目

由于本事故系车辆追尾导致的货物着火，可燃物多且持续时间长，受烟气扩散影响，造成的损伤范围相对较大。根据现场勘测初定，火灾影响段为K108+050～+900，长850m。其中，受损最严重的为K108+360断面，烧伤段为K108+324～+381，轻度烧伤段为K108+306～+324和K108+381～+426，其余段落为轻微影响区。考虑到隧道火灾受损涉及因素众多，灾后隧道的检测应不仅包括结构外观、混凝土回弹、碳化深度、结构厚度、混凝土烧失量等基础性测试，还应包括过火衬砌力学性能、隧道侵限风险等潜在风险检测。根据火灾实际情况，确定隧道过火检测项目(表1)。

表1 火灾隧道应急检测项目

2.2 外观

经外观检测，火灾后隧道病害表观特征主要包括：二衬砼烧伤、二衬砼失水疏松剥落、灯架变形、边墙瓷砖脱落、交安附属设施破坏等现象。烧伤段(K108+324～+381)是烧伤最严重的段落，其烧伤区面积约为1 106m2，以主车道右侧边墙最严重，拱部和超车道侧边墙次之。经测算，混凝土剥落深度较大，平均深度为32mm，最大剥落深度达40mm。而轻度烧伤段虽影响面积达1 209m2，但主要为瓷片、防火涂料和附属设施等损坏，并未危及隧道支护结构。同时，现场检测表明，瓷片的破损状态与其至着火点的距离存在明显的相关性，位于烧伤段内的瓷片因灾时温度过高，基本全部脱落；位于轻度烧伤段的瓷片仅有上半部分脱离，这应与高温气体浮于顶部有关；而位于轻微影响段的瓷片多数完好，仅少部分存在脱落或空鼓。

图2 二衬剥离情况及深度测试

2.3 衬砌砼回弹与碳化深度

现场检测时在隧道左右边墙、左右拱腰、拱顶布设了共99处的回弹测区，回弹强度统计如图3a所示。从回弹强度来看：(1)回弹强度均大于20MPa但分布不均，20～30MPa的测点占比为38.8%，30～40MPa的测点占比为27.5%，大于40MPa的测点占比达33.7%；(2)最小回弹强度为20.6MPa，位于K108+349断面(临近燃烧点断面)，这应与燃烧车辆长时间燃烧有关；(3)全部测点回弹强度均大于设计值，满足结构设计的要求。

同时，现场检测还进行了碳化深度的测试，测试结果如图3b所示，可见：(1)碳化深度分布不均，过半测点碳化深度小于1mm，而碳化深度为1～2mm、2～3mm、3～5mm的测点占比分别为17.4%、14.7%、15.6%；(2)结合现场情况，碳化深度3～5mm的测点主要分布于烧伤段，表明越靠近燃烧点，其碳化深度值相对较大；(3)衬砌混凝土最大碳化深度仅5mm，总体不大，混凝土过火灼烧的不利影响可控。

图3 衬砌回弹与碳化深度

2.4 衬砌砼厚度与灾后力学性能

衬砌砼厚度检测采用地质雷达无损检测的方式，基于连续测量法选用900MHz天线进行探测，并沿隧道纵向分别在拱顶、左右拱腰、左右拱脚、左右两侧边墙布置7条纵向测线。测试结果显示，1 006个统计的衬砌厚度测点中厚度合格点达940个，厚度合格率达93.4%，平均衬砌厚度为36cm(设计厚度30cm)，仅有少数测点厚度小于23cm。

为进一步探明灾后衬砌力学性能，于烧伤段边墙部位取芯23处，每处芯样长度为22cm以上且均取出两个试件进行了单轴抗压试验。现场取芯及测试结果统计如图4所示。

图4 现场钻芯取样测试结果

由图4可知：(1)由于燃烧点附近结构存在一定的剥离，其芯样表层完整性一般；(2)近围岩侧衬砌芯样强度主要集中于23～26MPa，而近净空侧的强度主要集中于20～23MPa，因此近围岩侧衬砌普遍比近净空侧衬砌强度更高，由此可见火灾对衬砌强度有一定的影响，烧伤后强度存在一定的衰减；(3)除1处芯样强度低于20MPa外(18.9MPa)，其余各部位芯样强度均满足设计要求，因此灾后隧道砼结构基本符合服役强度标准。

2.5 衬砌砼烧失量

隧道火灾中被烧混凝土是火灾物证鉴定的重要内容之一，对其在高温下的变化情况可判定火场灾时的作用温度。首先从未过火段二衬砼取样，进行灼烧温度-烧失量的标准曲线测定,如图5所示；然后从燃烧点附近(K108+358、+360)拱脚部位取样，获得对应的烧失量，分别对应平均燃烧温度542℃、632℃。

图5 燃烧温度-烧失量关系曲线

由此可以确定，燃烧点附近过火温度达540℃～630℃，根据《火灾后工程结构鉴定标准》(T/CECS 252-2019)，该温度已达C20混凝土爆裂的临界温度，确会导致现场混凝土表层剥离。

2.6 隧道净空

为防止火灾损伤后衬砌二次变形导致的侵限风险，针对烧伤严重段落共检测13个典型断面，检测其衬砌断面净空，如图6所示。从检测结果来看，隧道宽度和净空均满足原设计的尺寸要求，隧道过火后引发的不良变形总体处于合理范围。

图6 断面净空检测结果

2.7 灾后隧道损伤评估

灾后隧道各项检测结果显示：(1)火灾主要影响范围为K108+324～+381(燃烧点前后约20m)，主破损区面积约1 106m2；(2)该范围内表面瓷片基本炸裂脱落，衬砌混凝土剥离以拱圈部位为主，平均剥离深度为32mm，最大深度为40mm；(3)回弹测试与钻芯取样均显示，灾后衬砌结构厚度、强度虽有所降低但仍基本满足设计要求；(4)依据烧失量，推测该区段火灾时的过火温度可达630℃；(5)灾后衬砌结构变形总体不大，未出现结构侵限的情况。

从检测结果来看，火灾对案例隧道的影响总体可控，但为进一步明确灾后隧道结构安全性，采用数值仿真方法进行过火隧道结构安全评价。

3 灾后隧道结构安全性评价

3.1 模型建立及材料参数

根据现场火灾情况，选取燃烧点所在的K108+360断面作为本次模拟的分析断面，该断面埋深120m，围岩等级为Ⅱ级。基于实际工程，建立双车道公路隧道“隧道-地层”模型[6]，如图7所示。模型水平方向上向隧道两侧取3倍以上洞径，各延伸50m；模型竖直方向上从隧底向下方取3倍以上洞高，共50m；模型竖直方向上从隧顶向上方取3倍以上洞高，共50m；未建立至表面部分采用等效重力法将重力作用于模型上表面。模型中全部单元均为实体单元，围岩采用摩尔-库伦本构模型，而支护结构采用弹性本构模型，具体的材料参数见表2。模型力学边界条件：地层左右两侧设置水平约束，地层底部设置竖直约束，地层顶部设置上部围岩自重应力的力学边界条件。

图7 数值模型网格划分

表2 围岩与结构的物理参数

3.2 计算工况

根据实际火灾情况(燃烧车辆位于右侧车道，右侧剥离程度大于左侧)，以剥离深度、拱部剥离角度作为分析因素，设置了四种计算工况：(1)无剥离工况；(2)拱部右侧75°范围剥离4cm工况；(3)拱部120°范围剥离4cm工况；(4)拱部120°范围剥离10cm工况。各工况隧道结构模型如图8所示。

图8 各工况隧道结构模型

3.3 计算结果分析与讨论

提取各工况下隧道结构竖向位移分布、结构小主应力分布，如图9和图10所示。其中竖向位移以竖直向上为正，结构应力以受拉为正。需要说明的是，由于结构水平位移、结构大主应力(拉应力)变化较小，故未予以绘出。

图9 结构竖向位移云图(单位：mm)

图10 结构小主应力云图(单位：MPa)

由图9可见：(1)各工况下隧道结构的最大沉降位移均位于拱顶部位，最大隆起均位于边墙角部位；(2)各工况下隧道拱顶沉降分别为3.39mm、3.55mm、3.79mm、4.07mm，随剥离范围或剥离深度的增长，拱顶沉降持续增加，但增量仅为0.68mm，影响相对较小；(3)由于拱部结构刚度的削减，结构剥离的影响主要呈现为拱顶沉降的增长，而对于其他部位的影响并不明显。

经分析，隧道支护结构仅存在小幅的位移量增长，这应与围岩等级较高且具备良好的自稳能力有关。

由图10可见：(1)隧道火灾剥离衬砌后，混凝土压应力最值从未剥离工况的10.54MPa增长至现场剥离条件(4cm)时的12.09MPa，应力增量为1.55MPa，应引起重视；(2)当衬砌剥离厚度继续增长到10cm时，结构压应力最值增长至12.61MPa，应力增量达2.07MPa；(3)各工况下隧道结构的压应力最值均位于拱脚部位，而由于拱部结构刚度的削减，拱顶部位的压应力存在明显的增长。

为评价隧道结构的安全性，提取数值模型结构内力并依据《公路隧道设计规范》[7]计算其典型部位结构的安全系数，计算结果见表3。需要说明的是，表3中的结构安全系数均为抗压安全系数，规范要求此系数需大于2.0。

表3 典型部位结构安全系数

由表3可知：(1)各工况下虽然拱部安全系数降幅明显，但是结构最小安全系数仍均位于右拱脚部位，表明拱脚部位为受力薄弱环节，需予以关注；(2)隧道火灾剥离衬砌后，结构最小安全系数从未剥离工况的9.87逐步降至现场剥离条件(4cm)时的7.43，安全系数降幅较为明显，应引起重视；(3)当衬砌剥离厚度继续增长到10cm时，结构最小安全系数降至5.88，降幅明显，但仍能满足规范要求。

总体来看，过火后拱部衬砌的剥离引发了拱部整体支护刚度的削减，进而导致拱顶沉降的增加、结构最大压应力的上升、结构最小安全系数的减少。同时，拱部剥离范围与剥离深度的增大均会加剧上述不利影响，应予以重视。但在拱部剥离深度达到10cm的工况下，拱顶沉降量为4.07mm、混凝土最大压应力为12.61MPa、结构最小安全系数为5.88，均能符合规范限值的要求。

4 结论

(1)结合典型隧道火灾案例，提出了系统性的灾后检测流程，具体包括外观、衬砌砼回弹与碳化深度、衬砌砼厚度与灾后力学性能、衬砌砼烧失量、隧道净空等多项检测内容。通过上述流程，基本探明了火灾对隧道结构及内部设施的损伤情况，可供同类火灾案例参考。

(2)检测结果表明，案例隧道火灾主要影响范围为燃烧点前后约20m，主破损区内表面瓷片炸裂脱落严重；拱圈衬砌砼普遍存在剥离，平均剥离深度为32mm，最大深度为40mm，但衬砌厚度仍可满足设计要求；衬砌过火后表层砼强度存在下降，衬砌强度呈现“内高外低”的特征；依据烧失量试验结果，可推测燃烧点的过火温度达630℃；衬砌结构变形较小，未出现结构侵限。因此，火灾对案例隧道的影响总体可控。

(3)基于FLAC3D软件分析了隧道过火后不同剥离情况下隧道结构位移、应力及安全性规律特征。

计算结果表明，拱部衬砌的剥离会导致拱顶沉降小幅增大、结构压应力一定的增加、结构最小安全系数明显降低。同时，拱部剥离范围与剥离深度的增大均会加剧上述不利影响。但在拱部剥离深度达到10cm的工况下，拱顶沉降量为4.07mm、混凝土最大压应力为12.61MPa、结构最小安全系数为5.88，均能符合规范限值的要求。基于此，处治设计采用了高强环氧砂浆修复，经过一年的营运，处治效果良好，与计算分析结果一致。