福建某高速隧道火灾后的结构损伤检测及处置方案设计
2024-05-08胡德雄
■胡德雄
(莆田市高速公路建设有限公司,莆田 351106)
近年来, 我国高速公路建设发展速度不断加快,与之配套的隧道建设也不断进行,由于交通量的急剧增加,运营过程中产生的隧道病害也屡见不鲜,各类因素导致的隧道火灾损伤也时有发生。 由于隧道的固有结构特点,特别是特长隧道具有环境密闭特征,在火情发生时,受急剧升高的温度影响,隧道衬砌混凝土受热脱水,混凝土性能在短时间内会迅速劣化,造成碳化、剥落及开裂等病害,严重威胁通行车辆及行人安全。 而火损后隧道的修复往往需要中断交通,影响高速公路的顺畅通行。 因此,如何在灾后快速进行损伤检测及评定,并依据检测结果提出行之有效的加固措施,最大程度缩短修复加固工期,尽快恢复交通通行显得尤为重要。 基于此,本文以福建省某高速隧道火灾后的结构损伤为实例,探讨了隧道衬砌火烧损伤评定依据与程度分级,并根据受损程度提出相应的处置加固措施,以期为类似工程建设提供参考。
1 工程概况
1.1 原设计概况
该隧道为双向隧道,全长约3 km,隧道内最大及最小纵坡分别为:±3%,±0.3%。 洞门进口和出口均为端墙式,净高为5.0 m,净宽为10.25 m。 隧道由曲线及直线构成,通车时间为2017 年。
该区属构造为侵蚀剥蚀低山地貌,隧道轴线总体呈南北走向,地形差异较大。 隧道最大埋深约为220 m,上覆盖层较薄且植被较为发育。 深部围岩主要为微风化云母石英片岩,节理、裂隙较发育。
1.2 火灾情况
事故造成的火烧区域位于距隧道洞口500 m附近,火烧区为Ⅲ级和Ⅳ级围岩;二衬类型分别为Z3 型及Z4 型复合衬砌, 如表1 所示。 隧道衬砌构造如图1 所示,隧道限界如图2 所示。
图1 复合式衬砌构造
图2 隧道单洞建筑限界
表1 隧道火烧区域衬砌类型
2 隧道受损检定
2.1 隧道受损检测结果
由检测报告及现场调查可知,该隧道结构物火损主要为二衬砌混凝土大范围熏黑、并产生衬砌开裂、网裂以及衬砌剥落掉块,且沥青混凝土路面被烧损等;各类病害情况如图3 所示。
图3 隧道结构物火损病害情况
具体情况如下:(1)混凝土剥落掉块8 处,总面积为864 m2,剥落最深为30 cm;龟裂1 处,总面积为560 m2;网状裂缝7 处,总面积为1774 m2;环向裂缝共16 条,总长为57.1 m;斜向裂缝共3 条,总长为6 m;纵向裂缝共10 条,总长为57.5 m;止水带外露1 处,面积为0.02 m2;表层起层剥落7 处,总面积为1.29 m2;检修道边沟破损1 处,长45 m;沥青路面破损1 处,面积为225 m2;轮廓标等交通标志烧损1 处,长305 m;消防栓烧毁6 个。(2)经现场检查, 起火点约48 m 范围处于火灾温度场中心区域,起火点火场温度约为1 053°C。(3)采用超声波法对混凝土深层缺陷进行检测。 在起火点前后50 m 范围内,对隧道拱顶、边墙进行声速值测定。 检测结果表明,100 m 段落内,衬砌混凝土剥落最深达30 cm。
2.2 隧道火灾损伤程度评定
依据隧道受损程度将衬砌受损表面分为构件破坏区、构件损伤区、构件表层性能劣化区、构件表面性能劣化区4 个区域[1-2],如图4 所示。
图4 隧道结构物火灾损伤区分
2.2.1 构件表面性能劣化区
该区域受火灾影响最小,主要体现为二衬混凝土面层以及照明灯饰受烟雾熏黑,表层混凝土未因火灾产生剥落与网裂病害,且颜色与之前无异,采用锤子击打声音脆亮。
2.2.2 构件表层性能劣化区
该区域受火灾影响较小,主要体现为混凝土表面及照明灯饰被烟雾熏黑,混凝土表层因高温发生少量开裂,且用硬毛刷清除表面烟灰后,混凝土呈灰白色,颜色仍正常,用锤子敲击声音仍响亮。
2.2.3 构件损伤区
该区域受火灾影响大,总体表现为大面积混凝土和照明灯具被烟雾严重熏黑,且部分灯具受高温影响融化。 二衬混凝土面层出现较大面积网裂、部分区域混凝土剥落掉块,刷除表面松散附着物后,可见混凝土颜色偏白。
2.2.4 构件破坏区
该区域火灾影响严重,主要体现为二衬严重烧伤,隧道附属设施均被烧毁。 二衬混凝土大面积剥落、龟裂、拱顶纵向裂缝;部分龟裂锤击后混凝土松散掉落;混凝土表面熏黑,用硬毛刷刷除后,混凝土颜色发白;路面出现破损(烧损)。
采用回弹法对隧道衬砌混凝土进行强度检测[4],烧伤区共检测出18 个测区(表2)。 18 个测区内二衬混凝土抗压强度设计值为C25,由检测结果可知,构件表面劣化区及构件表层裂化区衬砌混凝土强度基本满足原设计要求,而构件损伤区及构件破坏区在火烧损害后混凝土强度均有所折损,特别是构件破坏区的混凝土强度大幅下降,不满足原设计要求。 部分混凝土强度回弹法检测结果如表3 所示。
表2 隧道衬砌混凝土损伤分区及数量分布
表3 回弹法检测混凝土强度结果
3 针对性加固方案
3.1 加固处置原则
加固处置原则如下:(1)隧道受损段落围岩等级主要为Ⅲ级和Ⅳ级,二衬受火灾高温影响较大,但围岩并未受损,仍具有较好整体性;且二衬厚度基本满足原设计要求,故在不扰动围岩稳定性的前提下对衬砌进行相应处置措施,以保证衬砌的结构稳定。 (2)需依据检测报告的衬砌受损分区结果,有针对性地提出处置措施[5]。
3.2 有限元分析计算
构件表面性能劣化区及构件表层性能劣化区损伤处于衬砌表面,混凝土强度基本满足隧道原设计的结构安全要求。 而构件损伤区混凝土强度最小值为19.7 MPa,构件破坏区混凝土强度最小值为11.0 MPa,不满足原设计要求。
3.2.1 计算工况
采用Midas GTS NX 有限元计算软件, 按隧道原设计参数及检测实际参数建立二维荷载—结构法计算模型[3],对以下2 个工况进行分析计算。 工况一:原设计工况。 取Z4 型复合衬砌,隧道围岩等级为Ⅳ级, 二衬厚度35 cm, 混凝土强度设计值为C25,荷载组合系数取1.0(综合安全系数法),二衬按承担70%荷载取值。工况二:火损后检测工况。依据检测报告AK85+410~422 段落衬砌混凝土拱腰处剥落最深达20 cm,混凝土强度推定值为11 MPa,故火损后该断面二衬计算厚度应取15 cm,其余部位按实测厚度取值,混凝土强度取C10,隧道围岩级别为Ⅳ级,荷载组合系数取1.0(综合安全系数法),二衬按承担70%荷载取值。
3.2.2 计算参数
计算参数如表4 所示。
表4 有限元模型计算参数
3.2.3 计算结果
二次衬砌的轴力图和弯矩图, 如图5~8 所示。根据JTG 3370.1-2018 《公路隧道设计规范》 的规定,计算各个截面的安全系数(表5)。 计算结果表明,因火损造成的混凝土强度不足,以及二衬剥落变薄,导致衬砌结构承载力大幅降低,拱顶、左拱腰及左边墙衬砌安全系数不满足要求,需采取加固措施,以保证结构安全。
图5 工况一的二衬轴力图
图6 工况一的二衬弯矩图
图7 工况二的二衬轴力图
图8 工况二的二衬弯矩图
表5 二衬内力值及其安全系数
3.3 加固处置方案
根据检测报告划分的衬砌结构损失程度和判定的损伤层厚度,采取分段治理方案。 (1)构件表面性能劣化区采用高压水枪清刷二衬表面烟熏部分,对局部存在的外观缺陷进行修复。 (2)构件表层性能劣化区采用高压水枪清刷二衬表面烟熏部分,对局部存在的裂缝缺陷进行封闭修复。 (3)构件损伤区采用凿除松散混凝土至新鲜混凝土界面,经打磨平整后再用粘钢处理。 (4)构件破坏区,设计认为该区域衬砌混凝土在高温作用下基本已经失效,为确保结构安全本次采用的治理方案为原位衬砌拆换,路面层洗刨重铺。
3.4 裂缝处置原则
根据检测报告,本次衬砌存在多处上述以外的其他形态裂缝,因构件破坏区采用拆换设计,本次裂缝处置段落为构件损伤区、构件表层性能劣化区及构件表面性能劣化区。 本次设计常规其他裂缝外观修复设计如下:(1)隧道裂缝裂缝宽度(W≤0.2 mm)修复设计采用表面环氧胶泥封闭法处理。(2)隧道裂缝宽度(0.2 mm<W<0.5 mm)为常规裂缝,修复设计采用毕可法(恒压灌浆法)处理后再采用表层涂抹密封胶进行处理。 (3)隧道超限宽裂缝宽度(W≥0.5mm)修复设计采用骑缝注浆法进行处理。
4 结论与建议
本文依托福建某高速公路隧道火灾损伤为工程实例,在现场检测的基础上,根据损伤程度提出了相应的加固处置方案,得出以下结论:(1)通过受损隧道衬砌表面检查、回弹法测试衬砌强度情况、钻孔取芯检测衬砌碳化深度并测定抗压强度、采用地质雷达探测二衬厚度等措施,能对隧道受损程度进行较为全面的评定,并可依据受损评定结果提出相应的加固措施;(2)根据火损程度不同,将损伤段落进行分段后,对应采取修复加固措施,在经济性及适用性等方面能取得更好的加固效果。