公路隧道衬砌结构火灾损伤检测与评估研究

刘 俊

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司 武汉 430050)

山区公路隧道结构狭长、空间小、道路窄、通风条件差、受火温度高，一旦发生火灾不能及时扑灭时，高温会导致隧道衬砌混凝土的爆裂和力学性能劣化，降低结构的承载力和安全性[1]。郭盛[2]研究火灾高温下隧道衬砌在不同温度区域与不同衬砌深度混凝土的物理力学性能的劣化规律；韩泰然[3]通过火灾下的衬砌结构热应力模拟计算，总结火灾后衬砌结构损伤检测与评价及提高衬砌结构耐火性能的方法；赵晓晓[4]利用现场勘测法对火灾隧道进行初步损伤评价并有针对性地提出加固方法。由上可知，以往相关研究多集中在隧道衬砌结构的火灾模拟计算及安全性评估的理论和初步应用方面，对于火灾后现场衬砌结构的检测和安全评估应用研究甚少。本文依托因货车起火燃烧的某运营隧道典型衬砌火损病害，通过实地调研、表观检查、实测数据分析与评价等手段，从多个角度对隧道火灾衬砌的影响进行分析和安全性评价，以期为类似工程提供借鉴。

1 衬砌火损调查与评估概述

隧道衬砌混凝土在火灾高温作用下的物理力学性能持续劣化后一般会产生防火涂层剥落、表层裂缝或爆裂掉块等典型病害，可能导致隧道局部坍塌的严重后果。隧道衬砌火损调查与评价主要依据表面特征观查并结合断面测量、地质雷达检测、衬砌混凝土强度检测等其他特殊检测结果进行。调查评价流程可分为以下3个步骤：初步踏勘、表观详细调查和风险识别评价。评价流程图见图1。

图1 衬砌表观调查及风险评价流程

1.1 初步踏勘

由检测人员进入灾后现场进行初步踏勘，摸清起火点位置、火势蔓延过程等，通过现场观察、敲击衬砌并观察灾后残留物，初步判断火灾燃烧程度及衬砌受损情况，并确定衬砌结构过火区域和详细调查范围，做好下一步衬砌表观系统调查的准备工作。

1.2 衬砌表观详细调查

隧道火灾后的清障和排险工作完成后，使用三维实景重建与全景展开图技术(3DZI)进行衬砌表观系统调查。即对隧道调查区域的衬砌结构进行全覆盖和高密度的拍照工作后对现场照片集进行三维重建，以获得灾后现场的三维实景模型。根据隧道设计参数建立设计轮廓模型，对三维重建模型与设计轮廓进行匹配和核准，并利用设计轮廓模型对现场照片进行矫正拼接，获得隧道衬砌火灾后的全景展开图。

结合初步踏勘资料和相关标准规范，对衬砌全景展开图进行详细解释与标识，根据图中衬砌混凝土表面颜色、裂纹、爆裂和剥落的情况推定不同区域的损坏程度，并以单模衬砌为基本单元进行火损区段划分。

1.3 风险识别与评估

火灾后隧道衬砌的火损风险识别与评估主要基于对衬砌外观和混凝土材料劣化性能的检测结果。隧道外观检测主要对表观损伤特征进行检查，包括衬砌破损的位置、范围或程度，墙身施工缝开裂宽度、错位量等。衬砌混凝土材料的劣化性能检测主要包括衬砌厚度及缺陷、隧道内轮廓、混凝土回弹强度及碳化深度、衬砌混凝土钻芯及抗压强度等。

衬砌火损风险识别与评估时通过总结类似火灾事故得到的风险类型，结合衬砌表观系统详细调查得到的隧道火损区段对可能发生的风险进行一一辨识，然后基于隧道内火损图像采集和处理结果，结合衬砌外观和混凝土材料劣化性能的检测报告，采用R=P×C定级法对隧道过火段进行火灾风险评估。

2 衬砌火损调查与评估应用

2.1 工程概况

某山区上、下行分离的双洞公路隧道，左、右线全长均约6.9 km，采用分段送排式纵向通风方案。隧道右线洞内发生货车起火并引燃周围车辆的燃烧事故，过火影响段围岩类别为IV类～V类。地质纵断面图见图2。

图2 右线火灾过火段的地质纵断面

2.2 初步踏勘结果

消防搜救结束后的踏勘情况表明，隧道起火位置距离右线洞口不足500 m，高温烟气蔓延后引燃的起火车辆多达30辆，本次火灾过火段长约700 m，埋深范围为80～160 m。过火段拱部防火涂层大范围脱落，拱腰至边墙部分出现不同程度的龟裂和起鼓脱空，二次衬砌混凝土受热开裂、脱落，受损严重的地段拱部混凝土出现掉块，最大掉块厚度超过10 cm，堆积虚渣厚度达到50 cm之多。初步踏勘情况图见图3。

图3 隧道右线衬砌损毁严重段踏勘情况

2.3 衬砌表观详细调查结果

运用航拍建模技术采集隧道过火段现场地形信息及详细调查拍摄的洞内火损现场照片经三维重建后得到正洞的灾后三维实景模型，全景展开图见图4。

图4 隧道右线过火段三维重建结果

然后对拍摄照片进行矫正拼接即可获得右线过火段的全景展开影像，增加桩号及标尺后即可据此进行隧道衬砌的表观详细调查。

参照T/CECS 252-2019 《火灾后工程结构鉴定标准》对衬砌表观进行详细调查以确定隧道混凝土的火灾损伤等级。根据规范要求结合现场条件，将过火段受损程度分为3个等级：轻度损伤(IIa)、中度损伤(IIb)和严重损伤(III)，并据此对过火段衬砌进行损伤区域划分，损伤区域划分标绘示例图见图5。

图5 隧道右线某过火段损伤区域划分标绘示例图

由图5可知，严重损伤区域主要分布在车辆聚集处。同时将现场灼烧区域判定及所留火灾车辆影像资料对比可知，严重损伤区域通常分布在装满货物的货车附近。其可燃物直接影响了衬砌灼烧严重程度，造成混凝土衬砌的大范围剥落掉块。中度损伤区主要夹杂于严重损伤区域中间及过火段端口处，距离火源位置较远。轻度损伤区多为火灾边缘段落及边墙部位，未触及火灾核心区。

2.4 衬砌外观及材料劣化性能检测

根据右洞检测桩号标段划分和现场调查情况，将火损段落划分为：烟熏段、防火涂料剥落段、厚度小于6 cm衬砌剥落段、厚度6～15 cm衬砌剥落段、厚度大于15 cm衬砌剥落段，通过目测及尺量的方法对检测段内衬砌外观逐段进行检测。外观检测中发现存在洞门墙及遮光棚及钢架结构烟熏严重，防火涂料和衬砌不同程度的剥落，路面存在全幅损坏和严重坑槽等明显病害，外观检查示例见图6。

根据衬砌外观检测结果，采用激光断面仪检测隧道衬砌内轮廓。隧道断面仪可对采集信息进行成图处理，经实测断面与竣工断面衬砌轮廓线对比可得到衬砌的实际轮廓线及衬砌受火破损情况[5]，断面对照图见图7。

图7 隧道右线过火段实测断面与竣工断面对照图(单位:m)

由断面轮廓线对照图中深色区域揭示的衬砌破损情况可知衬砌的最小实际厚度、对应的桩号位置，以及拱腰及拱顶的灾后破损的具体部位。通过实测断面与竣工断面比较分析的结果表明火灾后的隧道净空满足原竣工设计要求，未侵入建筑限界。

同时，采用钻孔取芯和常规的地质雷达检测方法对典型过火段的隧道衬砌厚度及缺陷进行逐条测线的详细检测，以掌握重点位置的衬砌厚度及背后空洞、钢筋间距及钢支撑的实际情况[6]。从雷达检测结果分析来看，隧道拱顶二次衬砌背后存在层间脱空或空洞现象，但与火灾的直接联系尚需讨论，雷达扫描结果图见图8。

图8 隧道右线过火段拱顶二衬空洞的雷达扫描结果图

一般而言，高温使得混凝土内部水分急剧蒸发，混凝土裂隙体积骤增产生爆裂，导致表面混凝土剥落，进而使得内部混凝土产生进一步剥落[7]。同时高温烟气传递的热能量使得混凝土表面碳化，从而呈现黑灰色骨料。因此，过火段衬砌混凝土的强度是需要特别关注的材料实际性能的指标，选取靠近严重过火或剥落部位采用回弹法结合碳化深度和钻芯抗压强度检测法对衬砌混凝土的材料劣化程度进行检测[8]。

回弹和碳化检测结果显示衬砌回弹强度能够满足设计要求，碳化深度较深且均大于5 mm。钻孔取芯点选在受火损伤最严重的拱腰及拱顶部位，取芯结果表明二衬混凝土密实且防水层完好，受火灾影响较小，衬砌背后围岩较完整，取芯结果示例图见图9。

由图9可知，检测结果反映出过火段的防水板现状基本良好。防火层破除后的二衬外观良好，即防火涂料对二衬具有相当的保护作用，受火后衬砌抗压强度仍满足设计要求，无大面积裂缝及渗漏水现象。

图9 隧道右线过火段拱顶钻孔取芯结果示例图

2.5 风险识别与评估

风险识别与评估时需要对一些典型隧道火灾案例进行调研，归纳出隧道火灾的常见病害，一般包括：局部坍塌、结构掉块、结构裂损、防排水失效和风机掉落等，然后参考隧道应急特殊检测的结果对过火段衬砌进行风险识别与评估[9]，也为进一步处治提供依据。

R=P×C定级法综合考虑风险因素发生概率和风险后果。其中：R为风险；P为风险因素发生的概率；C为风险因素发生时可能产生的后果。P×C为风险因素发生概率和风险因素产生后果的级别的组合[10]。根据该方法对隧道过火段以里程范围为单元进行火灾风险评估，部分评估结果见表1。

表1 隧道火灾风险评估示例表

通过评估得到隧道过火段严重灼烧区域局部坍塌、结构掉块、结构裂损、风机掉落风险等级为高度(III级)～极高(IV级)，为不期望或不可接受范围，必须采取相应加固措施，将风险降至中度以下可接受范围。全段结构掉块、风机掉落风险尤为突出且风险等级为高度，所占比例几乎贯穿整个过火段，是制约隧道灾后安全的重要因素，应对其予以重点关注。

3 结语

本文通过隧道火灾对衬砌的影响分析和安全性评价的具体应用，得出以下结论。

1) 过火段拱部防火涂层大范围脱落，拱腰至边墙部分出现不同程度的龟裂和脱空，衬砌受损严重段拱部出现不同程度的掉块。由损伤区域划分图归纳出重、中、轻3种损伤区域分布范围及火灾损伤分布规律。

2) 衬砌材料劣化性能检测显示隧道实测断面未侵入建筑限界，衬砌存在几处脱空或空洞现象。衬砌强度满足要求但碳化深度较深，取芯处二衬混凝土密实且防水层受火灾影响较小，衬砌背后围岩稳定。

3) 结构掉块、风机掉落风险尤为突出，风险所占比例大，应采取针对性的措施将风险降到“中度”以下可接受的范围。隧道过火段风险评估等级越高，加固处置应越紧迫。