钢带加固技术在公路隧道火灾损伤抢险治理中的应用

■周允谆

（福建省高速公路集团有限公司泉州管理分公司， 泉州 362000）

隧道火灾发生后，一旦发生火灾不能及时扑灭的情况，火灾产生的高温会导致混凝土力学性能的劣化，降低整个结构的承载力和安全性。 本文依托因货车起火燃烧引发的的沙厦高速公路泉州德化段龙岭隧道典型衬砌火灾损伤病害， 通过实地调查、表观检查、试验检测、专家论证等手段，采用镀锌钢板和化学锚栓相结合的方法对该隧道进行加固。 高强度钢带可以和衬砌形成一个整体的承载结构，使混凝土衬砌与钢带共同受力、分担一部分荷载，可通过钢带纵向连接防止坍塌，从而保证结构的安全性，且钢带加固具有施工速度快、污染小、空间占用小等优点[1]。 针对运营隧道结构的火灾损伤，要确保其安全性和及时恢复通车运营，钢带加固是本次隧道火灾损伤抢险治理的优先选择。

1 工程概况

沙厦高速公路泉州德化段龙岭隧道全长2982 m，双向四车道，属于长隧道，隧道内最大纵坡±3%，最小纵坡±0.3%，于2017 年建成通车。 本隧道损伤区桩号为右洞AK85+326～AK85+398， 围岩类型为IV 类，长度72 m，右洞AK85+446～AK85+493，围岩类型为III 类，长度47 m。

2 隧道病害情况

（1）二衬裂缝主要为AK85+374 衬砌全幅网裂S=（14×12）m2、W=0.2 mm，AK85+386 衬砌全幅网裂S=（17×12）m2、W=0.2 mm，纵向裂缝7 条L=3.5～10 m、W=0.16～0.7 mm，横向裂缝9 条L=1.8～7.5 m、W=0.1～0.5 mm，斜向裂缝1 条L=2.5 m、W=0.26 mm。 病害详细位置如图1 所示。 （2）此次隧道二衬受火灾影响的构件损伤区产生的外观缺陷情况主要有：大部分混凝土和照明灯具被严重熏黑、部分融化，二衬混凝土出现龟裂、网裂和部分区域剥落，边墙出现横向裂缝，拱腰、拱顶出现纵向裂缝，用硬毛刷刷涂附着物后，混凝土偏白。 （3）通过回弹强度在损伤区布置10 段检测区域， 检测段落内的二衬混凝土抗压强度设计值为C25， 实测数据分析得出：AK85+326～AK85+398 （后续取芯验证强度满足要求）、AK85+446～AK85+493 段二衬混凝土强度均不满足设计要求。 （4）现场采用超声波法检测混凝土内部缺陷，选取AK85+326～AK85+398、AK85+446～AK85+493 段范围内分别在拱顶、边墙选取测试声速值，检测结果显示AK85+338～AK85+342 右边H=1.9 m处剥落最深为220 mm。 损伤层厚度最大位于AK85+386 拱顶部位，损伤值为34 mm。

图1 火灾损伤段落病害

3 火灾受火温度对材料性能的影响

（1）混凝土在高温作用下，其力学性能会随温度升高而降低。一般在300～400℃时，混凝土强度会降低10%～20%；400℃以上后强度急剧降低；800℃以上混凝土基本崩裂[2]。 此次龙岭隧道火灾受火温度约500℃～700℃，持续时间长达22 h，二衬混凝土结构在高温作用下劣化了其材料性能，降低了衬砌的承载能力。 混凝土中的水泥石受热分解，使混凝土骨架结构变得疏松，严重劣化了混凝土的抗压强度。 高温下混凝土的弹性模量随着温度的升高而逐渐降低。 （2）火灾产生的高温会使钢筋的力学性能降低，在高温作用下，在20℃～400℃范围内，钢筋的极限强度随温度的增加而缓慢下降；400℃以后下降速度加快，700℃时达到最低点；其后钢筋的极限强度略有回升，从而导致由钢筋组成的结构或构件的力学性能降低，从而影响结构或构件在火灾下的使用寿命。

4 钢带加固技术

4.1 加固方法

为了改善混凝土和钢筋的应力状态，提高隧道结构的承载力，针对该隧道衬砌损伤区域采用钢带加固技术进行补强。 钢带采用宽度为300 mm、厚度为6 mm 的镀锌钢板， 长度方向涵盖隧道顶拱圆弧120°区域， 钢带沿隧道长度方向布置间距Z3 类型800 mm、Z4 类型1000 mm， 采用M16 高强化学锚栓和复合灌钢胶与隧道的衬砌进行粘结和锚固，锚栓有效锚固深度≥16 cm， 确保钢板带与二村共同受力，如图2～3 所示。

图2 隧道粘贴钢带立面图

图3 钢板带加固纵断面图

4.2 主要材料要求

（1）钢板采用Q355 热轧钢板，钢材质量须符合GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》的技术要求，并进行防锈处理。 （2）复合灌钢胶的技术性能指标须符合GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》和GB 50728-2011《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》的技术要求。

4.3 钢带施工工艺流程及操作要点

4.3.1 钢带施工工艺流程

钢带施工工艺流程如下：原有衬砌表面凿除清洗→测量定位→钻孔→锚固螺栓安装→钢带粘贴→压入复合灌钢胶→钢带连接→钢带涂装。

4.3.2 钢带施工操作要点

（1）清除原有表面松散混凝土，凿除并打磨清洗表面灰尘，使衬砌混凝土完全露出新鲜面，并用高压水枪冲洗，待其表面干燥后用丙酮将混凝土表面清洗干净。 （2）根据火灾损伤区的范围，按施工图纸进行测量放样及定位，采用隧道激光断面仪进行线型控制， 并用墨斗线做好每条钢带的位置记号。（3）通过测量定位后钻孔，在钢板对应位置开孔，通过M16 高强化学锚栓将钢板锚固于二衬上，M16 高强化学锚栓施工彻底清洁钻孔。M16 高强化学锚栓植入深度≥16 cm， 待达到强度后需对锚栓进行拉拔试验， 检验合格后方可进行钢带安装。 （4）采用M16 高强化学锚栓固定钢带和帮接钢板、并对钢带和帮接钢板的周边用结构胶封边，封边固化结硬后、从预留灌胶嘴（环向间距为0.3～0.5 m）压入复合灌钢胶，确保注浆压力持续、缓慢、均匀，保证注浆密实度[3]。 （5）M16 高强化学锚栓施工未固化前严禁触动杆体，结合现场温度进行固化养护，固化期间应避免受荷载扰动影响。 （6）钢带连接、注入复合灌浆胶施工完成后，对化学锚栓和钢带表面及孔位进行防锈漆涂刷处理，防锈漆含锌量≥65%，防锈漆干膜厚度≥250 μm。

4.4 钢带加固施工安全注意事项

（1）复合灌钢胶操作要严格按照比例配制，不同组分的化学品要分类放置，应有专人监护，严禁无关人员触动。 （2）在钢板打磨和钢板粘贴部位凿毛过程中要正确使用打磨机和凿毛电锤，防止砂轮片飞出和电锤崩断伤人， 同时避免发生触电事故。（3）钢板运输至台车的过程中，应使用符合规范要求的钢丝绳起吊，吊点应当定期检查，在起吊重物过程中，吊孔下面严禁站人。 钢板的堆积应当摆放在平稳的地点、严禁堆积过高或堆放在台车上。 （4）台车投入使用前必须组织现场验收，严格检查台车焊缝是否饱满，台车作用平台强度是否满足施工要求。

5 加固效果评价

本隧道采用单洞A 洞全封闭、B 洞单向通行的交通管制， 对隧道进行119 m 的钢带加固施工，合计工期为30 d。此隧道于2021 年10 月1 日开始全封闭进行病害处治施工，处治后在隧道拱顶设置下沉观测点，每10 m 设置一个观测点，由专人采用免棱镜全站仪对测点进行观测并记录，经过连续15 d变形监测结果显示其变形速率＜1.0 mm/d，并对该隧道的左边墙、左拱脚、拱顶、右拱脚、右边墙进行了每3 d 一观测的跟踪观测和隧道表面应力应变监测， 隧道断面表面应力应变监测结果如表1 所示。根据监测结果，隧道拱顶变形速率＜1.0 mm/d，应变数据稳定，无明显的波动。 根据检测结果，钢带加固段隧道衬砌表面未出现开裂和衬砌剥落等现象。 综合监测和检测结果， 目前隧道结构安全性有保障，钢带加固对此隧道的加固效果明显[4]，隧道处治后状况如图4 所示。

表1 隧道断面表面应力应变监测结果

图4 隧道处治后状况

6 结语

隧道火灾发生后，火灾产生的高温还会导致混凝土力学性能的劣化，降低了整个结构的承载力和安全性，因此高速公路隧道火灾损伤的病害治理是运营隧道病害治理急之又急、重中之重的问题。 厦沙公路泉州德化段龙岭隧道采用钢带加固技术具有施工速度快、可操作性强、工程造价低、修复效果好等诸多优点，可以成为隧道衬砌火灾损伤抢险治理的优先选择。

钢带加固技术在不增加原有设计结构荷载或不改变原有设计结果体系和受力情况下，通过大面积钢板粘贴保护原构件混凝土以及加固后的效果观察、监测、检测，隧道衬砌未出现开裂及剥落现象，表明该处治方法对此次火灾损伤病害的加固效果良好， 有效提升了隧道衬砌结构能力和安全性能，确保了隧道运营行车安全，为同类工程提供了良好借鉴。