隧道火灾后的结构损伤检测及承载力评价

刘文兴

（四川华腾公路试验检测有限责任公司，四川 成都 230000）

0 引言

近年国内公路建设高速发展，隧道建设规模逐渐扩大，加之道路上各种车辆较多，车流密度较大，隧道内光线变化，对驾驶人员驾车安全产生较大的影响，隧道内出现交通事故的概率有所增加，由汽车自燃、危化品易燃品造成的交通事故也随之增多。因此，为了隧道的安全运行，隧道火灾后的深度检测势在必行。本文对于家湾隧道一起火灾事故后隧道受损情况的检测及判定过程进行分析总结。

1 隧道位置及火灾概况

于家湾隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路中隧道。隧道左线起讫桩号ZK134+135～ZK135+017，长882m，纵坡为-2.7%单向下坡，最大埋深109m；隧道右线起讫桩号YK134+190～YK135+036，长846m，纵坡为-2.7%单向下坡，最大埋深108m，洞轴线走向方位角232°。隧道平面线形：左线进口位于R=3100m 的圆曲线上，中部位于直线上，出口位于R=3000m的圆曲线上；右线进口位于R=2800m的圆曲线上，中部位于直线上，出口位于R=3100m 的圆曲线上。隧道左右线路面横坡均不存在超高。2017 年7 月28 日凌晨3 点左右，在于家湾隧道左线ZK1318+540～ZK1318+550 处由于两辆汽车追尾引起货车内运输的罐装沥青燃烧起火。经调查，本次火灾起火点位于车祸处隧道左侧电缆沟附近，火势持续时间约为35min。

2 检测内容及方法

（1）检测内容。根据现场实际情况，对火灾隧道的检测一般包含隧道外观受损情况判定、衬砌结构受损厚度判定、隧道衬砌结构的剩余有效厚度、隧道衬砌混凝土强度经过火灾后的损失情况、隧道断面尺寸变化情况，基于上述方面的检测结果，对隧道的受损情况基本可以准确判断，同时为隧道的后期维修加固处置提供相关依据。

（2）主要检测方法。外观检测主要采用目测、锤击及表层剥离等方法对各衬砌混凝土进行逐一检查，根据构件的损伤程度对其进行区域分类。应详细记录因火灾导致衬砌混凝土出现的结构表观性病害，在结构物表面进行标示并拍照。检测混凝土的脱落主要从脱落部位、面积等方面进行，当脱落较为严重时，应测量脱落的具体部位、面积及最大深度。损伤层厚度检测采用超声仪进行，具体如下：

采用低频超声波检测仪对各构件进行测试，测量超声脉冲纵波在结构混凝土中的传播速度、首波幅度和接受信号频率等声学参数，并根据这些声学参数的相对变化，判定混凝土的损伤状况。本项检测需根据结构的损伤情况和外观质量选取有代表性的部位，采用超声波平测法对混凝土构件受高温影响后的表面损伤厚度检测。

为了避免T、R 换能器的连线方向与附近主钢筋的轴线平行，每个测区沿隧道横向布置测点，同时尽量远离附近横向钢筋以减少干扰，测试示意见图1所示。

测试时T 换能器应耦合好，并保持不动，然后将R换能器依次耦合在测点1、2、3……位置上，读取相应的声时值t1、t2、t3……，并测量每次 T-R 换能器内边缘之间的距离l1、l2、l3……。每一测区的测点数为9个，当损伤层较厚时，应适当增加测点数。当结构的损伤层厚度不均匀时，应适当增加测区数，如图1所示。

图1 损伤层检测的换能器布置

最后结合隧道外观受损情况确定火损区域划分、火灾温度、损伤层厚度三者数据，确保检测数据的合理性、准确性。

（3）隧道衬砌混凝土强度检测。采用钻芯法钻取隧道不同受损区域内的二次衬砌混凝土，对不同深度范围内的衬砌混凝土分别做抗压试验，以此来检测衬砌混凝土在受火灾影响后，不同深度范围内的抗压强度值，判定隧道在火灾中的受损情况，为后期加固处治提供依据。

3 隧道受损情况判定

3.1 外观检测情况

隧道内着火点处左边墙至拱顶烧毁现象较为严重，出现大面积的混凝土剥落现象，其中着火点处左拱脚至左拱腰处剥落最为严重，剥落体最大厚度约10cm，右拱腰处也存在几处面积较小的表层混凝土轻微剥落的现象。同时在着火点附近拱顶的混凝土由于烧灼出现大面积的网状裂纹，钻芯取样发现网状裂纹深度普遍在5～10cm 左右。其他结构及设施的主要病害表现为：着火点处路面出现大面积烧熔现象，导致洞内路面凹凸不平，影响行车安全；检修道破损严重，左边墙消防设施、右拱腰线缆槽、灯具烧毁变形，无法正常使用，同时隧道内大部分衬砌受烟熏呈黑色，严重影响隧道美观。

根据现场实际情况判定该隧道ZK1318+520～ZK1318+560为Ⅲ级损伤，属于严重烧伤，颜色呈灰白、显浅黄，局部混凝土剥落，表层混凝土碳化严重，显著影响结构材料及结构性能，对结构安全产生不利影响 ；ZK1318+506～ZK1318+520、ZK1318+560～ZK1318+570为Ⅱb级损伤，颜色呈灰白，属于轻度烧灼，未对结构及材料产生显著影响，尚不影响结构安全；ZK1318+460～ZK1318+506、ZK1318+570～ZK1318+595 为Ⅱa 级损伤，未直接受到烧灼作用，颜色近视正常，结构材料及结构性能仅受轻微影响。

3.2 隧道衬砌混凝土碳化情况

隧道Ⅲ级损伤区域二次衬砌混凝土碳化状况较为严重，局部碳化深度达到12mm，表明火灾对该区域混凝土碳化状况影响较大；Ⅱb、Ⅱa 类损伤区域衬砌混凝土碳化程度均较轻，表明该区域其受火灾影响相对较小。

3.3 衬砌混凝土损伤层厚度判定

根据结构的损伤情况和外观质量选取有代表性的部位，采用超声波平测法对混凝土构件进行受高温影响后的混凝土的表面损伤厚度检测。依据火灾后混凝土脱落的位置、表面颜色、龟裂裂纹，并结合小锤锤击时的声音，确定损伤厚度检测范围，分别选择Ⅲ类损伤区域、Ⅱb、Ⅱa衬砌混凝土测试其损伤层厚度。

以各测点的声时值和相应测距值绘制“时—距”坐标图，如图2所示。

图2 测点声时值和测距坐标图

由图2 可得到声速改变所形成的转折点，该转折点前、后分别表示损伤和未损伤混凝土的距离与声时相关直线。用回归分析方法分别求出损伤、未损伤混凝土距离与声时的回归直线方程：

式中各符号含义详见《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CECS 21∶2000）第8 节，根据混凝土损伤厚度测试结果可知：在Ⅲ类损伤区混凝土损伤层普遍较厚，最大厚度约11.7cm，表明火灾对该区域衬砌结构的整体性、安全性有较大影响；Ⅱb类损伤区域火灾损伤厚度约2.0cm，表明本次火灾对该区域衬砌结构整体性有轻微影响；Ⅱa类损伤区域火灾损伤厚度为0.3cm，表明本次火灾对该区域衬砌结构整体性几乎没有影响。本次检测与现场外观检查结果基本一致，表明测试结果合理。

3.4 衬砌混凝土剩余有效厚度判定

采用地质雷达对火灾范围内二次衬砌混凝土的厚度及缺陷进行检测，结果如下：对隧道拱顶、拱腰、边墙5 条测线进行检测，并每间隔2m 将厚度实测值与设计值进行比较，共计检测625个点，合格601个点，合格率为96.2%。其中ZK1318+400～+507 段衬砌设计厚度35cm，实测平均厚度60.4cm，ZK1318+507～ZK1318+650设计厚度45cm，实测平均厚度59.0cm，本次检测范围内二次衬砌混凝土实测厚度平均值均远大于设计厚度。

3.5 衬砌混凝土强度判定

混凝土强度检测采用钻芯法钻取不同受损区域内的二次衬砌混凝土，对不同深度范围内的衬砌混凝土分别做抗压试验，以此检测衬砌混凝土在受火灾影响后，不同深度范围内的抗压强度值，判定隧道在火灾中的受损情况，为后期加固处治提供依据。通过对芯样的加工打磨，有2 个芯样由于加工等原因造成芯样无法满足试验要求，故未进行抗压试验，其余10 个芯样满足试验要求，其试验结果见表1。

表1 芯样抗压强度试验结果

通过对芯样进行抗压试验发现：（1）所进行的10个二次衬砌混凝土芯样抗压试验中实测抗压强度均大于设计强度；（2）不同深度范围内芯样的抗压强度存在一定差异，同一位置处表面混凝土芯样抗压强度比内部混凝土芯样抗压强度普遍低5～10MPa。

该结果表明受火灾影响的区域衬砌表面混凝土抗压强度较内部混凝土有所降低，但其抗压强度仍能满足设计要求。

4 火灾对隧道的影响及技术状况评定

综合于家湾隧道的外观检测及相关实体检测，判定火灾对隧道的主要影响如下：

（1）ZK1318+520～ZK318+560 里程范围内衬砌、路面及其他设施受火灾影响较大，结构受到较大的损伤，对隧道结构整体、安全性有明显的不利影响，应尽快处置，确保隧道结构安全及运营安全。

（2）ZK1318+506～ZK1318+520、ZK1318+560～ZK1318+570 里程范围内隧道结构受火灾影响较小，结构整体性、安全性未受到明显弱化，应采取提高耐久性和外观修复的措施。

（3）ZK1318+460～ZK1318+506、ZK1318+570～ZK1318+595里程范围内隧道结构仅受轻微影响，仅需进行外观的修复。

（4）其余段落未受到明显影响，仅在衬砌及相关结构表面覆盖有大量灰尘，影响隧道美观，需对隧道进行整体的清洗、除尘。

综合考虑隧道的火灾受损情况及隧道的技术状况，该隧道ZK1318+520～ZK318+560 衬砌结构材料明显弱化，衬砌强度有相当程度的降低，结构功能物受到损伤，根据《公路隧道养护技术规范》（JTGH 12-2015）中表B-3的描述，该隧道衬砌结构状况值为3，同时依据该规范中4.5.4节第5条的规定，土建结构技术状况评定时，当洞口、洞门、衬砌、路面和吊顶及预埋件项目的评定状况值到达3或者4时，对应土建结构技术状况直接评定为4类或5类，于家湾隧道左线土建结构的技术状况为4类，应实行交通管制，并尽快实施病害处治。

5 结束语

虽然目前隧道在设计上充分考虑了隧道内防火的要求，并采取了设置消防水箱、消火栓等措施，但对于较大的火势来说，往往不能有效阻断火势的蔓延，对隧道结构及行人行车安全造成极大的隐患。

因此隧道火灾后开展相关检测十分必要，在检测过程中应综合考虑各受检构件结构受损程度各参数间的相互关系，确保隧道检测数据的准确性、客观性、可靠性，并对后期的维修加固处置提供坚实的数据基础。

本次于家湾隧道受火灾损伤后，各检测参数数据互相印证，无损检测与钻芯检测数据基本吻合，现场外观病害表现与相关检测数据也十分吻合，在各检测数据的强力支持下，可以客观准确地评定隧道的受损情况，评定其技术状况，并验算其结构承载力。