鋼帶加固技術(shù)在公路隧道火災(zāi)損傷搶險(xiǎn)治理中的應(yīng)用

■周允諄

（福建省高速公路集團(tuán)有限公司泉州管理分公司， 泉州 362000）

隧道火災(zāi)發(fā)生后，一旦發(fā)生火災(zāi)不能及時(shí)撲滅的情況，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的劣化，降低整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力和安全性。 本文依托因貨車起火燃燒引發(fā)的的沙廈高速公路泉州德化段龍嶺隧道典型襯砌火災(zāi)損傷病害， 通過(guò)實(shí)地調(diào)查、表觀檢查、試驗(yàn)檢測(cè)、專家論證等手段，采用鍍鋅鋼板和化學(xué)錨栓相結(jié)合的方法對(duì)該隧道進(jìn)行加固。 高強(qiáng)度鋼帶可以和襯砌形成一個(gè)整體的承載結(jié)構(gòu)，使混凝土襯砌與鋼帶共同受力、分擔(dān)一部分荷載，可通過(guò)鋼帶縱向連接防止坍塌，從而保證結(jié)構(gòu)的安全性，且鋼帶加固具有施工速度快、污染小、空間占用小等優(yōu)點(diǎn)[1]。 針對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)的火災(zāi)損傷，要確保其安全性和及時(shí)恢復(fù)通車運(yùn)營(yíng)，鋼帶加固是本次隧道火災(zāi)損傷搶險(xiǎn)治理的優(yōu)先選擇。

1 工程概況

沙廈高速公路泉州德化段龍嶺隧道全長(zhǎng)2982 m，雙向四車道，屬于長(zhǎng)隧道，隧道內(nèi)最大縱坡±3%，最小縱坡±0.3%，于2017 年建成通車。 本隧道損傷區(qū)樁號(hào)為右洞AK85+326～AK85+398， 圍巖類型為IV 類，長(zhǎng)度72 m，右洞AK85+446～AK85+493，圍巖類型為III 類，長(zhǎng)度47 m。

2 隧道病害情況

（1）二襯裂縫主要為AK85+374 襯砌全幅網(wǎng)裂S=（14×12）m2、W=0.2 mm，AK85+386 襯砌全幅網(wǎng)裂S=（17×12）m2、W=0.2 mm，縱向裂縫7 條L=3.5～10 m、W=0.16～0.7 mm，橫向裂縫9 條L=1.8～7.5 m、W=0.1～0.5 mm，斜向裂縫1 條L=2.5 m、W=0.26 mm。 病害詳細(xì)位置如圖1 所示。 （2）此次隧道二襯受火災(zāi)影響的構(gòu)件損傷區(qū)產(chǎn)生的外觀缺陷情況主要有：大部分混凝土和照明燈具被嚴(yán)重熏黑、部分融化，二襯混凝土出現(xiàn)龜裂、網(wǎng)裂和部分區(qū)域剝落，邊墻出現(xiàn)橫向裂縫，拱腰、拱頂出現(xiàn)縱向裂縫，用硬毛刷刷涂附著物后，混凝土偏白。 （3）通過(guò)回彈強(qiáng)度在損傷區(qū)布置10 段檢測(cè)區(qū)域， 檢測(cè)段落內(nèi)的二襯混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C25， 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出：AK85+326～AK85+398 （后續(xù)取芯驗(yàn)證強(qiáng)度滿足要求）、AK85+446～AK85+493 段二襯混凝土強(qiáng)度均不滿足設(shè)計(jì)要求。 （4）現(xiàn)場(chǎng)采用超聲波法檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷，選取AK85+326～AK85+398、AK85+446～AK85+493 段范圍內(nèi)分別在拱頂、邊墻選取測(cè)試聲速值，檢測(cè)結(jié)果顯示AK85+338～AK85+342 右邊H=1.9 m處剝落最深為220 mm。 損傷層厚度最大位于AK85+386 拱頂部位，損傷值為34 mm。

圖1 火災(zāi)損傷段落病害

3 火災(zāi)受火溫度對(duì)材料性能的影響

（1）混凝土在高溫作用下，其力學(xué)性能會(huì)隨溫度升高而降低。一般在300～400℃時(shí)，混凝土強(qiáng)度會(huì)降低10%～20%；400℃以上后強(qiáng)度急劇降低；800℃以上混凝土基本崩裂[2]。 此次龍嶺隧道火災(zāi)受火溫度約500℃～700℃，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)22 h，二襯混凝土結(jié)構(gòu)在高溫作用下劣化了其材料性能，降低了襯砌的承載能力。 混凝土中的水泥石受熱分解，使混凝土骨架結(jié)構(gòu)變得疏松，嚴(yán)重劣化了混凝土的抗壓強(qiáng)度。 高溫下混凝土的彈性模量隨著溫度的升高而逐漸降低。 （2）火災(zāi)產(chǎn)生的高溫會(huì)使鋼筋的力學(xué)性能降低，在高溫作用下，在20℃～400℃范圍內(nèi)，鋼筋的極限強(qiáng)度隨溫度的增加而緩慢下降；400℃以后下降速度加快，700℃時(shí)達(dá)到最低點(diǎn)；其后鋼筋的極限強(qiáng)度略有回升，從而導(dǎo)致由鋼筋組成的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的力學(xué)性能降低，從而影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在火災(zāi)下的使用壽命。

4 鋼帶加固技術(shù)

4.1 加固方法

為了改善混凝土和鋼筋的應(yīng)力狀態(tài)，提高隧道結(jié)構(gòu)的承載力，針對(duì)該隧道襯砌損傷區(qū)域采用鋼帶加固技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。 鋼帶采用寬度為300 mm、厚度為6 mm 的鍍鋅鋼板， 長(zhǎng)度方向涵蓋隧道頂拱圓弧120°區(qū)域， 鋼帶沿隧道長(zhǎng)度方向布置間距Z3 類型800 mm、Z4 類型1000 mm， 采用M16 高強(qiáng)化學(xué)錨栓和復(fù)合灌鋼膠與隧道的襯砌進(jìn)行粘結(jié)和錨固，錨栓有效錨固深度≥16 cm， 確保鋼板帶與二村共同受力，如圖2～3 所示。

圖2 隧道粘貼鋼帶立面圖

圖3 鋼板帶加固縱斷面圖

4.2 主要材料要求

（1）鋼板采用Q355 熱軋鋼板，鋼材質(zhì)量須符合GB/T 1591-2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的技術(shù)要求，并進(jìn)行防銹處理。 （2）復(fù)合灌鋼膠的技術(shù)性能指標(biāo)須符合GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50728-2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求。

4.3 鋼帶施工工藝流程及操作要點(diǎn)

4.3.1 鋼帶施工工藝流程

鋼帶施工工藝流程如下：原有襯砌表面鑿除清洗→測(cè)量定位→鉆孔→錨固螺栓安裝→鋼帶粘貼→壓入復(fù)合灌鋼膠→鋼帶連接→鋼帶涂裝。

4.3.2 鋼帶施工操作要點(diǎn)

（1）清除原有表面松散混凝土，鑿除并打磨清洗表面灰塵，使襯砌混凝土完全露出新鮮面，并用高壓水槍沖洗，待其表面干燥后用丙酮將混凝土表面清洗干凈。 （2）根據(jù)火災(zāi)損傷區(qū)的范圍，按施工圖紙進(jìn)行測(cè)量放樣及定位，采用隧道激光斷面儀進(jìn)行線型控制， 并用墨斗線做好每條鋼帶的位置記號(hào)。（3）通過(guò)測(cè)量定位后鉆孔，在鋼板對(duì)應(yīng)位置開(kāi)孔，通過(guò)M16 高強(qiáng)化學(xué)錨栓將鋼板錨固于二襯上，M16 高強(qiáng)化學(xué)錨栓施工徹底清潔鉆孔。M16 高強(qiáng)化學(xué)錨栓植入深度≥16 cm， 待達(dá)到強(qiáng)度后需對(duì)錨栓進(jìn)行拉拔試驗(yàn)， 檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行鋼帶安裝。 （4）采用M16 高強(qiáng)化學(xué)錨栓固定鋼帶和幫接鋼板、并對(duì)鋼帶和幫接鋼板的周邊用結(jié)構(gòu)膠封邊，封邊固化結(jié)硬后、從預(yù)留灌膠嘴（環(huán)向間距為0.3～0.5 m）壓入復(fù)合灌鋼膠，確保注漿壓力持續(xù)、緩慢、均勻，保證注漿密實(shí)度[3]。 （5）M16 高強(qiáng)化學(xué)錨栓施工未固化前嚴(yán)禁觸動(dòng)桿體，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行固化養(yǎng)護(hù)，固化期間應(yīng)避免受荷載擾動(dòng)影響。 （6）鋼帶連接、注入復(fù)合灌漿膠施工完成后，對(duì)化學(xué)錨栓和鋼帶表面及孔位進(jìn)行防銹漆涂刷處理，防銹漆含鋅量≥65%，防銹漆干膜厚度≥250 μm。

4.4 鋼帶加固施工安全注意事項(xiàng)

（1）復(fù)合灌鋼膠操作要嚴(yán)格按照比例配制，不同組分的化學(xué)品要分類放置，應(yīng)有專人監(jiān)護(hù)，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員觸動(dòng)。 （2）在鋼板打磨和鋼板粘貼部位鑿毛過(guò)程中要正確使用打磨機(jī)和鑿毛電錘，防止砂輪片飛出和電錘崩斷傷人， 同時(shí)避免發(fā)生觸電事故。（3）鋼板運(yùn)輸至臺(tái)車的過(guò)程中，應(yīng)使用符合規(guī)范要求的鋼絲繩起吊，吊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)定期檢查，在起吊重物過(guò)程中，吊孔下面嚴(yán)禁站人。 鋼板的堆積應(yīng)當(dāng)擺放在平穩(wěn)的地點(diǎn)、嚴(yán)禁堆積過(guò)高或堆放在臺(tái)車上。 （4）臺(tái)車投入使用前必須組織現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收，嚴(yán)格檢查臺(tái)車焊縫是否飽滿，臺(tái)車作用平臺(tái)強(qiáng)度是否滿足施工要求。

5 加固效果評(píng)價(jià)

本隧道采用單洞A 洞全封閉、B 洞單向通行的交通管制， 對(duì)隧道進(jìn)行119 m 的鋼帶加固施工，合計(jì)工期為30 d。此隧道于2021 年10 月1 日開(kāi)始全封閉進(jìn)行病害處治施工，處治后在隧道拱頂設(shè)置下沉觀測(cè)點(diǎn)，每10 m 設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，由專人采用免棱鏡全站儀對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)并記錄，經(jīng)過(guò)連續(xù)15 d變形監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示其變形速率＜1.0 mm/d，并對(duì)該隧道的左邊墻、左拱腳、拱頂、右拱腳、右邊墻進(jìn)行了每3 d 一觀測(cè)的跟蹤觀測(cè)和隧道表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)， 隧道斷面表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1 所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，隧道拱頂變形速率＜1.0 mm/d，應(yīng)變數(shù)據(jù)穩(wěn)定，無(wú)明顯的波動(dòng)。 根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，鋼帶加固段隧道襯砌表面未出現(xiàn)開(kāi)裂和襯砌剝落等現(xiàn)象。 綜合監(jiān)測(cè)和檢測(cè)結(jié)果， 目前隧道結(jié)構(gòu)安全性有保障，鋼帶加固對(duì)此隧道的加固效果明顯[4]，隧道處治后狀況如圖4 所示。

表1 隧道斷面表面應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 隧道處治后狀況

6 結(jié)語(yǔ)

隧道火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)產(chǎn)生的高溫還會(huì)導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的劣化，降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力和安全性，因此高速公路隧道火災(zāi)損傷的病害治理是運(yùn)營(yíng)隧道病害治理急之又急、重中之重的問(wèn)題。 廈沙公路泉州德化段龍嶺隧道采用鋼帶加固技術(shù)具有施工速度快、可操作性強(qiáng)、工程造價(jià)低、修復(fù)效果好等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以成為隧道襯砌火災(zāi)損傷搶險(xiǎn)治理的優(yōu)先選擇。

鋼帶加固技術(shù)在不增加原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)荷載或不改變?cè)性O(shè)計(jì)結(jié)果體系和受力情況下，通過(guò)大面積鋼板粘貼保護(hù)原構(gòu)件混凝土以及加固后的效果觀察、監(jiān)測(cè)、檢測(cè)，隧道襯砌未出現(xiàn)開(kāi)裂及剝落現(xiàn)象，表明該處治方法對(duì)此次火災(zāi)損傷病害的加固效果良好， 有效提升了隧道襯砌結(jié)構(gòu)能力和安全性能，確保了隧道運(yùn)營(yíng)行車安全，為同類工程提供了良好借鑒。