湖北某高速公路連拱隧道火災(zāi)處治設(shè)計(jì)

鄒永艷 呂國磊

【摘要：】隧道火災(zāi)處治設(shè)計(jì)是一個(gè)較為復(fù)雜的技術(shù)問題。文章在查閱相關(guān)文獻(xiàn)與技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)例，根據(jù)隧道檢測報(bào)告，系統(tǒng)地分析湖北某高速公路連拱隧道火災(zāi)后的安全儲(chǔ)備狀況，并提出了火災(zāi)后隧道處治設(shè)計(jì)原則與方案，為類似項(xiàng)目提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

【關(guān)鍵詞：】高速公路;連拱隧道;隧道火災(zāi);安全系數(shù);處治設(shè)計(jì)

U458.1A531762

0 引言

近年來隨著公路通車?yán)锍淘絹碓介L，公路隧道運(yùn)營里程也呈指數(shù)增長，截至2018年年末，全國公路隧道已達(dá)17 738道/1 723.6萬延米[1]。隧道作為公路交通主要結(jié)構(gòu)物的數(shù)量急劇增加，隨著車流量的不斷增加，事故也在增加，隧道內(nèi)發(fā)生事故甚至是長時(shí)間火災(zāi)等惡性事故也在所難免。公路隧道出現(xiàn)火災(zāi)也是常見事故的一種。2008-05-04，廣韶高速公路大寶山隧道南行方向Y141+500段發(fā)生隧道內(nèi)火災(zāi)爆炸事故[2];2012年10月，天寶高速公路那下灣隧道內(nèi)左線段K1260+550～K1260+590發(fā)生火災(zāi)事故[3];2013年，沈海高速公路吉坑隧道BK1874+286處發(fā)生火災(zāi)[4];2017-05-2 京昆高速公路（G5）河北省張石保定段浮圖峪V號(hào)隧道內(nèi)發(fā)生了火災(zāi)事故[5]。隧道火災(zāi)后結(jié)構(gòu)加固處理研究探討是非常必要的，本文結(jié)合葛山隧道工程實(shí)例進(jìn)行了分析探討。

1 火災(zāi)概況

湖北武鄂高速公路葛山隧道為上、下行分離的四車道高速公路連拱隧道，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，建筑限界為10.75 m×5 m，起訖樁號(hào)為K56+475～K56+63 全長156 m。2018年4月左洞發(fā)生火災(zāi)事故，火災(zāi)起因?yàn)橐惠v滿載衣物的大貨車在K56+540處自燃，火災(zāi)猛烈燃燒時(shí)長共計(jì)約2 h，造成K56+562～K56+540、K56+536～K56+526段平均寬度約9 m、共32 m拱頂范圍內(nèi)的二次襯砌鋼筋混凝土大面積剝落，剝落深度為5～17 cm，露筋現(xiàn)象嚴(yán)重，施工縫、沉降縫掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，機(jī)電照明橋架嚴(yán)重變形，電纜溝體混凝土粉碎狀。其中K56+562～K56+550段靠左側(cè)瀝青路面完全燃燒，形成寬約2.5 m、長約12 m、最深處約8 cm的凹槽?；馂?zāi)發(fā)生后，隧道凈空未發(fā)現(xiàn)明顯變形，火災(zāi)影響平面圖如圖1所示。

通過對(duì)葛山隧道左洞的檢查、評(píng)定，隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況JCGI評(píng)定為26分，為5類隧道。

2 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)隧道原設(shè)計(jì)資料與檢測報(bào)告，計(jì)算選取隧道火災(zāi)受損典型斷面K56+550，原設(shè)計(jì)二次襯砌采用45 cm厚C25鋼筋混凝土，斷面處埋深32 m，基巖為中風(fēng)化斑狀花崗巖，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，圍巖重度為26 kN/m 泊松比為0.35，計(jì)算內(nèi)摩擦角為30°，堅(jiān)固系數(shù)為1.7，彈性抗力系數(shù)為200 MPa/m。采用同濟(jì)曙光軟件按平面荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，分析結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備-安全系數(shù)。計(jì)算分析時(shí)，先假定原設(shè)計(jì)工況滿足規(guī)范最小安全系數(shù)2.4的要求，反算原設(shè)計(jì)工況二次襯砌與圍巖的荷載分擔(dān)比例，再根據(jù)實(shí)際檢測二次襯砌厚度與強(qiáng)度工況，采用軟件自帶材料劣化模塊驗(yàn)算二次襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)受損后的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，并綜合檢測結(jié)論與結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，提出處治原則和思路。二次襯砌主要計(jì)算參數(shù)如表1所示。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、原設(shè)計(jì)資料和檢測結(jié)論，分3種工況進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

（1）工況1：根據(jù)原設(shè)計(jì)參數(shù)反算出隧道設(shè)計(jì)安全系數(shù)包絡(luò)圖，隧道僅局部邊墻腳安全系數(shù)（2.339）略小于規(guī)范要求的2.4[6]，其他部位安全儲(chǔ)備滿足規(guī)范要求。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

（2）工況2：直接考慮材料劣化，計(jì)算得出剝落后安全系數(shù)包絡(luò)圖，火災(zāi)洞室拱部抗拉安全系數(shù)下降明顯，最小為1.396，不滿足規(guī)范最小安全系數(shù)2.4的要求。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

（3）工況3：根據(jù)隧道檢測的二次襯砌強(qiáng)度、厚度及現(xiàn)場滅火反饋情況，火災(zāi)核心溫度>900 ℃。參考《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5540-2018）[7]，溫度場效應(yīng)未剝落的二襯混凝土強(qiáng)度按0.8的系數(shù)折減，環(huán)向受力鋼筋強(qiáng)度按0.89的系數(shù)折減，計(jì)算得出安全系數(shù)包絡(luò)圖，火災(zāi)洞室拱部抗拉安全系數(shù)下降明顯，最小為1.905，不滿足規(guī)范最小安全系數(shù)2.4的要求。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從以上3種工況結(jié)構(gòu)驗(yàn)算分析可以看出，隧道現(xiàn)狀安全系數(shù)均> 隧道現(xiàn)有結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，但隧道結(jié)構(gòu)在經(jīng)過本次火災(zāi)灼燒后結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備存在一定程度的下降。根據(jù)檢測結(jié)論，雖然檢測出的二次襯砌受損部位強(qiáng)度與厚度均滿足原設(shè)計(jì)要求，若考慮高溫受損后材料強(qiáng)度折減系數(shù)，隧道拱部最小安全系數(shù)1.905小于規(guī)范規(guī)定最小值2.4，安全儲(chǔ)備不滿足規(guī)范要求?？紤]火災(zāi)發(fā)生后，消防滅火采用消防水進(jìn)行急劇降溫，對(duì)隧道二次襯砌鋼筋混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度損傷較大，需對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)受損部分進(jìn)行加固處理，以最大程度恢復(fù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備。

3 加固方案

根據(jù)檢測結(jié)論與原設(shè)計(jì)資料，火災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，但拱部安全系數(shù)低于隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，安全儲(chǔ)備不足，長期運(yùn)營過程中容易掉塊、開裂，若再次遇突發(fā)因素可能造成隧道垮塌，隧道通行存在安全隱患。查閱國內(nèi)隧道火災(zāi)處治方案相關(guān)文獻(xiàn)，主要有置換二次襯砌、套襯鋼板灌注混凝土、噴射纖維混凝土三種技術(shù)方案。其中，置換二次襯砌處理較為徹底，但防排水處理復(fù)雜，對(duì)原有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較大，施工風(fēng)險(xiǎn)大，需要輔助支撐，造價(jià)較高。套襯鋼板灌注混凝土置換后混凝土耐久性較好，結(jié)構(gòu)整體性好，防排水易處理，但鋼板需要定做，制作工藝復(fù)雜，需要輔助施工，造價(jià)高，文獻(xiàn)[5]引用工程案例即采用此工法。噴射纖維混凝土應(yīng)用較廣，該工法具有施工快捷、方便、造價(jià)低、工程可供參考經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較多、施工風(fēng)險(xiǎn)總體可控等優(yōu)點(diǎn)，但也存在結(jié)構(gòu)耐久性相對(duì)較差、結(jié)構(gòu)整體性差、需長期觀測與養(yǎng)護(hù)等缺點(diǎn)。從施工時(shí)間與造價(jià)經(jīng)濟(jì)性來看，噴射纖維混凝土具有較大優(yōu)勢。綜合考慮，本隧道主要采用噴射纖維混凝土處治方案。

根據(jù)檢測報(bào)告及計(jì)算分析，將K56+525～K56+575段劃分為結(jié)構(gòu)安全受影響嚴(yán)重區(qū)域，K56+505～K56+525段、K56+575～K56+585段劃分為結(jié)構(gòu)安全受影響較嚴(yán)重區(qū)域，其余劃分為結(jié)構(gòu)安全受影響較小區(qū)域。處治措施如下：

（1）結(jié)構(gòu)安全受影響嚴(yán)重區(qū)域：K56+525～K56+575段拱頂區(qū)域，采用小型工具鑿除二襯混凝土表面受損疏松層或碳化層，采用高壓風(fēng)將表面吹洗干凈，均勻涂抹專用界面劑，增設(shè)格柵+鋼筋網(wǎng)噴射鋼纖維混凝土加強(qiáng)二次襯砌整體剛度。格柵采用主筋直徑為22 mm的三角形格柵，格柵縱向間距為1 m，鋼筋網(wǎng)間距為15 cm×15 cm，噴射混凝土采用C25鋼纖維混凝土。在施工過程中拱頂按2.5 m間距設(shè)置預(yù)留注漿孔，對(duì)于施工中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中可能存在的空洞，在拱頂噴射混凝土完成后及時(shí)注漿。

（2）結(jié)構(gòu)安全受影響較嚴(yán)重區(qū)域：K56+505～K56+525段、K56+575～K56+585段區(qū)域，采用小型工具鑿除二次襯砌混凝土表面受損疏松層或碳化層，采用高壓風(fēng)將表面吹洗干凈，均勻涂抹專用界面劑，根據(jù)鑿毛后混凝土剝落、受損情況采用鋼筋網(wǎng)、噴射鋼纖維混凝土增加二襯剛度。

（3）結(jié)構(gòu)安全受影響較小區(qū)域：隧道其他區(qū)域，主要結(jié)合檢測報(bào)告與現(xiàn)場鑿毛處理后的情況，采用環(huán)氧細(xì)石混凝土與鋼筋網(wǎng)局部修飾處理。

4 結(jié)語

根據(jù)隧道運(yùn)營管理方反饋，目前該隧道運(yùn)營通暢，噴射纖維混凝土加固表面未出現(xiàn)裂縫或脫落情況，隧道內(nèi)凈空收斂基本穩(wěn)定，未發(fā)生明顯變形，仍處于長期運(yùn)營監(jiān)測階段。

隧道作為公路交通的一種特殊結(jié)構(gòu)物，其受力本身較為復(fù)雜，特別是連拱隧道更為復(fù)雜。采用噴射纖維混凝土處理運(yùn)營期間隧道結(jié)構(gòu)問題雖然在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多，但是從理論上分析噴射纖維混凝土耐久性以及與既有混凝土粘結(jié)性、耐久性問題等則需要進(jìn)一步研究考察。隧道設(shè)計(jì)與施工通常以經(jīng)驗(yàn)為主、理論為輔，文中采用同濟(jì)曙光軟件計(jì)算分析也是從宏觀角度分析結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，其計(jì)算模型與實(shí)際工程仍存在一定差距。隧道火災(zāi)處治，是一項(xiàng)繁復(fù)的技術(shù)研究工作，本文在查閱相關(guān)文獻(xiàn)與技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)例，根據(jù)隧道檢測報(bào)告，系統(tǒng)地分析隧道火災(zāi)后的安全儲(chǔ)備狀況，并提出了火災(zāi)后隧道處治設(shè)計(jì)原則與方案，為類似項(xiàng)目提供了技術(shù)參考經(jīng)驗(yàn)。

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