徐洪彬、陶双江、李鹏

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

截至2021年底，根据2021年交通运输行业发展统计公报可知，我国运营公路隧道已超过23268 万座，总长超过2.479 万km，是名副其实的“隧道大国”。然而，随着我国运营公路隧道的数量越来越庞大，运营安全问题也越来越突出。近年来，运营隧道内频发的火灾事故，不仅造成了严重的损失，还造成隧道结构不同程度的破坏。

目前国内对火灾后隧道结构破坏特征及温度场变化规律研究较多，如闫治国等对隧道衬砌结构在发生火灾后的损害及防范措施进行了研究，得到了高温下隧道衬砌结构的受力特点，并提出采取措施提高衬砌的耐火性能；王明年等对公路隧道火灾温度场的分布规律进行了研究，得到了随风速及火灾规模的不同，温度场的变化规律，对防灾减灾设计具有现实意义；苗春等对火灾混凝土损失特点，现有检测方法的局限性及新方法的适用性进行了分析论证，建议采用两种或几种方法综合检测。但是，对隧道发生火灾后快速安全性评估方面的研究较少，还未形成相应的评估体系。有关学者认为应根据火灾后隧道烧伤状况，按照重度、中度、轻度混凝土烧伤分别采用不同措施处治。未充分考虑隧道剩余承载能力，存在过度处治的风险，易增加处治成本，造成损失。本文提出了一套快速检测火灾损伤深度的方法，并对如何计算剩余承载能力进行了说明，提出的火灾后结构安全评估方法具备可行性，对其他类似工程具有借鉴意义。

1 火灾高温对隧道结构的影响

与地面火灾的特征明显不同，隧道结构狭长，内部环境相对封闭，一旦发生火灾，扑灭难度大，并且由于烟囱效应，隧道发生火灾后，出现损伤的结构主要为衬砌钢筋混凝土结构、防排水系统以及附属照明通风等设备。其影响主要表现在：

1.1 混凝土表层爆裂剥落

混凝土是水泥和砂石集料与水拌和后的固化物，经高温火焰灼烧后混凝土表面会产生爆裂、剥落、裂缝和钢筋裸露等现象。隧道火灾会对衬砌受力和耐久性产生不利影响。

1.2 衬砌表层附属灯具、电缆线等的破坏

在火灾高温的影响下，隧道衬砌结构表面布设有照明灯具、摄像监控及电缆电线，会发生破坏。

1.3 混凝土自身强度的降低

混凝土强度遇火灾高温后降低，尤其是表层混凝土强度下降明显，致使结构承载能力与耐久性降低。

1.4 混凝土对钢筋的黏结力及保护力降低

隧道衬砌混凝土在高温作用下，水化物脱水分解，其内部微空隙增加，结构疏松，混凝土与钢筋在高温下热变形不协调，形成大量界面裂缝，可能导致混凝土与钢筋之间黏结力降低。且隧道衬砌混凝土的游离氢氧化钙在高温下发生热分解，混凝土呈中性。使其保护钢筋的作用大幅度降低，从而影响混凝土构件的耐久性。

1.5 钢筋屈服强度降低

普通钢筋属于低碳钢，当受火温度大于200C 时钢筋极限强度、屈服强度、弹性模量、延伸率等指标均开始下降，材料脆性增加。

1.6 防水板、止水带等材料的软化及老化

隧道施工缝设置橡胶止水条，背后满布防水板（聚乙烯）。隧道在火灾高温的影响下，温度沿混凝土结构和施工缝位置向内侧传递，会加速防水材料的老化甚至出现软化破坏的情况，减弱防水效果，甚至直接防水失效。衬砌混凝土结构作为直接与火灾高温接触的构件，其影响要远大于埋设在其中的钢筋、防水材料，其对隧道承载能力的影响是主要的，所以把衬砌混凝土结构的损伤程度及范围作为隧道发生火灾后检测评估的重点。

2 剩余承载能力的检测与评估

根据混凝土在高温下发生变化的机理及火灾对隧道结构的影响形式分析，可以确定检测的项目及内容。

2.1 检测内容及方法

2.1.1 火作用调查

火作用调查的目的是掌握火灾的发生过程，了解火灾的燃烧物及作用时间，对隧道表观的损伤做初步调查。

2.1.2 表观灼烧调查

通过调查掌握火灾的影响范围及表观特征，为推测表观温度提供依据。主要采用人工抵近检查的方式，配备必要的工具，如卷尺、全站仪等。调查的要点包含混凝土表观颜色、混凝土是否开裂剥落、附属结构物的破损情况、锤击混凝土声音等。

2.1.3 中性化检查

根据混凝土受火灾影响后变化机理可知，温度升高至500C 左右时，Ca（OH）发生化学反应分解成CaO 和HO，导致混凝土中性化，通过中性化检查，找到火灾影响下混凝土内部发生中性化的界面深度，利用隧道纵向中性化深度推断纵向温度场分布规律。根据表观灼烧调查结果，有规律地布设检查孔，用浓度为1%的酚酞酒精溶液喷洒在检查孔壁中，借助酚酞试剂遇碱变红色的原理，来检测中性化深度。

2.1.4 衬砌强度检查

受火灾影响，混凝土衬砌强度会降低，通过衬砌强度检测可以直接对衬砌强度进行评估。因受火影响，混凝土强度已不能采用回弹法检测。推荐采用取芯抗压试验取得混凝土强度值，分为迎火面与背火面进行试验。

2.1.5 衬砌厚度检查

掌握衬砌的实际厚度，减去受损混凝土厚度即为未受损衬砌厚度，进行剩余承载能力评估。采用电磁法（地质雷达）对衬砌厚度进行检查，并结合取芯验证。

2.1.6 净空断面检查

通过测量，掌握混凝土表层脱落深度及净空断面尺寸，为后期加固提供依据。采用全站仪或激光断面仪（极坐标法）对衬砌净空断面进行检查。

2.2 评估方法

2.2.1 推断混凝土表面曾经达到的最高温度

（1）根据混凝土构件表面特征与温度的关系推断。

（2）根据火场残留物、烧损状况推断（如金属材料、有机材料的熔化变形燃烧的温度）。

以上两种方法的具体执行可参考现行《火灾后工程结构鉴定标准》（T/CECS 252—2019）。

2.2.2 计算理论损伤深度

（1）计算标准当量升温时间

隧道内火灾燃烧一般具有明确的燃烧物，且通风条件好，不易发生轰燃，可以根据相应公式（1）计算当量标准升温时间（采用国际标准ISO834-1 标准升温曲线进行标准火灾试验达到火灾作用最高温度时对应的升温时间）。

式（1）中：t——当量标准升温时间；

T——构件表面曾达到的最高温度（C）。

（2）推测理论损伤深度

根据单面受火混凝土构件在标准升温条件下的温度场曲线，得到衬砌厚度方向的温度分布。可以把水变为水蒸气即100C 对应的衬砌厚度作为高温下混凝土的损伤深度。

2.2.3 建立隧道火灾损伤坐标系

（1）以隧道长度方向为横坐标，以衬砌厚度方向的损伤情况为纵坐标，将表观灼烧情况及剥落深度、中性化深度、理论损伤深度、实测衬砌厚度展布在此坐标系中。

（2）假定不同位置温度场分布规律一致，即可按照中性化深度纵向分布规律推测全段理论损伤厚度，此方法偏于安全。

2.2.4 剩余承载能力计算评估

分析评估的主要依据是原设计，可把原设计衬砌厚度及强度作为保证隧道承载能力的最低限度，则未损伤衬砌厚度将存在以下几种情况：

（1）未损伤衬砌厚度≥设计衬砌厚度

剩余承载能力满足原设计要求，仅采取提高耐久性的措施或局部处理即可。

（2）未损伤衬砌厚度＜设计衬砌厚度

计算剩余承载能力，根据计算结果采取提高安全性的加固补强措施。

3 工程案例应用

3.1 工程概况

本文引用一火灾隧道案例验证前文提供的火灾发生后隧道安全性评估方法。经了解，起火货车所装载的物品为木门、线缆（外包皮应为PVC 材料）及生活用品，隧道内燃烧时间约6h。

3.2 检测分析过程

3.2.1 表观灼烧调查

（1）受火直接灼烧致衬砌混凝土表面剥落，位于左拱腰及拱顶部，面积约为4m×4m（纵向×环向），经净空断面检测可知剥落最深处为3cm。混凝土表面颜色为土黄色或淡黄色，锤击声音沉闷。

（2）受火灼烧或熏烤致混凝土表面出现鱼鳞状裂纹或网状纹，位于左拱腰及拱顶部。靠近混凝土表面剥落位置处混凝土表面颜色为土黄色或淡黄色，远离处为灰色。

（3）隧道左拱腰处照明用的LED 灯受火灾的影响，熔化或烧毁。

（4）隧道左线左车道货车燃烧处，路面沥青混凝土因火灾产生坑槽。

（5）本次受火灾高温影响的区段为70m 左右，建立坐标系，展布其病害特征。

3.2.2 理论损伤深度

（1）推测表观温度。根据混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应与温度的关系初步判断混凝土表面局部受火温度为800C 左右。

（2）计算标准当量升温时间。根据公式（1）计算得到标准当量升温时间为50.5min。

（3）推测理论损伤深度。根据单面受火混凝土构件在标准升温条件下的温度场曲线，得到100C 对应的受火面距离为75mm，混凝土表层剥落30mm，即损伤深度为105mm。

3.2.3 中性化深度检测

在拱部选取10 处位置进行中性化深度检测，测量结果分别为13.6mm、10.4mm、14mm、11mm、38mm、45mm、11mm、8mm、11mm、9mm。

3.2.4 衬砌强度检测

（1）表面强度检测

回弹法对混凝土表面强度进行测试，结果依次为：42.1MPa、 40MPa、 36MPa、 35.7MPa、 27.6MPa、8.3MPa、40.3MPa、38.3MPa、37.5MPa、43.4MPa。（此处回弹法测得强度仅供参考）。从检测结果可以看出受火灾高温影响，衬砌表面强度严重降低。

（2）内部强度检测

钻孔取芯，进行抗压试验，分别对临火侧及背火侧混凝土强度进行试验。从检测结果可以看出直接受火焰灼烧的位置，衬砌内部强度降低明显，受混凝土不均匀性的影响，其余部位无明显规律。

3.2.5 衬砌厚度检测

在拱部布置3 条测线，对衬砌厚度进行检测，每10m 统计一处实测厚度代表值，如表1 所示。

表1 衬砌厚度统计表

实测厚度/cm里程桩号设计厚度/cm K0+60 K0+70 K0+80 K0+90 K0+100 K0+110 K0+120 K0+130 60 60 45 45 45 45 45 45左拱腰60 61 49 52 52 57 55 45拱顶61 63 46 47 39 44 47 39右拱腰60 50 45 52 61 55 56 44最小值60 50 45 47 39 44 47 39

3.3 剩余承载能力计算评估

3.3.1 计算未损伤厚度

假定不同位置温度场分布规律一致，即可通过中性化深度与表面温度最高点计算损伤层厚度，推测全段理论损伤厚度，此方法偏于安全。

3.3.2 分析评估

从隧道火灾损伤坐标系中可以直观看到计算未损伤层厚度与设计厚度的关系，需结合实测强度对每一模板混凝土单独计算分析。此处仅展示受火灾影响最严重处计算过程：衬砌厚度采用损伤层厚度为34.5cm，衬砌强度为40MPa，采用通用有限元计算软件建立结构模型计算。计算的最小安全系数为1.489，说明剩余承载能力不满足原设计承载能力，应采取提高安全性的加固补强措施。

4 结语

本文针对火灾后隧道结构的安全性问题，提出了基于剩余承载能力的检测评估方法，解决了运营公路隧道发生火灾后快速对结构安全进行评估的问题。提出的衬砌结构损伤层厚度的检测方法简便易实施，使隧道管养技术人员在隧道火灾发生后第一时间掌握灾损严重程度成为可能。

在推定损伤层厚度的时，采用“不同位置温度场分布规律一致”的假定，使计算损伤层厚度偏大，造成计算剩余承载能力偏小，需采取强有力的措施才能保证隧道结构安全性，是偏于保守的，在后续工作中，应加强损伤层厚度的检测方法研究，分析不同位置温度场的分布规律。