刘 俊，黄汉义

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430050)

隧道火灾事故时有发生，衬砌过火后出现的混凝土开裂、剥离掉块等状况会危及隧道内的结构安全与行车安全。火损后衬砌安全性评价应包含实地调研、应急检测与监测、实测数据分析与评价，结合理论与数值模拟分析等方式，多手段、多角度地对隧道火灾影响和整治方案进行分析，并对整治后的效果进行评价。

对检测或监测的量测数据进行反向分析可确定围岩初始地应力和岩体的力学特性参数[1]。通常隧道二次衬砌仅作为安全储备结构，不承受荷载或仅承受小部分荷载[2]，但火损后衬砌的安全储备作用存在不同程度的削弱。根据监控量测数据和围岩力学参数[3]，再结合隧道设计参数等，即可通过数值分析方法对衬砌安全性做出合理评价。通过大量监控量测数据统计发现，围岩稳定性引起的安全事故主要发生在Ⅳ级、Ⅴ级围岩的隧道中，且位移变化是围岩稳定状态最直观的外在反映[4]。因此进行火损隧道衬砌安全性验算时，应重视相关围岩级别下的衬砌位移变化。

本研究中某火损隧道的衬砌安全性分析与评价是在监控量测以及对病害段的勘探与测试的基础上，按照相关规范进行的，可判断火灾损伤及整治后衬砌性能是否符合安全标准[5]。

1 工程概况

某上下行全长约7 km的分离式双洞山区隧道的右线洞内发生一起因半挂货车起火燃烧并引燃前后近30台车辆的火灾事故，火灾时长约3 h，根据过火衬砌损伤程度分析，最高燃烧温度约1 000 ℃。过火段长约700 m，火灾影响段长约0.6 km且主要穿越Ⅳ级围岩至Ⅴ级围岩，复合式衬砌的初期支护为锚网喷混凝土和砂浆锚杆，二次衬砌为模筑混凝土。火灾影响段支护结构类型参数如表1所示，火灾影响段原设计衬砌支护类型如图1所示。

表1 火灾影响段支护结构类型参数

(a)Ⅳ级围岩的S4a衬砌类型

2 衬砌安全性评价依据

2.1 安全性评价对象和评价内容

所研究的安全性评价对象为隧道火灾影响段的结构安全性，即在灾害发生后对病害段进行勘探、应急检测和监控量测的基础上，按照相关规范[6]，通过工程类比、理论和数值分析等手段，考虑不同工况并进行隧道衬砌结构安全性评价。

项目中衬砌结构评价对象主要包含：①火灾前的Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和紧急停车带；②火灾后拱圈不同剥离深度(10 cm、15 cm、20 cm和30 cm)条件下的Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和紧急停车带，附带存在明显缺陷的衬砌典型断面；③完成整治施工后的Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩和紧急停车带。

根据火灾后安全性评价结果，采取针对紧急停车带和正常段严重损伤段(大面积剥落深度>15 cm)的整治方案S1，正常段中等损伤段(大面积剥落深度为6～15 cm)的整治方案S2以及正常段轻微损伤段(大面积剥落深度为0～6 cm)的整治方案S3。结合专家评审意见，考虑到衬砌的模筑混凝土较喷射混凝土的施工工艺更为复杂，施工进度无法保证隧道尽快恢复运营的需求[7]，各方案中均采用喷射钢纤维混凝土工艺。

2.2 衬砌安全性控制标准

火灾后隧道衬砌材料性能降低，导致衬砌结构强度降低，进而引发衬砌结构变形和损伤等风险[8]，计算评价时须依据相关的安全控制标准。

依据《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)，可通过结构抗压强度、抗拉强度和衬砌安全系数评价隧道火灾后衬砌混凝土的结构安全性。当隧道按极限状态法设计时，混凝土结构计算中混凝土容许强度的极限值依规取用；采用安全性系数进行隧道火灾段结构稳定性分析时，基于既有隧道结构强度准则，强度安全系数具体控制标准如表2所示。

表2 强度安全系数具体控制标准

3 火灾影响段衬砌结构安全性评价

3.1 建立典型断面数值仿真模型

综合考虑隧道不同支护类型和应急检测中地质雷达与钻芯取样揭示的衬砌厚度结果，计算出模型的典型断面选择：①Ⅴ级围岩典型断面，R1+202断面二衬设计厚度为30 cm，剥落厚度检测结果约为20 cm；②Ⅳ级围岩典型断面，R1+050断面二衬设计厚度为30 cm，剥落厚度检测结果约为10 cm；③紧急停车带典型断面，R1+160断面二衬设计厚度为40 cm，剥落厚度检测结果约为22 cm；④衬砌缺陷段典型断面，R1+410断面拱腰部位二衬存在厚度不足，欠厚量近10 cm。隧道过火段(黑实线)典型断面位置如图2所示。

图2 隧道过火段(黑实线)典型断面位置

依据上述4个断面的实际地表状况，兼顾模型计算效率，绘制出横向长为140 m、深度取实际深度的真实地表仿真模型。各模型中隧道结构支护参数均与隧道结构实际设计参数对应。计算模型及其网格划分如图3所示。

(a)R1+050断面模型网格

根据衬砌损伤情况拟定整治方案，包含紧急停车带严重损伤段和正常段严重损伤段(大面积剥落深度>15 cm)的整治方案S1、正常段中等损伤段(大面积剥落深度6～15 cm)的整治方案S2以及正常段轻微损伤段(大面积剥落深度0～6 cm)的整治方案S3。

S1方案将原有二衬全部凿除后，布置单层或双层钢筋网。环向采用Φ22钢筋并用Φ25锚固钢筋对环向钢筋进行固定，再对拱部喷射30～40 cm厚的C25混凝土。

S2方案中凿除受损混凝土后，拱部区域火损较严重部位设置轻型钢轨拱架，钢架间采用单层钢筋网加固，再喷射CF25钢纤维混凝土。

S3方案中凿除受损混凝土后，采用单层钢筋网加固，并设置Φ25锚固钢筋进行固定，再喷射CF25钢纤维混凝土至原有衬砌表面。

针对Ⅳ级围岩段、Ⅴ级围岩段和紧急停车带3种支护方式下S1～S3整治方案的治理效果进行仿真分析，以确保整治方案对过火段隧道衬砌结构安全性的保障效果。主要计算内容包含：①整治前后衬砌结构的位移量；②整治前后衬砌结构的应力状态；③整治后隧道结构内力及其安全系数。

模型中的计算单元均选用实体单元，模型中的围岩采用摩尔-库伦本构模型、衬砌采用弹性本构模型。整治方案中新施作的衬砌结构均以线弹性实体单元进行模拟，新施作的结构范围对应衬砌结构剥离范围。围岩的物理力学参数参考隧道实际地勘资料，衬砌各项材料参数根据工程设计图选取。计算模型地层及力学参数如表3所示；整治前后结构模型对比如图4所示。

表3 计算模型地层及力学参数

(a)剥离30 cm后的衬砌结构模型

3.2 模型计算工况及结果分析

根据隧道实际火灾情况，以不同支护类型下剥离深度(未剥离、拱圈剥离10 cm、拱圈剥离15 cm和拱圈剥离20 cm)作为分析因素，共设置4种支护类型计算工况，分别为Ⅳ级围岩支护、Ⅴ级围岩支护、紧急停车带支护和局部厚度不足时支护。

对未经火灾的隧道进行衬砌安全性评价的具体模拟步骤为：①施加模型边界条件、初始地应力条件；②进行隧道开挖、初支施作模拟及其应力场和位移场分析；③隧道二衬结构施作并求解其应力场和位移场；④提取模型结果数据，计算衬砌结构内力。

考虑整治过程的隧道衬砌安全性评价的具体模拟步骤为：步骤①、步骤②和步骤③与原先模拟步骤相同；④模拟火灾引起的拱部衬砌剥离，并求解其应力场和位移场；⑤模拟火灾后新衬砌结构的施作，求解其应力场和位移场，提取模型结果数据，计算衬砌结构内力。修补前后衬砌结构检算模型中的强度值，以不同过火段的钻芯取样检测结果为依据，综合考虑不同位置火损程度的差异，结合《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)得出安全系数，最终从变形量、结构应力、结构内力和衬砌安全系数这4个方面进行评估[9]。

Ⅳ级围岩段隧道结构位移分析结果如表4所示；Ⅳ级围岩段隧道结构应力分析结果如表5所示。

表4 Ⅳ级围岩段隧道结构位移分析结果

表5 Ⅳ级围岩段隧道结构应力分析结果

由隧道结构内力可根据《公路隧道设计细则》(JTG/T D70—2010)计算出隧道的结构安全系数，并判断结构安全性是否满足相关规范要求。计算结果表明，未过火隧道衬砌(包含Ⅳ级围岩支护、Ⅴ级围岩支护和紧急停车带支护)结构位移量较小，材料应力与结构安全系数符合规范规定的限值要求[10]，未过火隧道衬砌结构安全系数如图5所示。

(a)Ⅳ级围岩支护下

现以Ⅳ级围岩支护截面为例，对比未剥离和剥离10 cm、15 cm以及20 cm工况下衬砌位移和应力分布，衬砌拱圈竖向位移变化量和主应力随剥离深度的增大而增大，特征断面位置处衬砌结构位移分析结果如表6所示，特征断面位置处衬砌结构应力分析结果如表7所示。随剥离深度的增大，应力极值部位逐渐转移至剥离部位边界处，部分剥离部位应力集中且应力增长造成衬砌混凝土材料应力安全余量削弱，结构安全系数大幅降低。若支护未达到设计要求或遭遇特殊地质结构，会存在压溃、开裂和失稳的风险。

表6 特征断面位置处衬砌结构位移分析结果

表7 特征断面位置处衬砌结构应力分析结果

以紧急停车带和正常段严重损伤段的S1整治方案所对应的断面为例，对比整治前后各工况最大水平位移与最大竖向位移均有较大程度的改善，最大竖向位移改善最为明显。衬砌内力受到围岩应力重分布影响而趋于合理[11]，各应力对比结果表明整治后隧道衬砌受力良好，结构大主应力和结构小主应力减小，结构安全系数随之增大。整治后衬砌结构全环受压，隧道拱顶压力值较小，结构受力薄弱部位在边墙和拱脚，断面最小结构安全系数达到规范中“抗拉安全系数大于2.4，抗压安全系数大于2.0”的要求，特征断面位置处的衬砌结构安全系数如表8所示。

表8 特征断面位置处的衬砌结构安全系数

4 结论

通过某火损隧道衬砌的典型断面数值模拟和理论分析，结合隧道实际火灾情况，对不同工况下的衬砌结构进行安全性分析与评价。分析表明，3类支护类型在5种衬砌剥离深度工况下，在剥离深度较大时衬砌混凝土材料应力会超过规范容许应力，致使材料应力安全余量明显削弱，衬砌结构存在较大的失稳风险。完成3种整治方案后，新衬砌与原隧道结构的联合承载体系的位移与结构受力状态得到明显改善，衬砌结构安全性得到较大提高。