公路隧道衬砌结构火灾损伤及检测评估技术研究

摘要

山区公路隧道由于其结构狭长、空间小、道路窄、通风条件差、受火温度高等特点，一旦发生火灾，不能及时扑灭，后果极其严重。大火除了对隧道内的人员造成巨大伤害外，还会由于高温导致混凝土爆裂和力学性能的劣化，对衬砌结构产生不同程度的损坏，大大降低结构的承载力和安全性。火灾后，如何快速准确评估火灾高温对衬砌结构的损伤情况，及时制定隧道结构修复方案和加固补强方案，保证隧道结构的安全等方面有着实际的意义。
　　 本论文的主要研究工作如下：
　　 ①采用数控高温电炉加热方式，进行公路隧道衬砌结构混凝土试块烧蚀试验。通过四种不同等级(C20、C25、C30、C35)的隧道衬砌材料，四种受火温度(300℃、600℃、750℃、900℃)和三种受火时间(1小时、2小时、4小时)火损组合试验，深入研究分析衬砌材料的损伤表观特征和力学性能劣化，获得了强度、烧蚀厚度等物理力学指标与受火温度、时间的定量关系，获得回归数理方程；根据试验结果，分析评定了衬砌结构材料的火灾损伤程度，为隧道衬砌结构的承载力计算提供了理论依据。
　　 ②建立了一种火灾工况下的隧道衬砌结构计算模型“广义荷载-结构模型”。该模型为改进的荷载结构法，改梁单元为平面应变单元，实现了火灾工况与围岩荷载工况耦合；考虑了不同火灾场规模与衬砌内部温度大小之间的关系，材料参数选取方法与常规荷载结构法不同，实现了沿衬砌截面厚度方向定义衬砌截面各层的弹性模量值、泊松比等力学参数；可求得任意截面沿厚度方向的各应力值，便于分析衬砌任意截面内部应力的变化情况和确定损伤程度。
　　 ③基于烧蚀试验与“广义荷载-结构模型”，建立了火灾工况下两车道公路隧道衬砌结构安全性评估方法。以浅埋V级围岩衬砌结构为例，详细分析了小汽车、公交车、重型货车、油罐车燃烧后，拱顶、拱腰、边墙等关键点沿衬砌厚度方向的应力变化。对比了衬砌厚度减薄前和减薄5cm、10cm、15cm、20cm后的结构承载力计算，应力较完整时均有所增加，但增加幅度没有超过原来的35％；衬砌整体结构在结构设计中，一般安全系数为2～3，即使衬砌减薄后，其应力增加幅度达到原来的35％，在结构设计安全系数的前提下损坏后的衬砌并不会超过其容许应力，虽然安全系数会降低，但结构仍然稳定。因此，可以排除拆毁衬砌结构的方案，仅需对损毁的衬砌结构进行修复补强。
　　 ④系统研究了衬砌火灾损伤的检测方法，制定了现场火灾调查表，给出了损伤评价分级表，为火灾后隧道修复加固提供理论依据。
　　 ⑤将上述成果应用于广韶高速公路大宝山隧道，对火灾现场试验数据进行了分析和研究，然后对每个断面的损伤等级做了评价，得出一些具有工程指导意义的现象和结论。