火災工況下某隧道二次襯砌結構安全評價

王艷波

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

2014 年國道二廣高速公路山西境內巖后隧道發生嚴重火災事故，隧道遭受到很嚴重的破壞，隧道襯砌、機電及其他設施損壞嚴重[1]。因此為保證隧道二次襯砌火災后的結構安全，一般是采用瓷磚+防火涂層的內裝飾方案，防火涂層的主要參數為：防火涂料噴涂厚度不得小于12 mm，耐火極限時間不小于2.0 h。

1 工程概況

圖1 隧道主洞內輪廓圖

某市政隧道為長隧道，穿過低山丘陵區域，為分離式隧道。隧道左線起止樁號ZK6+410—ZK7+440，隧道長度1 030 m，隧道最大埋深約120.0 m；隧道右線起止樁號 YK6+412—YK7+445，隧道長度1 033 m，隧道最大埋深約118.0 m。隧址區地表水不發育，主要為大氣降水形成地表水沿山谷匯流，為季節性地表水，勘察區地震動峰值加速度值為0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，抗震設防烈度為Ⅵ度，由于隧道為重要構造物，按Ⅶ度采取抗震構造措施。根據《公路工程地質勘察規范》[2]及《公路隧道設計規范》[3]中的有關規定，根據隧道圍巖級別計算并充分結合鉆探、物探及地質調繪成果，對隧道圍巖進行工程地質分級，判定隧道進出口段及洞身段為Ⅴ級圍巖。

隧道建筑限界根據《公路隧道設計規范》[3]《城市道路工程設計規范》[4]及《公路工程技術標準》[5]執行，并結合鄰近地區同類工程擬定。本合同段隧道按雙向六車道高速公路、設計速度60 km/h 技術標準進行設計，同時本著內輪廓斷面滿足功能要求，受力均勻、經濟合理的原則，單洞建筑限界凈寬取15.25 m，限高取5.0 m。其中：隧道行車道寬度為3.5 m×3=10.5 m；左側側向寬度LL取0.5 m，右側側向寬度LR取0.5 m；左側檢修道寬0.75 m，右側檢修道考慮人行需求取3.00 m，如圖1 所示。

2 隧道內裝飾原設計情況

本合同段隧道內裝飾：檢修道以上3.5 m 范圍兩側邊墻內壁鋪貼淺色亞光釉面瓷磚，以提高洞內照明度及利于清洗維護；隧道拱部采用厚型無機型防火涂層噴涂，以利于隧道防火。

3 隧道內裝飾變更情況

2017 年4 月，接到業主通知：“鑒于隧道防火涂層施工質量難以控制，運營期間容易受環境影響發生剝落，影響行車安全，同時，從國內隧道火災后襯砌結構受損情況來看，有無防火涂層對襯砌損傷的影響不大，且國內已有部分省份明確取消高速公路隧道防火涂層，決定取消隧道洞內防火涂料”。

4 取消防火涂層后二襯結構計算及安全評價

驗算火災工況下Ⅴ級圍巖安全系數，初期支護和二次襯砌分別承擔40%和60%的荷載。同時，根據與某市溝通危化品運輸路線有特殊規定，故該次計算不考慮油罐車在隧道內發生火災的工況，火災影響深度按照5 cm 考慮，火災穩定達到900℃時，二次襯砌強度和鋼筋按0.1 系數折減。

4.1 材料參數的選取

對于Ⅴ級圍巖，其初期支護由工字鋼拱架、徑向錨桿（水平對拉錨桿）、鋼筋網及C25 噴射混凝土組成，鋼拱架之間用縱向鋼筋連接，并與徑向錨桿及鋼筋網焊為一體，與圍巖密貼，形成承載結構。對于Ⅴ級圍巖二次襯砌，其采用C30 鋼筋混凝土結構，受力鋼筋采用HRB400 鋼筋，以保證隧道主體結構的安全。隧道斷面襯砌材料參數如表1 所示。

表1 隧道斷面襯砌材料參數

4.2 圍巖參數的選取

圍巖參數由工程地質報告提供，如表2 所示。

表2 圍巖參數表

4.3 計算荷載的確立

荷載取Ⅴ級圍巖計算。由于隧道開挖最大跨度Bt為18.0 m，因此對于荷載等效高度hq的計算，根據《公路隧道設計細則》[6]，應按照普式公式計算，隧道埋置深度取35 m，水平側壓力與垂直壓力比為0.3。經計算后，圍巖壓力為：垂直均布壓力-414.899 kN/m2，左上水平側壓力 231.779 kN/m2，左下水平側壓力231.779 kN/m2，右上水平側壓力-231.779 kN/m2，右下水平側壓力-231.779 kN/m2。圍巖彈性抗力系數取150 MPa/m。

4.4 隧道二次襯砌內力計算及安全性評價

本計算模型采用荷載- 結構法，計算方法采用桿系有限元法，對二次襯砌結構進行計算，并根據《公路隧道設計規范》[2]中規定的鋼筋混凝土結構在不同破壞原因下的強度安全系數，對二次襯砌結構進行安全性評價，二次襯砌強度和鋼筋按0.1 系數折減。圖2 為計算模型，側向壓力e 按照均布荷載考慮，經過計算后的襯砌內力如圖3～圖5 所示。

圖2 二次襯砌計算模型

圖3 二次襯砌軸力

圖4 二次襯砌彎矩

圖5 二次襯砌剪力

a）圖3 中二襯軸力均為偏心壓力，壓力最大點位于邊墻與仰拱小半徑圓弧位置，其最大值為2 658.88 kN，壓力最小點位于拱頂位置，其最小值為1 866.37 kN。

b）圖4 中二襯最大正向彎矩（隧道內側受拉為正）位于拱頂位置，為493.24 kN·m，最大負向彎矩（圍巖側受拉為負）位于邊墻與仰拱小半徑圓弧位置，為 -633.66 kN·m。

c）圖5 中二襯最大剪力同樣位于邊墻與仰拱連接處位置，反對稱結構受力，其值為811.466 kN。

為驗證二次襯砌安全性，在隧道內輪廓選取4 處極值點，如表3 所示，用于計算鋼筋混凝土襯砌的安全系數K 值，驗證是否滿足相關規范要求。

表3 鋼筋混凝土二次襯砌內力極值點

二次襯砌采用HRB400 鋼筋，直徑為28 mm，縱向間距25 cm，二襯厚度60 cm，二襯縱向長度取100 cm，受拉鋼筋Ag及受壓鋼筋A'g鋼筋面積均為2 463 mm2，混凝土強度為C30，二次襯砌強度和鋼筋按0.1 系數折減。根據《公路隧道設計規范》[3]，計算后的安全系數如圖6 所示。

圖6 二襯安全系數

由圖6 可以看出，安全系數最小值為2.64，位于邊墻與仰拱連接處位置，也就是86 號梁單元的位置，因此對于隧道內輪廓來說，邊墻與仰拱連接處一定要過渡自然，避免產生應力集中。由于86 號梁單元位置一般半徑較小，模板較難加工，故存在混凝土振搗不密實及鋼筋綁扎困難等問題，這應該引起我們重視。另外，我們選取29 號及86 號梁單元，對配筋率及裂縫寬度進行驗算。驗算后的結果表（極值點）如表4 所示。

表4 混凝土結構強度驗算結果表(極值點)

由表4 可以看出，極值點29 號梁單元和86 號梁單元經過計算后，鋼筋混凝土二襯襯砌的安全系數均大于2，可以滿足規范中關于安全系數的要求，并且最大裂縫寬度也小于0.2 mm，受拉鋼筋配筋率ρ 及受壓鋼筋配筋率ρ' 均大于0.20%，且全部縱向鋼筋配筋率大于0.55%，滿足規范中對于裂縫寬度及配筋率的構造要求。因此對于火災工況下，隧道未設置防火涂層時，Ⅴ級圍巖段襯砌結構不會發生坍塌。由于隧道Ⅴ級圍巖為最不利工況，故隧道全線可取消防火涂層。

5 結語

傳統的隧道內裝飾方案為瓷磚+防火涂層，但是防火涂層確實存在施工質量難以控制、運營期間容易受環境影響發生剝落、嚴重情況下可能造成行車事故等問題。本文根據《公路隧道設計細則》[6]中關于圍巖壓力計算的相關公式，利用荷載- 結構法，針對火災工況，對Ⅴ級圍巖下未設置防火涂層的隧道二次襯砌進行了相關驗算，得出了如下結論：

a）對于大斷面單向行駛三車道隧道，隧道二襯的邊墻與仰拱小半徑圓弧位置處彎矩最大，且處于最不利組合狀態。而對于未設置防火涂層的二次襯砌，一旦發生火災，其混凝土及鋼筋強度進一步降低，計算出的強度安全系數也僅比規范[2]規定的安全系數最小值2 略大，安全儲備較低。因此，二次襯砌邊墻與仰拱連接處一定要過渡自然，避免產生應力集中，同時該處位置一般半徑較小，模板較難加工，故存在混凝土振搗不密實及鋼筋綁扎困難等問題，這應該引起重視。

b）隧道二次襯砌仰拱部位幾乎處于軸心受壓狀態，安全儲備較高，同時由于仰拱部位以上存在仰拱填充，發生火災時，燃燒源距離仰拱較遠，熱傳遞衰減較多，建議有條件時，可適當減小鋼筋混凝土二襯中仰拱部位的配筋。

c）結合合同工程量清單，隧道防火涂層每平米單價為20 元左右，原設計每延米工程量為18.04 m2，左右線合計工程量為54 758 m2。取消防火涂層后，節省工程造價約110 萬，且縮短了工期，達到經濟合理目的。