火災下隧道襯砌結構力學行為及損傷演化研究

楊 鑫

(四川省交通建設集團股份有限公司，四川成都610000)

當隧道內發生火災時，高溫會導致混凝土爆裂，同時使混凝土力學性能劣化，極大影響了混凝土的服役性能。若混凝土損傷嚴重、甚至局部脫落，大大降低結構的承載力和安全性，影響隧道運營環境的安全。因此，研究火災下隧道襯砌結構力學行為及損傷演化，對隧道襯砌結構防火設計以及火災后結構損傷評價和修復等具有重要的意義。

針對上述問題，國內外學者從多個角度出發開展了研究。卞暉[1]針對海底隧道的特點結合襯砌結構熱傳導理論分析了火災場景下的隧道溫度場分布規律。張高樂等[2]從模型試驗角度重點分析了襯砌結構內表面各處溫度場的變化過程。施鍵梅等[3]研究了火災持續時間、峰值溫度及升溫速率對襯砌結構變形的影響。王薇等[4]從混凝土結構特性的不均勻性出發研究了熱力耦合作用下襯砌混凝土細觀損傷過程。王明年等[5]開展了現場火災試驗以研究混凝土的高溫損傷。沈奕[6]研究了火災不同升溫曲線對襯砌力學行為的影響。李忠友等[7]建立了相應的高溫損傷分析模型，在傳統模型基礎上進一步考慮了溫度持續時間對材料力學性能劣化的影響。舒祿山等[8]研究了隧道管片接頭的高溫力學性能。李文鍵[9]發現在火災過程中由于混凝土強度急劇下降而導致襯砌結構有效厚度變薄以及其力學性能降低，結構承載能力大幅度下降，極大降低了襯砌結構的安全性。吳招鋒等[10]分析了火災高溫下隧道襯砌內部應力的分布規律。

本文以久治至馬爾康段高速公路凍則柯隧道為工程依托，建立了基于HC基準升溫曲線的襯砌環熱力耦合模型。分析了隧道襯砌結構在火災下的溫度場分布規律及襯砌結構損傷情況，以期為隧道襯砌結構防火耐火設計提供參考。

1 工程概況

G0615線久治—馬爾康段高速公路位于四川省阿壩州，是最新國家高速公路網的重要組成部分。凍則柯隧道左線長729 m，右線長690 m，最大埋深122 m，為該線上的控制性工程。隧道圍巖穿越中生界三疊系中統扎尕山群，巖性由變質石英砂巖、砂質板巖與板巖構成韻律層互層，巖石整體上屬軟巖—較硬巖，局部破碎帶段為極軟巖。隧道圍巖分級為Ⅴ級。初期支護采用噴錨支護，二次襯砌采用模筑混凝土，其尺寸如圖1所示。

圖1 二次襯砌尺寸(單位：m)

2 熱力耦合有限元模型

2.1 假設條件

采用有限元計算軟件ABAQUS進行模擬計算。整個數值模擬過程基于假設：

(1)混凝土和鋼筋均為各向同性材料，其質量密度和泊松比均不隨溫度的變化而變化。

(2)襯砌結構內部沒有熱量生成。

(3)假定襯砌內表面受熱均勻。襯砌和圍巖的初始溫度取20 ℃，襯砌內側表面的溫度根據升溫曲線進行設定。

2.2 升溫曲線

根據GB50016-2014《建筑設計防火規范》和GB/T26784-2011《建筑構件耐火試驗可供選擇和附加的試驗程序》，碳氫(HC)升溫曲線適用于地下隧道承重結構體系的耐火性研究。HC火災升溫曲線的溫度時間關系如式(1)所示。

T=1080(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)+T0

(1)

式中：t為時間(min)；T為t時刻襯砌內的溫度(℃)；T0為常溫時的溫度(℃)。

2.3 材料參數及本構模型

(1)混凝土彈性模量見式(2)。

(2)

式中：Ec為常溫下混凝土的彈性模量；Ec(T)為溫度T下混凝土的彈性模量；T為受火溫度(℃)。

(2)混凝土比熱容見式(3)。

20 ℃≤T≤1200 ℃

(3)

式中：Cc(T)為混凝土比熱容，(J/kg·K)；T為受火溫度(℃)。

(3)混凝土導熱系數見式(4)。

(4)

式中：λc(T)為混凝土導熱系數,W(m·K)；T為受火溫度(℃)。本文采用鈣質骨料的公式進行求解計算。

(4)混凝土熱膨脹系數見式(5)。

(5)

式中：αc(T)為混凝土熱膨脹系數，1/K；T為受火溫度(°C)。

(5)鋼筋彈性模量見式(6)。

(6)

式中：Es為常溫下鋼筋的彈性模量；Es(T)為溫度T下鋼筋的彈性模量；T為受火溫度(℃)。

當溫度超過700 ℃時，認為鋼材彈性模量不再變化。

(6)鋼筋比熱容見式(7)。

Cs(T)=600

(7)

式中：Cs(T)為鋼筋比熱容，J/kg·K；T為受火溫度(℃)。

(7)鋼筋導熱系數見式(8)。

(8)

式中：λs(T)為鋼筋導熱系數，W/(m·K)；T為受火溫度(℃)。

(8)鋼筋屈服強度見式(9)。

(9)

當溫度超過700 ℃時，認為鋼材屈服強度不再改變。

模型中襯砌采用C35混凝土，常溫時材料屬性參數如表1所示。混凝土襯砌采用C3D8R單元模擬，鋼筋采用T3D2單元模擬。為了簡化模型，忽略鋼筋和混凝土之間的粘結滑移，將鋼筋整體嵌入(Embedded)混凝土。

表1 常溫下材料屬性參數

混凝土采用損傷塑性本構模型(Concrete Damage Plastic Model)，該模型受往復荷載作用剛度恢復如圖2所示，損傷塑性參數取值如表2所示。損傷因子采用能量等效原理進行計算。鋼筋均采用雙直線彈塑性本構，當達到屈服應力后，彈性模量降低為先前的1/100。

圖2 CDP模型受往復荷載作用剛度恢復示意

表2 混凝土損傷塑性參數

2.4 結構與圍巖相互作用

圍巖與隧道結構的相互作用通過地層彈簧來實現。徑向約束為受壓不抗拉的非線性接地彈簧。對于Ⅴ級圍巖，地層彈性抗力系數取150 MPa/m。彈簧剛度等于地層抗力系數與彈簧承擔面積(節點所在單元總面積的1/4)的乘積。通過換算，可得到接地彈簧的剛度。地層彈簧如圖3所示。

圖3 地層全周地層彈簧

2.5 荷載

圍巖相關計算參數如表3所示。

表3 圍巖參數

根據JTG D70-2004《公路隧道設計規范》(以下簡稱《規范》)，隧道寬度B為12.22 m，則寬度影響系數為：

w=1+i(B-5)=1+0.1×(12.22-5)=1.722 m

荷載等效高度為：

h=0.45×2s-1×w=0.45×25-1×1.722=12.3984 m

依托工程區段為V級圍巖，則深淺埋分界高度為：

H=2.5h=2.5×12.3984=30.996 m

由于依托工程區段最大埋深122 m，大于深淺埋分界高度，屬于深埋隧道。根據《規范》，隧道垂直均布壓力為：

q=γh=247.968 kPa

隧道水平均布壓力為：

e=(0.3～0.5)q=(74.3904～123.984) kPa

V級圍巖下二次襯砌承擔60%～80%的圍巖荷載，本文取70%。二次襯砌受力如圖4所示。

圖4 二次襯砌荷載示意

3 計算結果分析

不同受火時間的混凝土的溫度場分布如圖5所示。受火120 min后鋼筋的溫度場分布如圖6所示。從圖中可以看出，隧道在火災情況下，溫度的傳遞影響范圍僅限于襯砌內，且主要分布在距離內表面較近范圍，對周圍巖土基本無影響。隧道襯砌結構在HC升溫曲線加載下，隨著襯砌結構厚度的增加，襯砌結構上溫度減弱迅速，當距受火面16.0 cm時，溫度為71.65 ℃，在30 cm左右基本保持在常溫狀態，火災對其幾乎沒有影響，體現了混凝土材料優異的防火性能。火災作用120 min后，直接受火面最高溫度達到1 100 ℃，最靠近受火面的鋼筋溫度已經達到660 ℃，已超鋼筋安全溫度的限值，鋼筋的性能會顯著下降。在實際的隧道火災中，襯砌結構表層混凝土會發生爆裂而剝離，導致內層混凝土裸露，鋼筋處的溫度會遠遠超出允許值，嚴重威脅襯砌結構的安全。

圖5 不同受火時間混凝土溫度場分布(單位：K)

圖6 受火120min后鋼筋溫度場分布(單位：K)

不同受火時間襯砌損傷分布云圖如圖7所示。從圖中可以看出，升溫1 min后，損傷首先出現在拱腳的襯砌外側。隨著受火時間的增加，拱腳處的微裂縫逐漸呈現貫通趨勢。同時，拱頂兩側出現損傷，且逐步向中間擴展直至襯砌失效，

圖7 不同受火時間襯砌損傷分布云圖

無法繼續承載。在襯砌結構防火耐火設計及災后維護過程中，要重點關注拱腳和拱頂位置。

4 結論

本文以久治至馬爾康段高速公路凍則柯隧道為工程依托，建立了基于HC基準升溫曲線的襯砌環熱力耦合模型。分析了隧道襯砌結構在火災下的溫度場分布規律及襯砌結構損傷情況。主要得出結論：

(1)隧道在火災情況下，溫度的傳遞影響范圍僅限于襯砌內，且主要分布在距離內表面較近范圍，對周圍巖土基本無影響。

(2)隧道襯砌結構在HC升溫曲線加載下，最靠近受火面的鋼筋溫度已經達到660 ℃，已超鋼筋安全溫度的限值，鋼筋的性能會顯著下降，嚴重威脅襯砌結構的安全。

(3)在襯砌結構防火耐火設計及災后維護過程中，要重點關注拱腳和拱頂位置。