陳小峰, 王興平， 郭 春, *, 韓 宇

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031; 3. 成都華川公路建設(shè)集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610091)

0 引言

在我國(guó)高速公路建設(shè)過(guò)程中，特長(zhǎng)公路隧道越來(lái)越多，且往往是整條線路的控制性工程。為保證線路的正常運(yùn)營(yíng)，特長(zhǎng)公路隧道通常會(huì)設(shè)置通風(fēng)導(dǎo)洞，如： 平導(dǎo)、斜井或豎井。通風(fēng)導(dǎo)洞的通風(fēng)形式一般分為獨(dú)立通風(fēng)和混合通風(fēng)2種。在混合通風(fēng)導(dǎo)洞中通常需設(shè)置中隔墻或隔板以防止新風(fēng)被污風(fēng)污染[1-2]，其中中隔墻一般采用鋼筋混凝土形式。

目前，混凝土中隔墻已廣泛運(yùn)用于隧道工程中。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)對(duì)模板臺(tái)車的改進(jìn)，提出一種陡坡斜井混凝土中隔墻快速施工技術(shù)； 文獻(xiàn)[5]采用預(yù)制拼裝的手段提高了中隔墻施工速度； 文獻(xiàn)[6]從襯砌和中隔墻同時(shí)澆筑的角度出發(fā)提出一種新型施工方法。盡管混凝土中隔墻技術(shù)比較成熟，但是仍有許多問(wèn)題尚待解決。例如： 施工過(guò)程仍比較復(fù)雜，工程進(jìn)度仍有提高的余地；施工質(zhì)量不易把控，粗糙的墻面會(huì)顯著增大通風(fēng)阻力，從而加大通風(fēng)成本。為解決混凝土中隔墻的不足，本文提出采用鋼波紋板替代混凝土的新型中隔墻技術(shù)。

鋼波紋板是一種冷軋熱卷鋼板經(jīng)波狀成型后再通過(guò)熱浸鋅防腐工藝處理的板材。由于表面光滑、耐腐蝕、安裝簡(jiǎn)便、制造和運(yùn)輸方便，鋼波紋板近幾年被廣泛運(yùn)用于建筑工程[7-9]、橋涵工程[10-11]和隧道工程[12-14]中。

本文以鷓鴣山特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)平導(dǎo)為例，探究鋼波紋板替代混凝土中隔墻的可行性。首先介紹新技術(shù)施工工藝，然后再?gòu)耐L(fēng)性能、力學(xué)性能和耐火性能等對(duì)其進(jìn)行可行性分析，以期形成新型中隔墻技術(shù)，推動(dòng)特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化。

1 工程概況

鷓鴣山隧道工程是汶馬高速公路(汶川至馬爾康)全線控制性工程，該工程起于理縣山腳壩，沿來(lái)蘇河上行，穿鷓鴣山進(jìn)入王家寨，線路長(zhǎng)約11.5 km。鷓鴣山特長(zhǎng)隧道右線長(zhǎng)8 766 m，左線長(zhǎng)8 790 m。隧道出口左側(cè)設(shè)置1座通風(fēng)平導(dǎo)(見(jiàn)圖1)，長(zhǎng)3 732 m，最大埋深約1 406 m。

圖1 通風(fēng)平導(dǎo)與主洞

隧道的通風(fēng)平導(dǎo)起點(diǎn)與隧道主洞左線ZK184+580相接，通風(fēng)平導(dǎo)內(nèi)設(shè)置中隔墻(見(jiàn)圖2)，將平導(dǎo)分為排風(fēng)道和送風(fēng)道。根據(jù)《四川汶川至馬爾康高速公路鷓鴣山隧道工程出口通風(fēng)平導(dǎo)兩階段施工圖設(shè)計(jì)》，中隔墻的設(shè)計(jì)方案為現(xiàn)澆C30防水鋼筋混凝土，厚度為30 cm。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，該混凝土中隔墻方案主要存在以下問(wèn)題：

1)施工工藝復(fù)雜。鋼筋混凝土墻施工涉及多項(xiàng)工序，主要包括放線定位、鋼筋綁扎、模板固定、混凝土運(yùn)輸及澆筑、拆模和養(yǎng)護(hù)。

2)施工時(shí)間長(zhǎng)。鋼筋混凝土施工涉及工序繁多，再加上混凝土的養(yǎng)護(hù)周期，整體施工時(shí)間較長(zhǎng)。

3)通風(fēng)阻力較大。由于施工質(zhì)量不易保證，混凝土壁面較為粗糙，通風(fēng)摩擦阻力較大。

2 新型中隔墻技術(shù)

為解決鋼筋混凝土中隔墻的問(wèn)題，擬采用8.0 mm鋼波紋板作為鋼筋混凝土的代替品。為避免新風(fēng)和污風(fēng)混合，保證兩端通風(fēng)方向與鋼波紋板縱向方向一致，鋼波紋板之間搭接應(yīng)采用如圖3所示形式，搭接長(zhǎng)度應(yīng)遵循規(guī)范[15]。由于平導(dǎo)縱向長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，新型中隔墻在安裝過(guò)程中需要設(shè)置固定柱作為固定點(diǎn)，防止鋼波紋板在縱向上向兩側(cè)變形。鋼波紋板與固定柱連接方式如圖4所示。

圖2 通風(fēng)平導(dǎo)斷面(單位： cm)

圖3 鋼波紋板之間縱向搭接(俯視)

Fig. 3 Longitudinal overlap between steel corrugated plates (overlooking)

圖4 鋼波紋板與固定柱縱向搭接(俯視)

Fig. 4 Longitudinal overlap between steel corrugated plate and fixed column(overlooking)

3 可行性分析

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)新型中隔墻技術(shù)的可行性進(jìn)行分析，主要包括通風(fēng)性能、力學(xué)性能和耐火性能。同時(shí)，其他重要性能，如： 耐久性、密封性和抗風(fēng)壓等，也將進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 通風(fēng)性能分析

3.1.1 模型建立

相對(duì)于混凝土中隔墻方案，采用新型中隔墻技術(shù)會(huì)增大斷面面積，一定程度上會(huì)影響通風(fēng)性能。本文采用FLUENT分析設(shè)置新型中隔墻之后通風(fēng)效果的變化。2種中隔墻方案數(shù)值模型的具體幾何尺寸如表1所示。

表1 數(shù)值模型幾何尺寸

混凝土中隔墻方案和新型中隔墻方案模型如圖5和圖6所示，模型中的中隔墻因簡(jiǎn)化而未顯示出來(lái)。

圖5 混凝土中隔墻方案平導(dǎo)通風(fēng)模型

Fig. 5 Ventilation model of parallel heading with original intermediate diaphragm wall

圖6 新型中隔墻方案平導(dǎo)通風(fēng)模型

Fig. 6 Ventilation model of parallel heading with new intermediate diaphragm wall

2個(gè)數(shù)值模擬的進(jìn)風(fēng)風(fēng)量均以混凝土中隔墻方案配置的風(fēng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行推算，數(shù)值模擬邊界條件見(jiàn)表2。

3.1.2 結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬，通風(fēng)性能分析的部分模擬結(jié)果如圖7和圖8所示，具體對(duì)比分析見(jiàn)表3。

表2 平導(dǎo)通風(fēng)數(shù)值模擬邊界條件

(a) 近期

(b) 遠(yuǎn)期

(a) 近期

(b) 遠(yuǎn)期

表3 2種中隔墻方案斷面風(fēng)速對(duì)比

注： 表中誤差為采用鋼波紋板之后斷面平均風(fēng)速相較于混凝土中隔墻方案降低的百分比。

從表3可知，采用鋼波紋板作為中隔墻之后，送、排風(fēng)斷面增大，斷面風(fēng)速有所降低(約4%)。由于鋼波紋板表面鍍鋅，相較于混凝土更加光滑，通風(fēng)阻力更小，故采用鋼波紋板作為中隔墻不會(huì)影響隧道運(yùn)營(yíng)的通風(fēng)。

3.2 力學(xué)性能分析

結(jié)合新型中隔墻的布置形式，中隔墻豎向幾乎沒(méi)有豎向剛度[7]，不會(huì)對(duì)拱頂有承載作用，但是其自重會(huì)對(duì)拱頂有向下加載作用。另外，新型中隔墻沿平導(dǎo)縱向均勻布置的型鋼固定柱會(huì)對(duì)拱頂局部區(qū)域有支撐作用。

3.2.1 模型建立

根據(jù)地質(zhì)資料，選取平導(dǎo)處于Ⅴ級(jí)圍巖的區(qū)段作為計(jì)算對(duì)象，相關(guān)地層和結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)見(jiàn)表4。本模型取1個(gè)安裝區(qū)段中間1 m作為模擬對(duì)象，則鋼波紋板需取縱向1 m的自重作為平導(dǎo)拱頂處的豎向荷載。

表4圍巖、鋼筋混凝土和固定柱力學(xué)參數(shù)

Table 4 Mechanical parameters of surrounding rock, reinforced concrete and fixed column

項(xiàng)目 重度/(kN/m3)彈性抗力系數(shù)/(MPa/m)彈性模量/GPa泊松比Ⅴ級(jí)圍巖242003.50.35C30鋼筋混凝土25300.2固定柱782050.30

本研究中擬選取8.0 mm的鍍鋅鋼波紋板進(jìn)行計(jì)算，其密度為62.80 kg/m3，重度為4 333.2 N/m。本文所涉及方案的力學(xué)性能分析均采用“荷載-結(jié)構(gòu)”模型計(jì)算。

3.2.2 結(jié)果分析

通過(guò)數(shù)值模擬，平導(dǎo)拱頂最大沉降量如圖9所示。結(jié)合拱頂變形區(qū)域(見(jiàn)圖10)，該拱部計(jì)算跨度為節(jié)點(diǎn)8和69之間的二次襯砌跨度， 4.786 m。結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，該平導(dǎo)二次襯砌拱頂撓度允許值為19.144 mm，而新技術(shù)導(dǎo)致的最大拱頂沉降量為3.783 mm，未超過(guò)限值。

圖9 平導(dǎo)拱頂最大沉降量(單位： m)

Fig. 9 Maximum crown settlement of parallel heading (unit: m)

圖10 平導(dǎo)拱頂變形區(qū)域(單位： N·m)

圖11 平導(dǎo)結(jié)構(gòu)軸力(單位： N)

圖12 平導(dǎo)固定柱軸力(單位： N)

3.3 耐火性能分析

不同于鋼筋混凝土墻體，新型中隔墻采用鋼波紋板的形式，其耐火性能需要進(jìn)一步分析。本文采用Pyrosim軟件中的FDS模塊對(duì)平導(dǎo)進(jìn)行火災(zāi)情景模擬，重點(diǎn)關(guān)注高溫?zé)熈鞯淖罡邷囟群蛿U(kuò)散長(zhǎng)度。

3.3.1 模型建立

鑒于FDS中不能直接建立圓弧模型，因此采用極小的立方體等效代替平導(dǎo)的輪廓，其模型如圖13所示。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，公路隧道火災(zāi)最大熱釋放功率在單向交通隧道內(nèi)為30 MW[16]。綜合考慮計(jì)算的復(fù)雜程度以及計(jì)算結(jié)果的精確度，現(xiàn)只考慮2種工況，即在ZK184+580處的左洞排風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道(工況1)和K186+035.37處的右洞排風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道(工況2)2處分別添加1個(gè)火源，即模擬車輛在主洞和聯(lián)絡(luò)通道交界處著火產(chǎn)生高溫?zé)煔獠㈦S排風(fēng)道進(jìn)入平導(dǎo)的情況?；炷林懈魤Ψ桨钢衅綄?dǎo)運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)計(jì)值為13 m/s。

3.3.2 結(jié)果分析

工況1平導(dǎo)煙流擴(kuò)散隨時(shí)間變化見(jiàn)圖14。由圖14可知，在20 s時(shí)，煙流已填滿ZK184+580處左洞排風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道，同時(shí)開(kāi)始在平導(dǎo)內(nèi)蔓延； 在3 600 s時(shí)，煙流前鋒繼續(xù)向前蔓延，約占整個(gè)平導(dǎo)長(zhǎng)度的2/3。直到3 600 s時(shí)，煙流并未蔓延到平導(dǎo)9號(hào)交叉口處的2個(gè)排風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道。

圖13 平導(dǎo)火災(zāi)模型

(a)t=20 s

(b)t=110 s

方框中為煙霧示意。

圖14工況1(ZK184+580)平導(dǎo)煙流蔓延

Fig. 14 Smoke spread of parallel heading in condition 1 (ZK184+580)

平導(dǎo)中，在人眼高度1.8 m處距平導(dǎo)起點(diǎn)(見(jiàn)圖1)不同距離的溫度變化情況如圖15所示。在900 s時(shí)，平導(dǎo)內(nèi)的溫度達(dá)到了最高溫度168 ℃，此時(shí)火災(zāi)處于充分燃燒階段，但不會(huì)對(duì)鋼波紋板產(chǎn)生破壞[17]。在900 s后，煙流溫度開(kāi)始下降，最終保持在90 ℃左右。溫度20 ℃的前鋒在900 s時(shí)蔓延的距離最遠(yuǎn)，其長(zhǎng)度約為1 800 m。

圖15 工況1(ZK184+580)平導(dǎo)煙流溫度變化

Fig. 15 Smoke temperature variation of parallel heading in condition 1 (ZK184+580)

工況2平導(dǎo)煙流擴(kuò)散隨時(shí)間變化見(jiàn)圖16。由圖16可知，在t=20 s時(shí)，煙流在平導(dǎo)垂直方向上蔓延至頂棚位置。由于受到水平風(fēng)流的影響，煙流尚未開(kāi)始向水平方向蔓延，但K186+035.37處的右洞排風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道煙流填滿。在t=375 s時(shí)，左側(cè)煙流未出現(xiàn)回流，而右側(cè)煙流已充滿整個(gè)平導(dǎo)排風(fēng)道，并蔓延至洞口。由于受到縱向風(fēng)流的影響，煙流未發(fā)生逆流現(xiàn)象，亦未通過(guò)鄰近的排風(fēng)聯(lián)絡(luò)通道蔓延至左線隧道。

(a)t=20 s

(b)t=60 s

(c)t=70 s

(d)t=375 s

方框中為煙霧示意。

圖16工況2(K186+035.37)平導(dǎo)煙流蔓延

Fig. 16 Smoke spread of parallel heading in condition 2 (K186+035.37)

在平導(dǎo)中，人眼高度1.8 m處距平導(dǎo)起點(diǎn)(見(jiàn)圖1)不同距離的溫度變化情況如圖17所示。由圖17分析得出： 由于平導(dǎo)內(nèi)部縱向風(fēng)流帶動(dòng)高溫?zé)熈飨蚨赐饬鲃?dòng)，使得溫度在火災(zāi)上游幾乎沒(méi)有影響，在1 300 m位置處溫度仍處于常溫； 而在火災(zāi)下游，溫度沿著平導(dǎo)縱向方向呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)，隨著距平導(dǎo)起點(diǎn)距離的增加而降低。在1 800 s時(shí)，平導(dǎo)內(nèi)的溫度達(dá)到了最高溫度100 ℃，而溫度20 ℃的前鋒在2 800 s時(shí)蔓延至平導(dǎo)洞口位置。

圖17 工況2(K186+035.37)平導(dǎo)煙流溫度變化

Fig. 17 Smoke temperature variation of parallel heading in condition 2 (K186+035.37)

3.4 其他性能分析

3.4.1 耐久性

根據(jù)文獻(xiàn)[18]研究，鋼結(jié)構(gòu)的耐久性主要體現(xiàn)在抗腐蝕性能方面。研究中新型中隔墻采用鍍鋅鋼板，鍍層材料為0號(hào)鋅錠，其附著量為350 g/m2,鍍層平均厚度63 μm,局部最小厚度55 μm。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[19]中對(duì)鋼波紋板防腐性能的規(guī)定，本文中所用鋼板的防腐性能符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.2 密封性

本研究中鋼波紋板在頂部采用焊接的方法固定，底部采用混凝土固定，故無(wú)需考慮密封性。在縱向搭接的部位采用鉚接，其密封材料采用XB450型耐高溫石棉橡膠板。根據(jù)文獻(xiàn)[20]的研究，該密封材料密封效果良好，廣泛運(yùn)用于各類管道工程、機(jī)械工程。因此，鋼板的密封性能符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.4.3 抗風(fēng)壓

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果(見(jiàn)圖18)，作用在鋼波紋板的最大風(fēng)壓值為62.5 Pa(平導(dǎo)洞口附近)。由圖18可知，最大風(fēng)壓值作用區(qū)域是2根固定柱之間的鋼板，因此可以將此區(qū)域視為四面固結(jié)的矩形板。為簡(jiǎn)化計(jì)算，將這段鋼板視為平板(6.9 m×1.5 m)，且根據(jù)文獻(xiàn)[21]該平板為單向板。取縱向?qū)挾? m作為計(jì)算范圍，其計(jì)算跨度為1.5 m，則其最大撓度約為0.002 mm，符合規(guī)范要求。且鋼波紋板在縱向的波紋可增大其剛度，實(shí)際產(chǎn)生的撓度值更小。因此，本文所用鋼板的抗風(fēng)壓性能符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖18 鋼波紋板受風(fēng)壓值(單位： Pa)

4 結(jié)論與討論

本文以鷓鴣山特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)平導(dǎo)為例，采用數(shù)值模擬的方法分析了鋼波紋板作為中隔墻的通風(fēng)性能、力學(xué)性能和耐火性能，同時(shí)探討了耐久性、密封性和抗風(fēng)壓等其他性能，得出以下主要結(jié)論：

1)采用鋼波紋板替代混凝土墻會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)斷面變大，斷面風(fēng)速略有減小(4%)，但不影響正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)。

2)采用鋼波紋板替代混凝土墻，拱頂最大沉降量為3.783 mm，固定柱最大軸力為124.576 kN，均未超過(guò)限值。

3)主洞火災(zāi)煙霧會(huì)隨平導(dǎo)排風(fēng)道排出，不會(huì)出現(xiàn)回流。平導(dǎo)在火災(zāi)情況下最大煙流溫度168 ℃，未超過(guò)鋼板正常使用溫度。

4)鋼波紋板的耐久性、密封性和抗風(fēng)壓等性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能保證正常運(yùn)營(yíng)。

本研究在理論分析的基礎(chǔ)之上仍缺乏實(shí)際運(yùn)用的驗(yàn)證，后續(xù)將進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究。