火灾下隧道衬砌结构力学行为及损伤演化研究

杨 鑫

(四川省交通建设集团股份有限公司，四川成都610000)

当隧道内发生火灾时，高温会导致混凝土爆裂，同时使混凝土力学性能劣化，极大影响了混凝土的服役性能。若混凝土损伤严重、甚至局部脱落，大大降低结构的承载力和安全性，影响隧道运营环境的安全。因此，研究火灾下隧道衬砌结构力学行为及损伤演化，对隧道衬砌结构防火设计以及火灾后结构损伤评价和修复等具有重要的意义。

针对上述问题，国内外学者从多个角度出发开展了研究。卞晖[1]针对海底隧道的特点结合衬砌结构热传导理论分析了火灾场景下的隧道温度场分布规律。张高乐等[2]从模型试验角度重点分析了衬砌结构内表面各处温度场的变化过程。施键梅等[3]研究了火灾持续时间、峰值温度及升温速率对衬砌结构变形的影响。王薇等[4]从混凝土结构特性的不均匀性出发研究了热力耦合作用下衬砌混凝土细观损伤过程。王明年等[5]开展了现场火灾试验以研究混凝土的高温损伤。沈奕[6]研究了火灾不同升温曲线对衬砌力学行为的影响。李忠友等[7]建立了相应的高温损伤分析模型，在传统模型基础上进一步考虑了温度持续时间对材料力学性能劣化的影响。舒禄山等[8]研究了隧道管片接头的高温力学性能。李文键[9]发现在火灾过程中由于混凝土强度急剧下降而导致衬砌结构有效厚度变薄以及其力学性能降低，结构承载能力大幅度下降，极大降低了衬砌结构的安全性。吴招锋等[10]分析了火灾高温下隧道衬砌内部应力的分布规律。

本文以久治至马尔康段高速公路冻则柯隧道为工程依托，建立了基于HC基准升温曲线的衬砌环热力耦合模型。分析了隧道衬砌结构在火灾下的温度场分布规律及衬砌结构损伤情况，以期为隧道衬砌结构防火耐火设计提供参考。

1 工程概况

G0615线久治—马尔康段高速公路位于四川省阿坝州，是最新国家高速公路网的重要组成部分。冻则柯隧道左线长729 m，右线长690 m，最大埋深122 m，为该线上的控制性工程。隧道围岩穿越中生界三叠系中统扎尕山群，岩性由变质石英砂岩、砂质板岩与板岩构成韵律层互层，岩石整体上属软岩—较硬岩，局部破碎带段为极软岩。隧道围岩分级为Ⅴ级。初期支护采用喷锚支护，二次衬砌采用模筑混凝土，其尺寸如图1所示。

图1 二次衬砌尺寸(单位：m)

2 热力耦合有限元模型

2.1 假设条件

采用有限元计算软件ABAQUS进行模拟计算。整个数值模拟过程基于假设：

(1)混凝土和钢筋均为各向同性材料，其质量密度和泊松比均不随温度的变化而变化。

(2)衬砌结构内部没有热量生成。

(3)假定衬砌内表面受热均匀。衬砌和围岩的初始温度取20 ℃，衬砌内侧表面的温度根据升温曲线进行设定。

2.2 升温曲线

根据GB50016-2014《建筑设计防火规范》和GB/T26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》，碳氢(HC)升温曲线适用于地下隧道承重结构体系的耐火性研究。HC火灾升温曲线的温度时间关系如式(1)所示。

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

(1)

式中：t为时间(min)；T为t时刻衬砌内的温度(℃)；T0为常温时的温度(℃)。

2.3 材料参数及本构模型

(1)混凝土弹性模量见式(2)。

(2)

式中：Ec为常温下混凝土的弹性模量；Ec(T)为温度T下混凝土的弹性模量；T为受火温度(℃)。

(2)混凝土比热容见式(3)。

20 ℃≤T≤1200 ℃

(3)

式中：Cc(T)为混凝土比热容，(J/kg·K)；T为受火温度(℃)。

(3)混凝土导热系数见式(4)。

(4)

式中：λc(T)为混凝土导热系数,W(m·K)；T为受火温度(℃)。本文采用钙质骨料的公式进行求解计算。

(4)混凝土热膨胀系数见式(5)。

(5)

式中：αc(T)为混凝土热膨胀系数，1/K；T为受火温度(°C)。

(5)钢筋弹性模量见式(6)。

(6)

式中：Es为常温下钢筋的弹性模量；Es(T)为温度T下钢筋的弹性模量；T为受火温度(℃)。

当温度超过700 ℃时，认为钢材弹性模量不再变化。

(6)钢筋比热容见式(7)。

Cs(T)=600

(7)

式中：Cs(T)为钢筋比热容，J/kg·K；T为受火温度(℃)。

(7)钢筋导热系数见式(8)。

(8)

式中：λs(T)为钢筋导热系数，W/(m·K)；T为受火温度(℃)。

(8)钢筋屈服强度见式(9)。

(9)

当温度超过700 ℃时，认为钢材屈服强度不再改变。

模型中衬砌采用C35混凝土，常温时材料属性参数如表1所示。混凝土衬砌采用C3D8R单元模拟，钢筋采用T3D2单元模拟。为了简化模型，忽略钢筋和混凝土之间的粘结滑移，将钢筋整体嵌入(Embedded)混凝土。

表1 常温下材料属性参数

混凝土采用损伤塑性本构模型(Concrete Damage Plastic Model)，该模型受往复荷载作用刚度恢复如图2所示，损伤塑性参数取值如表2所示。损伤因子采用能量等效原理进行计算。钢筋均采用双直线弹塑性本构，当达到屈服应力后，弹性模量降低为先前的1/100。

图2 CDP模型受往复荷载作用刚度恢复示意

表2 混凝土损伤塑性参数

2.4 结构与围岩相互作用

围岩与隧道结构的相互作用通过地层弹簧来实现。径向约束为受压不抗拉的非线性接地弹簧。对于Ⅴ级围岩，地层弹性抗力系数取150 MPa/m。弹簧刚度等于地层抗力系数与弹簧承担面积(节点所在单元总面积的1/4)的乘积。通过换算，可得到接地弹簧的刚度。地层弹簧如图3所示。

图3 地层全周地层弹簧

2.5 荷载

围岩相关计算参数如表3所示。

表3 围岩参数

根据JTG D70-2004《公路隧道设计规范》(以下简称《规范》)，隧道宽度B为12.22 m，则宽度影响系数为：

w=1+i(B-5)=1+0.1×(12.22-5)=1.722 m

荷载等效高度为：

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

依托工程区段为V级围岩，则深浅埋分界高度为：

H=2.5h=2.5×12.3984=30.996 m

由于依托工程区段最大埋深122 m，大于深浅埋分界高度，属于深埋隧道。根据《规范》，隧道垂直均布压力为：

q=γh=247.968 kPa

隧道水平均布压力为：

e=(0.3～0.5)q=(74.3904～123.984) kPa

V级围岩下二次衬砌承担60%～80%的围岩荷载，本文取70%。二次衬砌受力如图4所示。

图4 二次衬砌荷载示意

3 计算结果分析

不同受火时间的混凝土的温度场分布如图5所示。受火120 min后钢筋的温度场分布如图6所示。从图中可以看出，隧道在火灾情况下，温度的传递影响范围仅限于衬砌内，且主要分布在距离内表面较近范围，对周围岩土基本无影响。隧道衬砌结构在HC升温曲线加载下，随着衬砌结构厚度的增加，衬砌结构上温度减弱迅速，当距受火面16.0 cm时，温度为71.65 ℃，在30 cm左右基本保持在常温状态，火灾对其几乎没有影响，体现了混凝土材料优异的防火性能。火灾作用120 min后，直接受火面最高温度达到1 100 ℃，最靠近受火面的钢筋温度已经达到660 ℃，已超钢筋安全温度的限值，钢筋的性能会显著下降。在实际的隧道火灾中，衬砌结构表层混凝土会发生爆裂而剥离，导致内层混凝土裸露，钢筋处的温度会远远超出允许值，严重威胁衬砌结构的安全。

图5 不同受火时间混凝土温度场分布(单位：K)

图6 受火120min后钢筋温度场分布(单位：K)

不同受火时间衬砌损伤分布云图如图7所示。从图中可以看出，升温1 min后，损伤首先出现在拱脚的衬砌外侧。随着受火时间的增加，拱脚处的微裂缝逐渐呈现贯通趋势。同时，拱顶两侧出现损伤，且逐步向中间扩展直至衬砌失效，

图7 不同受火时间衬砌损伤分布云图

无法继续承载。在衬砌结构防火耐火设计及灾后维护过程中，要重点关注拱脚和拱顶位置。

4 结论

本文以久治至马尔康段高速公路冻则柯隧道为工程依托，建立了基于HC基准升温曲线的衬砌环热力耦合模型。分析了隧道衬砌结构在火灾下的温度场分布规律及衬砌结构损伤情况。主要得出结论：

(1)隧道在火灾情况下，温度的传递影响范围仅限于衬砌内，且主要分布在距离内表面较近范围，对周围岩土基本无影响。

(2)隧道衬砌结构在HC升温曲线加载下，最靠近受火面的钢筋温度已经达到660 ℃，已超钢筋安全温度的限值，钢筋的性能会显著下降，严重威胁衬砌结构的安全。

(3)在衬砌结构防火耐火设计及灾后维护过程中，要重点关注拱脚和拱顶位置。