火灾工况下某隧道二次衬砌结构安全评价

王艳波

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

2014 年国道二广高速公路山西境内岩后隧道发生严重火灾事故，隧道遭受到很严重的破坏，隧道衬砌、机电及其他设施损坏严重[1]。因此为保证隧道二次衬砌火灾后的结构安全，一般是采用瓷砖+防火涂层的内装饰方案，防火涂层的主要参数为：防火涂料喷涂厚度不得小于12 mm，耐火极限时间不小于2.0 h。

1 工程概况

图1 隧道主洞内轮廓图

某市政隧道为长隧道，穿过低山丘陵区域，为分离式隧道。隧道左线起止桩号ZK6+410—ZK7+440，隧道长度1 030 m，隧道最大埋深约120.0 m；隧道右线起止桩号 YK6+412—YK7+445，隧道长度1 033 m，隧道最大埋深约118.0 m。隧址区地表水不发育，主要为大气降水形成地表水沿山谷汇流，为季节性地表水，勘察区地震动峰值加速度值为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，抗震设防烈度为Ⅵ度，由于隧道为重要构造物，按Ⅶ度采取抗震构造措施。根据《公路工程地质勘察规范》[2]及《公路隧道设计规范》[3]中的有关规定，根据隧道围岩级别计算并充分结合钻探、物探及地质调绘成果，对隧道围岩进行工程地质分级，判定隧道进出口段及洞身段为Ⅴ级围岩。

隧道建筑限界根据《公路隧道设计规范》[3]《城市道路工程设计规范》[4]及《公路工程技术标准》[5]执行，并结合邻近地区同类工程拟定。本合同段隧道按双向六车道高速公路、设计速度60 km/h 技术标准进行设计，同时本着内轮廓断面满足功能要求，受力均匀、经济合理的原则，单洞建筑限界净宽取15.25 m，限高取5.0 m。其中：隧道行车道宽度为3.5 m×3=10.5 m；左侧侧向宽度LL取0.5 m，右侧侧向宽度LR取0.5 m；左侧检修道宽0.75 m，右侧检修道考虑人行需求取3.00 m，如图1 所示。

2 隧道内装饰原设计情况

本合同段隧道内装饰：检修道以上3.5 m 范围两侧边墙内壁铺贴浅色亚光釉面瓷砖，以提高洞内照明度及利于清洗维护；隧道拱部采用厚型无机型防火涂层喷涂，以利于隧道防火。

3 隧道内装饰变更情况

2017 年4 月，接到业主通知：“鉴于隧道防火涂层施工质量难以控制，运营期间容易受环境影响发生剥落，影响行车安全，同时，从国内隧道火灾后衬砌结构受损情况来看，有无防火涂层对衬砌损伤的影响不大，且国内已有部分省份明确取消高速公路隧道防火涂层，决定取消隧道洞内防火涂料”。

4 取消防火涂层后二衬结构计算及安全评价

验算火灾工况下Ⅴ级围岩安全系数，初期支护和二次衬砌分别承担40%和60%的荷载。同时，根据与某市沟通危化品运输路线有特殊规定，故该次计算不考虑油罐车在隧道内发生火灾的工况，火灾影响深度按照5 cm 考虑，火灾稳定达到900℃时，二次衬砌强度和钢筋按0.1 系数折减。

4.1 材料参数的选取

对于Ⅴ级围岩，其初期支护由工字钢拱架、径向锚杆（水平对拉锚杆）、钢筋网及C25 喷射混凝土组成，钢拱架之间用纵向钢筋连接，并与径向锚杆及钢筋网焊为一体，与围岩密贴，形成承载结构。对于Ⅴ级围岩二次衬砌，其采用C30 钢筋混凝土结构，受力钢筋采用HRB400 钢筋，以保证隧道主体结构的安全。隧道断面衬砌材料参数如表1 所示。

表1 隧道断面衬砌材料参数

4.2 围岩参数的选取

围岩参数由工程地质报告提供，如表2 所示。

表2 围岩参数表

4.3 计算荷载的确立

荷载取Ⅴ级围岩计算。由于隧道开挖最大跨度Bt为18.0 m，因此对于荷载等效高度hq的计算，根据《公路隧道设计细则》[6]，应按照普式公式计算，隧道埋置深度取35 m，水平侧压力与垂直压力比为0.3。经计算后，围岩压力为：垂直均布压力-414.899 kN/m2，左上水平侧压力 231.779 kN/m2，左下水平侧压力231.779 kN/m2，右上水平侧压力-231.779 kN/m2，右下水平侧压力-231.779 kN/m2。围岩弹性抗力系数取150 MPa/m。

4.4 隧道二次衬砌内力计算及安全性评价

本计算模型采用荷载- 结构法，计算方法采用杆系有限元法，对二次衬砌结构进行计算，并根据《公路隧道设计规范》[2]中规定的钢筋混凝土结构在不同破坏原因下的强度安全系数，对二次衬砌结构进行安全性评价，二次衬砌强度和钢筋按0.1 系数折减。图2 为计算模型，侧向压力e 按照均布荷载考虑，经过计算后的衬砌内力如图3～图5 所示。

图2 二次衬砌计算模型

图3 二次衬砌轴力

图4 二次衬砌弯矩

图5 二次衬砌剪力

a）图3 中二衬轴力均为偏心压力，压力最大点位于边墙与仰拱小半径圆弧位置，其最大值为2 658.88 kN，压力最小点位于拱顶位置，其最小值为1 866.37 kN。

b）图4 中二衬最大正向弯矩（隧道内侧受拉为正）位于拱顶位置，为493.24 kN·m，最大负向弯矩（围岩侧受拉为负）位于边墙与仰拱小半径圆弧位置，为 -633.66 kN·m。

c）图5 中二衬最大剪力同样位于边墙与仰拱连接处位置，反对称结构受力，其值为811.466 kN。

为验证二次衬砌安全性，在隧道内轮廓选取4 处极值点，如表3 所示，用于计算钢筋混凝土衬砌的安全系数K 值，验证是否满足相关规范要求。

表3 钢筋混凝土二次衬砌内力极值点

二次衬砌采用HRB400 钢筋，直径为28 mm，纵向间距25 cm，二衬厚度60 cm，二衬纵向长度取100 cm，受拉钢筋Ag及受压钢筋A'g钢筋面积均为2 463 mm2，混凝土强度为C30，二次衬砌强度和钢筋按0.1 系数折减。根据《公路隧道设计规范》[3]，计算后的安全系数如图6 所示。

图6 二衬安全系数

由图6 可以看出，安全系数最小值为2.64，位于边墙与仰拱连接处位置，也就是86 号梁单元的位置，因此对于隧道内轮廓来说，边墙与仰拱连接处一定要过渡自然，避免产生应力集中。由于86 号梁单元位置一般半径较小，模板较难加工，故存在混凝土振捣不密实及钢筋绑扎困难等问题，这应该引起我们重视。另外，我们选取29 号及86 号梁单元，对配筋率及裂缝宽度进行验算。验算后的结果表（极值点）如表4 所示。

表4 混凝土结构强度验算结果表(极值点)

由表4 可以看出，极值点29 号梁单元和86 号梁单元经过计算后，钢筋混凝土二衬衬砌的安全系数均大于2，可以满足规范中关于安全系数的要求，并且最大裂缝宽度也小于0.2 mm，受拉钢筋配筋率ρ 及受压钢筋配筋率ρ' 均大于0.20%，且全部纵向钢筋配筋率大于0.55%，满足规范中对于裂缝宽度及配筋率的构造要求。因此对于火灾工况下，隧道未设置防火涂层时，Ⅴ级围岩段衬砌结构不会发生坍塌。由于隧道Ⅴ级围岩为最不利工况，故隧道全线可取消防火涂层。

5 结语

传统的隧道内装饰方案为瓷砖+防火涂层，但是防火涂层确实存在施工质量难以控制、运营期间容易受环境影响发生剥落、严重情况下可能造成行车事故等问题。本文根据《公路隧道设计细则》[6]中关于围岩压力计算的相关公式，利用荷载- 结构法，针对火灾工况，对Ⅴ级围岩下未设置防火涂层的隧道二次衬砌进行了相关验算，得出了如下结论：

a）对于大断面单向行驶三车道隧道，隧道二衬的边墙与仰拱小半径圆弧位置处弯矩最大，且处于最不利组合状态。而对于未设置防火涂层的二次衬砌，一旦发生火灾，其混凝土及钢筋强度进一步降低，计算出的强度安全系数也仅比规范[2]规定的安全系数最小值2 略大，安全储备较低。因此，二次衬砌边墙与仰拱连接处一定要过渡自然，避免产生应力集中，同时该处位置一般半径较小，模板较难加工，故存在混凝土振捣不密实及钢筋绑扎困难等问题，这应该引起重视。

b）隧道二次衬砌仰拱部位几乎处于轴心受压状态，安全储备较高，同时由于仰拱部位以上存在仰拱填充，发生火灾时，燃烧源距离仰拱较远，热传递衰减较多，建议有条件时，可适当减小钢筋混凝土二衬中仰拱部位的配筋。

c）结合合同工程量清单，隧道防火涂层每平米单价为20 元左右，原设计每延米工程量为18.04 m2，左右线合计工程量为54 758 m2。取消防火涂层后，节省工程造价约110 万，且缩短了工期，达到经济合理目的。