鷓鴣山特長公路隧道通風平導新型中隔墻技術可行性研究

陳小峰, 王興平， 郭 春, *, 韓 宇

(1. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031; 3. 成都華川公路建設集團有限公司， 四川 成都 610091)

0 引言

在我國高速公路建設過程中，特長公路隧道越來越多，且往往是整條線路的控制性工程。為保證線路的正常運營，特長公路隧道通常會設置通風導洞，如： 平導、斜井或豎井。通風導洞的通風形式一般分為獨立通風和混合通風2種。在混合通風導洞中通常需設置中隔墻或隔板以防止新風被污風污染[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用于隧道工程中。文獻[3-4]通過對模板臺車的改進，提出一種陡坡斜井混凝土中隔墻快速施工技術； 文獻[5]采用預制拼裝的手段提高了中隔墻施工速度； 文獻[6]從襯砌和中隔墻同時澆筑的角度出發(fā)提出一種新型施工方法。盡管混凝土中隔墻技術比較成熟，但是仍有許多問題尚待解決。例如： 施工過程仍比較復雜，工程進度仍有提高的余地；施工質量不易把控，粗糙的墻面會顯著增大通風阻力，從而加大通風成本。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。

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

本文以鷓鴣山特長公路隧道通風平導為例，探究鋼波紋板替代混凝土中隔墻的可行性。首先介紹新技術施工工藝，然后再從通風性能、力學性能和耐火性能等對其進行可行性分析，以期形成新型中隔墻技術，推動特長公路隧道通風系統(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，沿來蘇河上行，穿鷓鴣山進入王家寨，線路長約11.5 km。鷓鴣山特長隧道右線長8 766 m，左線長8 790 m。隧道出口左側設置1座通風平導(見圖1)，長3 732 m，最大埋深約1 406 m。

圖1 通風平導與主洞

隧道的通風平導起點與隧道主洞左線ZK184+580相接，通風平導內設置中隔墻(見圖2)，將平導分為排風道和送風道。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平導兩階段施工圖設計》，中隔墻的設計方案為現(xiàn)澆C30防水鋼筋混凝土，厚度為30 cm。

結合現(xiàn)場施工情況，該混凝土中隔墻方案主要存在以下問題：

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

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

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

2 新型中隔墻技術

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

圖2 通風平導斷面(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

本文通過數(shù)值模擬的方法對新型中隔墻技術的可行性進行分析，主要包括通風性能、力學性能和耐火性能。同時，其他重要性能，如： 耐久性、密封性和抗風壓等，也將進行對比研究。

3.1 通風性能分析

3.1.1 模型建立

相對于混凝土中隔墻方案，采用新型中隔墻技術會增大斷面面積，一定程度上會影響通風性能。本文采用FLUENT分析設置新型中隔墻之后通風效果的變化。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化而未顯示出來。

圖5 混凝土中隔墻方案平導通風模型

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

圖6 新型中隔墻方案平導通風模型

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

2個數(shù)值模擬的進風風量均以混凝土中隔墻方案配置的風機參數(shù)進行推算，數(shù)值模擬邊界條件見表2。

3.1.2 結果分析

通過數(shù)值模擬，通風性能分析的部分模擬結果如圖7和圖8所示，具體對比分析見表3。

表2 平導通風數(shù)值模擬邊界條件

(a) 近期

(b) 遠期

(a) 近期

(b) 遠期

表3 2種中隔墻方案斷面風速對比

注： 表中誤差為采用鋼波紋板之后斷面平均風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、排風斷面增大，斷面風速有所降低(約4%)。由于鋼波紋板表面鍍鋅，相較于混凝土更加光滑，通風阻力更小，故采用鋼波紋板作為中隔墻不會影響隧道運營的通風。

3.2 力學性能分析

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

3.2.1 模型建立

根據(jù)地質資料，選取平導處于Ⅴ級圍巖的區(qū)段作為計算對象，相關地層和結構的物理參數(shù)見表4。本模型取1個安裝區(qū)段中間1 m作為模擬對象，則鋼波紋板需取縱向1 m的自重作為平導拱頂處的豎向荷載。

表4圍巖、鋼筋混凝土和固定柱力學參數(shù)

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

項目 重度/(kN/m3)彈性抗力系數(shù)/(MPa/m)彈性模量/GPa泊松比Ⅴ級圍巖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的鍍鋅鋼波紋板進行計算，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性能分析均采用“荷載-結構”模型計算。

3.2.2 結果分析

通過數(shù)值模擬，平導拱頂最大沉降量如圖9所示。結合拱頂變形區(qū)域(見圖10)，該拱部計算跨度為節(jié)點8和69之間的二次襯砌跨度， 4.786 m。結合《公路隧道設計規(guī)范》，該平導二次襯砌拱頂撓度允許值為19.144 mm，而新技術導致的最大拱頂沉降量為3.783 mm，未超過限值。

圖9 平導拱頂最大沉降量(單位： m)

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

圖10 平導拱頂變形區(qū)域(單位： N·m)

圖11 平導結構軸力(單位： N)

圖12 平導固定柱軸力(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，其耐火性能需要進一步分析。本文采用Pyrosim軟件中的FDS模塊對平導進行火災情景模擬，重點關注高溫煙流的最高溫度和擴散長度。

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的輪廓，其模型如圖13所示。根據(jù)相關規(guī)定，公路隧道火災最大熱釋放功率在單向交通隧道內為30 MW[16]。綜合考慮計算的復雜程度以及計算結果的精確度，現(xiàn)只考慮2種工況，即在ZK184+580處的左洞排風聯(lián)絡通道(工況1)和K186+035.37處的右洞排風聯(lián)絡通道(工況2)2處分別添加1個火源，即模擬車輛在主洞和聯(lián)絡通道交界處著火產生高溫煙氣并隨排風道進入平導的情況?；炷林懈魤Ψ桨钢衅綄н\營通風設計值為13 m/s。

3.3.2 結果分析

工況1平導煙流擴散隨時間變化見圖14。由圖14可知，在20 s時，煙流已填滿ZK184+580處左洞排風聯(lián)絡通道，同時開始在平導內蔓延； 在3 600 s時，煙流前鋒繼續(xù)向前蔓延，約占整個平導長度的2/3。直到3 600 s時，煙流并未蔓延到平導9號交叉口處的2個排風聯(lián)絡通道。

圖13 平導火災模型

(a)t=20 s

(b)t=110 s

方框中為煙霧示意。

圖14工況1(ZK184+580)平導煙流蔓延

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

平導中，在人眼高度1.8 m處距平導起點(見圖1)不同距離的溫度變化情況如圖15所示。在900 s時，平導內的溫度達到了最高溫度168 ℃，此時火災處于充分燃燒階段，但不會對鋼波紋板產生破壞[17]。在900 s后，煙流溫度開始下降，最終保持在90 ℃左右。溫度20 ℃的前鋒在900 s時蔓延的距離最遠，其長度約為1 800 m。

圖15 工況1(ZK184+580)平導煙流溫度變化

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

工況2平導煙流擴散隨時間變化見圖16。由圖16可知，在t=20 s時，煙流在平導垂直方向上蔓延至頂棚位置。由于受到水平風流的影響，煙流尚未開始向水平方向蔓延，但K186+035.37處的右洞排風聯(lián)絡通道煙流填滿。在t=375 s時，左側煙流未出現(xiàn)回流，而右側煙流已充滿整個平導排風道，并蔓延至洞口。由于受到縱向風流的影響，煙流未發(fā)生逆流現(xiàn)象，亦未通過鄰近的排風聯(lián)絡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)平導煙流蔓延

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

在平導中，人眼高度1.8 m處距平導起點(見圖1)不同距離的溫度變化情況如圖17所示。由圖17分析得出： 由于平導內部縱向風流帶動高溫煙流向洞外流動，使得溫度在火災上游幾乎沒有影響，在1 300 m位置處溫度仍處于常溫； 而在火災下游，溫度沿著平導縱向方向呈現(xiàn)衰減趨勢，隨著距平導起點距離的增加而降低。在1 800 s時，平導內的溫度達到了最高溫度100 ℃，而溫度20 ℃的前鋒在2 800 s時蔓延至平導洞口位置。

圖17 工況2(K186+035.37)平導煙流溫度變化

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[18]研究，鋼結構的耐久性主要體現(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)相關標準[19]中對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準。

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[20]的研究，該密封材料密封效果良好，廣泛運用于各類管道工程、機械工程。因此，鋼板的密封性能符合標準。

3.4.3 抗風壓

根據(jù)數(shù)值模擬結果(見圖18)，作用在鋼波紋板的最大風壓值為62.5 Pa(平導洞口附近)。由圖18可知，最大風壓值作用區(qū)域是2根固定柱之間的鋼板，因此可以將此區(qū)域視為四面固結的矩形板。為簡化計算，將這段鋼板視為平板(6.9 m×1.5 m)，且根據(jù)文獻[21]該平板為單向板。取縱向寬度1 m作為計算范圍，其計算跨度為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，實際產生的撓度值更小。因此，本文所用鋼板的抗風壓性能符合標準。

圖18 鋼波紋板受風壓值(單位： Pa)

4 結論與討論

本文以鷓鴣山特長公路隧道通風平導為例，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性能、力學性能和耐火性能，同時探討了耐久性、密封性和抗風壓等其他性能，得出以下主要結論：

1)采用鋼波紋板替代混凝土墻會導致通風斷面變大，斷面風速略有減小(4%)，但不影響正常運營通風。

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，均未超過限值。

3)主洞火災煙霧會隨平導排風道排出，不會出現(xiàn)回流。平導在火災情況下最大煙流溫度168 ℃，未超過鋼板正常使用溫度。

4)鋼波紋板的耐久性、密封性和抗風壓等性能均滿足相關標準，能保證正常運營。

本研究在理論分析的基礎之上仍缺乏實際運用的驗證，后續(xù)將進一步開展相關研究。