隧道襯砌結構高溫后應力應變特性分析

■李文鍵

(寧德屏古高速公路有限責任公司，寧德 352200)

隧道襯砌結構高溫后應力應變特性分析

■李文鍵

(寧德屏古高速公路有限責任公司，寧德 352200)

針對隧道襯砌結構特點，根據溫度場分布規律，對隧道襯砌結構在火災情況下的變形和承載力進行數值模擬計算，分析隧道襯砌結構應力應變變化規律。結果表明：當襯砌溫度升高后，隧道襯砌結構內應力應變發生較大變化，應力接近混凝土極限抗壓強度；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。

襯砌結構 應力應變 數值模擬 有效厚度

1 引言

隧道屬于特殊狹長封閉結構，通風條件差，使得火災成為隧道最嚴重的災害之一。隧道火災所造成的損失是巨大的，尤其對隧道結構影響而言，可能會造成結構的坍塌或破壞。火災后的損傷評估、修復加固以及正常使用功能的恢復都會耗費相當數量的人力、物力和財力，甚至存在由于結構被破壞而導致隧道無法修復的可能[1][2]。因此，深入研究隧道襯砌結構在火災場景下的變形性能和承載力，對減輕火災對隧道結構的破壞、提高隧道使用壽命具有重要的意義。

本文針對隧道襯砌結構特點，通過建立有限元分析模型，分析在火災場景下隧道變形和襯砌結構內應力的變化。

2 有限元分析的基本假定及計算模型

傳熱過程由導熱、對流、輻射三種形式組成。隧道發生火災時，熱空氣以對流和輻射向襯砌表面傳遞熱量，襯砌內部主要以傳熱方式來傳遞熱量[3]。

2.1 基本假定

混凝土為各向同性材料，各方向傳熱系數相同；襯砌結構內部沒有熱量生成，混凝土內的水分蒸發忽略不計；采用同濟大學閆治國等人成果，建立了隧道內溫度隨時間變化的升溫曲線、加載溫度，將結構簡化成二維導熱問題，沿隧道軸向一定范圍內溫度認為不變；由于鋼筋在襯砌結構中所占的體積很小，計算時忽略鋼筋的影響；分析中，將三維隧道簡化為平面問題進行分析，襯砌及圍巖采用四節點單元劃分。

2.2 計算模型

數值分析采用地層-結構計算模型，路面結構以及隧道內的附屬設施對隧道襯砌結構的受力性能影響較小，故不予考慮。幾何模型采用五心圓帶仰拱的形式。計算模型邊界范圍：在隧道橫向y軸取140m，隧道橫向x軸取120m，基本保證數值模擬邊界不受開挖干擾。兩側邊界節點水平方向約束，底部邊界節點施加豎向約束，上邊界為地表自由邊界，可以自由沉降。原始應力主要是自重應力場，計算采用將襯砌和地層視為整體共同受力的統一體系，滿足變形協調前提下分別計算地層和襯砌的內力。

以路面中心點為參照，將溫度分布分為兩個區，從π／4～3π／4角度處的襯砌點位為高溫區；其余襯砌點位為次高溫區。數值模擬所需要的地層物理、力學性質參數參照某隧道中實測數據，如下表1所示。表中，H為深度，E為彈性模量，μ為泊松比，C為內聚力，φ為摩擦角，γ為重度。

3 隧道襯砌結構高溫后應力應變特性

3.1 襯砌結構高溫后變形性能

對不同時刻(0、2、6、12、24h)隧道襯砌結構二襯內最大應變分布云圖進行模擬分析。

圖2 0 h最大應變分布云圖

圖3 2 h最大應變分布云圖

圖4 6 h最大應變分布云圖

圖5 12 h最大應變分布云圖

圖6 24 h最大應變分布云圖

圖2～圖6分別為隧道襯砌結構在火災高溫過程中不同時刻的最大應變分布云圖。分析表明當襯砌溫度升高后，隧道襯砌結構內應變發生較大變化，尤其是拱頂、拱腳及拱腰等處。

在火災高溫中，由于不均勻溫度分布，隧道襯砌結構中截面各點產生不均勻的熱膨脹。然而，由于襯砌結構受外界巖土、構造應力等作用，且由于混凝土力學性能的劣化，彈性模量降低，導致應力應變復雜，襯砌結構發生顯著變形。表現為襯砌拱頂位移明顯的增加，拱頂位移量達到2.1mm，隧道襯砌拱頂位移隨時間的變化如圖7所示。

圖7 隧道二襯拱頂豎向位移隧道時間的變化曲線

由圖7可知，在升溫初始階段(0～1 h為升溫階段，其中0～0.5 h為升溫初始階段)，由于高溫下襯砌內表面附近混凝土材料力學性能劣化而導致的變形大于不均勻熱膨脹導致的位移，表現為隧道拱頂襯砌結構下沉(向坐標軸負方向)。當升溫0.5 h后，隨著溫度向襯砌結構內部傳播和升高，襯砌混凝土受熱膨脹，膨脹產生的變形增大且占主導地位，表現為拱頂襯砌結構正向(向坐標軸正方向)變形，當溫度開始降低時(2～6 h為降溫階段)，由固相變形和孔隙氣體膨脹導致的變形隧道溫度降低而減小，最終基本消失，而由升溫引起的混凝土化學反應產生的巨大膨脹變形不可恢復，與混凝土力學性能劣化產生的沉降疊加，表現為拱頂下沉。混凝土自然冷卻后，其力學性能得到部分恢復，拱頂沉降略有減小。

上述分析表明，隧道火災高溫時，襯砌會發生顯著變形，對襯砌結構產生不良影響：

(1）襯砌結構為超靜定體系，火災高溫時，襯砌變形的增加、剛度的降低會引起襯砌結構內力重分布，使得不同部位的結構安全度發生變化，尤其是受火面溫度高，襯砌劣化最為嚴重，且溫度變形大，極易產生混凝土剝落、掉塊。當火災嚴重時，甚至會導致非受火部位的襯砌結構由于額外承受了受火部位結構傳遞的荷載增量而發生破壞。

(2）火災高溫時，襯砌結構產生顯著的變形，不僅會劣化混凝土力學性能，同時也會降低隧道結構防水性能，減少混凝土使用壽命，同時，若混凝土損傷嚴重、甚至局部脫落，也會影響隧道運營環境的安全。此外，當降溫后，襯砌結構產生的變形不能完全恢復，較大的殘余變形也會對隧道的結構穩定性產生影響。

3.2 襯砌結構高溫后承載力

對不同時刻(0、2、6、24h)二襯內第一、三主應力分布云圖進行模擬分析。

圖8 0 h二襯內第一、三主應力分布云圖

圖9 2 h二襯內第一、三主應力分布云圖

圖10 6 h二襯內第一、三主應力分布云圖

圖11 24 h二襯內第一、三主應力分布云圖

圖12 襯砌內表面第一主應力隨時間的變化曲線

由圖8～圖13可知，隧道襯砌結構在火災高溫中，襯砌點位離受火面越近，其受火災影響越嚴重，其應力變化也越大。特別是第三主應力，隨著溫度升高，受火一側混凝土壓應力急劇增大，由未受火災高溫時0.59MPa突變到27.04MPa，接近混凝土極限抗壓強度，導致混凝土有效厚度變薄，隧道襯砌結構安全性降低。

圖13 襯砌內表面第三主應力隨時間的變化曲線

圖14 不同時刻襯砌拱頂豎軸線上第一主應力隨深度的變化曲線

由圖14～圖15可知，在火災高溫中，隨著隧道襯砌結構混凝土溫度的升高，由于混凝土熱膨脹和襯砌結構材料力學性能的劣化，襯砌結構拱頂截面上的第一、第三主應力均增大，但增加的速率在減小，且趨于平緩。同時，第三主應力受溫度影響較大，主要是因為襯砌受熱膨脹，但是由于邊界的約束，襯砌結構無法伸長，從而導致其應力快速增長。

圖15 不同時刻襯砌拱頂豎軸線上第三主應力隨深度的變化曲線

4 結論

本文對隧道襯砌結構在火災高溫中的變形過程進行了研究，同時也對隧道襯砌結構在火災高溫中內應力重分布進行了模擬，得出如下結論：(1）當襯砌溫度升高后，隧道襯砌結構內應變發生較大變化，尤其是拱頂、拱腳及拱腰等處。

(2）襯砌點位離受火面越近，其受火災影響越嚴重，其應力變化也越大。特別是第三主應力，隨著溫度升高，受火一側混凝土壓應力急劇增大，超過混凝土極限抗壓強度，隧道襯砌結構安全性降低。

(3）隧道襯砌結構在火災高溫中產生較大的變形，同時襯砌結構內應力發生重分布，結構上的附加應力顯著增加，容易造成結構失效，特別是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的降低，承載能力大幅度下降，這極大地降低了襯砌結構的安全性。

[1]沈奕.火災下隧道結構溫度特性及力學行為分析[J].現代隧道技術，2016，53(06)：80-88.

[2]周湘川.特長公路隧道現場火災試驗與襯砌結構抗火性能研究[D].長沙：中南大學，2011.

[3]韓泰然.火災高溫下公路隧道襯砌結構損傷研究[D].長安大學，2014.

[4]閆治國.隧道襯砌結構火災高溫力學行為及耐火方法研究[D].同濟大學，2007.

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[6]陳映貞，許肇峰，王勇平，魯昌河.高溫(火災)作用后混凝土殘余強度統計分析[J].混凝土與水泥制品，2016，(09)：1-5.

[7]劉紅彬，李康樂，鞠楊，等.高強高性能混凝土的高溫力學性能和爆裂機理研究[J].混凝土，2009，(07)：11-14.

[8]查曉雄，鐘善桐.鋼筋混凝土構件在受火時的力學性能分析[J].中華科技大學學報(城市科學版)，2002，(01)：86-90.