鹧鸪山特长公路隧道通风平导新型中隔墙技术可行性研究

陈小峰, 王兴平， 郭 春, *, 韩 宇

(1. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031; 2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室,四川 成都 610031; 3. 成都华川公路建设集团有限公司， 四川 成都 610091)

0 引言

在我国高速公路建设过程中，特长公路隧道越来越多，且往往是整条线路的控制性工程。为保证线路的正常运营，特长公路隧道通常会设置通风导洞，如： 平导、斜井或竖井。通风导洞的通风形式一般分为独立通风和混合通风2种。在混合通风导洞中通常需设置中隔墙或隔板以防止新风被污风污染[1-2]，其中中隔墙一般采用钢筋混凝土形式。

目前，混凝土中隔墙已广泛运用于隧道工程中。文献[3-4]通过对模板台车的改进，提出一种陡坡斜井混凝土中隔墙快速施工技术； 文献[5]采用预制拼装的手段提高了中隔墙施工速度； 文献[6]从衬砌和中隔墙同时浇筑的角度出发提出一种新型施工方法。尽管混凝土中隔墙技术比较成熟，但是仍有许多问题尚待解决。例如： 施工过程仍比较复杂，工程进度仍有提高的余地；施工质量不易把控，粗糙的墙面会显著增大通风阻力，从而加大通风成本。为解决混凝土中隔墙的不足，本文提出采用钢波纹板替代混凝土的新型中隔墙技术。

钢波纹板是一种冷轧热卷钢板经波状成型后再通过热浸锌防腐工艺处理的板材。由于表面光滑、耐腐蚀、安装简便、制造和运输方便，钢波纹板近几年被广泛运用于建筑工程[7-9]、桥涵工程[10-11]和隧道工程[12-14]中。

本文以鹧鸪山特长公路隧道通风平导为例，探究钢波纹板替代混凝土中隔墙的可行性。首先介绍新技术施工工艺，然后再从通风性能、力学性能和耐火性能等对其进行可行性分析，以期形成新型中隔墙技术，推动特长公路隧道通风系统的优化。

1 工程概况

鹧鸪山隧道工程是汶马高速公路(汶川至马尔康)全线控制性工程，该工程起于理县山脚坝，沿来苏河上行，穿鹧鸪山进入王家寨，线路长约11.5 km。鹧鸪山特长隧道右线长8 766 m，左线长8 790 m。隧道出口左侧设置1座通风平导(见图1)，长3 732 m，最大埋深约1 406 m。

图1 通风平导与主洞

隧道的通风平导起点与隧道主洞左线ZK184+580相接，通风平导内设置中隔墙(见图2)，将平导分为排风道和送风道。根据《四川汶川至马尔康高速公路鹧鸪山隧道工程出口通风平导两阶段施工图设计》，中隔墙的设计方案为现浇C30防水钢筋混凝土，厚度为30 cm。

结合现场施工情况，该混凝土中隔墙方案主要存在以下问题：

1)施工工艺复杂。钢筋混凝土墙施工涉及多项工序，主要包括放线定位、钢筋绑扎、模板固定、混凝土运输及浇筑、拆模和养护。

2)施工时间长。钢筋混凝土施工涉及工序繁多，再加上混凝土的养护周期，整体施工时间较长。

3)通风阻力较大。由于施工质量不易保证，混凝土壁面较为粗糙，通风摩擦阻力较大。

2 新型中隔墙技术

为解决钢筋混凝土中隔墙的问题，拟采用8.0 mm钢波纹板作为钢筋混凝土的代替品。为避免新风和污风混合，保证两端通风方向与钢波纹板纵向方向一致，钢波纹板之间搭接应采用如图3所示形式，搭接长度应遵循规范[15]。由于平导纵向长度过长，新型中隔墙在安装过程中需要设置固定柱作为固定点，防止钢波纹板在纵向上向两侧变形。钢波纹板与固定柱连接方式如图4所示。

图2 通风平导断面(单位： cm)

图3 钢波纹板之间纵向搭接(俯视)

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

图4 钢波纹板与固定柱纵向搭接(俯视)

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

3 可行性分析

本文通过数值模拟的方法对新型中隔墙技术的可行性进行分析，主要包括通风性能、力学性能和耐火性能。同时，其他重要性能，如： 耐久性、密封性和抗风压等，也将进行对比研究。

3.1 通风性能分析

3.1.1 模型建立

相对于混凝土中隔墙方案，采用新型中隔墙技术会增大断面面积，一定程度上会影响通风性能。本文采用FLUENT分析设置新型中隔墙之后通风效果的变化。2种中隔墙方案数值模型的具体几何尺寸如表1所示。

表1 数值模型几何尺寸

混凝土中隔墙方案和新型中隔墙方案模型如图5和图6所示，模型中的中隔墙因简化而未显示出来。

图5 混凝土中隔墙方案平导通风模型

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

图6 新型中隔墙方案平导通风模型

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

2个数值模拟的进风风量均以混凝土中隔墙方案配置的风机参数进行推算，数值模拟边界条件见表2。

3.1.2 结果分析

通过数值模拟，通风性能分析的部分模拟结果如图7和图8所示，具体对比分析见表3。

表2 平导通风数值模拟边界条件

(a) 近期

(b) 远期

(a) 近期

(b) 远期

表3 2种中隔墙方案断面风速对比

注： 表中误差为采用钢波纹板之后断面平均风速相较于混凝土中隔墙方案降低的百分比。

从表3可知，采用钢波纹板作为中隔墙之后，送、排风断面增大，断面风速有所降低(约4%)。由于钢波纹板表面镀锌，相较于混凝土更加光滑，通风阻力更小，故采用钢波纹板作为中隔墙不会影响隧道运营的通风。

3.2 力学性能分析

结合新型中隔墙的布置形式，中隔墙竖向几乎没有竖向刚度[7]，不会对拱顶有承载作用，但是其自重会对拱顶有向下加载作用。另外，新型中隔墙沿平导纵向均匀布置的型钢固定柱会对拱顶局部区域有支撑作用。

3.2.1 模型建立

根据地质资料，选取平导处于Ⅴ级围岩的区段作为计算对象，相关地层和结构的物理参数见表4。本模型取1个安装区段中间1 m作为模拟对象，则钢波纹板需取纵向1 m的自重作为平导拱顶处的竖向荷载。

表4围岩、钢筋混凝土和固定柱力学参数

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

项目 重度/(kN/m3)弹性抗力系数/(MPa/m)弹性模量/GPa泊松比Ⅴ级围岩242003.50.35C30钢筋混凝土25300.2固定柱782050.30

本研究中拟选取8.0 mm的镀锌钢波纹板进行计算，其密度为62.80 kg/m3，重度为4 333.2 N/m。本文所涉及方案的力学性能分析均采用“荷载-结构”模型计算。

3.2.2 结果分析

通过数值模拟，平导拱顶最大沉降量如图9所示。结合拱顶变形区域(见图10)，该拱部计算跨度为节点8和69之间的二次衬砌跨度， 4.786 m。结合《公路隧道设计规范》，该平导二次衬砌拱顶挠度允许值为19.144 mm，而新技术导致的最大拱顶沉降量为3.783 mm，未超过限值。

图9 平导拱顶最大沉降量(单位： m)

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

图10 平导拱顶变形区域(单位： N·m)

图11 平导结构轴力(单位： N)

图12 平导固定柱轴力(单位： N)

3.3 耐火性能分析

不同于钢筋混凝土墙体，新型中隔墙采用钢波纹板的形式，其耐火性能需要进一步分析。本文采用Pyrosim软件中的FDS模块对平导进行火灾情景模拟，重点关注高温烟流的最高温度和扩散长度。

3.3.1 模型建立

鉴于FDS中不能直接建立圆弧模型，因此采用极小的立方体等效代替平导的轮廓，其模型如图13所示。根据相关规定，公路隧道火灾最大热释放功率在单向交通隧道内为30 MW[16]。综合考虑计算的复杂程度以及计算结果的精确度，现只考虑2种工况，即在ZK184+580处的左洞排风联络通道(工况1)和K186+035.37处的右洞排风联络通道(工况2)2处分别添加1个火源，即模拟车辆在主洞和联络通道交界处着火产生高温烟气并随排风道进入平导的情况。混凝土中隔墙方案中平导运营通风设计值为13 m/s。

3.3.2 结果分析

工况1平导烟流扩散随时间变化见图14。由图14可知，在20 s时，烟流已填满ZK184+580处左洞排风联络通道，同时开始在平导内蔓延； 在3 600 s时，烟流前锋继续向前蔓延，约占整个平导长度的2/3。直到3 600 s时，烟流并未蔓延到平导9号交叉口处的2个排风联络通道。

图13 平导火灾模型

(a)t=20 s

(b)t=110 s

方框中为烟雾示意。

图14工况1(ZK184+580)平导烟流蔓延

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

平导中，在人眼高度1.8 m处距平导起点(见图1)不同距离的温度变化情况如图15所示。在900 s时，平导内的温度达到了最高温度168 ℃，此时火灾处于充分燃烧阶段，但不会对钢波纹板产生破坏[17]。在900 s后，烟流温度开始下降，最终保持在90 ℃左右。温度20 ℃的前锋在900 s时蔓延的距离最远，其长度约为1 800 m。

图15 工况1(ZK184+580)平导烟流温度变化

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

工况2平导烟流扩散随时间变化见图16。由图16可知，在t=20 s时，烟流在平导垂直方向上蔓延至顶棚位置。由于受到水平风流的影响，烟流尚未开始向水平方向蔓延，但K186+035.37处的右洞排风联络通道烟流填满。在t=375 s时，左侧烟流未出现回流，而右侧烟流已充满整个平导排风道，并蔓延至洞口。由于受到纵向风流的影响，烟流未发生逆流现象，亦未通过邻近的排风联络通道蔓延至左线隧道。

(a)t=20 s

(b)t=60 s

(c)t=70 s

(d)t=375 s

方框中为烟雾示意。

图16工况2(K186+035.37)平导烟流蔓延

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

在平导中，人眼高度1.8 m处距平导起点(见图1)不同距离的温度变化情况如图17所示。由图17分析得出： 由于平导内部纵向风流带动高温烟流向洞外流动，使得温度在火灾上游几乎没有影响，在1 300 m位置处温度仍处于常温； 而在火灾下游，温度沿着平导纵向方向呈现衰减趋势，随着距平导起点距离的增加而降低。在1 800 s时，平导内的温度达到了最高温度100 ℃，而温度20 ℃的前锋在2 800 s时蔓延至平导洞口位置。

图17 工况2(K186+035.37)平导烟流温度变化

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

根据文献[18]研究，钢结构的耐久性主要体现在抗腐蚀性能方面。研究中新型中隔墙采用镀锌钢板，镀层材料为0号锌锭，其附着量为350 g/m2,镀层平均厚度63 μm,局部最小厚度55 μm。根据相关标准[19]中对钢波纹板防腐性能的规定，本文中所用钢板的防腐性能符合标准。

3.4.2 密封性

本研究中钢波纹板在顶部采用焊接的方法固定，底部采用混凝土固定，故无需考虑密封性。在纵向搭接的部位采用铆接，其密封材料采用XB450型耐高温石棉橡胶板。根据文献[20]的研究，该密封材料密封效果良好，广泛运用于各类管道工程、机械工程。因此，钢板的密封性能符合标准。

3.4.3 抗风压

根据数值模拟结果(见图18)，作用在钢波纹板的最大风压值为62.5 Pa(平导洞口附近)。由图18可知，最大风压值作用区域是2根固定柱之间的钢板，因此可以将此区域视为四面固结的矩形板。为简化计算，将这段钢板视为平板(6.9 m×1.5 m)，且根据文献[21]该平板为单向板。取纵向宽度1 m作为计算范围，其计算跨度为1.5 m，则其最大挠度约为0.002 mm，符合规范要求。且钢波纹板在纵向的波纹可增大其刚度，实际产生的挠度值更小。因此，本文所用钢板的抗风压性能符合标准。

图18 钢波纹板受风压值(单位： Pa)

4 结论与讨论

本文以鹧鸪山特长公路隧道通风平导为例，采用数值模拟的方法分析了钢波纹板作为中隔墙的通风性能、力学性能和耐火性能，同时探讨了耐久性、密封性和抗风压等其他性能，得出以下主要结论：

1)采用钢波纹板替代混凝土墙会导致通风断面变大，断面风速略有减小(4%)，但不影响正常运营通风。

2)采用钢波纹板替代混凝土墙，拱顶最大沉降量为3.783 mm，固定柱最大轴力为124.576 kN，均未超过限值。

3)主洞火灾烟雾会随平导排风道排出，不会出现回流。平导在火灾情况下最大烟流温度168 ℃，未超过钢板正常使用温度。

4)钢波纹板的耐久性、密封性和抗风压等性能均满足相关标准，能保证正常运营。

本研究在理论分析的基础之上仍缺乏实际运用的验证，后续将进一步开展相关研究。