隧道結構防火設計的幾點思考

張雙茁 蔡厚強

1 概述

近年來,由于交通量的不斷增長、路況的改善以及運輸物品的日益復雜,導致隧道的火災風險隨之增加。隧道內的火災往往持續時間較長,容易引發嚴重的火災事故。例如,2002年1月10日,一輛滿載皮鞋、打火機和教學用透明膠片等雜貨的東風大貨車在全長3 590 m的貓貍嶺隧道內發生火災。大火持續時間約2 h,將車輛及隨車物品一燒而盡。車輛附近的消防箱、火災感應器、拱頂電纜橋架、燈具、情報板、路側邊溝內的電纜管道等均被燒壞,橋架出現嚴重扭曲變形,遭燃燒破壞的區段長約200 m。在襯砌結構方面,燃燒點附近邊墻瓷磚全部脫落,拱部襯砌只看見混凝土原色,并呈凹凸狀,顯然在高溫作用下結構已有一定程度的劣化現象,但值得慶幸的是由于拱部涂有防火涂料,火災后鉆孔取芯強度試驗數據顯示,襯砌整體強度未受大的影響。

隧道內發生火災的例子很多,造成的損失有大有小,但毋庸置疑,如果隧道結構因火災受到毀滅性破壞,則經濟損失將大到難以估量。因此,對隧道結構進行防火處理無論在爭取救援時間,還是在降低隧道結構遭受毀滅性破壞的可能性方面都非常重要。隧道結構防火主要是通過在隧道表面設置一隔熱、耐高溫的表層以起到對結構提供保護來實現。

2 建筑結構在火災工況下的破壞機理及影響

建筑結構內部溫度梯度、受熱膨脹差異以及鋼筋變形等都有可能導致混凝土爆裂。混凝土火災試驗研究表明,當混凝土溫度達到300℃～400℃時,強度開始降低,表面開始出現裂紋,400℃以上強度急劇降低,600℃時試件表面裂紋貫通,800℃以上時出現崩裂。隧道火災發生前,隧道結構與圍巖間已存在一種相互間的應力平衡,再加上洞內環境潮濕,襯砌內含有水分,所以當受到高溫加熱時,水蒸氣的膨脹壓力將導致隧道襯砌發生崩裂的溫度點大大降低,大約為200℃;換言之,在沒有任何防火材料保護的情況下,火災發生5 min～15 min內,隧道結構就會出現爆裂,這將對進入火災事故點附近的消防人員人身安全造成威脅,進而可能延誤消防隊員的救災時間,從而加劇火災對隧道結構的破壞。

3 隧道結構防火的功能要求

1)主要功能要求。隧道結構防火主要為了保證隧道自身在火災工況下的結構安全,提高結構的耐火性能,為隧道內人員疏散、救援、消防進場提供條件。這就要求隧道結構所使用的材料必須在火災工況下不能自燃,也不能產生大量的有害氣體和煙氣,并且在發生火災的情況下,人員疏散及消防隊員救火過程中,隧道結構不會爆裂、垮塌,在整個疏散以及消防工作尚未結束前,主要的安全設備能保持正常運行狀態。

2)附帶功能要求。恰當的選擇隧道防火材料可以美化洞內環境,提升洞內行車舒適性,增強隧道路面亮度,降低照明運營成本,同時還便于養護,為人員逃生提供誘導。

4 隧道結構耐火極限的確定

理論上講,隧道火災發生頻率與隧道長度、交通量、設計速度等有關,火災的持續時間、溫度時間曲線也會因為車輛類型的不同而存在較大差異。一般在沒有油罐車卷入造成大型油池火災的情況下,火災的高溫期會在引燃階段后持續30 min～60 min。荷蘭規范規定油罐火災的高溫期大約會持續2 h,只有消防隊員在燃燒的初期階段趕到現場并控制住火勢時,時間才會縮短。

由于火災具有突發性,很難準確判定其發生的時間、地點及規模,為了使隧道防火設計更趨合理,在設計過程中引用GB 50016-2006建筑設計防火規范規定的城市交通隧道分類標準(見表1),將隧道防火設計分為四類,并提出了相應的結構耐火極限。

表1 隧道分類

一類隧道內承重結構體的耐火極限不應低于2.00 h,二類不應低于1.5 h,三類不應低于1.00 h,四類隧道耐火極限不限。

5 工程應用

由于高速公路隧道均為行車隧道,隧道結構均有耐火極限要求,以下結合六武高速公路隧道實際情況,以新開嶺特長隧道為例(見圖1),對結構耐火極限的確定現簡述如下：

六安—武漢高速公路安徽段穿越大別山腹地,已于2009年12月通車,新開嶺隧道是該項目的一座特長隧道,隧道左右線長度分別為3 200 m,3 233 m,洞身設置5處人行橫洞,4處車行橫洞,4處緊急停車帶,設計假設火災發生于隧道洞身緊急停車帶最不利位置,車輛進入隧道后無法在火災發生處的緊急停車帶或車行橫洞供車輛掉頭,新開嶺隧道內裝圖最近的緊急停車帶間距按640 m考慮,根據交通量情況,可測算2015年隧道內兩緊急停車帶間均布5輛車,2028年隧道內兩緊急停車帶間均布14輛車,同時本隧道是特長隧道,交通工程分級為A級,隧道內火災考慮大型車輛火災,由于管理處距離該隧道約17 km,從報警發出到消防車輛趕赴隧道洞口需10 min～15 min,同時,考慮隧道內交通流對消防車輛的干擾,消防隊員很難在火災的初期階段進入火場控制火勢,因此,按事故車輛燃燒至自行熄滅的最不利狀況來確定隧道結構的耐火極限。設計假定一輛大型車與兩輛小型車相撞,相關統計資料顯示,隧道內發生的此類災難性火災一般持續時間均在2.0 h以上,同時結合規范要求及建設成本,本隧道耐火極限不應小于2.0 h。

6 材料的選擇

在材料的選擇上,防火涂料無疑是隧道結構防火的首選,其施工速度快,工藝簡單,防火性能優良。在我國已建工程中,雖然出現過涂層的空鼓、脫落現象,但通過對施工工藝的控制完全可以避免上述現象。由于隧道火災中拱部溫度最高,兩側邊墻溫度略低,一般情況下隧道拱頂采用防火涂料噴涂,在高反射率下隧道照明偽色圖可以更好的保護隧道結構。涂料顏色既可以選擇深色,也可以選擇淺色(見圖2,圖3)。深色耐臟,可一定程度上減輕養護工作量;淺色淡雅,能提高行車舒適性,改善洞內環境。由于邊墻在火災過程中遭破壞相對較小,并且隧道邊墻反射率對隧道路面亮度有較大影響,因此邊墻防火材料的選擇上較為靈活,既可選擇淺色耐火涂料,亦可選擇反射率高且易于清洗的瓷磚、板材等裝飾材料,以提高邊墻反射低反射率下隧道照明偽色圖率,減少隧道運營成本。

7 結語

隧道結構自身在高溫下很容易遭到破壞,尤其是隧道拱部,因此,通過對隧道結構進行防火設計來提高隧道結構的耐火性能非常必要。同時,防火材料的選擇對隧道照明、養護、降低運營成本也有積極意義。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設計規范[S].

[2] GB 50016-2006,建筑設計防火規范[S].

[3] GA 98-2005,混凝土結構防火涂料[S].

[4] JTJ 026.1-1999,公路隧道通風照明設計規范[S].

[5] 曾德康.隧道防火涂料的研究[J].山西建筑,2008,34(24)：330-331.