隧道混凝土煙道板抗火性能研究

劉雪勇

(上海城建物資有限公司隧鼎混凝土分公司，上海 200124)

0 引言

特長隧道火災安全問題是一個國際性難題。由于特長隧道內部狹窄，加之兩側封閉的獨特結構，車輛及車上人員疏散困難，一旦發生火災，高溫煙氣在隧道內的流動路徑較長，所造成的損失十分慘重。在現實火災中，混凝土爆裂已成為結構破壞的主要因素之一［1－2］。混凝土結構表面受熱后會產生爆裂現象，且在混凝土底層冷卻后會出現深度裂紋。火災時混凝土內部蒸汽壓對周圍混凝土產生巨大的壓力，加劇襯砌混凝土的剝落、爆裂，甚至造成結構的坍塌;尤其是高強度混凝土，由于其致密、脆性大、滲透性低，導致其抗火性不好，容易爆裂，產生大的塌陷，側壁也會失去穩定，危及救火人員的生命，造成更大的生命財產損失。對于單層襯砌的水下盾構隧道，若發生火災，在高水壓和軟土環境中襯砌修復工作很難開展，這將對進入火災事故點附近的消防人員造成極大的安全威脅，進而延誤消防人員的救災時間，加劇火災對隧道結構的破壞［3－4］。

近幾年來，我國在隧道抵抗火災設計方面已經取得了一系列的進展。在結構抗火設計方面，目前主要采取在集中排煙模式下的排煙道頂隔板結構來提高隧道的抗火性和火災情況下人員的人身安全。在材料方面，目前的研究主要集中在結構混凝土及鋼筋材料的性能上。采用合適的混凝土摻合料以減小混凝土在火災后的裂縫，利用防火材料的特殊性能阻斷部分燃燒能量［5－6］，但對具有工程實際使用意義的結構抗火性的全面分析與提高尚有待進一步加強研究，且混凝土結構高溫耐火試驗的文獻資料也相當少見，特別是燃燒溫度高達1 200℃的耐火試驗更是未見報道。隧道混凝土煙道板的耐火性能研究是提高隧道火災安全性的重要措施，因此，非常有必要對其進行系統研究。

本文針對上海長江隧道工程的具體工況，從隧道結構設計、煙道板耐火設計、耐火混凝土配制、混凝土耐火性能評價等角度對隧道混凝土煙道板抗火性能進行研究，以全面提高隧道的抗火防爆性。著重對混凝土煙道板結構進行耐火性能試驗，評估其抗火性能，并應用于工程實踐中，以提高隧道在火災條件下的安全可靠性。

1 構件耐火試驗標準及煙道板抗火設計

隧道煙道板結構防火保護標準有火災升溫曲線和耐火時間2項內容。隧道煙道板構件的抗火設計及耐火試驗與上述2項內容密切相關。其中耐火時間是衡量結構抗火性能的重要指標，在同一火災升溫曲線條件下，耐火時間越長，結構的抗火性越好，隧道煙道板結構的耐火時間指標要求根據工程設計的不同要求各異。對于隧道火災升溫曲線，目前國際上共有4種(見圖1)，且各有適用范圍。其中:①為適用于開敞環境條件下的碳氫化合物燃燒特性的曲線;②為適用于封閉環境條件下的改良碳氫化合物燃燒特性的曲線;①、②碳氫化合物曲線適用于可能發生小型石油火災的隧道，如汽車油箱、小型汽油罐起火;③為隧道內單一車輛燃燒的RABT曲線;④為適用于通行油罐車或易燃物貨車的RWS曲線，該曲線是由荷蘭試驗室模擬的最糟糕的火災情況(油罐車燃燒釋放潛熱值為300 MW的熱量，并持續燃燒120 min)而確定的。

圖1 隧道火災升溫曲線Fig.1 Temperature curves of fire

世界各國的隧道設計中，即便采用了同一種火災升溫曲線，仍會根據自己的國情、工程條件做適當調整，而國內隧道工程建設對于隧道防火設計的認識是一個逐步發展的過程。隨著人們對隧道火災危害認識的日益提高，隧道防火的設計標準逐漸與國際接軌。目前實施的GB 50016—2006《建筑設計防火規范》中規定:1，2類隧道內承重結構體應采用RABT標準升溫曲線，3類隧道的耐火極限采用HC標準升溫曲線［7］。

上海長江隧道長約8.9 km，內徑為13.7 m，外徑為15.0 m，是當時世界上直徑最大的盾構隧道之一。該工程為國家重點工程，對隧道的防火設計極為重視。為提高隧道在火災下的抗火安全性，采用集中排煙模式下的排煙道頂隔板結構，并對煙道板的抗火性能提出了較高的設計要求。預制煙道板橫向跨度為9.6 m，厚度為0.25 m，縱向寬度為1.2 m，采用 C40鋼筋混凝土結構。為滿足防火防爆裂需要，設計要求在混凝土中摻入2.5 kg/m3分散狀單絲聚丙烯纖維。

該工程煙道板屬于1，2類隧道內的承重結構，從保證隧道抗火安全性的角度出發，按《建筑設計防火規范》中規定采用RABT標準升溫曲線進行構件耐火試驗測試，其抗火性設計要求耐火極限不低于30 min，混凝土結構在火燒30 min時所產生的損傷不大于中度損傷狀態(損傷評級見表1)。耐火極限的判定標準為:在車行道上著火后，當距離煙道板混凝土底表面25 mm處的鋼筋溫度超過300℃，或者混凝土表面溫度超過380 ℃時［8］。

2 混凝土配合比設計

2.1 設計理念

混凝土火災試驗研究表明，由于混凝土中含有水分，當受到高溫加熱時，水蒸汽的膨脹壓力將導致隧道襯砌發生崩裂的溫度點大大降低。若在混凝土中添加防火纖維，當纖維遇熱熔化后，能夠形成一個水蒸汽通道，減小混凝土內部的壓力，防止混凝土高溫下爆裂［9］。

表1 盾構隧道結構火災損傷評定分級建議Table 1 Fire damage assessment of shield tunnel structure

防火抗爆裂混凝土配制的關鍵在于防火抗爆裂材料的選擇上。因此，本工程的耐火混凝土配合比在設計時，除了采用適當的水膠比及大量摻加復合礦物摻合料的技術手段外，還添加了具有良好耐火防爆性能的聚丙烯纖維，并進行耐火試驗檢驗其防火性能，從而配制出能滿足使用要求的防火抗爆裂纖維混凝土。

2.2 混凝土配合比

配合比主要參數如表2所示。

表2 配合比主要參數Table 2 Mixing proportions

2.3 混凝土基本性能

混凝土基本性能如表3所示。

表3 混凝土基本性能Table 3 Concrete performance

3 混凝土耐火性能試驗

3.1 試驗條件與方法

本次防火試驗從設備的先進性、試驗單位的權威性、燃燒爐升溫曲線的適用性等方面考慮，最終選擇了“遠東防火試驗中心”，采用小型臥式爐進行試驗。使用摻加防火纖維的混凝土制作試件，以鋼筋混凝土試件做對照，每組試件為2塊，試件尺寸為0.65 m×3.045 m×0.25 m(長×寬×高)。用氣燃燒器在正面點燃燃燒室，在燃燒試驗時操縱和控制燃燒室內溫度，用NiCr－Ni殼式熱能元件與遠程控制記錄系統結合，參照RABT標準升溫曲線進行溫度控制。在全部測試過程中，用熱電偶接收鋼筋混凝土試樣中的溫度。

3.2 耐火試驗現象

試件經120 min升溫(最高溫度為1 100℃)試驗后，結構基本完整。試驗期間試件完整性良好，撓曲變形很小，未發生混凝土爆裂、表層脫落或嚴重爆裂等現象。從試件的溫度變化圖中(見圖2)可以看出，在火燒30 min時，混凝土表面的溫度遠遠小于380℃，因此，可以判定其耐火極限大于30 min，滿足耐火設計要求。

圖2 試件溫度曲線圖Fig.2 Curves of sample temperatures

試件經火燒后混凝土呈灰白色，火燒面出現多條不規則裂縫，試件側面出現橫向裂縫，試件損傷深度7～10 cm，酥松深度4～7 cm，試件撓度13.95 mm，回彈法測試的混凝土抗壓強度殘余百分比為53.3%，超聲波聲速比為0.8，試件為中度損傷，符合火災損傷評級的耐火要求。

4 工程應用

通過對工作性、力學性能及耐火性能的測試，該耐火混凝土完全能滿足上海長江隧道煙道板的設計及工程施工要求;因此，把該耐火混凝土配方應用于煙道板的實際預制生產中。整個生產過程中，混凝土的各項性能指標均滿足設計要求，未出現任何質量問題，所有煙道板預制構件均通過驗收，上海長江隧道工程也已完滿竣工。可以說，該耐火混凝土具有較好的防火抗爆性能，在工程應用中取得了良好效果。

5 結論與討論

1)利用RABT標準升溫曲線進行混凝土板耐火試驗，驗證了文中所設計的C40混凝土配方具有良好的耐火性能，能滿足上海長江隧道工程的設計與施工要求。

2)在混凝土中加入聚丙烯纖維能使其獲得較好的防火抗爆性能，建議在隧道煙道板的混凝土配方中加入適量的分散狀聚丙烯纖維，摻量為2～3 kg/m3。

3)煙道板混凝土配合比在設計時，不僅要考慮其工作性和力學性能，還需考慮其耐火性。

從實際工程需求來說，耐火混凝土的需求量遠遠小于普通商品混凝土。相應地，人們對其關注也較少，關于耐火混凝土的配合比設計與抗火性能評價的相關研究更是少見。本文研究為隧道煙道板耐火混凝土的應用提供了一些參考依據，對工程實施具有實際的指導意義，但對混凝土在高溫下的微觀狀態及耐火機制方面尚有待進一步研究。國內學者可以抓住近年來隧道建設快速發展這一契機，對耐火混凝土的配制及耐火機制進行深入研究，加快耐火混凝土的工程應用，推動我國混凝土耐火技術的快速發展。

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