取消公路隧道防火涂料噴涂的可行性

文/江西省高速公路投資集團有限責任公司 劉軍

如果隧道發生火災，不僅會對隧道內的人員造成傷害，而且還會破壞隧道本身的設施和結構，大大降低襯砌結構的承載力和整體穩定性。

當前，工程技術人員主要通過主動防火和被動防火兩種方式解決隧道火災的危害。主動防火主要是指如何防止火災發生及火災發生后如何撲救；被動防火主要是從提高隧道結構的防火性能角度出發，包括但不限于提高襯砌混凝土材料的抗火性能、噴涂防火涂料、安裝防火板材等。

本文以隧道防火涂料存在的問題為出發點，探討取消隧道防火涂料的可行性研究。以期在確保隧道結構正常防火性能的前提下，最大程度地降低隧道的建設成本，改善隧道的施工環境及運營養護條件，為今后公路隧道是否噴涂防火涂料提供參考。

隧道火災的特點及危害

特點

隧道空間封閉、狹長、通風環境差、能見度低，一旦發生火災，后果十分嚴重。對近20年來公路隧道的火災特點進行歸納，有以下幾點：火災發生的時間、地點、規模和形態的隨機性大；火災發生時煙霧大、溫度高且上升快；成災時間短，持續時間較長，易造成人員傷亡和重大財物損失；隧道空間狹窄，出入口少，火勢蔓延快，撲救困難；火災高溫易損壞襯砌結構、防排水系統、交通安全標志標牌及機電照明等設施。

危害

結構病害。學者馬天文對盤陀嶺第二公路隧道火災的危害進行了介紹，大火造成約50m長的隧道施工縫全部裂開，混凝土大面積剝落或掉塊，剝落深度達0.1m至0.18m，并出現滲漏水，破壞程度較為嚴重。

襯砌結構安全性降低。學者梅志榮等通過現場火災模擬試驗，測試了不同溫度量級（最高溫度分別達400℃、700℃、900℃、1250℃）火災作用下隧道結構的受力、變形情況等，結果表明：火災后，襯砌趨于受壓狀態，隧道將產生較為嚴重的變形，隧道整體坍塌可能性不大。安永林應用荷載-結構模式對隧道襯砌結構的耐火性進行評估，襯砌安全系數隨火災規模的增大而逐漸降低，拱頂的安全系數降低梯度最大。

隧道防火涂料的構成與存在的問題

隧道防火涂料的構成

隧道防火涂料的組成成分包括黏結劑、耐火填料、膨脹劑和阻燃劑等。

黏結劑約占涂料總體積的35%至40%，由于黏結劑用量較多，因此應從價格、燃燒性能及火災時的煙氣情況3個角度選擇。

填料約占涂料總體積的35%至38%，主要作用是高溫隔離和降低熱導率。

膨脹劑約占涂料總體積的8%至10%。高溫膨脹形成多孔的隔熱層，從而阻止熱量的傳遞。

阻燃劑約占涂料總體積的12%至15%，受熱時吸熱失水，同樣能夠膨脹隔熱。

隧道防火涂料存在的問題

國內隧道防火涂料存在的主要問題有以下幾方面。一是市場不規范，當前隧道防火涂料市場發展不夠健全，產品質量難以保證。涂層厚度大，按照ISO 834曲線升溫，涂層的厚度為20mm至30mm時耐火性能才能達到規定的3h。二是黏結強度不高。隧道防火涂料黏結強度約為0.1MPa，車輛在隧道通行時產生的強風和震動，加之施工時基底處理不規范，防火涂料易在隧道運營期間出現空鼓和剝落，不但起不到有效的防火作用，反而還會對行車安全構成威脅。三是造成污染，當火災發生時，涂層燃燒產生大量濃煙、有毒有害氣體，污染環境，危害人體安全。四是耐水性差。防火涂料使用中出現反鹵、積水，影響其防火性能。五是表面粗糙，易污染且不易清洗，光線反射效果差。六是影響病害檢測。鋪設防火涂料后，無法及時發現、檢測隧道襯砌的滲漏、裂縫等表觀病害。

在設計、施工方面，目前國內公路隧道的防火設計、施工、驗收標準尚屬空白，僅疏散通道門有防火設計要求，隧道土建結構、附屬結構、機電設施等的防火設計基本無要求，容易導致如下問題的發生：各省份、各設計單位在隧道結構的防火設計方面不統一；各地消防審批部門缺乏依據，要么忽視，要么超標準設防。

鑒于隧道防火涂料在實際使用過程中存在的諸多問題，因此本文建議取消隧道防火涂料，并對其可行性進行分析。

取消隧道防火涂料的可行性

相關行業及地方標準規定

防火涂料作為隧道的一種被動防火措施，其應用效果欠佳且造價較高，國內部分有關建筑結構防火標準，如《建筑設計防火規范》《建筑鋼結構防火技術規范》《鋼結構防火涂料》《鋼結構防火涂料應用技術規范》及《混凝土結構防火涂料》等，未對防火涂料的鋪設做出強制性要求；

現行的公路隧道行業標準《公路隧道設計規范》《公路隧道設計細則》等均未對公路隧道的防火設計提出要求。

由于防火涂料存在的問題，國內部分省份如福建省、貴州省、湖北省、四川省、浙江省等已明確規定取消使用公路隧道防火涂料。

火災工況下有無防火涂料的對比分析

通常而言，公路隧道是否要進行防火保護設計應從兩個方面考慮：一是發生火災后，隧道結構是否會出現大面積坍塌或高溫掉塊，而影響司乘人員逃生疏散及消防救援；二是撲滅隧道火災后，是否需要較長時間中斷交通對嚴重損壞或坍塌的隧道結構進行維修，且其維修費用和中斷交通的運營損失費用大大超出采用防火保護層的費用。若以上兩方面至少需要滿足一個條件，則必須進行防火保護設計。

有無防火涂料的隧道結構安全對比

二襯通常在Ⅰ級至Ⅲ級圍巖中不承擔荷載；在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖中承擔部分荷載（IV級圍巖時承擔總荷載的30%；V級圍巖時承擔總荷載的50%至70%，主筋保護層厚5cm時可以滿足2h耐火極限的要求）。

以持續2h、風速為3m/s的50MW火災為例，經熱力耦合分析，隧道拱頂最高溫度約500℃，并沿結構厚度方向快速衰減，至截面中心位置溫度僅約70℃。經計算得出以下結論：第一，火災工況下，無防火涂料的隧道，無論是素混凝土結構還是鋼筋混凝土結構的二襯，其抗壓、抗剪、抗拉的極限強度安全系數均大于1.0，滿足結構安全需求；第二，有防火涂料時，隧道結構的安全儲備較無防火涂料時高。

有無防火涂料下火災成本對比

鋪設防火涂料進行防火保護的成本包括材料費及噴涂的人工費用，與隧道面積成正比。從單個隧道來看，無防火涂料的隧道火災后的維修及運營損失費用可能要高于有防火涂料保護的隧道，例如2014年山西巖后隧道由于甲醇泄漏起火燃燒，隧道破壞嚴重，經濟損失達8197萬。

考慮到我國公路隧道眾多，火災是小概率事件，雖無確切的成本統計資料，若將所有公路隧道均鋪設防火涂料進行防火保護，則從隧道防火總成本的角度來看，鋪設防火涂料的成本將遠大于不鋪設防火涂料時的火災后損失成本。

綜上所述，行業規范和標準未對隧道防火涂料的鋪設作出強制性要求，且湖北、福建、貴州、四川等地已明文規定取消鋪設隧道防火涂料，具有先行先試的經驗。公路隧道襯砌結構一般可滿足耐火極限的要求，保證隧道穩定，無需附加防火涂料。防火涂料反光性差，鋪設后會降低隧道內的照明亮度。鋪設防火涂料難以達到預期的防火目的，且會影響后期對隧道裂縫、滲漏水等表觀病害發展情況的觀察。

基于此，本文建議取消隧道防火涂料的鋪設，以期在確保隧道結構正常防火性能的前提下，最大程度地降低隧道的建設成本。同時，防火涂料取消鋪設后，不僅可改善隧道的施工環境及運營養護條件，也可在隧道發生火災時，提高應急救援效率，降低環境污染程度，具有一定的經濟意義與社會效益。