基于耐火性實驗的隧道混凝土結構性能分析

作者簡介：覃甘毅（1988—），主要從事公路、橋梁、隧道施工工作。

文章對隧道火情特征進行研究，根據隧道受熱特點構建隧道混凝土耐火性實驗模型，以實現隧道防火安全設計。該研究的創新點在于根據隧道實際火情特點構建耐火實驗模型，更符合隧道實際防火要求。同時，采用不同防火材料參數開展實驗，討論不同防火材料對隧道混凝土結構耐火性的影響。研究成果可為隧道火災的預防與應對提供理論指導。

隧道；混凝土結構；耐火實驗；升溫曲線；材料模型

U458.1A461634

0?引言

隧道防火安全是隧道建設中不可忽視的重要問題。隧道火災的發生可能導致嚴重的人員傷亡和財產損失，并對交通運輸、經濟發展以及環境產生巨大影響［1］。由于公路隧道的特殊性，隧道受火后，高溫和煙霧會造成人員疏散困難、能見度降低等問題，給救援工作帶來巨大挑戰。目前隧道防火措施主要有兩大方向：（1）從結構與材料上提升隧道防火性能，以滿足隧道防火要求［2］；（2）通過外部輔助，利用火情等系統進行提前防火。由于隧道主要以鋼筋混凝土結構所構成，目前主要通過耐火性實驗來確定隧道混凝土結構防火性能［3］。因此，研究將對隧道火情特征進行分析，根據隧道受熱特點構建隧道混凝土耐火性實驗模型，以實現隧道防火安全設計。研究的創新點在于根據隧道實際火情特點構建耐火實驗模型，更符合隧道實際防火要求。同時，采用不同防火材料參數開展實驗，討論不同防火材料對隧道混凝土結構耐火性影響。研究成果還能為隧道火災的預防與應對提供理論指導，為保障交通運輸的安全與順暢作出貢獻。

1?隧道混凝土耐火性實驗建模

1.1?隧道溫度分布模型構建

為了保障隧道混凝土結構具備足夠的耐火性與結構安全性，將進行隧道耐火實驗設計。其中，升溫曲線能直觀地體現溫度與時間的變化規律，根據升溫曲線能有效反映隧道混凝土結構性能的變化特征［4］。目前，由國內專家閆治國根據國內火災場景以及碳氫（Hydrocarbon，HC）曲線提出一種適合國內隧道研究的標準化升溫曲線，研究以其為基礎展開隧道耐火性實驗研究［5］。標準化升溫曲線如式（1）所示。

在隧道耐火性實驗分析中，隧道襯砌以橫向溫度進行分布，因此在耐火性實驗中會對隧道襯砌整體結構溫度進行分析［6］。自然通風中，隧道上部受到火情影響更大，溫度集中于上部，下部低溫空氣會持續向上部補充。因此，在隧道通風過程，溫度由高到低分布。非自然狀態下，隧道會進行機械通風，而機械通風會加大熱煙在隧道的流通，使隧道溫度朝著縱向均勻分布［7］。因此，在設計耐火實驗場景時，可依據通風以及車輛因素設置隧道溫度分布類型。其中，溫度以線性分布時，表達如式（2）所示。

若溫度以均勻分布時，則有式（3）。

當隧道內溫度以橫向分布時，則包含線性與均勻兩種分布狀態，如式（4）所示。

在隧道耐火性實驗分析中，還需要分析隧道縱向溫度情況，隧道縱向溫度將反映火情縱向蔓延情況，并且也是分析隧道混凝土結構溫度響應的關鍵性參數。一般來說，隧道內濃煙受冷空氣影響，溫度將逐步降低，而隧道混凝土壓強會隨著隧道溫度的下降而升高。在隧道縱向溫度分析中，縱向溫度主要與隧道火情的規模以及通風情況有關［8］。根據上述分析，隧道溫度縱向分布表可以用式（5）表示。

最后，在耐火實驗分析中，還需要分析混凝土結構熱傳導現象［9］。其中隧道內的溫度場分布需要對隧道受火時間進行分析，可以轉化為溫度在隧道襯砌結構的傳播，其中需要考慮襯砌結構物理特征以及幾何特點，則隧道結構熱傳導可以用微分方程表達，如式（6）所示。

此外，在隧道結構熱傳導分析中，還需要通過邊界條件來確定不同邊界性質。

[=XQS（]基于耐火性實驗的隧道混凝土結構性能分析/覃甘毅

1.2?隧道混凝土襯砌結構材料建模

隧道主要以鋼混結構為主，其中混凝土主要由水泥、砂礫、碎石等以一定比例混合而成。當水泥受熱后，混凝土導熱系數λc、混凝土密度ρc等呈現下降趨勢，從而影響混凝土結構性能。隧道耐火實驗主要評估隧道混凝土結構受熱情況變化，因此采用ABAQUS平臺對隧道襯砌結構進行建模［10］。研究選擇環屏路頂管隧道為實驗對象，模型構建的效果如圖2所示。

在圖2中，隧道施工需要根據現場情況進行配筋率控制。而在隧道襯砌結構耐火性分析中，需要在襯砌結構外設置火災基準曲線，也就是設置溫度載荷，將隧道襯砌外壁與巖觸區域溫度場邊界設置成常溫22 ℃，其余部分則設置為熱傳遞［11］。此外，隧道長時間高溫會造成混凝土結構內水分流失，導致骨料出現膨脹狀態，使得混凝土內密度下降。隧道襯砌結構以混合骨料為主，混凝土密度ρp=2 400 kg/m3。在高溫作用下，隧道混凝土泊松比與溫度成正比關系，如式（7）所示。

此外，混凝土在受熱時，導熱系數是一個重要參數，導熱系數與混凝土含水率、骨料類型、混凝土養護等因素有關。根據歐洲混凝土質量標準，混凝土根據骨料類型的不同劃分為3類，包括硅質骨料、鈣質骨料以及輕質骨料。3種骨料混凝土在不同溫度下導熱系數如圖3所示。

隧道混凝土耐火實驗中以硅質骨料為研究對象，硅質骨料導熱系數如式（8）所示。

比熱容對混凝土受熱過程的內部導熱有直接影響，比熱容能反映出材料單位質量下能吸收或放出的量，是耐火實驗的重要研究指標。而混凝土熱熔比同樣與混凝土含水率、養護情況以及砂石類型有關。對隧道混凝土比熱容的研究需要轉化為對混凝土綜合材料的研究。因此，研究采用歐洲混凝土標準表示混凝土綜合比熱容，如式（9）所示。

在耐火性實驗中，考慮到高溫作用下鋼筋的密度并不會出現較大波動，鋼筋的密度為一個常數值為ρs=7 850 kg/m3。同時，高溫作用對鋼筋的熱傳導系數影響較低，鋼筋熱傳導性能主要與鋼材內碳含量有關。因此其熱傳導系數表達如式（10）所示。

式中：熱傳導系數λs單位為W/（m·℃）。此外，考慮到高溫作用對鋼筋的比熱容有明顯影響，當溫度＞750 ℃時，鋼筋的比熱容有明顯變化，鋼筋大量吸收熱量導致體積降低。因此，需要考慮鋼筋在700 ℃～800 ℃的受熱突變問題，采用比熱乘積與密度反映鋼筋受熱突變現象，如式（11）所示。

2?實驗案例分析

研究選取環屏路隧道為研究對象，該隧道位于珠海市南屏鎮中心城區，屬于城市次干道。整個隧道采用矩陣設計，隧道全長為1 588 m，隧道高度為7.57 m，隧道寬度為10.42 m。為了更方便研究隧道內混凝土耐火性實驗，采用ABAQUS軟件構建隧道混凝土耐火溫度場模型。實驗過程中，假設隧道內防火涂料各向同性，且不考慮受熱過程中其他熱工性能因素，主要從導熱系數、比熱容以及密度3個熱工性能指標展開分析。耐火性實驗相關數據如表1所示。

隧道耐火實驗分析中，將設置3種實驗場景。場景1：在隧道二次襯砌面進行防火涂料噴涂，厚度分別為0.5 cm、1.0 cm、1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm以及3.0 cm；場景2：在隧道二次襯砌面設置防火板，材料為干法硅酸鋁纖維板，防火板厚度分別為3.0 cm、3.5 cm、4.0 cm、5.0 cm、5.5 cm以及6.0 cm；場景3：在場景1噴涂3.0 cm涂料基礎上，對涂料熱工性能進行調整。3種隧道耐火實驗時長均為14 000 s。如圖4所示為場景1下的隧道混凝土結構耐火性能比較曲線。

設置火源為基準點，分別選取基準點距離隧道混凝土距離為0 cm、10 cm以及15 cm進行混凝土耐火性比較，如圖4所示。在基準點處，無處理混凝土隨著時間的增加，溫度急劇升高，在14 000 s時最高溫度達到1 103 ℃。與之對比，噴涂了3 cm防火涂料后，混凝土的最高溫度有明顯降低，但在短時間內混凝土升溫仍舊較快，在14 000 s最高溫度為659 ℃。同時，進一步分析發現，隧道混凝土距離基準點越遠，混凝土達到溫度越低。當距離基準點為15 cm時，無處理混凝土最高溫度為228 ℃，涂抹3 cm防火涂料后的最高溫度為104 ℃，且涂料越厚，混凝土溫度越低。

如圖5所示為場景2下的隧道混凝土結構耐火性能比較曲線。圖5（a）與圖5（b）所示分別為距離基準點0 cm與基準點10 cm的耐火實驗結果。當距離基準點0 cm時，防火板越厚，隧道混凝土受熱后溫度越低。如隧道采用厚度為6 cm的防火板，在14 000 s后混凝土結構最高溫度為566 ℃，對比厚度為3 cm的防火板，混凝土的

最高溫度為692 ℃。與防火涂料相比，在短期內混凝土升溫幅度明顯更低。同時，隨著距離基準點越遠，混凝土溫度受熱越低。

如圖6所示為場景3下的隧道混凝土結構耐火性能比較曲線。圖6（a）～圖6（c）分別為等差改變防火涂料的導熱系數、比熱容以及密度后的隧道混凝土耐火性能比較結果。改變防火涂料的導熱系數對隧道混凝土有直接影響，其中導熱系數越高，混凝土受熱溫度越高，當導熱系數為0.24 W/（m·K），距離基準點為0 cm時，最高溫度為1 002 ℃，而導熱系數為0.12 W/（m·K）時，最高溫度為682 ℃。同時改變防火涂料的比熱容，其對隧道混凝土溫度并未造成影響。最后分析不同涂料密度對混凝土耐火性的影響，防火涂料密度越大，混凝土溫度越低。如密度為250 kg/m3，距離基準點為0 cm時，混凝土最高溫度為975 ℃，而密度為550 kg/m3時，最高溫度為796 ℃。不過，當混凝土距離基準點＞20 cm后，改變防火涂料的密度對混凝土耐火性能影響可以忽略不計。

3?結語

隧道混凝土結構的耐火性能對于保護人員的生命安全和維護結構的完整性至關重要。對此，開展隧道耐火性實驗分析，以更好滿足隧道防火安全要求。首先分析升溫曲線，根據隧道受火特征構建溫度分布模型；其次對隧道混凝土襯砌結構進行分析，根據隧道材料特點進行隧道材料建模。選擇不同防火材料以及熱工參數進行實驗，防火材料越厚，隧道混凝土結構溫度越低，防火性能也越好。當防火涂料與防火板均在3 cm時，防火板在短期升溫幅度相比防火涂料要更低，兩者溫差最高達到168 ℃，因此防火板性能要更好。此外，防火材料的導熱系數與密度對混凝土結構的耐火性能有直接影響，如材料導熱系數越低、密度越高，混凝土受熱時溫度也越低，越利于隧道防火。未來還需要充分考慮隧道通風以及火災位于洞口的情況，以提升實驗的效果。

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