隧道结构防火设计的几点思考

张双茁 蔡厚强

1 概述

近年来,由于交通量的不断增长、路况的改善以及运输物品的日益复杂,导致隧道的火灾风险随之增加。隧道内的火灾往往持续时间较长,容易引发严重的火灾事故。例如,2002年1月10日,一辆满载皮鞋、打火机和教学用透明胶片等杂货的东风大货车在全长3 590 m的猫狸岭隧道内发生火灾。大火持续时间约2 h,将车辆及随车物品一烧而尽。车辆附近的消防箱、火灾感应器、拱顶电缆桥架、灯具、情报板、路侧边沟内的电缆管道等均被烧坏,桥架出现严重扭曲变形,遭燃烧破坏的区段长约200 m。在衬砌结构方面,燃烧点附近边墙瓷砖全部脱落,拱部衬砌只看见混凝土原色,并呈凹凸状,显然在高温作用下结构已有一定程度的劣化现象,但值得庆幸的是由于拱部涂有防火涂料,火灾后钻孔取芯强度试验数据显示,衬砌整体强度未受大的影响。

隧道内发生火灾的例子很多,造成的损失有大有小,但毋庸置疑,如果隧道结构因火灾受到毁灭性破坏,则经济损失将大到难以估量。因此,对隧道结构进行防火处理无论在争取救援时间,还是在降低隧道结构遭受毁灭性破坏的可能性方面都非常重要。隧道结构防火主要是通过在隧道表面设置一隔热、耐高温的表层以起到对结构提供保护来实现。

2 建筑结构在火灾工况下的破坏机理及影响

建筑结构内部温度梯度、受热膨胀差异以及钢筋变形等都有可能导致混凝土爆裂。混凝土火灾试验研究表明,当混凝土温度达到300℃～400℃时,强度开始降低,表面开始出现裂纹,400℃以上强度急剧降低,600℃时试件表面裂纹贯通,800℃以上时出现崩裂。隧道火灾发生前,隧道结构与围岩间已存在一种相互间的应力平衡,再加上洞内环境潮湿,衬砌内含有水分,所以当受到高温加热时,水蒸气的膨胀压力将导致隧道衬砌发生崩裂的温度点大大降低,大约为200℃;换言之,在没有任何防火材料保护的情况下,火灾发生5 min～15 min内,隧道结构就会出现爆裂,这将对进入火灾事故点附近的消防人员人身安全造成威胁,进而可能延误消防队员的救灾时间,从而加剧火灾对隧道结构的破坏。

3 隧道结构防火的功能要求

1)主要功能要求。隧道结构防火主要为了保证隧道自身在火灾工况下的结构安全,提高结构的耐火性能,为隧道内人员疏散、救援、消防进场提供条件。这就要求隧道结构所使用的材料必须在火灾工况下不能自燃,也不能产生大量的有害气体和烟气,并且在发生火灾的情况下,人员疏散及消防队员救火过程中,隧道结构不会爆裂、垮塌,在整个疏散以及消防工作尚未结束前,主要的安全设备能保持正常运行状态。

2)附带功能要求。恰当的选择隧道防火材料可以美化洞内环境,提升洞内行车舒适性,增强隧道路面亮度,降低照明运营成本,同时还便于养护,为人员逃生提供诱导。

4 隧道结构耐火极限的确定

理论上讲,隧道火灾发生频率与隧道长度、交通量、设计速度等有关,火灾的持续时间、温度时间曲线也会因为车辆类型的不同而存在较大差异。一般在没有油罐车卷入造成大型油池火灾的情况下,火灾的高温期会在引燃阶段后持续30 min～60 min。荷兰规范规定油罐火灾的高温期大约会持续2 h,只有消防队员在燃烧的初期阶段赶到现场并控制住火势时,时间才会缩短。

由于火灾具有突发性,很难准确判定其发生的时间、地点及规模,为了使隧道防火设计更趋合理,在设计过程中引用GB 50016-2006建筑设计防火规范规定的城市交通隧道分类标准(见表1),将隧道防火设计分为四类,并提出了相应的结构耐火极限。

表1 隧道分类

一类隧道内承重结构体的耐火极限不应低于2.00 h,二类不应低于1.5 h,三类不应低于1.00 h,四类隧道耐火极限不限。

5 工程应用

由于高速公路隧道均为行车隧道,隧道结构均有耐火极限要求,以下结合六武高速公路隧道实际情况,以新开岭特长隧道为例(见图1),对结构耐火极限的确定现简述如下：

六安—武汉高速公路安徽段穿越大别山腹地,已于2009年12月通车,新开岭隧道是该项目的一座特长隧道,隧道左右线长度分别为3 200 m,3 233 m,洞身设置5处人行横洞,4处车行横洞,4处紧急停车带,设计假设火灾发生于隧道洞身紧急停车带最不利位置,车辆进入隧道后无法在火灾发生处的紧急停车带或车行横洞供车辆掉头,新开岭隧道内装图最近的紧急停车带间距按640 m考虑,根据交通量情况,可测算2015年隧道内两紧急停车带间均布5辆车,2028年隧道内两紧急停车带间均布14辆车,同时本隧道是特长隧道,交通工程分级为A级,隧道内火灾考虑大型车辆火灾,由于管理处距离该隧道约17 km,从报警发出到消防车辆赶赴隧道洞口需10 min～15 min,同时,考虑隧道内交通流对消防车辆的干扰,消防队员很难在火灾的初期阶段进入火场控制火势,因此,按事故车辆燃烧至自行熄灭的最不利状况来确定隧道结构的耐火极限。设计假定一辆大型车与两辆小型车相撞,相关统计资料显示,隧道内发生的此类灾难性火灾一般持续时间均在2.0 h以上,同时结合规范要求及建设成本,本隧道耐火极限不应小于2.0 h。

6 材料的选择

在材料的选择上,防火涂料无疑是隧道结构防火的首选,其施工速度快,工艺简单,防火性能优良。在我国已建工程中,虽然出现过涂层的空鼓、脱落现象,但通过对施工工艺的控制完全可以避免上述现象。由于隧道火灾中拱部温度最高,两侧边墙温度略低,一般情况下隧道拱顶采用防火涂料喷涂,在高反射率下隧道照明伪色图可以更好的保护隧道结构。涂料颜色既可以选择深色,也可以选择浅色(见图2,图3)。深色耐脏,可一定程度上减轻养护工作量;浅色淡雅,能提高行车舒适性,改善洞内环境。由于边墙在火灾过程中遭破坏相对较小,并且隧道边墙反射率对隧道路面亮度有较大影响,因此边墙防火材料的选择上较为灵活,既可选择浅色耐火涂料,亦可选择反射率高且易于清洗的瓷砖、板材等装饰材料,以提高边墙反射低反射率下隧道照明伪色图率,减少隧道运营成本。

7 结语

隧道结构自身在高温下很容易遭到破坏,尤其是隧道拱部,因此,通过对隧道结构进行防火设计来提高隧道结构的耐火性能非常必要。同时,防火材料的选择对隧道照明、养护、降低运营成本也有积极意义。

[1] JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].

[2] GB 50016-2006,建筑设计防火规范[S].

[3] GA 98-2005,混凝土结构防火涂料[S].

[4] JTJ 026.1-1999,公路隧道通风照明设计规范[S].

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