隧道沥青阻燃与路面结构研究综述

王怡平

【摘要】隧道由于其特殊的地质条件、水文条件、环境条件及交通状况，导致隧道路面结构与一般路面结构差别很。本文分析了隧道沥青路面易失火的原因，研究了国内外隧道沥青路面阻燃技术，阐述了隧道复合式沥青路面结构的研究现状，提出了隧道路面结构与材料研究方面存在的不足。

【关键词】隧道，阻燃，复合式沥青路面

1 引言

目前，我国己成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家、特别是国家西部大开发战略的实施，我国西部多山地区公路建设将保持较大的建设规模和较快的发展速度，隧道的里程将大大增加；随着公路服务水平和线性等级的提高，公路隧道目前正朝着长大化方向发展，隧道内的行车速度和密度越来越大。

隧道路面與一般道路相比，它是一个半封闭、空间狭小的管状结构物，隧道路面受雨水、太阳辐射、通风等影响较少，视觉空间小，能见度较低，行车状况较为复杂。这种环境对路面结构有更多要求，常用的路面类型是水泥混凝土和沥青混凝土两种，与水泥混凝土路面相比，沥青混凝土路面的抗滑性、平整性、降噪性等比较好，且养护容易，在公路建设中得到了广泛应用。隧道内采用沥青混凝土路面，在常温及开放环境内，沥青属于难燃材料，而在隧道内部一旦发生火灾，由于空间狭小，积蓄的热量能够使得沥青达到燃点并燃烧释放出大量烟雾和有毒气体，给消防工作带来极大隐患，因此，开展沥青路面面层材料阻燃性能研究非常必要。

隧道路面除地基板为弹性模量较高的基岩，其地质条件、水文条件、环境条件及交通状况的特殊性使得隧道路面结构的受力、变形等特性与隧道外路面结构存在明显差别，但是隧道内路面结构和材料设计没有专门的规范和指南，而是套用公路或城市道路设计规范。因此，需要对沥青路面结构深入分析。

2 隧道沥青路面阻燃性能研究

2.1 隧道失火的原因

1）车辆燃烧是引发隧道火灾的主要诱因。据统计，汽车火灾的原因有：电气线路短路起火、汽化器起火，载重汽车气动系统起火等。如1964年，日本关门隧道大火起因为电气线路起火引起；2010年浙江大溪岭隧道大火为是货车轮胎起火造成的。

2）货车上的货物引起火灾。由于所载货物中有可燃或易燃物品，遇明火易发生燃烧或自燃。如1996年英法海底隧道火灾是因一列火车上的聚苯乙烯起火造成。

3）车辆相互碰撞起火。如1978年荷兰凡尔逊隧道火灾，1979年日本烧津隧道火灾，都是由车辆在隧道内发生互相碰撞引起的。

4）隧道内设施的电气线路短路引起火灾。隧道内设施由于老化或受潮等原因，进而引发汽车或货物着火。

2.2国外隧道沥青路面阻燃现状研究

国外对于沥青阻燃性能研究，是在沥青毛毡的阻燃技术研究的基础上，借鉴聚合物阻燃经验，一般采取的技术是在沥青中添加阻燃剂来改善材料的阻燃性能，实现沥青的阻燃目的。

SBS改性沥青中添加1-20%的卤素阻燃剂和1-5%的无机磷（磷酸铵或红磷）制成阻燃沥青，其符合ASTM E-108中要求的A级材料要求，即具有极高的阻燃性能；采用40-60%沥青、1-20%SBS和30-40%阻燃剂（由65-80%磷酸一铵、5-15%硫酸铵和1%硅胶组成）制成阻燃沥青，被美国保险商试验室（UL）认证为A级；在沥青中添加35-50%的硬硼酸钙石制成沥青毛毡用于建筑屋顶；以十溴二苯醚、五氧化二锑和硼酸锌为阻燃添加剂，加入热弹性改性沥青中制成阻燃改性沥青；将在表层使用聚磷酸铵（APP）作用添加剂制成具有自愈合性能的改性沥青胶浆用于建筑屋顶，且具有一定的阻燃等级。

由上可见，国外对于沥青阻燃的研究成果大部分应用于沥青油毡和沥青涂层，而应用于沥青路面的研究却很少。

2.3 国内隧道沥青阻燃现状研究

国内对于沥青阻燃的研究相对较晚，而且最早对于沥青阻燃的研究是针对沥青油毡和沥青涂层进行的，随着我国交通事业的快速发展，隧道规模和交通密度的增长，行车速度的提高，隧道交通事故发生的频率也随之加快，同时随着人们对公路隧道防灾的重视程度的提高，相关研究机构对于隧道内沥青路面的阻燃性能也开始着手研究，有关单位开始将沥青阻燃技术应用于隧道内沥青路面。近年来多条已通车隧道沥青路面进行阻燃处理，并开展了大量的研究，取得了一定的研究成果。

重庆公路科学研究，采用7%左右掺量溴系阻燃剂掺入SBS改性沥青中，氧指数（LOI）从19%提高到23%，并且根据阻燃沥青的评价的建议，即提出阻燃改性沥青的极限氧指数大于23%时就可满足工程需要。

同济大学杨群等人研究了OGFC对沥青路面阻燃性能的影响，由于OGFC自身具有大空隙率的特性，当发生火灾时，如有可燃液体通过OGFC中的大空隙通道离开燃烧范围，从而起到一定程度上的阻燃效果。在OGFC的基础上，武汉理工大学丁庆军等在沥青中按照一定比例加入氢氧化铝（ATH）、氢氧化镁（MH）和Zeolite沸石粉，可以使阻燃沥青的极限氧指数达到29%以上，闪点可达到420℃，同时可使OGFC的孔隙率在20%时，动稳定度达到7365次/mm，燃烧时间较水泥混凝土缩短一半，逃逸汽油量高达89%。

谭忆秋等在ATH掺量为沥青20%的情况下，将矿粉与沥青按1：1混合，此时LOI实验结果为32.5%，以充分实现了材料自熄性。并对A-T阻燃体系的放热及发烟特性进行研究，结果表明，其性能均优于基质沥青。

由此可见，虽然我国对阻燃沥青的研究起步较晚，但越来越重视阻燃沥青的研究，并在国内隧道内进行铺筑试验路或直接进行施工，开发了多种隧道阻燃沥青路面及其阻燃技术方案。

3 隧道沥青路面结构组合研究

随着交通量的不断增加和行车舒适性，安全性要求的不断提高，对隧道路面的结构强度和使用性能提出了更高的要求，其发展方向是水泥混凝土路面向柔性，沥青混凝土路面向硬性，因此隧道复合式沥青路面结构力应用而生，其力学分析、结构设计，贫混凝土沥青路面等国内外的研究现状如下：

由于复合式路面结构中水泥混凝土板接缝的存在，使得加铺于水泥混凝土板上面的沥青混凝土层与公路隧道普通沥青路面结构的受力状况相差很大。石春香等建立了公路隧道复合式沥青路面结构的三维有限元分析模型，分析了隧道复合式沥青路面结构接缝处沥青混凝土层内部和界面处应力进行了分析比较，确定偏载为最不利加载位置，提炼出关键的设计指标：纵缝边缘加载位中心对应的沥青混凝土层底水平拉应力和接缝处沥青混凝土层顶面竖向剪应力。利用多元非线性回归技术对分析结果进行整理，得出了高强度基岩下的应力回归公式，并通过工程实例阐明了公路隧道复合式路面结构沥青混凝土层厚度设计计算步骤。

杨群针对目前隧道复合式沥青路面表面出现受拉破坏的现象，揭示沥青层表面破坏的力学机理，运用三维有限元方法建立隧道复合式路面结构与荷载模型，分析垂直荷载与水平荷载综合作用下沥青层表面的拉应力，得出了影响沥青层表面拉应力的影响因素，提出了延长隧道复合式路面使用寿命的措施。

李英涛针对当前高速公路隧道复合式路面沥青层混合料设计方法存在的不足，根据隧道交通及复合式路面的受力特点，首次提出了隧道复合式路面沥青层混合料的剪应力设计方法，并结合实际工程提供了设计示例。

刘朝辉等人通过比较中国公路隧道路面结构类型，针对G319湖南浏阳焦溪岭隧道提出路面结构方案，针对目前中国公路隧道路面结构类型与材料现状，提出了一种新的纤维混凝土复合式隧道路面结构，并论述其施工要求及注意事项，结果表明，钢纤维混凝土是刚柔相济的复合型材料，抗弯拉强度比普通混凝土明显提高，具有很强的抵抗动载冲击能力和耐疲劳能力。其特点恰恰与隧道路面技术控制指标相吻合。

黄晓明等为了选择适合于隧道工作环境与交通条件的路面结构类型，提高隧道路面的使用性能延长使用寿命，采用灰靶理论从整体刚度、耐久性、平整度、抗滑性能、耐磨性能、修復与重建难度六个方面系统地比较了水泥混凝土与沥青混凝土两种常用的路面结构类型在隧道内的适用性。分析结果表明，采用灰靶理论评判模型选择隧道路面结构类型在一定程度上克服了选择过程的主观因素，使隧道路面的选择结果更具有客观性；在隧道内特殊的工作环境与交通条件下沥青路面的性能更加优越，具有更好的适用性，能提高隧道路面抗滑性能，降低噪音，改善行车舒适性，维修、养护简便，保证隧道营运通畅，为实体工程路面结构类型选择提供依据。

付其林等为了分析贫混凝土基层沥青路面在不同路面结构和材料参数下的温度-荷载耦合应力状况，通过三维有限元数值方法，分析了沥青面层厚度和模量、贫混凝土基层厚度和模量及基层缩缝宽度对沥青路面温度-荷载耦合应力的影响。研究表明：沥青面层厚度和基层缩缝宽度对路面温度-荷载耦合应力有显著影响；基层厚度和模量对耦合应力的影响不显著。适当增加沥青面层厚度对预防反射裂缝十分有效；改变贫混凝土基层的厚度和模量对预防反射裂缝作用不大；适当宽度的基层缩缝对延缓反射裂缝效果显著。

4 隧道沥青路面结构与材料存在的问题

1）阻燃性良好的阻燃剂大多数毒性大

目前最有效的卤-锑、卤-磷、磷-氮协效类阻燃剂，但有机溴类阻燃剂加工、拌合、施工和燃烧过程中会释放出溴化氢和二恶英等有毒和致癌物质，其中二恶英类物质具有急性致死毒性、致癌性、生殖毒性和内分泌干扰毒性、发育毒性和致畸性、免疫毒性等特点。

2）阻燃沥青燃烧发烟量大

阻燃剂往往是通过捕获燃烧释放的自由基、释放气体形成隔离层、形成固相保护层等机理来实现阻燃。但是往往由于抑制燃烧时，导致燃烧物的不完全燃烧，反而使燃烧物生烟量变大。

3）阻燃剂有效性

阻燃沥青在拌和、运输、摊铺过程中，长时间处于高温状态，这样会导致部分阻燃剂会开始热解，释放出毒性气体。这样不仅会降低阻燃效果，而且影响施工人员的健康状况。

4）隧道复合式沥青路面结构

隧道组合是沥青路面结构反射裂缝问题需要长期深入研究，由于基层面层材料的物理力学性能差异较大，导致层间结合效果差，层间是隧道复合式沥青路面结构的薄弱环节。

5 结论

在设计隧道沥青路面结构之前，深入调查、观测和研究气候、环境对隧道内路面结构和材料的影响，以实体工程为依托，通过调研、现场观测、室内外试验、工后观测和理论分析，结合新材料、新结构、新工艺、新技术等的应用研究，科学、系统地提出隧道路面结构合理型式、合理厚度和结构组合，提出隧道路面材料设计指标与技术标准，提出隧道路面结构施工工艺以及隧道旧路面的修复技术，用以指导我国公路隧道路面的建设及养护，提高隧道路面使用性能、使用寿命及服务水平，降低行车噪声和养护成本，提高公路隧道运营的安全与综合效益。

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