公路隧道防火涂料厚度优化研究

摘要：本文以公路隧道防火涂料喷涂存在的分歧为背景，以确保南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路隧道火灾条件下结构安全为出发点，以目前防火涂料普遍具备的性能指标作为计算参数，采用ANSYS12.0有限元程序计算分析防火涂料对隧道衬砌温度场、耐火极限的影响。

关键词：公路隧道；防火涂料；温度场

1引言

隧道火灾不仅会造成人员伤亡，而且还会严重损坏隧道设备和衬砌结构，造成隧道承载能力下降。因此隧道结构安全不仅需要考虑普通恒载、活载及诸如地震力之类的特殊荷载，还需考虑火灾。目前国内外主要通过在隧道内喷涂防火涂料解决因火灾而引起的结构安全问题，并要求隧道防火涂料厚度为20±2mm，耐火极限≥2h。从国内多条高速公路隧道防火涂料施工效果来看，尽管涂料厚度满足规范要求，但涂料易产生开裂、起层、脱落等不良现象，严重影响隧道景观，加之目前部分观点认为隧道内发生火灾的概率小，若公路隧道数量众多，加铺防火涂料的经济成本远大于单个隧道火灾后的整修与营运的经济成本，因此有的省市要求在做隧道设计时直接取消防火涂料。譬如重庆市及福建省的公路隧道基本上不涂任何防火涂料。因此国内不同省份就是否需要设置隧道防火涂料问题是存在分歧的。

鉴于笔者参与的南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路项目（双向四车道高速公路，设计速度80公里/小时）隧道多达10座，隧道双延米长达17033m，隧道是否喷涂或是否按规范要求厚度喷涂防火涂料，不仅关系着隧道结构的安全，而且也极大地影响隧道的投资。鉴于此，笔者以本项目的Ⅳ级围岩浅埋衬砌为研究对象，使用ANSYS12.0有限元程序分析火灾条件下有、无防火涂料隧道衬砌的温度场，进而探讨不同工况下隧道的耐火极限问题。

2火灾场景

本文主要研究的是发生火灾时，衬砌结构最危险处即火源点处横断面，同时假设隧道横断面上温度分布一致。

前国外建立了一系列不同类型的火灾升温曲线，用来反映火灾时温度随时间的变化历程，这些标准曲线包括ISO834标准升温曲线、RWS、RABT/ZTV、HC曲线等。ISO834火灾升温曲线主要用于地上建筑火灾；RWS曲线主要用于模拟油罐车（热值300MW）在隧道中的燃烧情况；RABT/ZTV曲线是德国在一系列火灾试验成果的基础上发展而来的，表现了在封闭环境内一辆汽车燃烧时的特性；HC曲线模拟小型石油火灾（如汽油箱、汽油罐以及某些化学物品运输罐）的燃烧特征。

3耐火极限判定标准

建筑结构耐火极限有三个判断标准，即稳定性、完整性、隔热性。对公路隧道而言，在火灾发生后的一定时间内衬砌应具有保持完整性和稳定性的能力，为人员疏散和消防救援争取时间。

4材料参数

4.1混凝土热工参数

混凝土热工参数主要包括导热系数、比热容、衬砌表面与烟气对流的综合换热系数等。

（1）导热系数λt

目前普通采用欧洲设计规程推荐的钙质骨料混凝土导热系数计算公式。

（2）比热容Cc

欧洲混凝土协会建议对各种混凝土比热容采用统一的计算公式，即

（3）综合换热系数h

高温烟气与混凝土的热对流交换主要受固体物理特性和几何尺寸、流体流动速度和温度等影响，本文选用如下计算公式：

4.2防火涂料参数

自2005年颁布《混凝土结构防火涂料》（GA98-2005）规范以来，防火涂料在技术上已经取得了较大进步，防火性能已经得到极大提高，市场上已涌现出众多高性能防火涂料，本文参照目前大部分防火涂料具备的性能，将防火涂料热系数取为 ，密度取为 ，比热取为 。

5计算模型

本文以Ⅳ级围岩浅埋衬砌断面为基础建立数值计算模型，模型及衬砌结构细部如图2所示。

（1）二次衬砌厚度45cm，衬砌保护层为50mm，衬砌结构耐火极限按2h控制。

（2）由于隧道仰拱受火灾影响较小，所以模型衬砌分为两个区域，即拱墙的吸热升温区和仰拱的恒温区，在吸热区衬砌表面施加对流单元作为衬砌和火灾烟气进行热传递的介质。

（3）模型初始温度为20℃，火源位于隧道中线处并高于路面50cm。

6计算结果

6.1 无防火涂料工况

无防火涂料工况下，火灾发生60min、90min、120min时隧道拱顶截面内部温度场分布规律如图3所示。

计算结果表明火灾发生60min、90min和120min后，衬砌劣化深度（混凝土温度超过200℃的深度）分别为50mm、70mm和80mm。因此在无防火涂料情况下，仅在1h内衬砌劣化深度即超过混凝泥土保护层厚度50mm，亦即无防火涂料时，隧道衬砌耐火极限仅为1h。

6.2 有防火涂料工况

防火涂料厚度分别按6mm和8mm考虑，与迎火面距离为50mm处混凝土温度随时间的变化规律如图4所示。

计算结果表明防火涂料厚度为6mm和8mm时，火灾持续2h后混凝土温度分别达212℃和184℃。因此防火涂料最小厚度达到8mm左右方能满足隧道衬砌耐火极限≥2h的要求。

7结论

（1）在无防火涂料的情况下，保护层为50mm的钢筋混凝土衬砌耐火极限仅为1h，不满足规范[1]要求，因此隧道结构不喷涂防火涂料是存在安全风险的。

（2）鉴于目前防火涂料性能已经得到极大提高，防火涂料不需要按规范[1]要求的20±2mm进行喷涂，仅需维持在8mm左右即可满足规范规定的耐火极限要求。偏于安全考虑，南大梁项目隧道防火涂料厚度按10mm考虑，与规范相比，节约防火涂料3366m3，节约投资约2000万元。

（3）从笔者对国内多条高速公路隧道防火涂料施工效果调查来看，涂层越厚，越容易产生开裂、起层、脱落等不良现象，因此在满足规范要求的耐火极限的前提下，减薄防火涂料厚度对改善隧道景觀有一定积极作用，建议防火涂料应分多次进行喷涂，且每次喷涂厚度不大于5mm。

参考文献

[1] GA98-2005，混凝土结构防火涂料[s].

[2] 李伟平.山岭公路隧道结构的耐火极限与防火保护问题[J].现代隧道技术，2009，（4）：42-47.

[3] 段文玺，建筑结构的火灾分析和处理（二）-火灾温度场计算之一[J]. 工业建筑，1985，15（8）：51-54.

作者简介：冉利刚，1981年出生，男，工程师。