玻化微珠保温砂浆在隧道防火设计中的应用研究*

季海峰　李珠　刘元珍　秦小超

(太原理工大学建筑与土木工程学院　太原 030024)



安全技术及工程

玻化微珠保温砂浆在隧道防火设计中的应用研究*

季海峰李珠刘元珍秦小超

(太原理工大学建筑与土木工程学院太原 030024)

针对当前多发的隧道火灾，探讨玻化微珠保温砂浆在隧道防火设计中的可行性。通过有限元计算分析，对设置玻化微珠保温砂浆隔热层的隧道衬砌结构防火性能进行研究，同时对不同火灾规模下隧道温度场的影响进行了分析。研究结果表明玻化微珠保温砂浆可以很好地阻止热量的入侵，初步验证了其在隧道防火应用的可行性，可为后续隧道防火设计及相关研究提供参考。

隧道火灾玻化微珠保温砂浆有限元分析

0　引言

隧道火灾是隧道灾害中最为严重的问题之一，隧道建设在给人类带来诸多便利的同时，其火灾危害也让人类蒙受巨大的损失。国内外对于隧道火灾的研究逐渐得到重视，王明年、闫治国等[1-2]通过试验对不同通风速度及火灾规模的隧道温度场进行了研究，为公路隧道抗火设计提供了相应依据；张念等[3]通过试验对高海拔长隧道火灾燃烧进行了模型试验，对不同规模火灾下的隧道温度及烟气分布进行了研究；蔡小林等[4]通过有限元分析，对火灾发生前后隧道荷载的变化及隧道衬砌结构的承载能力进行了研究，为隧道衬砌结构的安全设计计算提供参考；李忠友等[5]基于材料非线性理论，结合Bradford[6]研究成果，通过理论推导给出了火灾下半圆形隧道截面转角及径向变形的解析解；程小伟等[7]通过试验对隧道防火涂料配方各影响因素进行了研究，对隧道防火涂料做出了优化。

尽管当前国内外在隧道抗火领域取得了诸多有益的成果，然而新建隧道自身的火灾安全隐患依然存在。目前，限于国内科技的发展及当前经济水平，在寒区隧道施作保温隔热层时仍然有使用可燃有机材料的现象，给隧道防火埋下了隐患。隧道发生火灾时，由于隧道自身空间狭小，突发火灾产生的热量散发困难[8]，也加剧了隧道火灾的危害。

针对当前寒区隧道有机材料在隧道抗火性能方面的缺陷，本文提出将无机玻化微珠保温砂浆应用于寒区隧道，通过有限元计算对火灾作用下设置玻化微珠保温砂浆隔热层寒区隧道温度场进行分析，探讨无机玻化微珠保温砂浆对隧道耐火性能的影响，据此研究其在隧道抗火设计应用的可行性。

1　火灾作用下隧道传热数值计算理论及计算模型

1.1热传导方程的建立

热量传递主要有热的传导、对流以及热的辐射3种方式，隧道火灾计算主要传热方式为热传导和对流，模型计算时忽略热辐射的影响。根据传热学基本理论，建立火灾作用下隧道传热基本方程：

(1)

式中，λx，λy，λz分别为材料不同方向的导热系数，W/(m·K)；T为瞬时温度，℃；ρ为材料密度，kg/m3；q为材料内部释放热量；C为材料比热，J/(kg·K)。

在计算时假定混凝土及保温砂浆为各向同性材料，且火灾作用下内部水泥水化释放的热量相对较小，可以忽略，对式(1)简化得：

(2)

式中，λ为材料导热系数，W/(m·K)。

考虑隧道长度远大于其截面尺寸，可假定在局部火灾区域范围内，隧道温度场沿轴向相同，对上式进一步简化：

(3)

1.2模型初始条件

隧道火灾模型选取我国寒区隧道多年冻土段进行模拟分析，隧道围岩和衬砌结构初始温度近似取为-1 ℃，方程初始条件即为：

T(x,y,z,t=0)=T0

(4)

1.3模型边界条件

(1)对于隧道非受火面采用第一类边界条件：

T│l=T(X,y,z,t)

(5)

(2)对于隧道受火面采用第三类边界条件：

(6)式中，h为空气与隧道表面对流换热系数，W/(m2·K)；Tf为流体介质温度，℃。

1.4隧道有限元模型

隧道有限元计算模型如图1所示，该隧道位于寒区隧道多年冻土段，其初衬结构厚度为30 cm，二衬结构厚度40 cm，模型上边界距隧道顶部20 m，下边界距隧道底部20 m，模型左右边界距隧道左右侧分别为30 m。

1.5模型计算假定

(1)当构件截面尺寸大于其骨料粒径4倍时，可假定混凝土及玻化微珠保温砂浆为各向同性材料[9]，忽略其沿不同方向物理性能的变化。

(2)由于隧道长度远大于其截面尺寸，模型计算时考虑隧道局部受火区域温度场沿轴线相同。

(3)混凝土在高温作用下释放的热量与火灾释放的热量相比较小，模型计算时不予考虑。

图1　隧道有限元计算模型

2　有限元模型计算参数的选择

2.1火灾温度-时间曲线

火灾温度-时间曲线选用HC升温曲线，火灾规模5～10 MW[10]，可用于一般规模隧道火灾的模拟分析。T=20+1 080×(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)

(7)

式中，t为时间，min。

当隧道火灾规模较大时，可采用HCinc升温曲线，其升温曲线为HC曲线乘以1 300/1 100的放大系数。HC和HCinc升温曲线如图2所示。

图2　火灾温度-时间曲线

2.2高温下隧道衬砌混凝土导热系数

混凝土的导热系数主要受混凝土的骨料类型、配合比、含水量、温度等因素影响，随着温度升高，骨料类型对混凝土导热系数的影响逐渐减少[11]。模型计算时采用欧洲规范[12]的导热系数计算公式：

(20 ℃≤T≤1 200 ℃)

(8)

2.3高温下衬砌混凝土比热

混凝土的比热随着骨料比热、混凝土密度、混凝土含水量、温度的增加而变大，不同骨料类型对混凝土比热影响较小[13]。模型计算时采用欧洲规范的比热计算公式：

(20 ℃≤T≤1 200 ℃)

(9)

2.4其他计算参数

材料的密度受温度影响变化较小，在计算时可采用常温下材料的容重，计算时混凝土容重取为ρc=2 400 kg/m3，玻化微珠保温砂浆容重取为ρ=200 kg/m3。当前国内外尚无高温下玻化微珠保温砂浆计算公式，计算时恒定值λ=0.058 W/(m·K)。隧道围岩受火灾影响小于混凝土衬砌结构，围岩导热系数λ=2.0 W/(m·K)，围岩密度ρ=2 500 kg/m3，围岩比热C=980 J/(kg·K)。

3　火灾下隧道衬砌及围岩温度分布及分析

3.1未设置玻化微珠保温砂浆隔热层隧道温度场

未设置玻化微珠保温砂浆隔热层时，隧道不同位置、不同时刻温度变化如图3、图4所示。

图3　未设置保温隔热层隧道衬砌结构温度

图4　未设置保温隔热层后距隧道表面不同深度处温度

对图3、图4分析可知，一般未设置无机防火保温隔热层的隧道，在火灾发生初期温度迅速升高，表层混凝土6 min时温度可高达800 ℃，这将严重影响混凝土的物理力学性能。根据国内外对于混凝土高温下力学性能研究成果[14]，800 ℃时混凝土强度仅为常温下强度的15.6%，这将对隧道结构的安全造成威胁，甚至会产生局部坍塌。同时从有限元计算结果可以看出，一般未设置防火保温隔热层的隧道，火灾发生时，其距离隧道二衬表面75 mm范围为火灾主要的影响区域，距受火面距离越远受火灾影响程度越低。对图3数据进一步对比分析，可以发现离隧道表面距离越小，火灾作用下温度梯度越大，其混凝土所承受的温差应力也越大，表层混凝土更容易产生爆裂。

3.2设置玻化微珠保温砂浆隔热层后火灾作用下温度场

设置玻化微珠保温砂浆隔热层后，火灾作用下隧道不同时刻及不同位置温度如图5、图6所示。

图5　设置30 mm玻化微珠保温隔热

图6　设置30 mm玻化微珠保温隔热

从图5、图6可以看出，设置防火保温隔热层后，火灾作用下其影响区域主要集中在玻化微珠保温砂浆隔热层，而内层的隧道衬砌结构并未产生明显的影响。设置防火保温隔热层后在受火灾作用120 min后，其衬砌结构表面温度仅为78.62 ℃，此时衬砌结构表层混凝土力学性能所受温度影响可以忽略。玻化微珠保温砂浆隔热层的设置很大程度减少了热量对隧道衬砌结构的入侵，对隧道衬砌结构形成保护，避免由于局部温度过高导致隧道混凝土衬砌结构力学性能急剧下降，进而影响隧道衬砌结构的整体稳定。

3.3不同火灾规模对隧道温度场的影响

采用火灾HCinc升温曲线计算火灾规模较大时隧道衬砌结构温度场状况，通过有限元计算得出HCinc升温曲线下未做防火保温层时隧道不同时刻温度如图7所示，HCinc升温曲线下设置防火保温层时隧道不同时刻温度如图8所示。

图7　HCinc升温曲线下无防火隔热

图8　HCinc升温曲线下设置防火隔热

通过图7、图8与图3、图5对比可以发现，当未设置玻化微珠防火保温隔热层时不同升温曲线对隧道衬砌结构影响明显，HCinc升温曲线下隧道衬砌结构温度要明显高于HC升温曲线下隧道衬砌结构温度，由于热传递的延迟及损耗，不同升温曲线对隧道表层温度场影响较为明显。HCinc升温曲线下隧道二衬结构表面温度和距二衬表面25 mm处温度分别相对于HC升温曲线下提高了18.5%和15.53%；而对于衬砌结构较深处，HCinc升温曲线下距二衬表面50 mm处温度和距二衬表面75 mm处温度分别相对于HC升温曲线下的温度提升了12.59%和10.76%。设置玻化微珠保温砂浆隔热层时，由于玻化微珠保温砂良好的保温隔热性能，不同火灾规模对隧道温度场的影响主要集中于保温隔热层厚度范围内，对于隧道衬砌结构温度场的影响变化数值相对较小，其温度仍在低于100 ℃的温度范围，在此温度下对隧道衬砌结构物理力学性能的影响可以忽略。

4　结语

对于当前多发的隧道火灾，本文着重对隧道无机玻化微珠保温砂浆隔热层防火性能进行了分析，证实了其在隧道防火设计中应用的可行性，可为我国隧道防火的设计及相关领域的研究提供了借鉴。不同火灾规模对于一般隧道衬砌结构温度场影响明显，而设置玻化微珠保温砂浆防火隔热层的隧道衬砌结构受不同火灾规模影响则相对较小，可以忽略。本文在计算中未考虑火灾作用下玻化微珠保温砂浆和混凝土衬砌结构的爆裂，对于玻化微珠保温砂浆高温下抗爆裂性能的研究是进一步的工作。

[1]王明年，杨其新，袁雪戡，等.公路隧道火灾温度场的分布规律研究[J].地下空间，2003，23(3)：317-322.

[2]闫治国，杨其新.秦岭特长公路隧道火灾温度场分布试验研究[J].地下空间与工程学报，2003，23(2)：191-195.

[3]张念，谭忠盛，毛军，等.高海拔铁路隧道火灾燃烧特性试验研究[J].中国安全科学学报，2011,21(12)：52-57.

[4]蔡小林，SWOBODA G，陈文胜，等.火灾下隧道衬砌的安全设计[J].岩石力学与工程学报，2010，29(Z2)：3805-3811.

[5]李忠友，刘元雪，刘树林，等.火灾作用下隧道衬砌结构变形理论分析模型[J].岩土力学，2012,33(Z2)：307-310.

[6]BRADFORD M A. In-plane stability of pinned arches with elastic restraints under thermal loading [J]. Internal Journal of Structural Stability and Dynamics, 2006,6(2):163-177.

[7]程小伟，姚亚东，尹光福，等.隧道防火涂料配方设计和性能研究[J].施工技术，2005,34(11)：73-75.

[8]LONNERMARK A. On the characteristics of fires in tunnels [D]. London: Heriot-Watt University, 2005.

[9]时旭东，过镇海.钢筋混凝土结构的温度场[J].工程力学，1996，13(1)：35-43.

[10]BOTH C, HAAR P W, WOLSINK G M. Evaluation of passive fire protection measures for concrete tunnel linings [R]. Holland: TNO, 2003.

[11]肖建庄，王平，朱伯龙.我国钢筋混凝土材料抗火性能研究回顾与分析[J].建筑材料学报，2003，6(2):182-189.

[12]European Committee for Standardization. Eurocode for Design of steel structures[S]. British Standards Institution, 1995.

[13]陆洲导，朱伯龙.一种预测钢筋混凝土梁耐火时间的方法[J].建筑结构学报，1997，18(1)：41-48.

[14]李卫，过镇海.高温下砼的强度和变形性能试验研究[J].建筑结构学报，1993，14(1)：8-16.

李珠，男，教授，博士研究生导师，主要从事结构工程研究。

Research on the Application of Thermal Insulation Glazed Hollow Bead Mortar in the Tunnel Fire Protection Design

JI HaifengLI ZhuLIU YuanzhenQIN Xiaochao

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024)

In view of the current multiple tunnel fire, the feasibility of thermal insulation glazed hollow bead mortar used in the fire protection design of tunnel is explored. Through the finite element analysis, thermal insulation glazed hollow bead mortar used as tunnel fireproof lining is studied, and the effect of different fire scale on the tunnel temperature field is analyzed. The research results show that the thermal insulation glazed hollow bead mortar performs well in preventing heat intrusion, and the feasibility in tunnel fireproof application is verified, which can provide references for the subsequent tunnel fire protection design and related research.

tunnelfirethermal insulation glazed hollow bead mortarfinite element analysis

2015-06-15)

国家自然科学基金(51308371)，山西省自然科学基金(2014011033-1)。

季海峰，男，硕士研究生，主要从事结构工程研究。