港珠澳跨海集群工程海底沉管隧道防火设计

张志刚， 林 巍

(中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088)



港珠澳跨海集群工程海底沉管隧道防火设计

张志刚， 林 巍

(中交公路规划设计院有限公司， 北京 100088)

港珠澳跨海集群工程海底隧道是目前世界上最长的公路沉管隧道，运营期设置有主动与被动的双重防火系统。结合港珠澳海底沉管隧道的主要技术特点，提出防火设计中热释放率、火灾次数、耐火等级以及采取防护措施后构件的主要耐火指标。依据工程防火的具体实施条件，通过综合比较，沉管结构防火设计采用防火板直接覆面方式，沉管接头防火采用由刚性防火板与柔性防火隔断共同组成的具有自主知识产权的双层防护系统。

港珠澳；沉管隧道；被动防火；结构防火；接头防火；防火板

0 引言

根据隧道运营期安全保障的需要，工程建成后应配置满足消防救援要求的主动防火与被动防火系统。主动防火是指火灾发生后所进行的火灾检测及报警、灭火、通风排烟和逃生救援等一系列活动；被动防火是指在火灾发生的情况下如何保证承重结构及接头防水的安全,从而保障人的生命安全和减少财产损失的一种安全技术。被动防火所采取的措施主要包括加厚混凝土的结构内衬保护、喷涂防火涂料、安装防火板材等。

沉管隧道采用陆上预制与水下安装的工艺，水体与结构外表面直接接触，所受水土压力荷载较大，假如发生火灾，混凝土结构在异常的高温环境中会出现物理力学性能劣化现象，并伴随产生表面龟裂等缺陷，严重时可能会出现结构裂缝，危及到整个沉管隧道的安全，对正常使用的隧道将造成灾难性后果，后期也很难进行修复，比如连接意大利与法国之间的Mont Blanc山岭隧道火灾后的修复就花了三年半的时间[1]。目前在已建成的沉管隧道中均配备有结构被动防火系统，形成主动与被动防火的双重保障体系，为隧道的安全运营保驾护航。

国外对隧道的防火安全研究很多，包括有欧洲隧道火灾信息网的FIT项目，欧盟资助的隧道结构耐久性与可靠性的DARTS项目及火灾探测及火灾安全评估的UPTUN项目，美国纪念隧道火灾通风试验MTEVTP项目，以及日本大断面公路隧道火灾试验研究项目等[2-4]。近些年，国内依托秦岭终南山特长山岭公路隧道、上海长江盾构隧道也开展了相关的技术研究，形成了一批重要成果[5-8]。然而，针对沉管隧道开展防火专项试验的研究成果[9-11]则报道极少，港珠澳沉管隧道的防火设计没有可直接借鉴的经验，设计过程中结合工程条件开展了专项模型试验研究，为工程方案设计提供有力支撑。

1 工程概况

港珠澳大桥主体工程包括主体桥梁工程、接线及口岸工程、岛隧工程3部分，是我国交通建设史上首次采用桥岛隧组合形式实现跨越的集群工程。海底隧道采用沉管方案，起讫桩号为K6+404～K13+108，全长 6 704 m，为目前世界上规模最大的沉管隧道。受大尺度船舶的通航限制，隧道中间段约3 km长度深埋于23 m的海床面之下，是世界上第1座深埋沉管隧道。设计采用高速公路标准，设计时速为100 km/h，双向6车道，建筑限界宽14.25 m、高5.1 m，设计使用寿命为120年。

隧道分为东、西人工岛岛上段及沉管段，其中，东、西人工岛岛上段长均为518 m，包括敞开段、减光段及暗埋段；沉管段总长5 664 m，共分33个管节，单个标准管节长180 m。采用了工厂法预制的节段式半刚性管节结构，每个标准化生产的节段长度为22.5 m，管节采用GINA与OMEGA双道橡胶止水，节段接头采用聚脲防水层、中埋式钢边止水带及OMEGA等多道止水措施。

沉管隧道采用两孔一管廊结构，即左、右侧为主行车孔，中管廊自上至下依次设置排烟、安全疏散、电缆及给排水的附属设施通道。横断面布置充分考虑交通空间、运营设施空间需求及可浮性要求等，并进行施工阶段、使用阶段各工况下的结构受力分析，横断面布置创造性地采用如图1所示Y型中墙的钢筋混凝土箱型结构。管节横断面宽37.95 m、高11.4 m，结构顶板及侧墙宽1.5 m、中墙宽0.8 m。混凝土强度为C45(28 d)，抗渗等级为P12[12-14]。

图1 隧道管节横断面布置(单位：m)Fig.1 Cross-section of immersed tunnel segment (m)

2 隧道防火设计标准

为提高隧道结构的防火能力，需要对隧道主体结构设置隧道防火内衬以起保护作用。当隧道发生火灾时，防火内衬材料可以保护隧道结构，减少高温对隧道结构的破坏，同时，在疏散、救援的时段内保证人员安全。根据专题研究成果，确定港珠澳海底沉管隧道防火设计标准如下。

1)火灾热释放率：50 MW。

2)火灾次数：按整座隧道同一时间内只发生一处火灾进行设计。

3)耐火极限：一类隧道，承载结构耐火极限不小于2 h。

4)耐火极限判定标准：①隧道防火内衬采用RABT标准升温曲线测试，应满足120 min内保证被保护的混凝土结构表面温度不大于380 ℃，或距离混凝土表面25 mm 处的钢筋温度不大于300 ℃的要求。②隧道接头处橡胶止水带区域隔热后环境温度(止水带区域)最高温度≤150 ℃，100 ℃以上时间不超过1 h，70 ℃以上不超过2 h。

试块力学性能有较大的提高，满足预设要求。大试块心部金相球化率在2～3级，也满足了预设结果，力学性能检测结果见表5，金相检测结果见表6。

3 防火目标及范围

根据沉管隧道的特点及火灾风险分析，隧道防火设计制定了如下目标：当遭受不大于设防标准的火灾时，主体结构(含接头)应不受损坏或无需维修即可继续使用。

根据现行《建筑设计防火规范》的相关规定，本项目水下隧道属于一类交通隧道，按照类似工程经验与火灾工况下温度场分布情况，确定隧道行车孔内部防火范围包括行车孔结构顶板、顶板以下一定范围的侧墙(含加腋)、排烟道口位置。

隧道行车孔纵向防火设计长度约为6 km，包括沉管段、东岛暗埋段、西岛暗埋段。隧道中管廊上部设置专用纵向排烟道，根据结构防火专题研究成果，排烟道内壁的温度在排烟口处最高，由排烟口向两侧逐渐降低，因此，排烟道内壁在排烟口及两侧纵向一定范围，以及隧道的接头部位均采用防火板保护。足尺隧道模型内行车道火灾试验现场如图2所示。

图2 隧道内火灾试验实景Fig.2 Fire test in tunnel

当隧道内发生火灾时，产生的热量通过热辐射与热对流的方式传递至隧道结构，并通过热传导的方式在衬砌构件内传递，使结构混凝土中的温度不断升高。在高温作用下，一方面使结构混凝土的物理力学性能(强度、刚度和耐久性)降低，另一方面由于温度的不均匀分布，在结构体内产生温度应力，同时，由于沉管箱形结构为高次超静定结构，高温使得构件之间产生内力重分布。火灾发生后，如果没有有效的应对保护措施，会降低隧道结构体系的承载能力和可靠性，港珠澳海底沉管隧道横断面结构设计中将火灾作为一个重要的偶然工况进行了验算。

4 结构防火设计

为提高隧道结构的防火能力，需要对隧道主体结构设置隧道防火内衬以起保护作用，当隧道发生火灾时，防火内衬材料可以保护隧道结构，减少高温对隧道结构的破坏，同时，在疏散、救援的时段内保证人员安全。

4.1 防火材料

为使隧道的钢筋混凝土结构在火灾发生时保持完整性与稳定性，减少火灾后的维修费用，缩短工程修复时间，并调研大量水下沉管隧道工程防火案例。经分析对比(详见表1)，最终选择了防火板的防火形式，防火板厚度根据防火标准及实际使用板材类型确定。

隧道防火板通常是指隧道混凝土结构进行防火保护的板材，目前国内采用顶部防火保护板材，种类很多，有玻镁板、硅酸钙板、硅酸铝棉板、硅酸铝陶瓷板、玻镁陶粒板、无机纤维复合板、蛭石板等，但基本以硅酸钙板及玻镁板为主要系列。

表1 防火板与防火涂料对比Table 1 Comparison between fireproofing board and fireproof coating

4.2 安装方式

从国内外已建成的水下隧道来看，防火板一般有3种可选的安装方式。

2)在隧道结构混凝土施工后，将防火板通过膨胀螺栓直接固定在混凝土结构表面。这种方式安装简便，适用于表面平整度高的结构，在国内外均较为常用。

3)在隧道结构混凝土施工后，采用轻钢龙骨系统安装于混凝土结构表面。这种方式适用于钢结构表面或者混凝土结构面不平整的情况，可通过龙骨系统调整表面的平整度，但有时会受到隧道内风压与安装高度的限制。

结合港珠澳隧道工程的特点及管廊内作业的实际环境条件，采用将防火板通过不锈钢螺栓直接后覆在结构表面的安装方式。

5 接头防火设计

隧道接头是沉管隧道的关键部分，也是沉管隧道的薄弱环节。在沉管隧道设计前期，更加偏重于防水及抗震方面的研究，但是由于隧道火灾发生的潜在风险与后果的严重性，需要设计方分析评价沉管隧道接头的火灾安全性，因地制宜提出防火保护构造方案，确保沉管隧道接头的耐火性能。

5.1 管节接头

管节接头防火主要是保护接头内置OMEGA橡胶止水带及剪力键结构。隧道共计包括有33个管节接头(含沉管段与暗埋段间的接头)，管节接头自外向内由端钢壳、GINA止水带和OMEGA止水带、剪力键等组成。考虑到管节接头在运营期可能会发生的张合变形，管节接头防火板设计中预留了可变形的空间，以应对接头运营期不大于5 cm的纵向张合变化，保证在接头发生张开时也能起到应有的防火作用。

根据港珠澳长大沉管隧道运营期的特点，以及火灾标准的要求，经分析研究提出了由刚性防火板与柔性防火隔断组成的具有自主知识产权的沉管接头防火设计构造型式，设计断面如图3所示。外侧设防火板，内侧设环保纤维类的柔性防火隔断。接头范围内的防火板通过型钢骨架、膨胀螺栓、自攻螺钉连接在周边的结构混凝土上，型钢龙骨结构系统中设置可活动长螺栓孔实现运营期的伸缩变化。为保证接头内侧防火隔断的整体性，柔性防火材料的环向相接处采用搭肩密封方式处理。为防止管节接头中墙在张合变形工况下的防火及隔断降温作用，采用弹性防火密封条、防火板及防火密封胶联合处理方案。

图3 管节接头处防火设计方案(单位：cm)Fig.3 Fire prevention design at tunnel segment joint (cm)

5.2 节段接头

隧道共计包括有219个节段接头，节段接头由中埋式可注浆止水带、OMEGA止水带、遇水膨胀橡胶止水条及剪力键等组成。节段接头在运营期不会发生压缩变形，设计中只考虑极少量的张开变形。节段接头环向防火设计方案同管节接头相类似，外侧设防火板，内则设柔性防火隔断。接头范围内的防火板通过型钢龙骨、膨胀螺栓、自攻螺钉牢固地连接在周边的结构混凝土上。

5.3 试验验证

为验证接头防火构造的有效性，在中南大学的火灾立式模拟实验炉进行了物理模型试验，按照 RABT标准升温曲线进行控制，试验模型如图4所示，通过专项系列试验验证了刚性防火板与柔性防火隔断组成的接头防火整体解决方案的可靠性。

(a) 接头试件

(b) 高温试验

6 结论与体会

港珠澳海底隧道工程以工程规模大及技术难度高闻名工程界，为确保海底隧道在火灾事故发生后的结构安全性，从而保障世纪工程在预期使用年限内的健康、可持续运行，除设计主动灭火系统之外，也需要配备有效的被动防火系统。结合在本工程被动防火方案前期调研、比选、试验、设计及实施过程中的经历，总结的主要结论与体会如下。

1)从本质上讲，混凝土结构为热惰性材料，热量在混凝土内部的传递非常缓慢，但正是这种不良的热传导性会加剧结构截面上温度场的不均匀分布，导致产生较大的温度应力，影响到结构安全。同时，隧道内发生火灾属于高风险事件，工程建设的相关方应对水下隧道的防火工作给予足够高度的重视，并应采取科学的试验手段验证防火系统的可靠性与有效性。

2)文中只着重论述了沉管隧道被动防火系统，但在实际设计过程中是将被动防火与主动消防进行统筹考虑的，不能过分地强调某一方面，而忽视另一方面，导致工程出现消防的薄弱环节。

3)隧道防火板安装的质量非常关键，关系到隧道运营期正常工况下的安全性，以及隧道火灾工况下的防火有效性。隧道行车孔内所用防火板与其固定装置应能够承受均匀分布的往复荷载，确保隧道防火板在车辆活塞风及振动等作用下的可靠性；隧道排烟道内所有防火板及其固定装置应能够承受两侧风塔轴流风机工作时的负压荷载。

4)通过研究提出的沉管隧道接头防火系统具有适应张合变形工况下的防火有效性，与国内外应用较多的多层防火板叠加方案相比，充分发挥了柔性隔断与刚性板的各自优点，具有明显的防火防烟密封性，可作为同类沉管工程的参考。

5)从目前的实际情况来看，急待加强行业防火标准的编制工作，有效规范与指导公路隧道工程建设的防火设计，使本项工作的开展有据可依，避免死搬硬套，为工程留下隐患。时至今日，所有的公路隧道防火设计依然仅能按照现行建筑防火设计规范中城市交通隧道的相关规定来执行，缺乏科学性，针对性不强。

6)沉管隧道是所有隧道类型中最需要设计与施工密切结合与有效联动的一种工法，防火方面也不例外。沉管隧道防火设计应进行施工图二阶段设计：第1阶段完成满足行业审查的总体方案设计；第2阶段应结合供应商材料型号、标准尺寸及现场可能出现的施工偏差等因素完成细部的施工节点设计。

7)在沉管隧道设计中，防火标准的确定至关重要，直接影响整个工程的规模及造价，且在很大程度上决定了隧道运营期的安全风险。在工程前期阶段应深入研究并制定出合理的火灾设计标准，必要时还应采取有效的运营管理措施，比如限制超规车辆及高危车辆在隧道内通行等。

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Design of Fire Prevention for Immersed Tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Link

ZHANG Zhigang,LIN Wei

(CCCCHighwayConsultantCo.,Ltd.,Beijing100088,China)

At present,the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Link is the longest highway immersed tunnel in the world,which has active fire prevention system and passive fire prevention system.The main technical characteristics of Hong Kong-Zhuhai-Macao Immersed Tunnel are summarized; and then the heat releasing rate,fire frequency,fireproofing rating and fireproofing standards of tunnel components are proposed.According to fire prevention conditions,fire prevention board is used for immersed tunnel segment structure; the rigid fire prevention board and flexible fire prevention board are used for immersed tunnel segment joints.

Hong Kong-Zhuhai-Macao Link; immersed tunnel; passive fire prevention; structure fire prevention; joint fire prevention; fire prevention board

2016-02-29;

2016-04-22

张志刚(1977—),男,内蒙古凉城人,2007年毕业于北京交通大学，岩土工程专业，博士，高级工程师，现主要从事隧道设计、咨询与研究工作。E-mail：zhangzhigang@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.010

U 45

A

1672-741X(2017)06-0717-05