取消公路隧道防火涂料喷涂的可行性

文/江西省高速公路投资集团有限责任公司 刘军

如果隧道发生火灾，不仅会对隧道内的人员造成伤害，而且还会破坏隧道本身的设施和结构，大大降低衬砌结构的承载力和整体稳定性。

当前，工程技术人员主要通过主动防火和被动防火两种方式解决隧道火灾的危害。主动防火主要是指如何防止火灾发生及火灾发生后如何扑救；被动防火主要是从提高隧道结构的防火性能角度出发，包括但不限于提高衬砌混凝土材料的抗火性能、喷涂防火涂料、安装防火板材等。

本文以隧道防火涂料存在的问题为出发点，探讨取消隧道防火涂料的可行性研究。以期在确保隧道结构正常防火性能的前提下，最大程度地降低隧道的建设成本，改善隧道的施工环境及运营养护条件，为今后公路隧道是否喷涂防火涂料提供参考。

隧道火灾的特点及危害

特点

隧道空间封闭、狭长、通风环境差、能见度低，一旦发生火灾，后果十分严重。对近20年来公路隧道的火灾特点进行归纳，有以下几点：火灾发生的时间、地点、规模和形态的随机性大；火灾发生时烟雾大、温度高且上升快；成灾时间短，持续时间较长，易造成人员伤亡和重大财物损失；隧道空间狭窄，出入口少，火势蔓延快，扑救困难；火灾高温易损坏衬砌结构、防排水系统、交通安全标志标牌及机电照明等设施。

危害

结构病害。学者马天文对盘陀岭第二公路隧道火灾的危害进行了介绍，大火造成约50m长的隧道施工缝全部裂开，混凝土大面积剥落或掉块，剥落深度达0.1m至0.18m，并出现渗漏水，破坏程度较为严重。

衬砌结构安全性降低。学者梅志荣等通过现场火灾模拟试验，测试了不同温度量级（最高温度分别达400℃、700℃、900℃、1250℃）火灾作用下隧道结构的受力、变形情况等，结果表明：火灾后，衬砌趋于受压状态，隧道将产生较为严重的变形，隧道整体坍塌可能性不大。安永林应用荷载-结构模式对隧道衬砌结构的耐火性进行评估，衬砌安全系数随火灾规模的增大而逐渐降低，拱顶的安全系数降低梯度最大。

隧道防火涂料的构成与存在的问题

隧道防火涂料的构成

隧道防火涂料的组成成分包括黏结剂、耐火填料、膨胀剂和阻燃剂等。

黏结剂约占涂料总体积的35%至40%，由于黏结剂用量较多，因此应从价格、燃烧性能及火灾时的烟气情况3个角度选择。

填料约占涂料总体积的35%至38%，主要作用是高温隔离和降低热导率。

膨胀剂约占涂料总体积的8%至10%。高温膨胀形成多孔的隔热层，从而阻止热量的传递。

阻燃剂约占涂料总体积的12%至15%，受热时吸热失水，同样能够膨胀隔热。

隧道防火涂料存在的问题

国内隧道防火涂料存在的主要问题有以下几方面。一是市场不规范，当前隧道防火涂料市场发展不够健全，产品质量难以保证。涂层厚度大，按照ISO 834曲线升温，涂层的厚度为20mm至30mm时耐火性能才能达到规定的3h。二是黏结强度不高。隧道防火涂料黏结强度约为0.1MPa，车辆在隧道通行时产生的强风和震动，加之施工时基底处理不规范，防火涂料易在隧道运营期间出现空鼓和剥落，不但起不到有效的防火作用，反而还会对行车安全构成威胁。三是造成污染，当火灾发生时，涂层燃烧产生大量浓烟、有毒有害气体，污染环境，危害人体安全。四是耐水性差。防火涂料使用中出现反卤、积水，影响其防火性能。五是表面粗糙，易污染且不易清洗，光线反射效果差。六是影响病害检测。铺设防火涂料后，无法及时发现、检测隧道衬砌的渗漏、裂缝等表观病害。

在设计、施工方面，目前国内公路隧道的防火设计、施工、验收标准尚属空白，仅疏散通道门有防火设计要求，隧道土建结构、附属结构、机电设施等的防火设计基本无要求，容易导致如下问题的发生：各省份、各设计单位在隧道结构的防火设计方面不统一；各地消防审批部门缺乏依据，要么忽视，要么超标准设防。

鉴于隧道防火涂料在实际使用过程中存在的诸多问题，因此本文建议取消隧道防火涂料，并对其可行性进行分析。

取消隧道防火涂料的可行性

相关行业及地方标准规定

防火涂料作为隧道的一种被动防火措施，其应用效果欠佳且造价较高，国内部分有关建筑结构防火标准，如《建筑设计防火规范》《建筑钢结构防火技术规范》《钢结构防火涂料》《钢结构防火涂料应用技术规范》及《混凝土结构防火涂料》等，未对防火涂料的铺设做出强制性要求；

现行的公路隧道行业标准《公路隧道设计规范》《公路隧道设计细则》等均未对公路隧道的防火设计提出要求。

由于防火涂料存在的问题，国内部分省份如福建省、贵州省、湖北省、四川省、浙江省等已明确规定取消使用公路隧道防火涂料。

火灾工况下有无防火涂料的对比分析

通常而言，公路隧道是否要进行防火保护设计应从两个方面考虑：一是发生火灾后，隧道结构是否会出现大面积坍塌或高温掉块，而影响司乘人员逃生疏散及消防救援；二是扑灭隧道火灾后，是否需要较长时间中断交通对严重损坏或坍塌的隧道结构进行维修，且其维修费用和中断交通的运营损失费用大大超出采用防火保护层的费用。若以上两方面至少需要满足一个条件，则必须进行防火保护设计。

有无防火涂料的隧道结构安全对比

二衬通常在Ⅰ级至Ⅲ级围岩中不承担荷载；在Ⅳ级、Ⅴ级围岩中承担部分荷载（IV级围岩时承担总荷载的30%；V级围岩时承担总荷载的50%至70%，主筋保护层厚5cm时可以满足2h耐火极限的要求）。

以持续2h、风速为3m/s的50MW火灾为例，经热力耦合分析，隧道拱顶最高温度约500℃，并沿结构厚度方向快速衰减，至截面中心位置温度仅约70℃。经计算得出以下结论：第一，火灾工况下，无防火涂料的隧道，无论是素混凝土结构还是钢筋混凝土结构的二衬，其抗压、抗剪、抗拉的极限强度安全系数均大于1.0，满足结构安全需求；第二，有防火涂料时，隧道结构的安全储备较无防火涂料时高。

有无防火涂料下火灾成本对比

铺设防火涂料进行防火保护的成本包括材料费及喷涂的人工费用，与隧道面积成正比。从单个隧道来看，无防火涂料的隧道火灾后的维修及运营损失费用可能要高于有防火涂料保护的隧道，例如2014年山西岩后隧道由于甲醇泄漏起火燃烧，隧道破坏严重，经济损失达8197万。

考虑到我国公路隧道众多，火灾是小概率事件，虽无确切的成本统计资料，若将所有公路隧道均铺设防火涂料进行防火保护，则从隧道防火总成本的角度来看，铺设防火涂料的成本将远大于不铺设防火涂料时的火灾后损失成本。

综上所述，行业规范和标准未对隧道防火涂料的铺设作出强制性要求，且湖北、福建、贵州、四川等地已明文规定取消铺设隧道防火涂料，具有先行先试的经验。公路隧道衬砌结构一般可满足耐火极限的要求，保证隧道稳定，无需附加防火涂料。防火涂料反光性差，铺设后会降低隧道内的照明亮度。铺设防火涂料难以达到预期的防火目的，且会影响后期对隧道裂缝、渗漏水等表观病害发展情况的观察。

基于此，本文建议取消隧道防火涂料的铺设，以期在确保隧道结构正常防火性能的前提下，最大程度地降低隧道的建设成本。同时，防火涂料取消铺设后，不仅可改善隧道的施工环境及运营养护条件，也可在隧道发生火灾时，提高应急救援效率，降低环境污染程度，具有一定的经济意义与社会效益。