張雙茁 蔡厚強(qiáng)

1 概述

近年來,由于交通量的不斷增長、路況的改善以及運(yùn)輸物品的日益復(fù)雜,導(dǎo)致隧道的火災(zāi)風(fēng)險隨之增加。隧道內(nèi)的火災(zāi)往往持續(xù)時間較長,容易引發(fā)嚴(yán)重的火災(zāi)事故。例如,2002年1月10日,一輛滿載皮鞋、打火機(jī)和教學(xué)用透明膠片等雜貨的東風(fēng)大貨車在全長3 590 m的貓貍嶺隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)。大火持續(xù)時間約2 h,將車輛及隨車物品一燒而盡。車輛附近的消防箱、火災(zāi)感應(yīng)器、拱頂電纜橋架、燈具、情報板、路側(cè)邊溝內(nèi)的電纜管道等均被燒壞,橋架出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲變形,遭燃燒破壞的區(qū)段長約200 m。在襯砌結(jié)構(gòu)方面,燃燒點(diǎn)附近邊墻瓷磚全部脫落,拱部襯砌只看見混凝土原色,并呈凹凸?fàn)?顯然在高溫作用下結(jié)構(gòu)已有一定程度的劣化現(xiàn)象,但值得慶幸的是由于拱部涂有防火涂料,火災(zāi)后鉆孔取芯強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)顯示,襯砌整體強(qiáng)度未受大的影響。

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的例子很多,造成的損失有大有小,但毋庸置疑,如果隧道結(jié)構(gòu)因火災(zāi)受到毀滅性破壞,則經(jīng)濟(jì)損失將大到難以估量。因此,對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火處理無論在爭取救援時間,還是在降低隧道結(jié)構(gòu)遭受毀滅性破壞的可能性方面都非常重要。隧道結(jié)構(gòu)防火主要是通過在隧道表面設(shè)置一隔熱、耐高溫的表層以起到對結(jié)構(gòu)提供保護(hù)來實現(xiàn)。

2 建筑結(jié)構(gòu)在火災(zāi)工況下的破壞機(jī)理及影響

建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度梯度、受熱膨脹差異以及鋼筋變形等都有可能導(dǎo)致混凝土爆裂。混凝土火災(zāi)試驗研究表明,當(dāng)混凝土溫度達(dá)到300℃～400℃時,強(qiáng)度開始降低,表面開始出現(xiàn)裂紋,400℃以上強(qiáng)度急劇降低,600℃時試件表面裂紋貫通,800℃以上時出現(xiàn)崩裂。隧道火災(zāi)發(fā)生前,隧道結(jié)構(gòu)與圍巖間已存在一種相互間的應(yīng)力平衡,再加上洞內(nèi)環(huán)境潮濕,襯砌內(nèi)含有水分,所以當(dāng)受到高溫加熱時,水蒸氣的膨脹壓力將導(dǎo)致隧道襯砌發(fā)生崩裂的溫度點(diǎn)大大降低,大約為200℃;換言之,在沒有任何防火材料保護(hù)的情況下,火災(zāi)發(fā)生5 min～15 min內(nèi),隧道結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)爆裂,這將對進(jìn)入火災(zāi)事故點(diǎn)附近的消防人員人身安全造成威脅,進(jìn)而可能延誤消防隊員的救災(zāi)時間,從而加劇火災(zāi)對隧道結(jié)構(gòu)的破壞。

3 隧道結(jié)構(gòu)防火的功能要求

1)主要功能要求。隧道結(jié)構(gòu)防火主要為了保證隧道自身在火災(zāi)工況下的結(jié)構(gòu)安全,提高結(jié)構(gòu)的耐火性能,為隧道內(nèi)人員疏散、救援、消防進(jìn)場提供條件。這就要求隧道結(jié)構(gòu)所使用的材料必須在火災(zāi)工況下不能自燃,也不能產(chǎn)生大量的有害氣體和煙氣,并且在發(fā)生火災(zāi)的情況下,人員疏散及消防隊員救火過程中,隧道結(jié)構(gòu)不會爆裂、垮塌,在整個疏散以及消防工作尚未結(jié)束前,主要的安全設(shè)備能保持正常運(yùn)行狀態(tài)。

2)附帶功能要求。恰當(dāng)?shù)倪x擇隧道防火材料可以美化洞內(nèi)環(huán)境,提升洞內(nèi)行車舒適性,增強(qiáng)隧道路面亮度,降低照明運(yùn)營成本,同時還便于養(yǎng)護(hù),為人員逃生提供誘導(dǎo)。

4 隧道結(jié)構(gòu)耐火極限的確定

理論上講,隧道火災(zāi)發(fā)生頻率與隧道長度、交通量、設(shè)計速度等有關(guān),火災(zāi)的持續(xù)時間、溫度時間曲線也會因為車輛類型的不同而存在較大差異。一般在沒有油罐車卷入造成大型油池火災(zāi)的情況下,火災(zāi)的高溫期會在引燃階段后持續(xù)30 min～60 min。荷蘭規(guī)范規(guī)定油罐火災(zāi)的高溫期大約會持續(xù)2 h,只有消防隊員在燃燒的初期階段趕到現(xiàn)場并控制住火勢時,時間才會縮短。

由于火災(zāi)具有突發(fā)性,很難準(zhǔn)確判定其發(fā)生的時間、地點(diǎn)及規(guī)模,為了使隧道防火設(shè)計更趨合理,在設(shè)計過程中引用GB 50016-2006建筑設(shè)計防火規(guī)范規(guī)定的城市交通隧道分類標(biāo)準(zhǔn)(見表1),將隧道防火設(shè)計分為四類,并提出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)耐火極限。

表1 隧道分類

一類隧道內(nèi)承重結(jié)構(gòu)體的耐火極限不應(yīng)低于2.00 h,二類不應(yīng)低于1.5 h,三類不應(yīng)低于1.00 h,四類隧道耐火極限不限。

5 工程應(yīng)用

由于高速公路隧道均為行車隧道,隧道結(jié)構(gòu)均有耐火極限要求,以下結(jié)合六武高速公路隧道實際情況,以新開嶺特長隧道為例(見圖1),對結(jié)構(gòu)耐火極限的確定現(xiàn)簡述如下：

六安—武漢高速公路安徽段穿越大別山腹地,已于2009年12月通車,新開嶺隧道是該項目的一座特長隧道,隧道左右線長度分別為3 200 m,3 233 m,洞身設(shè)置5處人行橫洞,4處車行橫洞,4處緊急停車帶,設(shè)計假設(shè)火災(zāi)發(fā)生于隧道洞身緊急停車帶最不利位置,車輛進(jìn)入隧道后無法在火災(zāi)發(fā)生處的緊急停車帶或車行橫洞供車輛掉頭,新開嶺隧道內(nèi)裝圖最近的緊急停車帶間距按640 m考慮,根據(jù)交通量情況,可測算2015年隧道內(nèi)兩緊急停車帶間均布5輛車,2028年隧道內(nèi)兩緊急停車帶間均布14輛車,同時本隧道是特長隧道,交通工程分級為A級,隧道內(nèi)火災(zāi)考慮大型車輛火災(zāi),由于管理處距離該隧道約17 km,從報警發(fā)出到消防車輛趕赴隧道洞口需10 min～15 min,同時,考慮隧道內(nèi)交通流對消防車輛的干擾,消防隊員很難在火災(zāi)的初期階段進(jìn)入火場控制火勢,因此,按事故車輛燃燒至自行熄滅的最不利狀況來確定隧道結(jié)構(gòu)的耐火極限。設(shè)計假定一輛大型車與兩輛小型車相撞,相關(guān)統(tǒng)計資料顯示,隧道內(nèi)發(fā)生的此類災(zāi)難性火災(zāi)一般持續(xù)時間均在2.0 h以上,同時結(jié)合規(guī)范要求及建設(shè)成本,本隧道耐火極限不應(yīng)小于2.0 h。

6 材料的選擇

在材料的選擇上,防火涂料無疑是隧道結(jié)構(gòu)防火的首選,其施工速度快,工藝簡單,防火性能優(yōu)良。在我國已建工程中,雖然出現(xiàn)過涂層的空鼓、脫落現(xiàn)象,但通過對施工工藝的控制完全可以避免上述現(xiàn)象。由于隧道火災(zāi)中拱部溫度最高,兩側(cè)邊墻溫度略低,一般情況下隧道拱頂采用防火涂料噴涂,在高反射率下隧道照明偽色圖可以更好的保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)。涂料顏色既可以選擇深色,也可以選擇淺色(見圖2,圖3)。深色耐臟,可一定程度上減輕養(yǎng)護(hù)工作量;淺色淡雅,能提高行車舒適性,改善洞內(nèi)環(huán)境。由于邊墻在火災(zāi)過程中遭破壞相對較小,并且隧道邊墻反射率對隧道路面亮度有較大影響,因此邊墻防火材料的選擇上較為靈活,既可選擇淺色耐火涂料,亦可選擇反射率高且易于清洗的瓷磚、板材等裝飾材料,以提高邊墻反射低反射率下隧道照明偽色圖率,減少隧道運(yùn)營成本。

7 結(jié)語

隧道結(jié)構(gòu)自身在高溫下很容易遭到破壞,尤其是隧道拱部,因此,通過對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火設(shè)計來提高隧道結(jié)構(gòu)的耐火性能非常必要。同時,防火材料的選擇對隧道照明、養(yǎng)護(hù)、降低運(yùn)營成本也有積極意義。

[1] JTG D70-2004,公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[2] GB 50016-2006,建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[3] GA 98-2005,混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料[S].

[4] JTJ 026.1-1999,公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 曾德康.隧道防火涂料的研究[J].山西建筑,2008,34(24)：330-331.