隧道结构防火保护措施的应用

隧道结构防火保护措施的应用

1隧道公路防火总结构施工量隧道火灾具有高度的消防救援难度、火灾发展迅速、安全分散等特点。直接和间接损失非常大。到2001年底,我国公路隧道总数已达1782座,长度704km,同时,我国的铁路隧道近6876座,总延长达到3670km。21世纪前10年,我国将新建成40万公里的公路,将有155km的公路隧道投入建设,由表1的数据,可以预见火灾发生的次数也将随着隧道里程数的增加而增加,鉴于隧道火灾的惨痛教训,隧道的结构防火措施已是一个重要的研究课题。国内对隧道结构进行该工作起步较晚,除上海延安东路越江隧道等几个隧道喷涂了防火涂料外,其它隧道的结构均未采取防火措施。随着以人为本观念的推广及隧道设计规范的不断完善,对隧道结构普遍进行防火保护工作已是大势所趋。本文参阅有关文献,将隧道结构的防火措施分类进行评析,介绍了应用现状,分析了优缺点,并对今后隧道结构防火措施的应用提出了一些建议。2隧道结构防火保护-后整理后的隧道跨塌工艺由于隧道结构造型和本身施工的要求,一般采用高强度混凝土(HSC)作为内衬保护结构,这种结构有其自身的防火弱点。当隧道结构表面受热后,会产生爆裂现象,且在混凝土底层冷却之后,还将会出现深度裂纹。未经保护的混凝土,如果其质量含水率超过3%,在高温或火焰作用下5-30min内就会产生爆裂,深度甚至可达40-50mm。这是造成隧道跨塌的主要原因。隧道火灾一旦失去控制,短时间内凶猛的火势和长时间的高温,会对内部设施设备造成严重损坏。隧道中火灾的持续时间90min以上时,混凝土会爆裂,产生大的塌陷,侧壁也会失去稳定,危及救火人员的生命,造成更大的生命财产损失。对于单层衬砌的水下盾构隧道,若发生火灾,在高水压和软土环境中衬砌修复工作很难开展。由此可见,不作防火保护的隧道,其火灾的危险性是非常大的。隧道结构防火保护的目的是:采取一定措施,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,从而大大减少维修费用,缩短工程修复时间。总结相关资料,将隧道结构的防火措施分为以下几种,即安装喷淋灭火系统、设置混凝土牺牲层、使用耐火纤维混凝土、粘贴隧道专用防火板材、喷射无机纤维、喷涂防火涂料。每种方法各有利弊。图1所示德国汉堡的Elbe隧道,粘贴了25mm厚的防火板;图2所示荷兰的Westerschelde隧道,喷射45mm厚的防火灰泥涂层;图3所示耐火混凝土表面受火后外观;图4所示为日本某隧道内的喷淋灭火系统。3隧道结构的保护措施和分析3.1隧道内部火灾喷淋灭火系统分为消火栓系统、水成膜泡沫灭火系统、自动喷水灭火系统及泡沫-水喷淋系统。其中消火栓系统和水成膜泡沫系统较为常用。水成膜泡沫灭火系统是二十世纪六十年代发展起来的一种高效泡沫灭火系统,灭火剂中含有氟碳表面活性剂及碳氢表面活性剂,它依靠泡沫和水沫双重作用来达到灭火的目的,我国在京福高速公路隧道工程中已经采用。自动喷水灭火系统又名水喷淋系统。目前在公路交通隧道内应用自动喷水系统及其有效性仍存在很大争议,主要为以下四个方面:⑴隧道内的火灾通常发生在车辆的下部、车厢里或车辆的发动机部分,安装在隧道上部的喷头往往达不到灭火效果。⑵从火灾引燃到喷头动作之间有一段延迟时间,隧道内快速增长的火灾使喷洒的细小水滴汽化而产生大量高温蒸汽,不但难将火灾扑灭反而会增加对逃生人员的危害性。⑶自动喷水灭火系统的冷却作用往往使沿隧道顶棚的热烟气流层降低并破坏烟气分层。⑷喷出的水会使路面湿滑、危险,并可能导致可燃性液体火灾进一步扩大。根据世界道路协会(PIARC)的相关报告,大多数国家认为绝大多数隧道火灾发生于油箱和车厢内,自动喷水灭火系统作用不大,而且需要有可靠的水源作保证,并且造价及维护费用很高,故这种防火措施目前多在经济较发达的日本和美国使用,因此,在欧洲,自动喷水系统仅用于特殊的目的。比利时、丹麦、法国、意大利、荷兰和英国的隧道从不安装。在日本,只有10km以上的长隧道和3km以上通行载重货车的短隧道才安装,如连接本州和北海道的交通要道长度达53.85km的青函隧道及连接东京和大阪的东京大阪隧道。在隧道内部火灾发生后并扩大时,采用喷淋灭火系统可以有效控制初期火势,冷却热气流,对隧道结构及各种设备的防护起到一定的效果;降低烟雾浓度及热空气温度,便于人员疏散和消防人员的进入,为扑救活动提供条件。在瑞士阿尔卑斯山区隧道火灾中,消防员曾三次设法进入隧道救火,但热气使得消防员的尝试失败。因此,虽然存在着争议,在隧道内部安装喷淋灭火系统仍有一定的实用价值。3.2混凝土投入破坏该方法假定用附加的混凝土作为防火牺牲层,以维持隧道结构的整体性,从而阻止其在火灾中倒塌。在烈火中,随着混凝土内结合水变成蒸汽,混凝土内压力上升,由于混凝土结构致密,水蒸汽不能有效散发,当压力超过其强度时,表层便出现爆裂,同时新裸露的混凝土又暴露于高温之中,从而引发进一步的爆裂,而当钢筋表面的温度超过250℃时,钢筋的强度也开始下降。混凝土牺牲层厚度至少在50mm以上,耐火极限可达2.0h。英吉利海峡隧道采用了这种设计,隧道发生火灾后,损害最严重的地方,原来450mm厚的混凝土只剩下了40mm,在火灾过程中,高温造成大量的混凝土剥落、爆裂,不仅炸伤了消防人员,而且还造成了安全疏散线路的阻塞。混凝土牺牲层的厚度较大,而耐火极限增加有限,同时由于混凝土牺牲层的设置会引起隧道内部空间的减少,从而势必将增加施工开挖的面积,造成资金浪费。就本人的观点,这种方法不宜采用。3.3减少混凝土爆性的洞耐火纤维混凝土品种较多,是在普通混凝土掺加纤维材料,从而在基本维持原有强度的条件下改善混凝土的耐火性能。比较常见的是在混凝土中添加聚丙烯纤维(一般每m3混凝土加3kg聚丙烯纤维),可以增强混凝土的耐火性能,其原理是,在火灾高温的情况下,聚丙烯纤维熔化,形成连通的微小孔洞,增加水分传输路径,使混凝土内的水蒸气顺着这些小孔排出,减小了混凝土内的压力,从而在一定程度上避免混凝土的爆裂。使用耐火纤维混凝土,有着很多优点:⑴隧道结构建成后,即能满足耐火要求,不需再安装防火板或喷涂料等工序,能够缩短隧道建造工期;⑵与安装防火板或喷涂料和无机纤维等相比,开挖直径可减少8-10cm,开挖体积减少1.5-2%,能够降低建造成本;⑶与安装防火板或喷涂料等相比,有很好的耐久性,能够满足隧道设计年限的要求,不必再对防火措施进行更换和维修;⑷不会造成对环境的污染,而且对隧道内管线等设备的铺设都没有影响;⑸能够对施工过程中发生的火灾起到防护作用,降低例如丹麦GreatBelt铁路隧道施工中,施工机械引发的火灾危害;⑹不会影响隧道结构运营后的裂缝观测和强度检测等。耐火纤维混凝土造价比普通混凝土略高,根据材料不同,超出5%-10%左右。唯一的缺点是,目前使用的聚丙烯纤维燃烧后会产生有毒的气体。3.4培育可选用的培育材料将隧道防火板材按预定形状和截面特性粘贴在隧道表面,由于隧道防火板自身热导率低、隔热性好、耐久性强,高温时脱去一部分结晶水,减缓了隧道的温升,提高了隧道的耐火极限。板材厚度在10-50mm,耐火极限可达l.0-4.0h,且有良好的装饰效果。该类板材主要为硅酸钙类等轻质材料,由于材料轻,强度较低,粘贴施工工程繁琐,紧固螺栓稍有不慎,板材就会产生裂纹,板材的耐水性较差,工程造价较高。如果防火板材用钢制龙骨固定,高温下龙骨会变软、熔化,板材脱落,将不能达到设计要求的防火保护的效果。由于隧道开挖形状一般都为曲线形,安装在衬砌上的板材要适应不同的曲率,不容易统一产品尺寸标准。德国PROMAT公司研发的PROMATECTR-H隧道防火板材性能较好,近年来在欧洲隧道中使用比较广泛。3.5隧道衬体的棉、棉、可混粉材料的混纺粘结材料20世纪60年代喷射无机纤维防火材料出现。喷射无机纤维是无机纤维(硅酸铝棉、矿棉、岩棉和玻璃棉等)应用的另一种形式,在国外已是比较成熟的技术,在国内还是一种新的施工作业技术。喷射无机纤维就是将粒状无机纤维通过喷射施工方式,喷打在被附着隧道衬体(表面)上,粒状棉与粒状棉再相互聚集形成附着在表面上有一定形状的纤维层材料。火灾发生时具有良好的保温隔热性能,减缓了隧道的温升,提高了隧道的耐火极限。厚度在10-50mm,耐火极限可达1.0-4.0h。喷射无机纤维防火护层材料不含有机成分,不会出现任何的盐析、分解、降解反应,就不会带来与之相关的开裂、脱落等老化失效问题,而占主要成分的无机纤维本身就可以作为炉衬材料在火场中起隔热保温的作用,由四川消防研究所经过多年的研究开发出了的喷射无机纤维防火护层材料,可实现5h以上高耐火极限保护。但是由于喷射无机纤维防火护层材料的制造工艺及设备较为复杂,施工必须使用专用的设备—喷射机,这些设备目前在我国制造厂家很少,而引进国外的生产施工设备,价格非常昂贵,使得该材料在我国的推广比较艰难。3.6国外隧道涂料主要生产企业隧道防火涂料在火灾中涂层不膨胀,依靠材料的不燃性、低导热性及涂层中材料的吸热性,延缓钢筋的温升。大量的实验表明,由于隧道防火涂料本身具有良好的隔热性能,它可以有效地降低混凝土的升温速率,从而可以避免混凝土的爆裂。隧道防火涂料涂层厚度在7-10mm,耐火极限可达1.0-1.5h。国外隧道防火涂料的生产已有20余年的历史,目前国外隧道涂料主要的生产商是CAFCO国际公司和CERAMICOAT有限公司,他们在隧道防火涂料研发领域有着很强的实力。我国在隧道防火涂料的应用,则是从2000年前后开始的,当时,一些企业将厚型钢结构防火涂料或混凝土楼板防火涂料甚至电缆防火涂料作为隧道防火涂料使用,而这些涂料存在很多问题(表2),不能在隧道中使用。基于隧道环境实际情况和隧道防火设计需要,2001年公安部四川消防研究所开展了“环保型隧道防火涂料”课题研究。由该课题组研制,四川天府防火材料有限公司生产的型号为106-2的隧道防火涂料具有耐火极限高,粘结性能好,环保,耐水性好,施工方便等特点,已应用于广东汕头至梅州高速公路隧道群,福建厦门至海沧高速公路隧道群,江西赣州至定南高速公路隧道群,湖北宜昌至长阳高速公路隧道群,云南昆明至石林、元江至磨江、大理至保山、安宁至楚雄高速公路隧道群,南京滨江大道过街隧道,昆明东风路下穿隧道等。各种结构防火措施中,隧道防火涂料在性能、成本和施工的方便性方面具有优势。结合我国经济发展情况,应鼓励研究和推广使用安全经济的隧道防火涂料。4主要防火性能的比较(1)为了降低火灾对隧道混凝土结构的破坏,应从以下几方面考虑:①减缓混凝土表面温升的速度,如安装喷淋灭火系统,各种防火被覆措施(喷涂料、无机纤维,贴防火板材,表面采用具有镀层的钢铁等)②增加水分传输路径的方式减缓蒸汽压力的升高,避免混凝土爆裂,如使用耐火纤维混凝土措施③减少混凝土碎片的散落,如在混凝土表面设置薄钢片或铺设钢丝网。根据文献的试验验证,防火板材、无机纤维喷射层、耐火纤维混凝土措施,都有比较好的防火性能。(2)表3参考了文献,对上述的防火保护措施进行了比较。综合起来看,使用耐火纤维混凝土和喷涂防火涂料措施的防火性能可靠,成本低,性价比最好,最值得推广。特别是使用耐火纤维混凝土措施,它具有许多其它措施所没有的优点。今后研究的方向应该是开发出毒性较低,成本低廉而耐火性能更好的产品。(3)山岭隧道大多为多圆心断面,应以喷涂防火涂料或采用耐火纤维混凝土为主,欧洲对盾构隧道的含纤维和不含纤维的管片进行了防火试验,试验结果表明采用耐火纤维混凝土效果较好。同济大学也对缩小的模型盾构管片进行了类似的试验,试验