公路隧道防火涂料厚度優(yōu)化研究

摘要：本文以公路隧道防火涂料噴涂存在的分歧為背景，以確保南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路隧道火災(zāi)條件下結(jié)構(gòu)安全為出發(fā)點(diǎn)，以目前防火涂料普遍具備的性能指標(biāo)作為計(jì)算參數(shù)，采用ANSYS12.0有限元程序計(jì)算分析防火涂料對(duì)隧道襯砌溫度場(chǎng)、耐火極限的影響。

關(guān)鍵詞：公路隧道；防火涂料；溫度場(chǎng)

1引言

隧道火災(zāi)不僅會(huì)造成人員傷亡，而且還會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞隧道設(shè)備和襯砌結(jié)構(gòu)，造成隧道承載能力下降。因此隧道結(jié)構(gòu)安全不僅需要考慮普通恒載、活載及諸如地震力之類的特殊荷載，還需考慮火災(zāi)。目前國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)在隧道內(nèi)噴涂防火涂料解決因火災(zāi)而引起的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，并要求隧道防火涂料厚度為20±2mm，耐火極限≥2h。從國(guó)內(nèi)多條高速公路隧道防火涂料施工效果來(lái)看，盡管涂料厚度滿足規(guī)范要求，但涂料易產(chǎn)生開(kāi)裂、起層、脫落等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道景觀，加之目前部分觀點(diǎn)認(rèn)為隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的概率小，若公路隧道數(shù)量眾多，加鋪防火涂料的經(jīng)濟(jì)成本遠(yuǎn)大于單個(gè)隧道火災(zāi)后的整修與營(yíng)運(yùn)的經(jīng)濟(jì)成本，因此有的省市要求在做隧道設(shè)計(jì)時(shí)直接取消防火涂料。譬如重慶市及福建省的公路隧道基本上不涂任何防火涂料。因此國(guó)內(nèi)不同省份就是否需要設(shè)置隧道防火涂料問(wèn)題是存在分歧的。

鑒于筆者參與的南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路項(xiàng)目（雙向四車道高速公路，設(shè)計(jì)速度80公里/小時(shí)）隧道多達(dá)10座，隧道雙延米長(zhǎng)達(dá)17033m，隧道是否噴涂或是否按規(guī)范要求厚度噴涂防火涂料，不僅關(guān)系著隧道結(jié)構(gòu)的安全，而且也極大地影響隧道的投資。鑒于此，筆者以本項(xiàng)目的Ⅳ級(jí)圍巖淺埋襯砌為研究對(duì)象，使用ANSYS12.0有限元程序分析火災(zāi)條件下有、無(wú)防火涂料隧道襯砌的溫度場(chǎng)，進(jìn)而探討不同工況下隧道的耐火極限問(wèn)題。

2火災(zāi)場(chǎng)景

本文主要研究的是發(fā)生火災(zāi)時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)處即火源點(diǎn)處橫斷面，同時(shí)假設(shè)隧道橫斷面上溫度分布一致。

前國(guó)外建立了一系列不同類型的火災(zāi)升溫曲線，用來(lái)反映火災(zāi)時(shí)溫度隨時(shí)間的變化歷程，這些標(biāo)準(zhǔn)曲線包括ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線、RWS、RABT/ZTV、HC曲線等。ISO834火災(zāi)升溫曲線主要用于地上建筑火災(zāi)；RWS曲線主要用于模擬油罐車（熱值300MW）在隧道中的燃燒情況；RABT/ZTV曲線是德國(guó)在一系列火災(zāi)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，表現(xiàn)了在封閉環(huán)境內(nèi)一輛汽車燃燒時(shí)的特性；HC曲線模擬小型石油火災(zāi)（如汽油箱、汽油罐以及某些化學(xué)物品運(yùn)輸罐）的燃燒特征。

3耐火極限判定標(biāo)準(zhǔn)

建筑結(jié)構(gòu)耐火極限有三個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，即穩(wěn)定性、完整性、隔熱性。對(duì)公路隧道而言，在火災(zāi)發(fā)生后的一定時(shí)間內(nèi)襯砌應(yīng)具有保持完整性和穩(wěn)定性的能力，為人員疏散和消防救援爭(zhēng)取時(shí)間。

4材料參數(shù)

4.1混凝土熱工參數(shù)

混凝土熱工參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、襯砌表面與煙氣對(duì)流的綜合換熱系數(shù)等。

（1）導(dǎo)熱系數(shù)λt

目前普通采用歐洲設(shè)計(jì)規(guī)程推薦的鈣質(zhì)骨料混凝土導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式。

（2）比熱容Cc

歐洲混凝土協(xié)會(huì)建議對(duì)各種混凝土比熱容采用統(tǒng)一的計(jì)算公式，即

（3）綜合換熱系數(shù)h

高溫?zé)煔馀c混凝土的熱對(duì)流交換主要受固體物理特性和幾何尺寸、流體流動(dòng)速度和溫度等影響，本文選用如下計(jì)算公式：

4.2防火涂料參數(shù)

自2005年頒布《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》（GA98-2005）規(guī)范以來(lái)，防火涂料在技術(shù)上已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，防火性能已經(jīng)得到極大提高，市場(chǎng)上已涌現(xiàn)出眾多高性能防火涂料，本文參照目前大部分防火涂料具備的性能，將防火涂料熱系數(shù)取為 ，密度取為 ，比熱取為 。

5計(jì)算模型

本文以Ⅳ級(jí)圍巖淺埋襯砌斷面為基礎(chǔ)建立數(shù)值計(jì)算模型，模型及襯砌結(jié)構(gòu)細(xì)部如圖2所示。

（1）二次襯砌厚度45cm，襯砌保護(hù)層為50mm，襯砌結(jié)構(gòu)耐火極限按2h控制。

（2）由于隧道仰拱受火災(zāi)影響較小，所以模型襯砌分為兩個(gè)區(qū)域，即拱墻的吸熱升溫區(qū)和仰拱的恒溫區(qū)，在吸熱區(qū)襯砌表面施加對(duì)流單元作為襯砌和火災(zāi)煙氣進(jìn)行熱傳遞的介質(zhì)。

（3）模型初始溫度為20℃，火源位于隧道中線處并高于路面50cm。

6計(jì)算結(jié)果

6.1 無(wú)防火涂料工況

無(wú)防火涂料工況下，火災(zāi)發(fā)生60min、90min、120min時(shí)隧道拱頂截面內(nèi)部溫度場(chǎng)分布規(guī)律如圖3所示。

計(jì)算結(jié)果表明火災(zāi)發(fā)生60min、90min和120min后，襯砌劣化深度（混凝土溫度超過(guò)200℃的深度）分別為50mm、70mm和80mm。因此在無(wú)防火涂料情況下，僅在1h內(nèi)襯砌劣化深度即超過(guò)混凝泥土保護(hù)層厚度50mm，亦即無(wú)防火涂料時(shí)，隧道襯砌耐火極限僅為1h。

6.2 有防火涂料工況

防火涂料厚度分別按6mm和8mm考慮，與迎火面距離為50mm處混凝土溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果表明防火涂料厚度為6mm和8mm時(shí)，火災(zāi)持續(xù)2h后混凝土溫度分別達(dá)212℃和184℃。因此防火涂料最小厚度達(dá)到8mm左右方能滿足隧道襯砌耐火極限≥2h的要求。

7結(jié)論

（1）在無(wú)防火涂料的情況下，保護(hù)層為50mm的鋼筋混凝土襯砌耐火極限僅為1h，不滿足規(guī)范[1]要求，因此隧道結(jié)構(gòu)不噴涂防火涂料是存在安全風(fēng)險(xiǎn)的。

（2）鑒于目前防火涂料性能已經(jīng)得到極大提高，防火涂料不需要按規(guī)范[1]要求的20±2mm進(jìn)行噴涂，僅需維持在8mm左右即可滿足規(guī)范規(guī)定的耐火極限要求。偏于安全考慮，南大梁項(xiàng)目隧道防火涂料厚度按10mm考慮，與規(guī)范相比，節(jié)約防火涂料3366m3，節(jié)約投資約2000萬(wàn)元。

（3）從筆者對(duì)國(guó)內(nèi)多條高速公路隧道防火涂料施工效果調(diào)查來(lái)看，涂層越厚，越容易產(chǎn)生開(kāi)裂、起層、脫落等不良現(xiàn)象，因此在滿足規(guī)范要求的耐火極限的前提下，減薄防火涂料厚度對(duì)改善隧道景觀有一定積極作用，建議防火涂料應(yīng)分多次進(jìn)行噴涂，且每次噴涂厚度不大于5mm。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：冉利剛，1981年出生，男，工程師。