取消公路隧道防火涂料噴涂的可行性

文/江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 劉軍

如果隧道發(fā)生火災(zāi)，不僅會對隧道內(nèi)的人員造成傷害，而且還會破壞隧道本身的設(shè)施和結(jié)構(gòu)，大大降低襯砌結(jié)構(gòu)的承載力和整體穩(wěn)定性。

當(dāng)前，工程技術(shù)人員主要通過主動防火和被動防火兩種方式解決隧道火災(zāi)的危害。主動防火主要是指如何防止火災(zāi)發(fā)生及火災(zāi)發(fā)生后如何撲救；被動防火主要是從提高隧道結(jié)構(gòu)的防火性能角度出發(fā)，包括但不限于提高襯砌混凝土材料的抗火性能、噴涂防火涂料、安裝防火板材等。

本文以隧道防火涂料存在的問題為出發(fā)點，探討取消隧道防火涂料的可行性研究。以期在確保隧道結(jié)構(gòu)正常防火性能的前提下，最大程度地降低隧道的建設(shè)成本，改善隧道的施工環(huán)境及運營養(yǎng)護(hù)條件，為今后公路隧道是否噴涂防火涂料提供參考。

隧道火災(zāi)的特點及危害

特點

隧道空間封閉、狹長、通風(fēng)環(huán)境差、能見度低，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果十分嚴(yán)重。對近20年來公路隧道的火災(zāi)特點進(jìn)行歸納，有以下幾點：火災(zāi)發(fā)生的時間、地點、規(guī)模和形態(tài)的隨機(jī)性大；火災(zāi)發(fā)生時煙霧大、溫度高且上升快；成災(zāi)時間短，持續(xù)時間較長，易造成人員傷亡和重大財物損失；隧道空間狹窄，出入口少，火勢蔓延快，撲救困難；火災(zāi)高溫易損壞襯砌結(jié)構(gòu)、防排水系統(tǒng)、交通安全標(biāo)志標(biāo)牌及機(jī)電照明等設(shè)施。

危害

結(jié)構(gòu)病害。學(xué)者馬天文對盤陀嶺第二公路隧道火災(zāi)的危害進(jìn)行了介紹，大火造成約50m長的隧道施工縫全部裂開，混凝土大面積剝落或掉塊，剝落深度達(dá)0.1m至0.18m，并出現(xiàn)滲漏水，破壞程度較為嚴(yán)重。

襯砌結(jié)構(gòu)安全性降低。學(xué)者梅志榮等通過現(xiàn)場火災(zāi)模擬試驗，測試了不同溫度量級（最高溫度分別達(dá)400℃、700℃、900℃、1250℃）火災(zāi)作用下隧道結(jié)構(gòu)的受力、變形情況等，結(jié)果表明：火災(zāi)后，襯砌趨于受壓狀態(tài)，隧道將產(chǎn)生較為嚴(yán)重的變形，隧道整體坍塌可能性不大。安永林應(yīng)用荷載-結(jié)構(gòu)模式對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐火性進(jìn)行評估，襯砌安全系數(shù)隨火災(zāi)規(guī)模的增大而逐漸降低，拱頂?shù)陌踩禂?shù)降低梯度最大。

隧道防火涂料的構(gòu)成與存在的問題

隧道防火涂料的構(gòu)成

隧道防火涂料的組成成分包括黏結(jié)劑、耐火填料、膨脹劑和阻燃劑等。

黏結(jié)劑約占涂料總體積的35%至40%，由于黏結(jié)劑用量較多，因此應(yīng)從價格、燃燒性能及火災(zāi)時的煙氣情況3個角度選擇。

填料約占涂料總體積的35%至38%，主要作用是高溫隔離和降低熱導(dǎo)率。

膨脹劑約占涂料總體積的8%至10%。高溫膨脹形成多孔的隔熱層，從而阻止熱量的傳遞。

阻燃劑約占涂料總體積的12%至15%，受熱時吸熱失水，同樣能夠膨脹隔熱。

隧道防火涂料存在的問題

國內(nèi)隧道防火涂料存在的主要問題有以下幾方面。一是市場不規(guī)范，當(dāng)前隧道防火涂料市場發(fā)展不夠健全，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。涂層厚度大，按照ISO 834曲線升溫，涂層的厚度為20mm至30mm時耐火性能才能達(dá)到規(guī)定的3h。二是黏結(jié)強度不高。隧道防火涂料黏結(jié)強度約為0.1MPa，車輛在隧道通行時產(chǎn)生的強風(fēng)和震動，加之施工時基底處理不規(guī)范，防火涂料易在隧道運營期間出現(xiàn)空鼓和剝落，不但起不到有效的防火作用，反而還會對行車安全構(gòu)成威脅。三是造成污染，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，涂層燃燒產(chǎn)生大量濃煙、有毒有害氣體，污染環(huán)境，危害人體安全。四是耐水性差。防火涂料使用中出現(xiàn)反鹵、積水，影響其防火性能。五是表面粗糙，易污染且不易清洗，光線反射效果差。六是影響病害檢測。鋪設(shè)防火涂料后，無法及時發(fā)現(xiàn)、檢測隧道襯砌的滲漏、裂縫等表觀病害。

在設(shè)計、施工方面，目前國內(nèi)公路隧道的防火設(shè)計、施工、驗收標(biāo)準(zhǔn)尚屬空白，僅疏散通道門有防火設(shè)計要求，隧道土建結(jié)構(gòu)、附屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)施等的防火設(shè)計基本無要求，容易導(dǎo)致如下問題的發(fā)生：各省份、各設(shè)計單位在隧道結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計方面不統(tǒng)一；各地消防審批部門缺乏依據(jù)，要么忽視，要么超標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防。

鑒于隧道防火涂料在實際使用過程中存在的諸多問題，因此本文建議取消隧道防火涂料，并對其可行性進(jìn)行分析。

取消隧道防火涂料的可行性

相關(guān)行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

防火涂料作為隧道的一種被動防火措施，其應(yīng)用效果欠佳且造價較高，國內(nèi)部分有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)防火標(biāo)準(zhǔn)，如《建筑設(shè)計防火規(guī)范》《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及《混凝土結(jié)構(gòu)防火涂料》等，未對防火涂料的鋪設(shè)做出強制性要求；

現(xiàn)行的公路隧道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》《公路隧道設(shè)計細(xì)則》等均未對公路隧道的防火設(shè)計提出要求。

由于防火涂料存在的問題，國內(nèi)部分省份如福建省、貴州省、湖北省、四川省、浙江省等已明確規(guī)定取消使用公路隧道防火涂料。

火災(zāi)工況下有無防火涂料的對比分析

通常而言，公路隧道是否要進(jìn)行防火保護(hù)設(shè)計應(yīng)從兩個方面考慮：一是發(fā)生火災(zāi)后，隧道結(jié)構(gòu)是否會出現(xiàn)大面積坍塌或高溫掉塊，而影響司乘人員逃生疏散及消防救援；二是撲滅隧道火災(zāi)后，是否需要較長時間中斷交通對嚴(yán)重?fù)p壞或坍塌的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修，且其維修費用和中斷交通的運營損失費用大大超出采用防火保護(hù)層的費用。若以上兩方面至少需要滿足一個條件，則必須進(jìn)行防火保護(hù)設(shè)計。

有無防火涂料的隧道結(jié)構(gòu)安全對比

二襯通常在Ⅰ級至Ⅲ級圍巖中不承擔(dān)荷載；在Ⅳ級、Ⅴ級圍巖中承擔(dān)部分荷載（IV級圍巖時承擔(dān)總荷載的30%；V級圍巖時承擔(dān)總荷載的50%至70%，主筋保護(hù)層厚5cm時可以滿足2h耐火極限的要求）。

以持續(xù)2h、風(fēng)速為3m/s的50MW火災(zāi)為例，經(jīng)熱力耦合分析，隧道拱頂最高溫度約500℃，并沿結(jié)構(gòu)厚度方向快速衰減，至截面中心位置溫度僅約70℃。經(jīng)計算得出以下結(jié)論：第一，火災(zāi)工況下，無防火涂料的隧道，無論是素混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的二襯，其抗壓、抗剪、抗拉的極限強度安全系數(shù)均大于1.0，滿足結(jié)構(gòu)安全需求；第二，有防火涂料時，隧道結(jié)構(gòu)的安全儲備較無防火涂料時高。

有無防火涂料下火災(zāi)成本對比

鋪設(shè)防火涂料進(jìn)行防火保護(hù)的成本包括材料費及噴涂的人工費用，與隧道面積成正比。從單個隧道來看，無防火涂料的隧道火災(zāi)后的維修及運營損失費用可能要高于有防火涂料保護(hù)的隧道，例如2014年山西巖后隧道由于甲醇泄漏起火燃燒，隧道破壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8197萬。

考慮到我國公路隧道眾多，火災(zāi)是小概率事件，雖無確切的成本統(tǒng)計資料，若將所有公路隧道均鋪設(shè)防火涂料進(jìn)行防火保護(hù)，則從隧道防火總成本的角度來看，鋪設(shè)防火涂料的成本將遠(yuǎn)大于不鋪設(shè)防火涂料時的火災(zāi)后損失成本。

綜上所述，行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)未對隧道防火涂料的鋪設(shè)作出強制性要求，且湖北、福建、貴州、四川等地已明文規(guī)定取消鋪設(shè)隧道防火涂料，具有先行先試的經(jīng)驗。公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)一般可滿足耐火極限的要求，保證隧道穩(wěn)定，無需附加防火涂料。防火涂料反光性差，鋪設(shè)后會降低隧道內(nèi)的照明亮度。鋪設(shè)防火涂料難以達(dá)到預(yù)期的防火目的，且會影響后期對隧道裂縫、滲漏水等表觀病害發(fā)展情況的觀察。

基于此，本文建議取消隧道防火涂料的鋪設(shè)，以期在確保隧道結(jié)構(gòu)正常防火性能的前提下，最大程度地降低隧道的建設(shè)成本。同時，防火涂料取消鋪設(shè)后，不僅可改善隧道的施工環(huán)境及運營養(yǎng)護(hù)條件，也可在隧道發(fā)生火災(zāi)時，提高應(yīng)急救援效率，降低環(huán)境污染程度，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義與社會效益。