不同燃燒物及防護(hù)下隧道火災(zāi)特征調(diào)查與分析

李鵬 宋文超 羅亦洲

摘要：隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷。隧道火災(zāi)事故具有共性，也具有異性。認(rèn)識(shí)共性，便于火災(zāi)發(fā)生后，快速對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，文章提供了火災(zāi)隧道結(jié)構(gòu)檢查流程。認(rèn)識(shí)差異，便于評(píng)估火災(zāi)造成的災(zāi)損，開(kāi)展維修處治工作，文章分析了不同燃燒物及防護(hù)下隧道火災(zāi)的特征，指出燃燒熱值高的同質(zhì)量的可燃物會(huì)在短時(shí)間內(nèi)加熱環(huán)境溫度，造成較大范圍的影響;隧道襯砌設(shè)置防火涂料能有效阻止火災(zāi)能量向襯砌混凝土傳遞，起到保護(hù)作用。

[作者簡(jiǎn)介]李鵬（1988—），男，碩士，工程師，主要從事運(yùn)營(yíng)公路隧道病害檢測(cè)及加固處治設(shè)計(jì)方面的工作。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，包括公路隧道在內(nèi)大量交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)。公路隧道現(xiàn)已建成超1.9×104座，總長(zhǎng)約1.8×104 km[1]。隧道數(shù)量的增多不僅方便了人民的出行，也帶來(lái)了極大運(yùn)營(yíng)壓力，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)是一種嚴(yán)重威脅隧道運(yùn)營(yíng)安全及結(jié)構(gòu)安全的事故。

與地面火災(zāi)的特征明顯不同，隧道結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)，內(nèi)部環(huán)境相對(duì)封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲滅難度大，并且由于煙囪效應(yīng)[2]，發(fā)生火災(zāi)后，火勢(shì)會(huì)迅速擴(kuò)大，溫度會(huì)迅速傳播，除被火焰直接灼燒的結(jié)構(gòu)外，被加熱的空氣會(huì)把能量傳遞給任何接觸到的結(jié)構(gòu)或材料，造成隧道結(jié)構(gòu)大面積的損傷。隧道發(fā)生火災(zāi)后，出現(xiàn)損傷的結(jié)構(gòu)主要為襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、防排水系統(tǒng)以及附屬照明通風(fēng)等設(shè)備?；馂?zāi)會(huì)影響襯砌混凝土及鋼筋的力學(xué)性能，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)承載能力及耐久性。

筆者在工作中遇到多起隧道火災(zāi)事故，本文通過(guò)對(duì)不同火災(zāi)案例的調(diào)查檢測(cè)，分析了不同燃燒物及設(shè)防環(huán)境下隧道內(nèi)火災(zāi)災(zāi)損的主要特征。

1 案例介紹

1.1 木門燃燒案例

2019年12月27日，在A高速公路A隧道內(nèi)發(fā)生一起貨車起火事故，事故發(fā)生在隧道左線主車道距南充端洞口約90 m處，對(duì)應(yīng)樁號(hào)為K0+090。經(jīng)了解，起火貨車所裝載的物品為木門、線纜（外包皮應(yīng)為PVC材料）及生活用品，在隧道內(nèi)燃燒時(shí)間在6 h左右（含消防救援時(shí)間）?；馂?zāi)過(guò)后，隧道襯砌部分表層被燒毀剝落，影響范圍約60 m。隧道規(guī)模見(jiàn)表1。

1.2 汽油燃燒案例

2020年06月14日B高速B隧道左線內(nèi)發(fā)生交通事故引發(fā)火災(zāi)，事故發(fā)生在左線ZK1+581～ZK1+621加寬帶處。經(jīng)了解，事故為兩輛載重貨車相撞導(dǎo)致燃油泄露引發(fā)火災(zāi)，隧道內(nèi)火災(zāi)燃燒時(shí)間在1.3 h左右（含滅火救援時(shí)間），火災(zāi)燃燒物主要為車輛及泄露燃油，燃燒中心在加寬帶處?；馂?zāi)過(guò)后，隧道裝飾層瓷磚不同程度被燒毀剝落、機(jī)電設(shè)備燒毀情況嚴(yán)重，局部隧道襯砌防火涂料受火災(zāi)影響脫落，局部襯砌存在裂紋;局部路面出現(xiàn)坑槽、路面標(biāo)識(shí)燒毀，影響范圍約430 m。隧道規(guī)模見(jiàn)表2。

1.3 基本信息匯總

此兩起事故均是隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，造成交通中斷，使襯砌結(jié)構(gòu)受到影響。為方便對(duì)兩座隧道進(jìn)行比較，現(xiàn)將兩座隧道的基本信息匯總見(jiàn)表3。

2 調(diào)查檢測(cè)

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，首先要對(duì)隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)急檢測(cè)，確定隧道結(jié)構(gòu)受火災(zāi)影響的范圍和程度，調(diào)查檢測(cè)流程見(jiàn)圖1。

2.1 結(jié)構(gòu)燒灼損傷狀況檢測(cè)

2.1.1 木門燃燒無(wú)防火涂料損傷狀況

（1）受火直接灼燒致襯砌混凝土表面剝落，位于左拱腰及拱頂部，樁號(hào)為K0+089～K0+093，面積約為4 m×4 m，剝落最深處為3 cm（里程樁號(hào)為K0+092.5）?；炷帘砻骖伾珵橥咙S色或淡黃色，錘擊聲音沉悶（圖2）。

（2）受火灼燒或熏烤致混凝土表面出現(xiàn)魚鱗狀裂紋或網(wǎng)狀紋，位于左拱腰及拱頂部，范圍為K0+084～K0+130。靠近混凝土表面剝落位置處混凝土表面顏色為土黃色或淡黃色，遠(yuǎn)離處為灰色。廣元端襯砌表面網(wǎng)狀裂縫多于南充端（圖3）。

（3）隧道K0+083～K0+103段左拱腰處照明用的LED燈受火災(zāi)的影響，熔化或燒毀（圖4）。

（4）隧道左線左車道K0+086～K0+091貨車燃燒處，路面瀝青混凝土因火災(zāi)產(chǎn)生坑槽（圖5）。

（5）從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況看，襯砌混凝土受火直接灼燒致表面層剝落，面積約為4 m×4 m，深度約為3 cm;混凝土剝落周邊混凝土表面存在大量魚鱗狀裂縫;混凝土表面顏色為土黃色或淡黃色;錘擊聲音沉悶。根據(jù)混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系初步判斷混凝土表面局部受火溫度可能為800 ℃左右。

2.1.2 汽油燃燒有防火涂料損傷狀況

（1）ZK1+591.5～ZK1+592.5（1 m）襯砌拱頂防火涂料受火災(zāi)影響部分脫落，面積約為1 m×2 m，剝落深度約為1 cm。該處混凝土表面熏黑，錘擊聲較響亮，留下痕跡。向四周鏟除防火涂料后，ZK1+590～ZK1+592（2 m）拱頂襯砌顯現(xiàn)2條環(huán)向裂縫及大量細(xì)微裂紋，其中一條長(zhǎng)5 m，寬1 mm，與施工縫相接，裂縫周圍細(xì)微裂紋發(fā)育;另一條長(zhǎng)2 m，寬3 mm;去除防火涂料顯現(xiàn)白色，錘擊聲音較響亮，表面留下痕跡。ZK1+559～ZK1+565（6 m）拱腰及拱頂部襯砌表面防火涂料出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，紋路為灰白色，錘擊聲較響亮，孔洞周圍存在空洞（圖6）。

（2）隧道左線路面ZK1+599～ZK1+602（3 m）處，路面瀝青混凝土因火災(zāi)產(chǎn)生坑槽。如圖7所示;ZK1+607～ZK1+609（2 m）處路面左側(cè)標(biāo)示線燒毀。

（3）隧道內(nèi)裝飾ZK1+595～ZK1+608（13 m）左邊墻秀壁板基本燒毀。ZK1+608～ZK1+618（10 m）左邊墻秀壁板部分燒毀。ZK1+569～ZK1+600（31 m）右邊墻瓷磚基本脫落，表面熏黑，ZK1+510～ZK1+581（71 m）左邊墻及ZK1+501～ZK1+569（68 m）右邊墻瓷磚大面積脫落，表面熏黑，如圖8所示。其余部分區(qū)段瓷磚零星脫落，表面熏黑。ZK1+220～ZK1+510（290 m）左邊墻、ZK1+220～ZK1+501（281 m）右邊墻、ZK1+622～ZK1+650（28 m）左邊墻及ZK1+622～ZK1+635（13 m）右邊墻瓷磚零星脫落。

（4）附屬設(shè)施病害。受火災(zāi)影響附屬設(shè)施出現(xiàn)了變形、熔化、燒毀等情況（圖9）。

（5）從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況看，襯砌混凝土表面防火涂料受火災(zāi)影響局部剝落，面積約為1×2 m2;防火涂料剝落處發(fā)現(xiàn)混凝土表面存在環(huán)向裂縫及大量細(xì)微裂紋;錘擊聲音較響亮，表面留下痕跡，根據(jù)混凝土表面顏色、裂損剝落、錘擊反應(yīng)與溫度的關(guān)系初步推測(cè)混凝土表面局部受火溫度可能為300～500 ℃，防火涂料達(dá)到的溫度在1 000 ℃以上。

2.2 火災(zāi)后結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測(cè)

2.2.1 火災(zāi)作用調(diào)查

火災(zāi)后結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢查首先要進(jìn)行火災(zāi)作用調(diào)查，前文案例介紹已把火災(zāi)作用調(diào)查內(nèi)容展示，此處不再贅述。只補(bǔ)充通過(guò)火災(zāi)作用調(diào)查發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)后隧道損傷情況與隧道內(nèi)風(fēng)向有直接關(guān)聯(lián)，順風(fēng)一側(cè)損傷程度明顯高于逆風(fēng)一側(cè)。

2.2.2 混凝土中性化深度檢測(cè)

（1）A隧道在拱部選取10處位置進(jìn)行混凝土中性化深度檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖10、表4。

通過(guò)混凝土中性化深度檢測(cè)結(jié)果可以看出，直接受火灼燒的位置，混凝土中性化深度明顯大于其他位置。

（2）B隧道在拱部選取6處位置進(jìn)行混凝土中性化深度檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5、圖11。

通過(guò)混凝土中性化深度檢測(cè)結(jié)果可以看出，直接受火灼燒的位置，混凝土中性化深度明顯大于其他位置。

（3）通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以看出，A隧道的混凝土最大中性化深度大于B隧道，這是因?yàn)锽隧道表面覆蓋有防火涂料，有效阻止了熱量向襯砌混凝土傳遞。

2.2.3 襯砌強(qiáng)度檢測(cè)

鉆孔取芯，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，分別對(duì)臨火側(cè)及背火側(cè)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。兩座隧道檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖12、圖13、表6、表7。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出直接受火焰灼燒的位置，襯砌混凝土強(qiáng)度降低明顯，部分芯樣表現(xiàn)出臨火側(cè)強(qiáng)度低于背火測(cè)強(qiáng)度的特征，說(shuō)明在火災(zāi)高溫影響下，襯砌混凝土發(fā)生物理化學(xué)變化，造成混凝土強(qiáng)度降低，對(duì)直接灼燒處臨火側(cè)的影響程度要大于背火側(cè)（未灼燒處）。

3 分析評(píng)估

（1）A隧道火災(zāi)的燃燒物主要是木門及聚氯乙烯，燃燒熱值為17～19 MJ/kg;B隧道內(nèi)燃燒物為汽油，其燃燒熱值為44 MJ/kg[3]。單位時(shí)間內(nèi)汽油燃燒釋放的能量是木材2.3倍，火災(zāi)開(kāi)始后，B隧道承受更高的溫度，在狹小的空間內(nèi)，溫度沿隧道風(fēng)向迅速傳播，最終影響范圍為430 m，遠(yuǎn)大于A隧道的60 m。燃燒物的燃燒熱值是影響火災(zāi)損傷范圍的因素之一。

（2）A隧道火災(zāi)的燃燒時(shí)間在6 h左右，而B(niǎo)隧道火災(zāi)的燃燒時(shí)間為1.3 h。受燃燒時(shí)間的影響，A隧道火災(zāi)中心的災(zāi)損程度要比B隧道嚴(yán)重。

（3）B隧道襯砌表面設(shè)置有防火涂料，查閱設(shè)計(jì)文件，厚10～15 mm的防火涂料在1 000 ℃高溫環(huán)境中耐火2 h。實(shí)際B隧道火災(zāi)燃燒1.3 h后，即有防火涂料剝落，說(shuō)明火災(zāi)中心防火涂料承受的溫度在1 000 ℃以上，再次說(shuō)明燃燒熱值高的可燃物會(huì)在短時(shí)間內(nèi)將環(huán)境溫度加熱到很高的溫度。防火涂料在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，確能起到保護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)的作用。

（4）從2座隧道的損傷情況看，順風(fēng)一側(cè)襯砌結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，而逆風(fēng)一側(cè)基本未受破壞，說(shuō)明風(fēng)向是影響隧道火災(zāi)損傷的原因之一。這也為隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生后人員逃生方向提供了選擇依據(jù)。

（5）襯砌混凝土中性化深度及襯砌混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)，主要是為了評(píng)估損傷深度及剩余承載能力。為火災(zāi)后襯砌加固維修提供依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，不同燃燒物、是否設(shè)置防火涂料造成的損害，通過(guò)工程實(shí)例進(jìn)行了調(diào)查分析，為隧道火災(zāi)災(zāi)損檢查提供了一種思路，分析了不同燃燒物和是否設(shè)防下的災(zāi)損特征。

本文僅根據(jù)火災(zāi)后災(zāi)損現(xiàn)象及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到的結(jié)論較定性，未對(duì)火災(zāi)后襯砌損傷深度進(jìn)行分析，也未對(duì)隧道發(fā)生火災(zāi)后剩余承載能力進(jìn)行評(píng)估，在后續(xù)工作中，應(yīng)加強(qiáng)火災(zāi)后隧道安全性評(píng)估的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部 2019年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)[R].2020.05.12

[2] 閆治國(guó) 長(zhǎng)大公路隧道火災(zāi)研究[D].成都： 西南交通大學(xué)，2002.

[3] 火災(zāi)后工程結(jié)構(gòu)鑒定標(biāo)準(zhǔn)： T/CECS252-2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社， 2019.