公路隧道防火涂料厚度優化研究

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）高速公路隧道火災條件下結構安全為出發點，以目前防火涂料普遍具備的性能指標作為計算參數，采用ANSYS12.0有限元程序計算分析防火涂料對隧道襯砌溫度場、耐火極限的影響。

關鍵詞：公路隧道；防火涂料；溫度場

1引言

隧道火災不僅會造成人員傷亡，而且還會嚴重損壞隧道設備和襯砌結構，造成隧道承載能力下降。因此隧道結構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。目前國內外主要通過在隧道內噴涂防火涂料解決因火災而引起的結構安全問題，并要求隧道防火涂料厚度為20±2mm，耐火極限≥2h。從國內多條高速公路隧道防火涂料施工效果來看，盡管涂料厚度滿足規范要求，但涂料易產生開裂、起層、脫落等不良現象，嚴重影響隧道景觀，加之目前部分觀點認為隧道內發生火災的概率小，若公路隧道數量眾多，加鋪防火涂料的經濟成本遠大于單個隧道火災后的整修與營運的經濟成本，因此有的省市要求在做隧道設計時直接取消防火涂料。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。因此國內不同省份就是否需要設置隧道防火涂料問題是存在分歧的。

鑒于筆者參與的南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路項目（雙向四車道高速公路，設計速度80公里/小時）隧道多達10座，隧道雙延米長達17033m，隧道是否噴涂或是否按規范要求厚度噴涂防火涂料，不僅關系著隧道結構的安全，而且也極大地影響隧道的投資。鑒于此，筆者以本項目的Ⅳ級圍巖淺埋襯砌為研究對象，使用ANSYS12.0有限元程序分析火災條件下有、無防火涂料隧道襯砌的溫度場，進而探討不同工況下隧道的耐火極限問題。

2火災場景

本文主要研究的是發生火災時，襯砌結構最危險處即火源點處橫斷面，同時假設隧道橫斷面上溫度分布一致。

前國外建立了一系列不同類型的火災升溫曲線，用來反映火災時溫度隨時間的變化歷程，這些標準曲線包括ISO834標準升溫曲線、RWS、RABT/ZTV、HC曲線等。ISO834火災升溫曲線主要用于地上建筑火災；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曲線是德國在一系列火災試驗成果的基礎上發展而來的，表現了在封閉環境內一輛汽車燃燒時的特性；HC曲線模擬小型石油火災（如汽油箱、汽油罐以及某些化學物品運輸罐）的燃燒特征。

3耐火極限判定標準

建筑結構耐火極限有三個判斷標準，即穩定性、完整性、隔熱性。對公路隧道而言，在火災發生后的一定時間內襯砌應具有保持完整性和穩定性的能力，為人員疏散和消防救援爭取時間。

4材料參數

4.1混凝土熱工參數

混凝土熱工參數主要包括導熱系數、比熱容、襯砌表面與煙氣對流的綜合換熱系數等。

（1）導熱系數λt

目前普通采用歐洲設計規程推薦的鈣質骨料混凝土導熱系數計算公式。

（2）比熱容Cc

歐洲混凝土協會建議對各種混凝土比熱容采用統一的計算公式，即

（3）綜合換熱系數h

高溫煙氣與混凝土的熱對流交換主要受固體物理特性和幾何尺寸、流體流動速度和溫度等影響，本文選用如下計算公式：

4.2防火涂料參數

自2005年頒布《混凝土結構防火涂料》（GA98-2005）規范以來，防火涂料在技術上已經取得了較大進步，防火性能已經得到極大提高，市場上已涌現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，將防火涂料熱系數取為 ，密度取為 ，比熱取為 。

5計算模型

本文以Ⅳ級圍巖淺埋襯砌斷面為基礎建立數值計算模型，模型及襯砌結構細部如圖2所示。

（1）二次襯砌厚度45cm，襯砌保護層為50mm，襯砌結構耐火極限按2h控制。

（2）由于隧道仰拱受火災影響較小，所以模型襯砌分為兩個區域，即拱墻的吸熱升溫區和仰拱的恒溫區，在吸熱區襯砌表面施加對流單元作為襯砌和火災煙氣進行熱傳遞的介質。

（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計算結果

6.1 無防火涂料工況

無防火涂料工況下，火災發生60min、90min、120min時隧道拱頂截面內部溫度場分布規律如圖3所示。

計算結果表明火災發生60min、90min和120min后，襯砌劣化深度（混凝土溫度超過200℃的深度）分別為50mm、70mm和80mm。因此在無防火涂料情況下，僅在1h內襯砌劣化深度即超過混凝泥土保護層厚度50mm，亦即無防火涂料時，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處混凝土溫度隨時間的變化規律如圖4所示。

計算結果表明防火涂料厚度為6mm和8mm時，火災持續2h后混凝土溫度分別達212℃和184℃。因此防火涂料最小厚度達到8mm左右方能滿足隧道襯砌耐火極限≥2h的要求。

7結論

（1）在無防火涂料的情況下，保護層為50mm的鋼筋混凝土襯砌耐火極限僅為1h，不滿足規范[1]要求，因此隧道結構不噴涂防火涂料是存在安全風險的。

（2）鑒于目前防火涂料性能已經得到極大提高，防火涂料不需要按規范[1]要求的20±2mm進行噴涂，僅需維持在8mm左右即可滿足規范規定的耐火極限要求。偏于安全考慮，南大梁項目隧道防火涂料厚度按10mm考慮，與規范相比，節約防火涂料3366m3，節約投資約2000萬元。

（3）從筆者對國內多條高速公路隧道防火涂料施工效果調查來看，涂層越厚，越容易產生開裂、起層、脫落等不良現象，因此在滿足規范要求的耐火極限的前提下，減薄防火涂料厚度對改善隧道景觀有一定積極作用，建議防火涂料應分多次進行噴涂，且每次噴涂厚度不大于5mm。

參考文獻

[1] GA98-2005，混凝土結構防火涂料[s].

[2] 李偉平.山嶺公路隧道結構的耐火極限與防火保護問題[J].現代隧道技術，2009，（4）：42-47.

[3] 段文璽，建筑結構的火災分析和處理（二）-火災溫度場計算之一[J]. 工業建筑，1985，15（8）：51-54.

作者簡介：冉利剛，1981年出生，男，工程師。