港珠澳跨海集群工程海底沉管隧道防火設計

張志剛， 林 巍

(中交公路規(guī)劃設計院有限公司， 北京 100088)

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港珠澳跨海集群工程海底沉管隧道防火設計

張志剛， 林 巍

(中交公路規(guī)劃設計院有限公司， 北京 100088)

港珠澳跨海集群工程海底隧道是目前世界上最長的公路沉管隧道，運營期設置有主動與被動的雙重防火系統(tǒng)。結合港珠澳海底沉管隧道的主要技術特點，提出防火設計中熱釋放率、火災次數、耐火等級以及采取防護措施后構件的主要耐火指標。依據工程防火的具體實施條件，通過綜合比較，沉管結構防火設計采用防火板直接覆面方式，沉管接頭防火采用由剛性防火板與柔性防火隔斷共同組成的具有自主知識產權的雙層防護系統(tǒng)。

港珠澳；沉管隧道；被動防火；結構防火；接頭防火；防火板

0 引言

根據隧道運營期安全保障的需要，工程建成后應配置滿足消防救援要求的主動防火與被動防火系統(tǒng)。主動防火是指火災發(fā)生后所進行的火災檢測及報警、滅火、通風排煙和逃生救援等一系列活動；被動防火是指在火災發(fā)生的情況下如何保證承重結構及接頭防水的安全,從而保障人的生命安全和減少財產損失的一種安全技術。被動防火所采取的措施主要包括加厚混凝土的結構內襯保護、噴涂防火涂料、安裝防火板材等。

沉管隧道采用陸上預制與水下安裝的工藝，水體與結構外表面直接接觸，所受水土壓力荷載較大，假如發(fā)生火災，混凝土結構在異常的高溫環(huán)境中會出現物理力學性能劣化現象，并伴隨產生表面龜裂等缺陷，嚴重時可能會出現結構裂縫，危及到整個沉管隧道的安全，對正常使用的隧道將造成災難性后果，后期也很難進行修復，比如連接意大利與法國之間的Mont Blanc山嶺隧道火災后的修復就花了三年半的時間[1]。目前在已建成的沉管隧道中均配備有結構被動防火系統(tǒng)，形成主動與被動防火的雙重保障體系，為隧道的安全運營保駕護航。

國外對隧道的防火安全研究很多，包括有歐洲隧道火災信息網的FIT項目，歐盟資助的隧道結構耐久性與可靠性的DARTS項目及火災探測及火災安全評估的UPTUN項目，美國紀念隧道火災通風試驗MTEVTP項目，以及日本大斷面公路隧道火災試驗研究項目等[2-4]。近些年，國內依托秦嶺終南山特長山嶺公路隧道、上海長江盾構隧道也開展了相關的技術研究，形成了一批重要成果[5-8]。然而，針對沉管隧道開展防火專項試驗的研究成果[9-11]則報道極少，港珠澳沉管隧道的防火設計沒有可直接借鑒的經驗，設計過程中結合工程條件開展了專項模型試驗研究，為工程方案設計提供有力支撐。

1 工程概況

港珠澳大橋主體工程包括主體橋梁工程、接線及口岸工程、島隧工程3部分，是我國交通建設史上首次采用橋島隧組合形式實現跨越的集群工程。海底隧道采用沉管方案，起訖樁號為K6+404～K13+108，全長 6 704 m，為目前世界上規(guī)模最大的沉管隧道。受大尺度船舶的通航限制，隧道中間段約3 km長度深埋于23 m的海床面之下，是世界上第1座深埋沉管隧道。設計采用高速公路標準，設計時速為100 km/h，雙向6車道，建筑限界寬14.25 m、高5.1 m，設計使用壽命為120年。

隧道分為東、西人工島島上段及沉管段，其中，東、西人工島島上段長均為518 m，包括敞開段、減光段及暗埋段；沉管段總長5 664 m，共分33個管節(jié)，單個標準管節(jié)長180 m。采用了工廠法預制的節(jié)段式半剛性管節(jié)結構，每個標準化生產的節(jié)段長度為22.5 m，管節(jié)采用GINA與OMEGA雙道橡膠止水，節(jié)段接頭采用聚脲防水層、中埋式鋼邊止水帶及OMEGA等多道止水措施。

沉管隧道采用兩孔一管廊結構，即左、右側為主行車孔，中管廊自上至下依次設置排煙、安全疏散、電纜及給排水的附屬設施通道。橫斷面布置充分考慮交通空間、運營設施空間需求及可浮性要求等，并進行施工階段、使用階段各工況下的結構受力分析，橫斷面布置創(chuàng)造性地采用如圖1所示Y型中墻的鋼筋混凝土箱型結構。管節(jié)橫斷面寬37.95 m、高11.4 m，結構頂板及側墻寬1.5 m、中墻寬0.8 m。混凝土強度為C45(28 d)，抗?jié)B等級為P12[12-14]。

圖1 隧道管節(jié)橫斷面布置(單位：m)Fig.1 Cross-section of immersed tunnel segment (m)

2 隧道防火設計標準

為提高隧道結構的防火能力，需要對隧道主體結構設置隧道防火內襯以起保護作用。當隧道發(fā)生火災時，防火內襯材料可以保護隧道結構，減少高溫對隧道結構的破壞，同時，在疏散、救援的時段內保證人員安全。根據專題研究成果，確定港珠澳海底沉管隧道防火設計標準如下。

1)火災熱釋放率：50 MW。

2)火災次數：按整座隧道同一時間內只發(fā)生一處火災進行設計。

3)耐火極限：一類隧道，承載結構耐火極限不小于2 h。

4)耐火極限判定標準：①隧道防火內襯采用RABT標準升溫曲線測試，應滿足120 min內保證被保護的混凝土結構表面溫度不大于380 ℃，或距離混凝土表面25 mm 處的鋼筋溫度不大于300 ℃的要求。②隧道接頭處橡膠止水帶區(qū)域隔熱后環(huán)境溫度(止水帶區(qū)域)最高溫度≤150 ℃，100 ℃以上時間不超過1 h，70 ℃以上不超過2 h。

試塊力學性能有較大的提高，滿足預設要求。大試塊心部金相球化率在2～3級，也滿足了預設結果，力學性能檢測結果見表5，金相檢測結果見表6。

3 防火目標及范圍

根據沉管隧道的特點及火災風險分析，隧道防火設計制定了如下目標：當遭受不大于設防標準的火災時，主體結構(含接頭)應不受損壞或無需維修即可繼續(xù)使用。

根據現行《建筑設計防火規(guī)范》的相關規(guī)定，本項目水下隧道屬于一類交通隧道，按照類似工程經驗與火災工況下溫度場分布情況，確定隧道行車孔內部防火范圍包括行車孔結構頂板、頂板以下一定范圍的側墻(含加腋)、排煙道口位置。

隧道行車孔縱向防火設計長度約為6 km，包括沉管段、東島暗埋段、西島暗埋段。隧道中管廊上部設置專用縱向排煙道，根據結構防火專題研究成果，排煙道內壁的溫度在排煙口處最高，由排煙口向兩側逐漸降低，因此，排煙道內壁在排煙口及兩側縱向一定范圍，以及隧道的接頭部位均采用防火板保護。足尺隧道模型內行車道火災試驗現場如圖2所示。

圖2 隧道內火災試驗實景Fig.2 Fire test in tunnel

當隧道內發(fā)生火災時，產生的熱量通過熱輻射與熱對流的方式傳遞至隧道結構，并通過熱傳導的方式在襯砌構件內傳遞，使結構混凝土中的溫度不斷升高。在高溫作用下，一方面使結構混凝土的物理力學性能(強度、剛度和耐久性)降低，另一方面由于溫度的不均勻分布，在結構體內產生溫度應力，同時，由于沉管箱形結構為高次超靜定結構，高溫使得構件之間產生內力重分布。火災發(fā)生后，如果沒有有效的應對保護措施，會降低隧道結構體系的承載能力和可靠性，港珠澳海底沉管隧道橫斷面結構設計中將火災作為一個重要的偶然工況進行了驗算。

4 結構防火設計

為提高隧道結構的防火能力，需要對隧道主體結構設置隧道防火內襯以起保護作用，當隧道發(fā)生火災時，防火內襯材料可以保護隧道結構，減少高溫對隧道結構的破壞，同時，在疏散、救援的時段內保證人員安全。

4.1 防火材料

為使隧道的鋼筋混凝土結構在火災發(fā)生時保持完整性與穩(wěn)定性，減少火災后的維修費用，縮短工程修復時間，并調研大量水下沉管隧道工程防火案例。經分析對比(詳見表1)，最終選擇了防火板的防火形式，防火板厚度根據防火標準及實際使用板材類型確定。

隧道防火板通常是指隧道混凝土結構進行防火保護的板材，目前國內采用頂部防火保護板材，種類很多，有玻鎂板、硅酸鈣板、硅酸鋁棉板、硅酸鋁陶瓷板、玻鎂陶粒板、無機纖維復合板、蛭石板等，但基本以硅酸鈣板及玻鎂板為主要系列。

表1 防火板與防火涂料對比Table 1 Comparison between fireproofing board and fireproof coating

4.2 安裝方式

從國內外已建成的水下隧道來看，防火板一般有3種可選的安裝方式。

2)在隧道結構混凝土施工后，將防火板通過膨脹螺栓直接固定在混凝土結構表面。這種方式安裝簡便，適用于表面平整度高的結構，在國內外均較為常用。

3)在隧道結構混凝土施工后，采用輕鋼龍骨系統(tǒng)安裝于混凝土結構表面。這種方式適用于鋼結構表面或者混凝土結構面不平整的情況，可通過龍骨系統(tǒng)調整表面的平整度，但有時會受到隧道內風壓與安裝高度的限制。

結合港珠澳隧道工程的特點及管廊內作業(yè)的實際環(huán)境條件，采用將防火板通過不銹鋼螺栓直接后覆在結構表面的安裝方式。

5 接頭防火設計

隧道接頭是沉管隧道的關鍵部分，也是沉管隧道的薄弱環(huán)節(jié)。在沉管隧道設計前期，更加偏重于防水及抗震方面的研究，但是由于隧道火災發(fā)生的潛在風險與后果的嚴重性，需要設計方分析評價沉管隧道接頭的火災安全性，因地制宜提出防火保護構造方案，確保沉管隧道接頭的耐火性能。

5.1 管節(jié)接頭

管節(jié)接頭防火主要是保護接頭內置OMEGA橡膠止水帶及剪力鍵結構。隧道共計包括有33個管節(jié)接頭(含沉管段與暗埋段間的接頭)，管節(jié)接頭自外向內由端鋼殼、GINA止水帶和OMEGA止水帶、剪力鍵等組成。考慮到管節(jié)接頭在運營期可能會發(fā)生的張合變形，管節(jié)接頭防火板設計中預留了可變形的空間，以應對接頭運營期不大于5 cm的縱向張合變化，保證在接頭發(fā)生張開時也能起到應有的防火作用。

根據港珠澳長大沉管隧道運營期的特點，以及火災標準的要求，經分析研究提出了由剛性防火板與柔性防火隔斷組成的具有自主知識產權的沉管接頭防火設計構造型式，設計斷面如圖3所示。外側設防火板，內側設環(huán)保纖維類的柔性防火隔斷。接頭范圍內的防火板通過型鋼骨架、膨脹螺栓、自攻螺釘連接在周邊的結構混凝土上，型鋼龍骨結構系統(tǒng)中設置可活動長螺栓孔實現運營期的伸縮變化。為保證接頭內側防火隔斷的整體性，柔性防火材料的環(huán)向相接處采用搭肩密封方式處理。為防止管節(jié)接頭中墻在張合變形工況下的防火及隔斷降溫作用，采用彈性防火密封條、防火板及防火密封膠聯(lián)合處理方案。

圖3 管節(jié)接頭處防火設計方案(單位：cm)Fig.3 Fire prevention design at tunnel segment joint (cm)

5.2 節(jié)段接頭

隧道共計包括有219個節(jié)段接頭，節(jié)段接頭由中埋式可注漿止水帶、OMEGA止水帶、遇水膨脹橡膠止水條及剪力鍵等組成。節(jié)段接頭在運營期不會發(fā)生壓縮變形，設計中只考慮極少量的張開變形。節(jié)段接頭環(huán)向防火設計方案同管節(jié)接頭相類似，外側設防火板，內則設柔性防火隔斷。接頭范圍內的防火板通過型鋼龍骨、膨脹螺栓、自攻螺釘牢固地連接在周邊的結構混凝土上。

5.3 試驗驗證

為驗證接頭防火構造的有效性，在中南大學的火災立式模擬實驗爐進行了物理模型試驗，按照 RABT標準升溫曲線進行控制，試驗模型如圖4所示，通過專項系列試驗驗證了剛性防火板與柔性防火隔斷組成的接頭防火整體解決方案的可靠性。

(a) 接頭試件

(b) 高溫試驗

6 結論與體會

港珠澳海底隧道工程以工程規(guī)模大及技術難度高聞名工程界，為確保海底隧道在火災事故發(fā)生后的結構安全性，從而保障世紀工程在預期使用年限內的健康、可持續(xù)運行，除設計主動滅火系統(tǒng)之外，也需要配備有效的被動防火系統(tǒng)。結合在本工程被動防火方案前期調研、比選、試驗、設計及實施過程中的經歷，總結的主要結論與體會如下。

1)從本質上講，混凝土結構為熱惰性材料，熱量在混凝土內部的傳遞非常緩慢，但正是這種不良的熱傳導性會加劇結構截面上溫度場的不均勻分布，導致產生較大的溫度應力，影響到結構安全。同時，隧道內發(fā)生火災屬于高風險事件，工程建設的相關方應對水下隧道的防火工作給予足夠高度的重視，并應采取科學的試驗手段驗證防火系統(tǒng)的可靠性與有效性。

2)文中只著重論述了沉管隧道被動防火系統(tǒng)，但在實際設計過程中是將被動防火與主動消防進行統(tǒng)籌考慮的，不能過分地強調某一方面，而忽視另一方面，導致工程出現消防的薄弱環(huán)節(jié)。

3)隧道防火板安裝的質量非常關鍵，關系到隧道運營期正常工況下的安全性，以及隧道火災工況下的防火有效性。隧道行車孔內所用防火板與其固定裝置應能夠承受均勻分布的往復荷載，確保隧道防火板在車輛活塞風及振動等作用下的可靠性；隧道排煙道內所有防火板及其固定裝置應能夠承受兩側風塔軸流風機工作時的負壓荷載。

4)通過研究提出的沉管隧道接頭防火系統(tǒng)具有適應張合變形工況下的防火有效性，與國內外應用較多的多層防火板疊加方案相比，充分發(fā)揮了柔性隔斷與剛性板的各自優(yōu)點，具有明顯的防火防煙密封性，可作為同類沉管工程的參考。

5)從目前的實際情況來看，急待加強行業(yè)防火標準的編制工作，有效規(guī)范與指導公路隧道工程建設的防火設計，使本項工作的開展有據可依，避免死搬硬套，為工程留下隱患。時至今日，所有的公路隧道防火設計依然僅能按照現行建筑防火設計規(guī)范中城市交通隧道的相關規(guī)定來執(zhí)行，缺乏科學性，針對性不強。

6)沉管隧道是所有隧道類型中最需要設計與施工密切結合與有效聯(lián)動的一種工法，防火方面也不例外。沉管隧道防火設計應進行施工圖二階段設計：第1階段完成滿足行業(yè)審查的總體方案設計；第2階段應結合供應商材料型號、標準尺寸及現場可能出現的施工偏差等因素完成細部的施工節(jié)點設計。

7)在沉管隧道設計中，防火標準的確定至關重要，直接影響整個工程的規(guī)模及造價，且在很大程度上決定了隧道運營期的安全風險。在工程前期階段應深入研究并制定出合理的火災設計標準，必要時還應采取有效的運營管理措施，比如限制超規(guī)車輛及高危車輛在隧道內通行等。

[1] Domke J.Fire in Mont Blanc Tunnel[J].Brandschutz Deutsche Feuerwehrzeitung,1999,53(8):72-73.[2] International Tunnelling Association(ITA).Fire and life safety for underground facilities:Present status of fire and life safety principles related to underground facilities[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1998,13(3):217-269.

[3] World Road Association (PIARC).PIARC proposal on the design criteria for resistance to fire for road tunnel structures[S].Paris:Revision 1-February,2002.

[4]Mashimo H.State of the road tunnel safety technology in Japan[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2002,17(2):145-152.

[5] 倪照鵬,陳海云.國內外隧道防火技術現狀及發(fā)展趨勢[J].交通世界,2003(2):28-31.NI Zhaopeng,CHEN Haiyun.Situation and development trend of tunnel fire prevention technology at home and abroad [J].Transport World,2003(2):28-31.

[6] 王明年,楊其新,趙秋林,等.秦嶺終南山特長公路隧道防災方案研究[J].公路,2000(11):87-91.WANG Mingnian,YANG Qixin,ZHAO Qiulin,et al.Research on disaster prevention of Zhongnanshan Highway Tunnel in Qinling[J].Highway,2000(11):87-91.

[7] 閆治國,楊其新,朱合華.秦嶺特長公路隧道火災試驗研究[J].土木工程學報,2005,38(11):96-101.YAN Zhiguo,YANG Qixin,ZHU Hehua.An experimental study of fire hazard at the Qinling Highway Tunnel [J].China Civil Engineering Journal,2005,38(11):96-101.

[8] 方銀鋼,朱合華,閆治國.上海長江隧道火災疏散措施研究[J].地下空間與工程學報,2010,6(4):418-422.FANG Yin’gang,ZHU Hehua,YAN Zhiguo.Research of evacuation and rescue measures in Shanghai Yangtze River Tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2010,6(4):418-422.

[9] 曾艷華,何川,關寶樹.火災時隧道內溫度場的模擬研究[J].地下空間，2004,24(1):69-73.ZENG Yanhua,HE Chuan,GUAN Baoshu.Numerical analysis of temperature of tunnel during fire[J].Underground Space,2004,24(1):69-73.

[10] Both K.Evaluation of passive fire protection measures for concrete tunnel linings[C]//Proceedings of International Conference on Tunnel Fires and Escape from Tunnels.Lyon:[s.n],1999:5-7.

[11]Migoya E.A simplified model of fires in road tunnels.Comparison with three-dimensional models and full-scale measurements[J].The Open Thermodynamics Journal,2010,4:156-166.

[12] 張志剛,劉洪洲.公路沉管隧道的發(fā)展及其關鍵技術[J].隧道建設,2013,33(5):343-347.ZHANG Zhigang,LIU Hongzhou.Development and key technologies of immersed highway tunnels[J].Tunnel Construction,2013,33(5):343-347.

[13] 尹海卿.港珠澳大橋島隧工程設計施工關鍵技術[J].隧道建設,2014,34(1):60-66.YIN Haiqing.Key technologies applied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Project[J].Tunnel Construction,2014,34(1):60-66.

[14] 陳韶章,蘇宗賢,陳越.港珠澳大橋沉管隧道新技術[J].隧道建設,2015,35(5):396-403.CHEN Shaozhang,SU Zongxian,CHEN Yue.New technologies used for immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Project[J].Tunnel Construction,2015,35(5):396-403.

Design of Fire Prevention for Immersed Tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Link

ZHANG Zhigang,LIN Wei

(CCCCHighwayConsultantCo.,Ltd.,Beijing100088,China)

At present,the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macao Link is the longest highway immersed tunnel in the world,which has active fire prevention system and passive fire prevention system.The main technical characteristics of Hong Kong-Zhuhai-Macao Immersed Tunnel are summarized; and then the heat releasing rate,fire frequency,fireproofing rating and fireproofing standards of tunnel components are proposed.According to fire prevention conditions,fire prevention board is used for immersed tunnel segment structure; the rigid fire prevention board and flexible fire prevention board are used for immersed tunnel segment joints.

Hong Kong-Zhuhai-Macao Link; immersed tunnel; passive fire prevention; structure fire prevention; joint fire prevention; fire prevention board

2016-02-29;

2016-04-22

張志剛(1977—),男,內蒙古涼城人,2007年畢業(yè)于北京交通大學，巖土工程專業(yè)，博士，高級工程師，現主要從事隧道設計、咨詢與研究工作。E-mail：zhangzhigang@sina.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.010

U 45

A

1672-741X(2017)06-0717-05