基于紅外熱成像技術(shù)烴類火災(zāi)下沉管隧道開裂分析*

段進濤，董毓利，歐曙光，劉建勇，吳 欣，齊建全

(1.廣州市建筑材料工業(yè)研究所有限公司,廣東 廣州 510663；2.廣東省材料與構(gòu)件防火檢測技術(shù)企業(yè)重點實驗室,廣東 廣州 510663;3.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 廈門 361021)

0 引言

在隧道技術(shù)快速普及發(fā)展過程中，火災(zāi)是隧道面臨的主要事故災(zāi)害之一，近些年隨著汽車數(shù)量和速度不斷增加，交通事故引發(fā)的隧道火災(zāi)已經(jīng)成為威脅隧道安全的主要危險因素之一，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：隧道火災(zāi)發(fā)生的概率是10～17次/億車/公里[1]。沉管隧道火災(zāi)與陸上公路隧道火災(zāi)不同的是：沉管隧道深埋于海底，在海水環(huán)境中火災(zāi)對沉管隧道安全的影響更加突出[2]。對于水工結(jié)構(gòu)物來說，影響結(jié)構(gòu)安全的因素不僅是結(jié)構(gòu)承載力，結(jié)構(gòu)滲水同樣會導(dǎo)致嚴重的災(zāi)難，如日本青函隧道曾因滲水導(dǎo)致33人喪生[3]?；馂?zāi)產(chǎn)生的高溫下混凝土容易發(fā)生爆裂和開裂，尤其在沉管隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)的情況下，隧道內(nèi)側(cè)混凝土受熱膨脹容易導(dǎo)致外側(cè)混凝土受拉開裂[4]。王薇和李達[5]利用有限元軟件ANSYS模擬了火災(zāi)對沉管隧道結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：沉管隧道在火災(zāi)下的最大變形量約為3.6 mm，結(jié)構(gòu)部分位置有開裂和壓潰的風(fēng)險。還有學(xué)者[6-7]對常溫下沉管隧道的承載力進行了分析，研究表明：沉管隧道的承載力安全系數(shù)很高，沉管隧道在正常使用狀態(tài)下，極限承載力由混凝土裂縫寬度控制。對于沉管隧道來說，混凝土開裂是影響結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素之一，貫穿裂縫會導(dǎo)致海水滲入沉管隧道，導(dǎo)致災(zāi)難發(fā)生。即使未形成貫穿裂縫，混凝土開裂也會導(dǎo)致鋼筋暴露在海洋環(huán)境中，降低沉管隧道使用年限。目前很多學(xué)者主要關(guān)注沉管隧道火災(zāi)煙氣蔓延[8]和高溫對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷[9]，未考慮火災(zāi)下熱應(yīng)變導(dǎo)致的混凝土開裂問題。相關(guān)地下結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗表明，火災(zāi)下混凝土結(jié)構(gòu)會發(fā)生嚴重的開裂[10-12]。Ring等[12]對厚度為400 mm的地下結(jié)構(gòu)開展火災(zāi)試驗時觀測到了貫穿裂縫。

本文試驗以大灣區(qū)某大型沉管隧道為原型，設(shè)計1∶5縮尺試驗?zāi)Ｐ烷_展耐火試驗。試驗過程中利用紅外熱像儀對沉管隧道開裂行為進行監(jiān)測，根據(jù)高溫下混凝土內(nèi)水分遷移原理，結(jié)合混凝土內(nèi)溫度場分布推斷出混凝土的開裂深度。試驗研究表明：在烴類火災(zāi)持續(xù)燃燒95 min后，沉管隧道背火面混凝土裂縫開展深度超過150 mm。該研究結(jié)果對烴類火災(zāi)下，混凝土開裂對沉管隧道安全性和耐久性的研究有一定參考意義。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗方案設(shè)計

沉管隧道原型的標(biāo)準管節(jié)長度為180 m，由8個平均長度為22.5 m節(jié)段組成，2個相接節(jié)段之間含有0.2 m防水接頭，防水接頭主要由Ω止水帶和GINA止水帶構(gòu)成。為保證防水效果，施加適當(dāng)預(yù)應(yīng)力擠壓防水接頭間的止水帶，同時保留一定的柔性來適應(yīng)不均勻沉降引起的接頭變形[13]。本文參考長安大學(xué)所實施的縮尺模型試驗[14]，結(jié)合試驗場地、加載設(shè)備和火源功率等條件的限制，選擇以1∶5的縮尺比例對沉管隧道進行設(shè)計。沉管隧道試驗?zāi)Ｐ偷拈L度、寬度和高度分別為：5.80 m、7.59 m和2.28 m。頂板、折拱、側(cè)墻和底板厚度均為300 mm，中墻厚度為160 mm，采用C50混凝土和HRB400鋼筋建造?？v向筋和橫向筋采用直徑為20 mm的鋼筋，其屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力分別是452 MPa和595 MPa。至火災(zāi)試驗當(dāng)天，混凝土的齡期為438 d。對6組混凝土立方體試樣進行測試，得到混凝土平均抗壓強度為60.2 MPa。沉管隧道原型和縮尺試驗?zāi)Ｐ蛯Ρ热鐖D1所示，沉管隧道試驗?zāi)Ｐ偷慕孛娉叽缛鐖D2所示。

圖1 沉管隧道原型與縮尺試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Prototype and scale test model of immersed tunnel

圖2 沉管隧道試驗?zāi)Ｐ徒孛鍲ig.2 Section of test model of immersed tunnel

本文試驗?zāi)M火災(zāi)類型選擇隧道中發(fā)生可能性較高的烴類火災(zāi)，選擇HCinc曲線作為試驗升溫曲線。HC曲線也稱為碳氫曲線，用來描述化學(xué)品運輸罐、汽油箱、汽油罐等在隧道中燃燒時的溫度變化規(guī)律。HC曲線乘以系數(shù)α(α=1 300/1 080)成為HCinc隧道火災(zāi)升溫曲線，可以用來描述更為嚴重的隧道火災(zāi)，HC曲線、HCinc曲線及其他火災(zāi)場景研究中常見的升溫曲線見圖3所示。HC曲線中溫度與時間的關(guān)系，可以采用式(1)表示：

Tt-T0=1 080(1-0.325e-0.167t-0.765e-2.5t)

(1)

式中：Tt為火災(zāi)發(fā)展到t時刻煙氣平均溫度，℃；t為火災(zāi)持續(xù)時間，min；T0為初始環(huán)境溫度，℃；e為自然常數(shù)。

圖3 常見的火災(zāi)升溫曲線Fig.3 Common fire temperature-rising curves

本文火災(zāi)試驗燃燒系統(tǒng)采用輕柴油作為燃料，輕柴油在燃燒機內(nèi)汽化并與新鮮空氣混合均勻后在噴嘴噴出火焰，為隧道內(nèi)部提供熱量?；馂?zāi)試驗爐設(shè)計原理為熱平衡法，即：根據(jù)能量守恒原理[15]，火災(zāi)試驗爐內(nèi)在任意時刻都處于熱平衡狀態(tài)，輕柴油燃燒生成的熱量等于爐壁吸收熱量和排出爐室高溫?zé)煔鈳ё叩臒崃恐汀Ｍㄟ^在隧道兩側(cè)建造爐墻，隧道內(nèi)部形成的封閉空間作為火災(zāi)試驗爐室。建造沉管隧道時，在沉管隧道底部預(yù)先砌筑排煙通道，試驗爐內(nèi)的高溫?zé)煔馔ㄟ^隧道底板的排煙孔經(jīng)排煙通道排出爐室，排出爐室的高溫?zé)煔庥捎跍囟群芨?，從而無法直接通過引風(fēng)機排出，所以在高溫?zé)煔膺M入引風(fēng)機前，通過水噴淋降溫系統(tǒng)進行降溫，同時對高溫?zé)煔膺M行過濾，防止?fàn)t室內(nèi)的廢氣污染環(huán)境[16]。沉管隧道雙孔火災(zāi)試驗爐如圖4所示，排煙降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 沉管隧道雙孔火災(zāi)試驗爐Fig.4 Fire test furnace in double tubes of immersed tunnel

圖5 沉管隧道雙孔火災(zāi)試驗爐排煙降溫系統(tǒng)Fig.5 Smoke exhaust and cooling system of double-tube fire test furnace of immersed tunnel

火災(zāi)下的高溫環(huán)境是導(dǎo)致沉管隧道結(jié)構(gòu)損傷和破壞的關(guān)鍵因素，爐室溫度和沉管隧道結(jié)構(gòu)溫度是重點測量數(shù)據(jù)。本文試驗通過布置在試驗爐內(nèi)的12個S型熱電偶測量爐室溫度，通過在混凝土內(nèi)預(yù)埋的K型熱電偶測量沉管隧道結(jié)構(gòu)溫度?；炷羶?nèi)的水分通過裂縫溢出，試驗爐的高溫?zé)煔膺M入裂縫，導(dǎo)致混凝土裂縫處的溫度和周圍混凝土的溫度存在差異。在本文試驗中，通過紅外熱像儀對沉管隧道頂板的連續(xù)溫度場進行監(jiān)測，實現(xiàn)同時對混凝土、混凝土裂縫及裂縫中溢出的水蒸氣溫度的測量。

1.2 紅外熱像儀測試方法

紅外熱成像檢測原理是利用紅外輻射對物體或材料表面溫度進行檢測，紅外熱像儀將物體輻射出的紅外光信號轉(zhuǎn)換為電信號，成像裝置對物體表面溫度的空間分布經(jīng)軟件處理后輸出信號，得到與物體表面溫度場相對應(yīng)的熱像圖[17]。紅外輻射不僅與物體的熱力學(xué)溫度和紅外光波長有關(guān)，還與構(gòu)成檢測物體的材料性質(zhì)、表面狀態(tài)有關(guān)。一般物體表面溫度與其紅外輻射功率的關(guān)系如式(2)所示：

M=εσT4

(2)

式中：M為物體表面單位面積輻射的紅外輻射功率，W/m2；T為物體表面的熱力學(xué)溫度，K；σ為玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W/(m2·K4)；ε為物體的熱輻射率，0<ε<1。

利用紅外熱成像法，可以靈敏地探測到導(dǎo)熱系數(shù)較小、表面熱輻射率較大物體的紅外輻射，而混凝土就屬于這種性質(zhì)的物體。在進行紅外成像檢測時，火災(zāi)相當(dāng)于外加熱源，沉管隧道被加熱時混凝土微元體吸收的熱流量導(dǎo)數(shù)等于微元體內(nèi)能的增量，如式(3)：

(3)

導(dǎo)熱微分方程為式(4)：

(4)

式(3)～(4)中：t為溫度，℃；λ為導(dǎo)熱率，W/(m·℃)；τ為時間，s；ρ為密度，kg/m3；α為熱擴散率，m2/s；c為比熱容，J/(kg·℃)。

在相同條件下，火災(zāi)環(huán)境中不同損傷程度的混凝土試件表面溫度及其紅外熱像特征之間的差異，主要取決于混凝土的熱擴散率α，而α由代表材料本身性質(zhì)、內(nèi)部狀態(tài)的參數(shù)λ，ρ，c決定。利用紅外熱輻射、表面溫度、材料特性三者之間的內(nèi)在關(guān)系，通過物體表面紅外輻射可以較為準確地確定物體表面的溫度，進而推定材料特性?；炷两Y(jié)構(gòu)發(fā)生開裂時，受火側(cè)熱量向背火側(cè)傳遞，裂縫處溫度和周圍混凝土溫度存在差異。尤其在火災(zāi)環(huán)境中，混凝土內(nèi)部水分從裂縫中溢出到混凝土表面，當(dāng)混凝土出現(xiàn)貫通裂縫時，受火側(cè)的高溫?zé)煔馔ㄟ^裂縫從被背火側(cè)溢出，此時裂縫處溫度變化較為顯著。因此，通過對混凝土裂縫溫度的監(jiān)測可以分析火災(zāi)環(huán)境中混凝土的開裂情況。

本文試驗中，頂板開裂后，水和水蒸氣從混凝土裂縫中溢并出覆蓋在混凝土表面，紅外熱像儀接收到水和水蒸氣的紅外輻射。在沉管隧道頂板表面逐漸被裂縫中溢出水覆蓋的過程是1個相對緩慢的過程，需要選擇恰當(dāng)時間將紅外熱像儀采集設(shè)備中的被測物體混凝土的熱輻射率(0.94)改為水的熱輻射率(0.957)。頂板裂縫開展和水跡蔓延情況隨時間變化如圖6所示，在火災(zāi)持續(xù)35 min時，頂板外側(cè)的裂縫中少部分區(qū)域已經(jīng)充滿水，此時調(diào)整紅外熱像儀測量的熱輻射率。在火災(zāi)持續(xù)58 min時，頂板外表面大部分區(qū)域已經(jīng)被水覆蓋，同時開始有高溫水從裂縫中溢出。

圖6 不同的持續(xù)燃燒時間下頂板外表面水分溢出情況Fig.6 Water overflow on outer surface of ceiling at different continuous combustion time

2 試驗結(jié)果分析

2.1 沉管隧道結(jié)構(gòu)溫度場分析

向沉管隧道施加機械載荷，并保持12 h載荷施加時間，使沉管隧道結(jié)構(gòu)變形和沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)。在沉管隧道左、右兩側(cè)孔內(nèi)實施火災(zāi)試驗，火災(zāi)試驗過程中沉管隧道的外荷載保持不變。隧道左、右兩側(cè)孔火災(zāi)試驗包含升溫和降溫2個階段，升溫階段持續(xù)時間為245 min，降溫階段持續(xù)時間為360 min。在有效爐溫測點測得沉管隧道左右兩側(cè)火災(zāi)試驗爐內(nèi)的平均爐溫變化曲線如圖7所示。在火災(zāi)試驗前期，試驗爐升溫速率滯后于HCinc升溫曲線，后期爐溫曲線逐漸接近HCinc升溫曲線，造成此現(xiàn)象的原因是：1)混凝土含水率較高，在前期混凝土中水分蒸發(fā)帶走了大量的熱；2)燃燒機中柴油燃燒不充分導(dǎo)致燃燒機無法達到最大熱功率，所以火災(zāi)前期試驗爐內(nèi)升溫速率較低。

圖7 沉管隧道左、右兩側(cè)孔火災(zāi)試驗爐爐溫變化曲線Fig.7 Temperature change curves of fire test furnace in both tubes of immersed tunnel

通過在隧道內(nèi)部預(yù)埋的K型熱電偶，測量沉管隧道頂板的溫度變化，如圖8所示?？梢钥闯?，在火災(zāi)試驗過程中，左右兩側(cè)孔靠近受火面的2個混凝土測點(LC2-0 mm、LC2-30 mm)溫度幾乎和左右兩側(cè)孔內(nèi)的平均爐溫一致。這是因為混凝土發(fā)生爆裂，預(yù)埋在混凝土中熱電偶暴露在火災(zāi)環(huán)境中，熱電偶測量的不再是混凝土的溫度而是爐溫。在靠近背火面的測點如：LC2-120 mm、RC2-120 mm等，在升溫至100 ℃左右時，會出現(xiàn)約50～70 min停滯，而且越靠近背火面測點升溫停滯的時間就越長，這種現(xiàn)象被稱為“溫度平臺”。混凝土的升溫曲線中出現(xiàn)“溫度平臺”主要是受到混凝土中水分影響，水在100 ℃左右時會劇烈沸騰變成水蒸氣，這個過程中帶走大量的熱，抑制混凝土溫度上升，使混凝土升溫曲線出現(xiàn)一段“溫度平臺”。直到混凝土中液態(tài)水被逐漸蒸干后，混凝土的升溫速度恢復(fù)正常?？拷芑鹈娴膮^(qū)域得到熱量多、升溫速度快，水分可以被快速蒸干，所以“溫度平臺”現(xiàn)象不夠明顯?？拷郴鹈娴膮^(qū)域，得到熱量少、升溫速度慢，并且高溫區(qū)域的水分會向背火面區(qū)域遷移，背火面區(qū)域水分含量升高，導(dǎo)致水分需要很長時間才能被蒸干，所以“溫度平臺”現(xiàn)象相對靠近受火面的區(qū)域更明顯。

圖8 火災(zāi)試驗過程中頂板混凝土溫度變化曲線Fig.8 Temperature change curves of concrete at ceiling during fire test

由于混凝土導(dǎo)熱性較差，混凝土內(nèi)的溫度梯度較大，升溫過程中，頂板的受火面和背火面的溫差如圖8(c)所示，可以看出受火面和背火面的溫差大概可以達到1 227.2 ℃，而頂板爆裂后的平均厚度約為237.77 mm。頂板受火側(cè)和背火側(cè)較高的溫差意味著頂板內(nèi)部的熱應(yīng)變難以協(xié)調(diào)，即受火側(cè)溫度較高，熱膨脹量較大，而背火側(cè)溫度較低，未發(fā)生相應(yīng)的熱膨脹，并且限制受火面的熱膨脹，從而導(dǎo)致沉管隧道受火側(cè)受壓，背火側(cè)受拉。當(dāng)沉管隧道內(nèi)外側(cè)溫差達到一定程度時，背火側(cè)的拉應(yīng)力會達到混凝土的極限抗拉強度而發(fā)生開裂。

紅外熱像儀雖然可以對連續(xù)的溫度場進行測量，但是只能測量物體表面的溫度。在沉管隧道火災(zāi)試驗過程中，紅外熱像儀監(jiān)測到的隧道頂板表面溫度在不同時間成像如圖9所示。需要說明的是：紅外熱像儀的監(jiān)測角度較小、試驗場地條件有限，難以將紅外熱像儀布置在較為理想的位置，紅外熱像儀只監(jiān)測到頂板的部分區(qū)域。可以看出在100 min時，頂板表面大部分區(qū)域溫度較低時，在頂板開裂區(qū)域(約在隧道1/3橫截面處)的溫度明顯較高，紅外熱像儀監(jiān)測到的高溫區(qū)域是因為頂板高溫區(qū)域的水分從裂縫中遷移到了頂板外表面。

圖9 火災(zāi)試驗過程中不同時間頂板紅外圖像Fig.9 Infrared images of ceiling at different time during fire test

2.2 沉管隧道開裂深度分析

混凝土中的水分向背火面遷移的主要原因是受到高溫區(qū)域水蒸氣壓力驅(qū)動?；馂?zāi)高溫下混凝土中的水分轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵?，體積膨脹導(dǎo)致混凝土中的水蒸氣壓力增大，高壓水蒸氣向低壓區(qū)域擴散，水蒸氣在擴散過程中溫度逐漸降低，凝結(jié)為液態(tài)水，不斷在低溫區(qū)域積聚。有學(xué)者通過CT掃描研究了高溫下混凝土中水分遷移特性[18]，如圖10所示，在800 ℃下混凝土中水分遷移速度較為緩慢，低溫區(qū)域的含水率雖然有所升高但是變化速度較為緩慢。有學(xué)者指出可以不考慮混凝土中液態(tài)水的遷移性[19]，認為短時間內(nèi)液態(tài)水無法在混凝土內(nèi)發(fā)生流動，只有當(dāng)混凝土發(fā)生開裂，混凝土內(nèi)部的液態(tài)水才能快速溢出，從而通過對裂縫中溢出水分的分析推斷出裂縫的開展情況。

圖10 800 ℃下不同加熱時間混凝土中含水率對比Fig.10 Comparison of moisture content in concrete under different heating time at 800 ℃

紅外熱像儀監(jiān)測沉管隧道頂板表面的溫度包括：混凝土表面溫度、裂縫中溢出水和水蒸氣溫度。裂縫中溢出水和水蒸氣溫度來自于距離受火面更近的高溫區(qū)域，其溫度高于周圍混凝土溫度，由圖9所示的紅外圖像可以看出，裂縫處的溫度較高。在紅外圖像中提取混凝土裂縫溢出水和水蒸氣的溫度數(shù)據(jù)，和熱電偶測得的頂板混凝土表面溫度進行對比，如圖11所示，在30 min時，混凝土裂縫溢出水和水蒸氣的溫度開始緩慢升高，而頂板混凝土表面溫度和環(huán)境溫度接近；到60 min時，混凝土裂縫中水和水蒸氣的溫度快速升高，并且在較短時間內(nèi)升高到82.8 ℃；95 min之后從裂縫中溢出的水和水蒸氣的溫度一直保持在較高溫度。紅外熱像儀監(jiān)測頂板混凝土表面溫度變化和頂板表面的宏觀試驗現(xiàn)象基本一致。圖6所示中，在27 min時，觀測到頂板混凝土裂縫中溢出的水分逐漸增多；在58 min時，觀測到混凝土裂縫中開始有高溫水溢出。

圖11 頂板混凝土表面溫度與混凝土裂縫中溢出水和水蒸氣溫度的溫度對比Fig.11 Comparison of surface temperature of concrete at ceiling and temperature of overflow water and vapor in concrete cracks

假設(shè)短時間內(nèi)水分在混凝土中的遷移忽略不計，頂板表面的水和水蒸氣通過裂縫從混凝土內(nèi)部溢出，由于混凝土背火面溫度較低，水和水蒸氣從高溫區(qū)域向背火面遷移過程中，不斷被降溫。在本文試驗火災(zāi)前期，由于裂縫較小，水和水蒸氣遷移速度較慢，容易被背火面低溫混凝土降溫，僅有少量液態(tài)水溢出，并且溫度沒有明顯升高，水蒸氣被快速降溫凝結(jié)成液態(tài)水。隨著火災(zāi)的進行，受火面溫度逐漸升高，在火災(zāi)高溫作用下，高溫區(qū)較高的水蒸汽壓力驅(qū)使混凝土內(nèi)的水和水蒸氣向水蒸氣壓力較低的背火側(cè)遷移，由于水和水蒸氣在混凝土裂縫內(nèi)可以快速流動，雖然被低溫區(qū)域的混凝土降溫，但是損失熱量較少。如圖12所示，水和水蒸氣通過混凝土裂縫快速溢出。

圖12 火災(zāi)持續(xù)95 min時，頂板混凝土裂縫中溢出高溫水蒸氣Fig.12 High temperature vapor overflowed from concrete cracks of ceiling at 95 min of fire test

根據(jù)高溫下水分在混凝土中遷移的機理，繪制本文試驗中水和水蒸氣在混凝土中遷移的示意圖，如圖13所示。大部分水蒸氣在混凝土中只遷移了很小的一段距離，短時間內(nèi)液態(tài)水在混凝土中難以遷移，假如不考慮液態(tài)水在混凝土中的遷移，水和水蒸氣主要通過混凝土裂縫中實現(xiàn)快速遷移?；谶@種假定，可以根據(jù)從裂縫中溢出的水和水蒸氣的溫度結(jié)合混凝土內(nèi)的溫度場分布來推斷火災(zāi)過程中混凝土裂縫的開展情況。在95 min時，裂縫中的水和水蒸氣達到82.8 ℃，水和水蒸氣來自于溫度超過82.8 ℃的區(qū)域。因此，可以推斷此時裂縫擴展到溫度超過82.8 ℃的區(qū)域，對比此時混凝土內(nèi)溫度場分布，推斷此時裂縫擴展深度達到150 mm以上。沉管隧道火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ晚敯宓暮穸葹?00 mm，在95 min時，背火側(cè)的裂縫深度已超過頂板厚度的一半。在混凝土內(nèi)部，水分通過裂縫從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域遷移過程中會不斷被降溫，因此根據(jù)水和水蒸氣的溫度推斷出的裂縫深度比實際深度略小一些。對于沉管隧道這種水工結(jié)構(gòu)，混凝土開裂十分危險，在對其進行抗火設(shè)計時不僅需要關(guān)注火災(zāi)下其結(jié)構(gòu)承載力的降低，也應(yīng)該考慮由于火災(zāi)高溫導(dǎo)致的混凝土開裂的情況。火災(zāi)升溫和降溫交替作用下，混凝土?xí)l(fā)生背火面和受火面的交替開裂，容易形成貫穿裂縫，貫穿裂縫導(dǎo)致沉管隧道發(fā)生滲漏會直接影響沉管隧道的安全，即使混凝土未形成貫穿裂縫，嚴重的開裂也會導(dǎo)致鋼筋暴露在海洋氯化物環(huán)境中，加速鋼筋的腐蝕，從而降低沉管隧道的使用年限。

圖13 火災(zāi)試驗中混凝土內(nèi)溫度場分布和水分遷移Fig.13 Temperature field distribution and moisture migration in concrete during fire test

3 結(jié)論

1)火災(zāi)高溫下混凝土中水分會受熱變成水蒸氣，使混凝土內(nèi)部形成高壓驅(qū)使水分在混凝土內(nèi)發(fā)生遷移，由于混凝土結(jié)構(gòu)致密、滲透率低，水和水蒸氣在混凝土內(nèi)主要通過裂縫實現(xiàn)遷移。

2)通過紅外熱像儀同時監(jiān)測到混凝土及裂縫中溢出水和水蒸氣的溫度變化，裂縫中的高溫水和水蒸氣主要來自于混凝土受火面的高溫區(qū)域，根據(jù)裂縫中水和水蒸氣的溫度變化，結(jié)合混凝土內(nèi)的溫度場分布，推斷出在火災(zāi)持續(xù)時間至95 min時，頂板背火面裂縫深度超過150 mm。

3)沉管隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時，升溫階段隧道背火面發(fā)生開裂；降溫階段隧道受火面發(fā)生開裂，隧道內(nèi)外側(cè)交替開裂會形成混凝土貫穿裂縫，導(dǎo)致沉管隧道發(fā)生滲漏。混凝土開裂導(dǎo)致鋼筋暴露在海洋氯化物環(huán)境中，加速鋼筋的腐蝕，從而降低沉管隧道的使用年限。因而在對沉管隧道進行抗火設(shè)計時，應(yīng)該考慮內(nèi)外側(cè)溫差導(dǎo)致的混凝土開裂問題。