刘雪勇

(上海城建物资有限公司隧鼎混凝土分公司，上海 200124)

0 引言

特长隧道火灾安全问题是一个国际性难题。由于特长隧道内部狭窄，加之两侧封闭的独特结构，车辆及车上人员疏散困难，一旦发生火灾，高温烟气在隧道内的流动路径较长，所造成的损失十分惨重。在现实火灾中，混凝土爆裂已成为结构破坏的主要因素之一［1－2］。混凝土结构表面受热后会产生爆裂现象，且在混凝土底层冷却后会出现深度裂纹。火灾时混凝土内部蒸汽压对周围混凝土产生巨大的压力，加剧衬砌混凝土的剥落、爆裂，甚至造成结构的坍塌;尤其是高强度混凝土，由于其致密、脆性大、渗透性低，导致其抗火性不好，容易爆裂，产生大的塌陷，侧壁也会失去稳定，危及救火人员的生命，造成更大的生命财产损失。对于单层衬砌的水下盾构隧道，若发生火灾，在高水压和软土环境中衬砌修复工作很难开展，这将对进入火灾事故点附近的消防人员造成极大的安全威胁，进而延误消防人员的救灾时间，加剧火灾对隧道结构的破坏［3－4］。

近几年来，我国在隧道抵抗火灾设计方面已经取得了一系列的进展。在结构抗火设计方面，目前主要采取在集中排烟模式下的排烟道顶隔板结构来提高隧道的抗火性和火灾情况下人员的人身安全。在材料方面，目前的研究主要集中在结构混凝土及钢筋材料的性能上。采用合适的混凝土掺合料以减小混凝土在火灾后的裂缝，利用防火材料的特殊性能阻断部分燃烧能量［5－6］，但对具有工程实际使用意义的结构抗火性的全面分析与提高尚有待进一步加强研究，且混凝土结构高温耐火试验的文献资料也相当少见，特别是燃烧温度高达1 200℃的耐火试验更是未见报道。隧道混凝土烟道板的耐火性能研究是提高隧道火灾安全性的重要措施，因此，非常有必要对其进行系统研究。

本文针对上海长江隧道工程的具体工况，从隧道结构设计、烟道板耐火设计、耐火混凝土配制、混凝土耐火性能评价等角度对隧道混凝土烟道板抗火性能进行研究，以全面提高隧道的抗火防爆性。着重对混凝土烟道板结构进行耐火性能试验，评估其抗火性能，并应用于工程实践中，以提高隧道在火灾条件下的安全可靠性。

1 构件耐火试验标准及烟道板抗火设计

隧道烟道板结构防火保护标准有火灾升温曲线和耐火时间2项内容。隧道烟道板构件的抗火设计及耐火试验与上述2项内容密切相关。其中耐火时间是衡量结构抗火性能的重要指标，在同一火灾升温曲线条件下，耐火时间越长，结构的抗火性越好，隧道烟道板结构的耐火时间指标要求根据工程设计的不同要求各异。对于隧道火灾升温曲线，目前国际上共有4种(见图1)，且各有适用范围。其中:①为适用于开敞环境条件下的碳氢化合物燃烧特性的曲线;②为适用于封闭环境条件下的改良碳氢化合物燃烧特性的曲线;①、②碳氢化合物曲线适用于可能发生小型石油火灾的隧道，如汽车油箱、小型汽油罐起火;③为隧道内单一车辆燃烧的RABT曲线;④为适用于通行油罐车或易燃物货车的RWS曲线，该曲线是由荷兰试验室模拟的最糟糕的火灾情况(油罐车燃烧释放潜热值为300 MW的热量，并持续燃烧120 min)而确定的。

图1 隧道火灾升温曲线Fig.1 Temperature curves of fire

世界各国的隧道设计中，即便采用了同一种火灾升温曲线，仍会根据自己的国情、工程条件做适当调整，而国内隧道工程建设对于隧道防火设计的认识是一个逐步发展的过程。随着人们对隧道火灾危害认识的日益提高，隧道防火的设计标准逐渐与国际接轨。目前实施的GB 50016—2006《建筑设计防火规范》中规定:1，2类隧道内承重结构体应采用RABT标准升温曲线，3类隧道的耐火极限采用HC标准升温曲线［7］。

上海长江隧道长约8.9 km，内径为13.7 m，外径为15.0 m，是当时世界上直径最大的盾构隧道之一。该工程为国家重点工程，对隧道的防火设计极为重视。为提高隧道在火灾下的抗火安全性，采用集中排烟模式下的排烟道顶隔板结构，并对烟道板的抗火性能提出了较高的设计要求。预制烟道板横向跨度为9.6 m，厚度为0.25 m，纵向宽度为1.2 m，采用 C40钢筋混凝土结构。为满足防火防爆裂需要，设计要求在混凝土中掺入2.5 kg/m3分散状单丝聚丙烯纤维。

该工程烟道板属于1，2类隧道内的承重结构，从保证隧道抗火安全性的角度出发，按《建筑设计防火规范》中规定采用RABT标准升温曲线进行构件耐火试验测试，其抗火性设计要求耐火极限不低于30 min，混凝土结构在火烧30 min时所产生的损伤不大于中度损伤状态(损伤评级见表1)。耐火极限的判定标准为:在车行道上着火后，当距离烟道板混凝土底表面25 mm处的钢筋温度超过300℃，或者混凝土表面温度超过380 ℃时［8］。

2 混凝土配合比设计

2.1 设计理念

混凝土火灾试验研究表明，由于混凝土中含有水分，当受到高温加热时，水蒸汽的膨胀压力将导致隧道衬砌发生崩裂的温度点大大降低。若在混凝土中添加防火纤维，当纤维遇热熔化后，能够形成一个水蒸汽通道，减小混凝土内部的压力，防止混凝土高温下爆裂［9］。

表1 盾构隧道结构火灾损伤评定分级建议Table 1 Fire damage assessment of shield tunnel structure

防火抗爆裂混凝土配制的关键在于防火抗爆裂材料的选择上。因此，本工程的耐火混凝土配合比在设计时，除了采用适当的水胶比及大量掺加复合矿物掺合料的技术手段外，还添加了具有良好耐火防爆性能的聚丙烯纤维，并进行耐火试验检验其防火性能，从而配制出能满足使用要求的防火抗爆裂纤维混凝土。

2.2 混凝土配合比

配合比主要参数如表2所示。

表2 配合比主要参数Table 2 Mixing proportions

2.3 混凝土基本性能

混凝土基本性能如表3所示。

表3 混凝土基本性能Table 3 Concrete performance

3 混凝土耐火性能试验

3.1 试验条件与方法

本次防火试验从设备的先进性、试验单位的权威性、燃烧炉升温曲线的适用性等方面考虑，最终选择了“远东防火试验中心”，采用小型卧式炉进行试验。使用掺加防火纤维的混凝土制作试件，以钢筋混凝土试件做对照，每组试件为2块，试件尺寸为0.65 m×3.045 m×0.25 m(长×宽×高)。用气燃烧器在正面点燃燃烧室，在燃烧试验时操纵和控制燃烧室内温度，用NiCr－Ni壳式热能元件与远程控制记录系统结合，参照RABT标准升温曲线进行温度控制。在全部测试过程中，用热电偶接收钢筋混凝土试样中的温度。

3.2 耐火试验现象

试件经120 min升温(最高温度为1 100℃)试验后，结构基本完整。试验期间试件完整性良好，挠曲变形很小，未发生混凝土爆裂、表层脱落或严重爆裂等现象。从试件的温度变化图中(见图2)可以看出，在火烧30 min时，混凝土表面的温度远远小于380℃，因此，可以判定其耐火极限大于30 min，满足耐火设计要求。

图2 试件温度曲线图Fig.2 Curves of sample temperatures

试件经火烧后混凝土呈灰白色，火烧面出现多条不规则裂缝，试件侧面出现横向裂缝，试件损伤深度7～10 cm，酥松深度4～7 cm，试件挠度13.95 mm，回弹法测试的混凝土抗压强度残余百分比为53.3%，超声波声速比为0.8，试件为中度损伤，符合火灾损伤评级的耐火要求。

4 工程应用

通过对工作性、力学性能及耐火性能的测试，该耐火混凝土完全能满足上海长江隧道烟道板的设计及工程施工要求;因此，把该耐火混凝土配方应用于烟道板的实际预制生产中。整个生产过程中，混凝土的各项性能指标均满足设计要求，未出现任何质量问题，所有烟道板预制构件均通过验收，上海长江隧道工程也已完满竣工。可以说，该耐火混凝土具有较好的防火抗爆性能，在工程应用中取得了良好效果。

5 结论与讨论

1)利用RABT标准升温曲线进行混凝土板耐火试验，验证了文中所设计的C40混凝土配方具有良好的耐火性能，能满足上海长江隧道工程的设计与施工要求。

2)在混凝土中加入聚丙烯纤维能使其获得较好的防火抗爆性能，建议在隧道烟道板的混凝土配方中加入适量的分散状聚丙烯纤维，掺量为2～3 kg/m3。

3)烟道板混凝土配合比在设计时，不仅要考虑其工作性和力学性能，还需考虑其耐火性。

从实际工程需求来说，耐火混凝土的需求量远远小于普通商品混凝土。相应地，人们对其关注也较少，关于耐火混凝土的配合比设计与抗火性能评价的相关研究更是少见。本文研究为隧道烟道板耐火混凝土的应用提供了一些参考依据，对工程实施具有实际的指导意义，但对混凝土在高温下的微观状态及耐火机制方面尚有待进一步研究。国内学者可以抓住近年来隧道建设快速发展这一契机，对耐火混凝土的配制及耐火机制进行深入研究，加快耐火混凝土的工程应用，推动我国混凝土耐火技术的快速发展。

［1］ 姚坚，朱合华，闫治国.隧道结构防火保护措施现状及评析［J］.地下空间与工程学报，2007(4):150－154，159.(YAO Jian，ZHU Hehua，YAN Zhiguo.Reviews and analysis on fireproof measures used for tunnel structure［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2007(4):150 －154，159.(in Chinese))

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［3］ 张箭，王松林.高强混凝土耐火性浅谈［J］.科技资讯，2010(15):95.

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［7］ GB 50016—2006 建筑设计防火规范［S］.北京:中国计划出版社，2006.

［8］ 黄融.上海长江隧道关键技术与创新［M］.北京:人民交通出版社，2011.(HUANG Rong.Key technology and innovation of Shanghai Yangtze river tunnel［M］.Beijing:China Communications Press，2011.(in Chinese))

［9］ 徐志胜，段雄伟，吴德兴，等.含水量对隧道衬砌混凝土耐火性能影响试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2010(5):62 － 67.(XU Zhisheng，DUAN Xiongwei，WU Dexing，et al.Experimental research on influence for water content to the fire-resistant property of tunnel lining concrete［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2010(5):62 －67.(in Chinese))