公路隧道衬砌结构火灾损伤及检测评估技术研究.docx

论文题目： 公路隧道衬砌结构火灾损伤及检测评估技术研究

摘 要
山区公路隧道由于其结构狭长、空间小、道路窄、通风条件差、受火温度高等特点，一旦发生火灾，不能及时扑灭，后果极其严重。大火除了对隧道内的人员造成巨大伤害外，还会由于高温导致混凝土爆裂和力学性能的劣化，对衬砌结构产生不同程度的损坏，大大降低结构的承载力和安全性。火灾后，如何快速准确评估火灾高温对衬砌结构的损伤情况，及时制定隧道结构修复方案和加固补强方案，保证隧道结构的安全等方面有着实际的意义。
本论文的主要研究工作如下：
① 采用数控高温电炉加热方式，进行公路隧道衬砌结构混凝土试块烧蚀试验。通过四种不同等级（C20、C25、C30、C35）的隧道衬砌材料，四种受火温度（300℃、600℃、750℃、900℃）和三种受火时间（1小时、2小时、4小时）火损组合试验，深入研究分析衬砌材料的损伤表观特征和力学性能劣化，获得了强度、烧蚀厚度等物理力学指标与受火温度、时间的定量关系，获得回归数理方程；根据试验结果，分析评定了衬砌结构材料的火灾损伤程度，为隧道衬砌结构的承载力计算提供了理论依据。
② 建立了一种火灾工况下的隧道衬砌结构计算模型“广义荷载-结构模型” 。该模型为改进的荷载结构法，改梁单元为平面应变单元，实现了火灾工况与围岩荷载工况耦合；考虑了不同火灾场规模与衬砌内部温度大小之间的关系，材料参数选取方法与常规荷载结构法不同，实现了沿衬砌截面厚度方向定义衬砌截面各层的弹性模量值、泊松比等力学参数；可求得任意截面沿厚度方向的各应力值，便于分析衬砌任意截面内部应力的变化情况和确定损伤程度。
③ 基于烧蚀试验与“广义荷载-结构模型”，建立了火灾工况下两车道公路隧道衬砌结构安全性评估方法。以浅埋Ⅴ级围岩衬砌结构为例，详细分析了小汽车、公交车、重型货车、油罐车燃烧后，拱顶、拱腰、边墙等关键点沿衬砌厚度方向的应力变化。对比了衬砌厚度减薄前和减薄5cm、10cm、15cm、20cm后的结构承载力计算，应力较完整时均有所增加，但增加幅度没有超过原来的35%；衬砌整体结构在结构设计中，一般安全系数为2～3，即使衬砌减薄后，其应力增加幅度达到原来的35%，在结构设计安全系数的前提下损坏后的衬砌并不会超过其容许应力，虽然安全系数会降低，但结构仍然稳定。因此，可以排除拆毁衬砌结构的方案，仅需对损毁的衬砌结构进行修复补强。

关键词：火灾；公路隧道；衬砌结构；广义荷载-结构模型；损伤检测与评价

ABSTRACT
Owning to the characteristics such as long gallery, small room, narrow road, poor ventilation, high temperature etc , once fire occurred in a road tunnel in the mountain, it can’t be put out immediately and consequences will be extremely serious. High temperature of the fire can hazards the users, and it will lead to the burst and the deterioration of the mechanical function of concrete, and do the various degrees of damages to the lining structure, which will reduce the load capacity and safety of the structure. After the fire, how to assess the degree of damages of lining structure resulting from the high temperature quickly and accurately and make a plan for the repairment and reinforcement of the structure timely, and it has a practical meaning to the safety of the tunnel structure etc.
Main research work of this thesis are as follows:
① Adopting CN high temperature electric heating mode, test-component ablation test of highway tunnel lining structure concrete was undertaken.through experiment about the frie damages of lining materials in fire,which is constituted with lining materials in four level(C20、C25、C30、C35), temperatures in four level(300℃, 600℃, 750℃, 900℃) and time in three level(one hour,two hours,four hours), and then deeply analyzed the superficial characteristics and the deterioration of the mechanical function of concrete, and bulit the quantitative connection of detecting items with the temperature and time in fire, and obtained regression mathematical equations, and analyzd the degree and range of damages of lining structure, which can provide theoretical basis for the analyzing evaluation of the bearing capacity of the tunnel lining structure after the fire.
② A computation model " generalized load-structure model” was bulit,which can be used for calculate the bearing capacity of tunnel structure in fire conditions. This model is a improved load-structure method, changing the beam elements to plane strain elements, and achieving the coupled of the fire load condition and surrounding rock conditions. the selection method of parameters is different from the load-structure method.The definition of the lining elastic module poisson ratio etc mechanical parameters of each layer of the section is realized, in lining section thickness direction. the stress of any section in thickness direction can be obtained, internal stress of the changing situation and the degree of damage can facilitately analyzed and determined in lining arbitrary section.
③ Based on the ablation experiment and " generalized load-structure model ", established safety assessment method for two-lane highway tunnel lining structure in fire conditions. Taking lining structure at Ⅴ level in shallow surrounding rock as an example, undertook a detailed analysis the stress changes of the lining at key points of combustion, vault, arch waist, side-wall along the thickness direction after the fire cause by burning of the cars, buses, heavy trucks, tankers. the structure calculation of the thickness of the lining before and after the 5cm thiner, 10cm thiner，15cm thiner, 20cm thiner was contrasted, whose stresses increased,compared with the relatively complete structure, but the increasing rate did not exceed 35% of the original. Take the lining as the structural design, generally safety coefficient is for 2 ~ 3, even lining by thinning, the increasing rate of stress reached the original 35%, under the premise of the structural design safety factor, lining damaged will not exceed the allowable stress, although safe coefficient can be reduced, but structure is still stable. Therefore, can eliminate destroy lining structure scheme, only to take repairment and reinforcement to the damaged lining structure.
④ It should do the further research work at the practical application of the test evaluation method.
⑤ Through lining fire physical test and data analysis, numerical computation and fire examples of road tunnel, take evaluation for the safety of road tunnel lining structure system. The achievements was used for Da Baoshan tunnel of GungShao highway,fire test data in the field was analyzed and studied, then for each section of the damage level evaluation was done, obtained some the phenomenon has and conclusion with engineering guiding significance.

KEY WORDS:

目 录

第一章 绪论 1
1.1研究的背景 1
1.1.1国内外公路隧道火灾 1
1.1.2公路隧道火灾的发生原因 4
1.1.3 公路隧道火灾的特点 5
1.1.4隧道受火后衬砌结构的破坏形式 6
1.1.5 研究的目的和意义 7
1.2 国内外隧道防火研究现状及趋势 8
1.2.1 国内外相关的研究组织与机构 8
1.2.2 国内外开展的隧道防火安全研究项目 8
1.2.3隧道火灾安全方面的防灾法规、耐火性能及耐火对策 9
1.2.4高温钢筋混凝土结构的检测研究现状 10
1.3主要研究内容 12
1.4依托工程 13
第二章 公路隧道火灾场景分析 15
2.1标准火灾曲线 15
2.1.1 ISO 834曲线 15
2.1.2 HC曲线 16
2.1.3同济大学基准曲线 16
2.2 基于标准火灾曲线的公路隧道火灾场景 17
2.3 公路隧道火灾时间和温度变化情况 17
2.3.1火灾最高温度 17
2.3.2火灾最高温度持续时间 18
2.4 本章小结 18
第三章 衬砌混凝土试块烧蚀实验 19
3.1 实验原理与方法 19
3.2 试验仪器 20
3.3 试验试块的基本情况 22
3.4衬砌混凝土材料火损情况检测 23
3.4.1表面观测法 23
3.4.2 混凝土衬砌材料火损后的抗压强度试验结果及分析 30
3.4.3 超声波法检测 35
3.5本章小结 37
第四章 火灾工况下的衬砌结构承载力计算模型 38
4.1 常规荷载-结构模型 38
4.1.1 荷载-结构法基本原理 38
4.1.2 浅埋公路隧道围岩压力荷载计算 38
4.1.3 局部变形理论 41
4.1.4 梁单元有限元刚度矩阵 41
4.1.5 常规荷载-结构法的局限性 42
4.2 广义荷载-结构模型（火灾工况下） 42
4.2.1 弹簧-平面应变单元耦合体系 43
4.2.2 火灾工况选取原则 43
4.2.3 截面温度分布计算方法 47
4.2.4 火灾工况下材料参数取值方法 49
4.2.5 平面应变有限元刚度矩阵 51
4.2.6 节点力荷载计算方法 53
4.3 数值计算结果处理方法 54
4.3.1 衬砌结构的高温截面承载力的计算理论 54
4.3.2 高温下截面承载力的计算方法（等效截面法） 57
4.4 小结 58
第五章 两车道公路隧道承载力计算分析 60
5.1 隧道工程设计概况 60
5.2 数值计算步骤 61
5.3 数值模拟工况结果及分析 62
5.4 本章小结 72
第六章 火灾后衬砌结构的损伤评定 74
6.1 评价方法 74
6.1.1 火灾后隧道现场评价方法 74
6.1.2 模型试验评价方法 81
6.2 评价判定 81
6.2.1衬砌材料烧伤程度的评定 81
6.2.2火灾后衬砌材料的残余强度的评定 81
6.2.3浅埋公路隧道衬砌结构火灾损伤评定 81
6.3 隧道火灾后修复加固 82
6.4 本章小结 83
第七章 工程应用 85
7.1火灾情况简述 85
7.2隧道地质和设计概况 85
7.2.1工程地质情况 85
7.2.2水文地质情况 86
7.2.3不良地质情况 86
7.2.4隧道原设计情况简介 86
7.3检测依据 86
7.4表观检测检查结果 87
7.5衬砌混凝土性能超声检测 91
7.6 碳化深度检测 92
7.7 衬砌材料力学性能损伤检测 92
7.8 本章小结 94
第八章 结论与展望 96
8.1结论 96
8.2 进一步工作方向 97
致 谢 98
参考文献 99
在学期间发表的论著及取得的科研成果 101

第一章 绪论
1.1研究的背景
随着高速公路的快速发展，公路隧道建设也取得了显著成绩。截止07年底，我国公路隧道已达4673座，总长2556km。据不完全统计[1]，目前我国已建和在建的3000m以上特长公路隧道近60余座，5000m以上特长公路隧道达14座，其中秦岭终南山公路隧道达18.02km。但是，在公路隧道给人们生产、生活带来便利，越来越多被使用的同时，作为主要灾害的火灾也频繁发生。随着隧道长度、交通密度的增加，隧道发生火灾的潜在威胁在增大。由于环境的封闭性和逃生救援的困难性，使得隧道一旦发生火灾，往往造成严重的人员伤亡和巨大的社会影响和经济损失。大量的火灾实例也表明，一旦发生火灾，大火除了对隧道内的人员造成巨大伤害外，还会由于高温导致混凝土爆裂和力学性能的劣化，对衬砌结构产生不同程度的损坏，大大降低结构的承载力和安全性。
隧道防火是一个系统工程，衬砌结构耐火属于被动防火的范畴，其目标一方面是考虑在实际可能的火灾场景下，既有衬砌结构体系在火灾时以及火灾后的损伤机理、力学特性、耐火能力和残余承载能力，评价既有衬砌结构的火灾安全性，并针对存在的薄弱环节提出有效的补强措施。另一方面是为新建隧道结构体系的防火设计提供符合隧道实际情况的结构防火计算方法、有效的耐火方法和从防火角度考虑的设计、施工上的要求和措施，以全面提高隧道衬砌结构体系的耐火能力和安全性。因此，在高速公路快速发展的背景下，如何保证公路隧道衬砌结构的火灾安全至关重要，这也是目前管理、设计、施工、运营等部门面临的最重要的问题之一。
隧道的修建数量越来越多，以及交通量的不断增大，隧道火灾发生的风险也在不断增大，因此，对衬砌结构火灾安全性的评价以及如何提高衬砌结构的火灾安全性成为了一个重要的问题。因此，系统研究火灾对隧道衬砌结构的损害形式及机理以及研究隧道衬砌力学性能的变化，进而提出提高隧道衬砌结构耐火性能的方法也是当前一项重要的任务。
1.1.1国内外公路隧道火灾
自上世纪80年代后期，国际隧协提出“大力发展地下空间，开始人类新的穴居时代”的倡议以来，地下空间开发利用作为解决人口、环境、资源三大难题的重大举措，在世界各国得到了积极的响应。特别是城市交通隧道作为立体交通方式之一，不仅可以缓解城市交通压力，解决交通干线跨江越海受到的限制，而且可以缩短线路里程，降低对周围环境和人民生产、生活的影响。但是，在交通隧道给人们生产、生活带来便利，越来越多被使用的同时，作为主要灾害的火灾也频繁发生，并造成了巨大的社会影响和经济损失。例如公路隧道火灾方面，典型的案例有：1998年中国盘陀岭第二公路隧道火灾，1999年勃郎峰公路隧道火灾，1999年托恩公路隧道火灾，2000年10月24日圣哥达公路隧道火灾，2002年1月10日中国甬台温公路猫狸岭隧道火灾以及2005年6月4日弗雷瑞斯公路隧道火灾等。
表1.1国外隧道重大火灾事故统计[5] [6] [22] [23]
Table 1.1 Great fire accident statistics of foreign tunnels
序号
发生
时间
发生
地点
长度（m）
起因
损失情况
衬砌破坏情况
1
1967.03
日本铃鹿公路隧道
246
载有600个苯乙烯制冰激积容器的大型卡车进入隧道30m,突然马达失火
造成停车使后续汽车堵车，加上风势使13辆汽车，伤2人
不详
1
1979.07
日本烧津隧道
不详
两辆卡车及随后的车相互碰撞引起火灾
死亡7人，伤1人，烧毁汽车174辆。经济损失至少67亿日元，烧了将近10天时间。
不详
2
1999.03
勃朗峰隧道
11500
一辆装黄油的车自燃引起大火
死41，毁车34辆
交通中断一年半以上
混凝土穹隆全部沙化，路面沥青全部被烧成了泡沫翻腾的粘稠浆体
3
2001.10
瑞士圣哥达隧道
16321
两货车迎面相撞，引起爆炸起火
11人死亡，128人失踪

4
2003.06
韩国弘智门隧道
不详
撞车
伤约30人
不详
在我国的各种隧道中，也曾发生大量的隧道火灾事故，表1.2为您我国公路隧道的部分重大火灾事故统计。
表1.2国内隧道重大火灾事故统计[8] [12] [14] [32]
Table 1.2 Great fire accident statistics of domestic tunnels
序号
发生时间
发生地点
起因
损失情况
衬砌破坏情况
1
1977
上海打浦路隧道
大客车油箱与地面露出的钢筋碰撞起火
5人死亡，23人受伤
隧道结构遭到较破坏
2
1991
上海延安东路隧道
公交车辆电器线路起火
无人员伤亡
隧道结构遭到较破坏
3
1998
福建盘陀山第二公路隧道
交通事故
不详
隧道结构严重普坏，一些地方钢筋裸露，衬砌开裂，50m范围的衬砌产生严重的破坏，拱部和边墙受到了严重破坏，混凝土大面积剥落或掉块,纵向、环向开裂，剥落深度达 0 .1～ 0 .18ｍ
4
2005
浙江牛廷岭隧道
撞车起火
多人受伤
隧道结构严重破坏，一些地方钢筋裸露，衬砌开裂
5
2006
浙江四角尖隧道
车祸事故
不详
隧道结构遭到轻微破坏
6
2006
广东北温泉隧道
货车因轮胎爆裂磨擦引起自燃
无人员伤亡
造成隧道内温度较高，隧道顶部被火烤的部位出现碎石松脱的现象
7
2008
京珠高速公路南行大宝山隧道
载有化学危险品“二甲苯”的槽罐车被一辆半挂大货车追尾相撞
不详
50m范围的衬砌产生严重的破坏，拱部和边墙受到了严重破坏，混凝土大面积剥落或掉块,纵向、环向开裂，剥落深度达 0 .1～ 0 .18ｍ
8
2010
无锡惠山隧道
无锡市雪丰钢铁公司一夜班接送车突然起火
死24人，伤19人
隧道结构遭到轻微破坏
对案例的分析表明，火灾中最高温度集中在900℃～1200℃，其比例占75％左右，超过1200℃的案例约占12％。由于这些案例与重型货车有关，因此，可以认为卡车的火灾最高温度的分部范围为900℃～1200℃
对于火灾持续时间的分析表明，持续时间为1～4小时的案例所占的比重最大，大约占72.7％，因此重点分析火灾时间为4小时之内的火灾情况，受火时间分为1小时，2小时和4小时；主要集中在短、中隧道。但值得注意的是，有的长隧道和特长隧道的火灾时间要远远大于4小时，例如：1999年法—意间勃朗峰隧道（L=11.6km）火灾持续了55小时；瑞士圣哥达隧道（L=16.3km）火灾持续了48小时。因此，在火灾火灾场景的设计中，需要根据隧道的长度的增加变化火灾持续时间。
尽管公路隧道火灾的发生率不高，然而一旦发生，大火不但会对隧道的人员造成生命危险，还会由于高温导致混凝土爆裂和力学性能的降低，对衬砌结构造成不同程度的损坏，大大降低结构强度和安全性，降低结构体系的承载能力和减少使用寿命。以下列举几起具有典型性的公路隧道案例。
典型的案例如下：
1998年中国盘陀岭第二公路隧道火灾，拱部和边墙受到严重破坏，混凝土大面积剥落或掉快，深度达10—18cm,衬砌出现环向和纵向裂缝，表面出现白色物质，并大面积漏水，该段原复合衬砌中的 EVA + PE 塑料防水层已完全被破坏。
1999年3月24日法国-意大利间的勃郎峰公路隧道内发生火灾，大火持续了53小时，造成39人死亡，30余辆车烧毁，隧道结构严重受损，隧道拱顶出现局部沙化。
2000年瑞士圣哥达公路隧道火灾造成11人死亡，128人失踪，衬砌大面积破坏（Vuilleumier 等，2002）。
2001年10月24日早上9时45分，瑞士阿尔卑斯山区的全球第二长隧道“圣哥达隧道”发生火灾。两辆货车在约两公里处发生迎面猛烈相撞，爆炸起火，大火持续了约一天。被证实11人死亡，128人失踪，由于大火持续时间过长，隧道拱顶局部坍塌，部分路段烧毁，隧道被迫关闭数月。
2008年5月4日01时，京珠高速公路南行大宝山隧道火灾，载有化学危险品“二甲苯”的槽罐车被一辆半挂大货车追尾相撞，成隧道内设施严重被毁，墙体瓷砖和混凝土严重脱落，脱落在路面的瓷砖和混凝土有几厘米厚；隧道内墙体斑斑驳驳，许多脱落下来的钢筋从隧道顶垂落下来。
2010年7月4日23点16分，无锡惠山隧道因无锡市雪丰钢铁公司一夜班接送车突然起火，造成死24人，伤19人；隧道结构遭到轻微破坏。
2010年7月29日，浙江高速四角尖隧道，大货车自燃，隧道结构遭到轻微破坏。
1.1.2公路隧道火灾的发生原因
隧道火灾本质上是一种伴随发热、发光的剧烈燃烧过程，其发生需要同时具备三个条件：可燃物、助燃性和火源。
通过隧道的车辆中，汽车本身是可燃的，其他的如油罐车、装载易燃易爆物品的货车，其装载的油品一般为原油或石油制品（汽油、煤油、柴油等），这些油品都是低闪点的易燃液体，在常温常压下就能挥发出多种易燃、易爆的碳氢混合气体。
通风提供的氧气是很好的助燃物，当氧气和易燃、易爆气体混合的浓度处在爆炸极限范围内时，若遇明火，就会燃烧或发生爆炸。
根据资料统计，隧道事故中常见的火源有：明火、电火花（如切断电源时）、静电火花（如油品震摇）、摩擦（如刹车时产生火花或升高温度）、撞击（引起局部高温）等。同时，隧道内电气线路或电器设备短路起火，汽车化油器燃烧起火，紧急刹车时制动器起火，汽车交通事故起火和车上装载的易燃物品爆炸起火等都可以引起火灾。
通过众多火灾案例的分析，可以发现，车辆、线路与电器设备是隧道火灾的主要危险源，从英国消防研究中心的统计资料来看，隧道火灾大约每行车107km平均发生0.5～1.5次，其中1%是罐车火灾，平均每座隧道18年左右发生一次罐车火灾事故，包括油罐车，可燃物罐车和有毒化学品罐车。
同时，随着行车密度的增长，特别是公路隧道，使得带有各种可燃物质（油、化工原料等）的车辆通过隧道的数量和频率都在增长，因此火灾事故也就增多了。此外，行车速度的提高以及隧道内线路质量的下降，隧道内电器设备的增多，以及人为破坏的增多（如纵火、抽烟、恐怖主义等），都使得隧道火灾事故呈逐年上升的趋势。
1.1.3 公路隧道火灾的特点
公路隧道属于地下建筑结构，由于地下建筑位置的特殊性和空间的局限性，其封闭环境造成了火灾后疏散困难，救援困难，排烟困难和从外部灭火困难，使隧道火灾和地面火灾的特征明显不同[1]，主要有以下几点：
① 燃烧猛烈，温度高，烟气毒气大，火灾扑灭难度大。
② 隧道火灾一般会出现两种类型：富氧型和燃烧丰富型。较小的火灾更容易产生大量的烟雾并充满整座隧道，以至于在使用强力照明的条件下，能见度也只在1.0米以内。同时，有毒烟雾的传播，将使现场人员中毒而死亡。
③ 隧道内一旦起火，由于烟囱效应，温度和烟雾会迅速传播，它的大部分能量被用去加热通风的空气。此时，顺风侧的空气温度可达到10000C以上，炽热的空气在流经途中可把它的热量传递到任何依然或可分解的材料上。这样，火就能从一个燃料火源“跳跃”一个长度而引燃下一个着火点。实验中已经观察到这个“跳跃”的长度约为隧道直径的50倍。
④ 隧道火灾将极大地影响隧道内空气压力的分布，导致隧道内通风气流的流动加速、减速或完全逆向流动。
⑤ 隧道火灾产生的高温烟雾一方面阻挡光线，影响视线，使人看不清楚道路，另一方面烟气中的一氧化碳等有毒气体直接威胁人的生命安全，导致疏散困难，极易发生此生灾害。
⑥ 损伤严重,隧道支护结构历经2～4天的高温燃烧作用或3～10天的高热油水蒸汽的作用后，混凝土严重剥落，整体稳定性降低，其损坏是相当严重的。
1.1.4隧道受火后衬砌结构的破坏形式
混凝土在高温作用下，其将发生脱水，其结果会导致水泥石收缩。然而骨料则随着温度升高产生不均匀膨胀，两者变形不协调致使混凝土产生裂缝，其强度降低。此外，由于材料脱水，将导致混凝土的孔隙率增大，密实度减小。随着温度的升高，这种作用也越剧烈。
由于随着温度升高，混凝土出现裂缝，孔隙率增大，组织松弛，空隙失水而导致失去吸附力，造成变形增大，弹性模量降低。
火灾时，隧道内空气迅速升温，大量可燃物燃烧后产生大量热量。这些热量通过对流、辐射传递到衬砌结构表面，再通过热传导方式，向衬砌内部传递，导致衬砌结构内温度升高不均匀[2]。隧道衬砌结构内部温度不均匀升高将产生四个不利因素[1][4][5]：
① 火灾高温使衬砌结构材料的变形模量降低，结构刚度下降，承受正常荷载的衬砌结构会产生更大的变形。
② 火灾高温使衬砌结构混凝土和钢筋的强度降低，钢筋与混凝土的共同作用效应下降，导致隧道结构的承载能力下降。
③ 由于衬砌结构内部的不均匀升温，使局部衬砌内部及整个衬砌结构体系中产生不均匀热膨胀，使局部衬砌及衬砌结构体系中产生很大的附加应力。
④ 由于隧道的衬砌混凝土具有高致密性、高强的特点，火灾高温有可能导致混凝土的爆裂、剥落，削弱结构的有效受力截面，使结构的承载力进一步下降，变形进一步增大。
在这四方面负面影响共同作用的结果是衬砌结构变形增大、开裂、屈曲、破坏，甚至局部或整体倒塌，影响隧道的安全性、适用性和耐久性。
2006年03月22日晨7时30分，京珠高速公路韶关段南行84公里处温泉隧道内发生交通事故，一辆半挂大货车因轮胎爆裂磨擦引起自燃，并引起车上货物燃烧，火灾时隧道内最高温度达到了800~1000℃，使约隧道衬砌的高温损伤60m范围的顶部钢筋混凝土受损。图1.1为火损部位图片，损伤严重部位管片钢筋出露屈曲、坍塌。

图1.1混凝土剥落
Fig. 1.1 Concrete exfoliation
1.1.5 研究的目的和意义
大量的火灾实例也表明，一旦发生火灾，大火除了对隧道内的人员造成巨大伤害外，还会由于高温导致混凝土爆裂和力学性能的劣化，对衬砌结构产生不同程度的损坏，大大降低结构的承载力和安全性。
火灾对隧道衬砌结构的损害不仅影响人员疏散和灭火救援工作的开展（如爆裂的混凝土会炸伤消防救援队员和逃生人员，而且阻塞安全疏散线路）[11]；同时也会由于隧道衬砌结构的永久变形对上部建筑以及临近构筑物（隧道、管道等）产生极大的影响，甚至影响这些构筑物正常使用功能的发挥（如2001 年美国霍华德城市隧道火灾造成隧道上方直径1m的铸铁水管破裂）。其次，火灾对隧道衬砌的损害也会降低衬砌结构的安全性，威胁隧道日后的安全运营，甚至造成隧道坍塌。最后，火灾后隧道结构的修复和重新组织交通需要花费大量的人力和物力，特别是对于水下隧道,还存在由于结构被破坏而导致隧道无法修复的可能。
因此，考虑隧道火灾的实际场景，研究隧道衬砌结构在火灾中的损伤、力学行为和耐火方法，对于提高隧道衬砌结构的火灾安全性具有重要的理论价值和实用意义。提出提高隧道衬砌结构耐火性能的方法，推荐公路隧道衬砌结构耐火保护技术方案。为公路隧道衬砌结构的防火设计提供依据。目前我国在隧道衬砌防火方面规范还不完善，本项目研究能为隧道防火规范修订提供参考。
1.2 国内外隧道防火研究现状及趋势
1.2.1 国内外相关的研究组织与机构[13][14][35][41]
国际隧道协会ITA（International Tunnelling Association）的两个工作组（“Working Group 5 Healthy and Safety”和“Working Group 6 Repair and Maintenance of Underground Structures”）开展隧道及地下工程火灾安全方面的研究，其发布的标准主要有《Guidelines for Structure Fire Resistance for Road Tunnels》（WG 6）和《Guidelines for Good Occupational Health and Safety Practice in Tunnelling 》。
国际道路协会PIARC（World Road Association）C5 技术委员会（PIARC Committee on Road Tunnels）下设有Working Group No. 6 Fire and Smoke Control 工作组，开展隧道火灾方面的研究工作（Bendelius，2002）。PIARC 发布的关于隧道火灾的指导性标准主要有1999 年的《Fire and Smoke Control in Road Tunnels，05.05.B》，内容主要包括火灾和烟雾控制、火灾风险和火灾设计；隧道衬砌火灾反应和耐火性能等。
此外，除了这两大国际组织外，目前国际上在隧道防火领域研究活动活跃且处于领先地位的研究机构还有：德国STUVA（Research Association for Underground Transportation Facilities），荷兰TNO（Netherlands Organization for Applied Scientific Research），以及瑞士VSH（VersuchsStollen Hagerbach AG Hagerbach Test Gallery Ltd.）等。
1.2.2 国内外开展的隧道防火安全研究项目[23]
欧洲开展多项隧道火灾研究。已开展和正在进行的防火研究项目主要有：
① EUREKA EU 499: FIRETUN－Fires in Transport Tunnels，1990～1992 年，由德国STUVA 和iBMB 发起，芬兰、挪威、法国、英国、意大利等国家参与进行了该项目。项目共进行了20 多次足尺火灾试验，试验目的是研究火灾时隧道内的温度分布及高温对衬砌结构的损伤。
② FIT（Fire In Tunnels），该项目12个欧洲国家的33个机构参与，2001年启动，历时4年。目的是建立一个发布和共享隧道火灾研究成果的平台（基于Internet的火灾咨询数据库），并为火灾设计、火灾安全管理等提供建议。该平台涵盖了公路隧道、铁路隧道和地铁隧道火灾情况。数据库的主要内容包括：1）当前隧道火灾安全的研究项目情况；2）世界各国隧道火灾试验场所的分布和相关信息；3）隧道火灾相关的数值模拟软件综述；4）隧道火灾的评估报告。
③ 日本2001年开展了大断面公路隧道足尺火灾试验（Takekuni 等，2003）；盾构隧道复合管片耐火试验等。
与国外相比，国内不仅开展的研究项目较少，而且也不成系统。其中，公路隧道方面，开展的主要火灾研究项目如下：
① 2001年夏永旭、邓念兵等在参考国内外相关资料的基础上提出了我国公路隧道防火救灾的相关对策，将其划分为隧道火灾的安全等级、隧道防灾的宣传教育、隧道的交通管理制度、隧道的防火通风设计、隧道的监控与消防系统、建筑材料和附属设施的防火以及隧道的防火救灾体系七个子系统，根据公路隧道火灾的通风模拟简化得出的纵向式火灾通风计算方程式。
② 2001～2004年，西南交通大学针对目前国内最长的公路隧道－秦岭终南山特长公路隧道（18km）开展了公路隧