浅谈城市隧道结构防火.doc

浅谈城市隧道结构防火

建筑学中把横截面积超过30m2的地下人工建造的通道定义为隧道。自从1841年第一条泰晤士河隧道贯穿以来, 在人类史中已修建了数以万计的人行隧道、公路隧道、铁路隧道、越江隧道、海底隧道, 这些隧道或是连接不同的两个地区, 或是勾通相邻的两个国家,是现代化交通建设中的不可缺少的枢纽。随着社会的发展, 隧道的重要性逐步被人们所熟悉, 越来越多的国家和地区都将修建大量的隧道来发展自己的交通和经济, 而且建设的规模和技术水平也在逐步提升。
    隧道的出现也带来了一种新的火灾—— 隧道火灾, 隧道火灾的主要危害在于火灾对隧道本身结构的损害和其引起的人员伤亡。1979年7月11日, 日本大坂隧道内4 辆卡车与两辆轿车连续相撞, 轿车油箱破裂起火, 致使隧道内的174 辆汽车全部烧毁, 7人死亡2 人受伤, 隧道内千余平方米的顶部崩落; 1996年CHANN EL 隧道火灾中也发生了混凝土剥落的状况。
    1 隧道结构耐火性较差
    由于隧道结构造型和本身施工的要求,一般采纳高强度混凝土(HSC)作为内衬保护结构, 但这种结构有其自身的防火弱点, 美国国家标准与技术研究院(NIST)在对这种材料的防火性能研究时发现: 在隧道内部温度为450 ℃到600 ℃时HSC 的强度将会下降40%～75% ,导致混凝土因失水等原因而发生大面积爆炸性的剥落,其内部的强化钢筋马上暴露在500 ℃～600℃的高温下, 依据燃烧学理论, 钢材在500℃时只要0.25h其强度就会减少一半。
    近年来, 国际上分别在实际隧道、废弃隧道和实验室条件下进行了大量的火灾研究, 取得了不同火灾类型的火灾升温时间/温度曲线(见图1)。其中, ①、②曲线是在开放环境下一般可燃物和碳氢化合物燃烧的特征曲线; ③曲线即RABT 曲线表现了较封闭环境内一辆汽车燃烧时的特征: 燃烧初期升温迅速, 而待其燃烧完毕后, 温度回降; ④曲线即RWS曲线是火灾最不利的状况, 即大量碳氢化合物(如油罐车) 在较封闭的环境中燃烧, 在极短时间内升温1200 ℃以上, 1 h 后升温至1350 ℃。

    从图1中火灾升温曲线可以看出, 隧道火灾继续3min后, 隧道上方顶部的温度可达1000℃左右, 这个温度足以对隧道的结构造成破坏。为了在火灾时维护隧道的结构不被损害, 不致于造成人员恐慌甚至大量伤亡, 为消防救援、灭火提供必要的时间, 应该对隧道结构的耐火性提出一定的要求。笔者认为隧道结构要有一定的耐火极限, 此极限时间的规定应合计到以下因素:
    (1) 人员在隧道火灾发生时的逃生时间, 消防人员到场开展救助时间;
    (2) 隧道内部风机及其管道在火灾中进行通风排烟的正常运行时间;
    (3) 保护与隧道内部相贴邻的电缆间、管道井、风井等结构不受火灾危害的时间。

    2 如何提升隧道的耐火性
    2. 1 保护隧道的结构
    解决结构本身耐火性差与耐火极限要求高这一矛盾的办法主要有以下三种:
    (1) 在经济条件同意的状况下对比较重要的城市隧道(战备、人行、主干道隧道) 或隧道内重要路段加设自动喷水灭火系统并加大通风排烟量, 以达到扑灭火灾和降低隧道火灾中烟气对内部的温升作用。
    (2) 采纳一定耐火等级的防火板作模板, 与固定件一起浇铸到高强度混凝土上作为保护层, 很多欧洲大陆隧道例如BELL IARD—KORETENBERG—ROODEBBEEK 就采纳了一种27mm 厚的防火板(PROMA TECT H) 来提升隧道内部的耐火性。此做法已通过依据RWS温升曲线(该曲线要维持2h耐火极限, 最高温度为1350℃) 的测试和评估。
    (3) 用多种粘性防火喷涂材料直接喷涂在隧道内壁, 或在施工中对现场浇注的混凝土进行喷洗同时去除固化物。开罗的AL —HAZARD 隧道(2.5km) 就是使用了耐火粘性喷涂材料(FIREMA STERF IREBARR IER 135) , 喷涂厚度为47mm。据资料显示只要此材料在火灾中没有受到机械破坏, 就可以重复使用。此做法也已通过依据RWS温升曲线的测试和评估。

    2. 2 进行防火分隔
    为了控制火势, 防止蔓延, 应在隧道内部划分防火分区, 划分防火分区的原则是结合隧道自身结构特点将隧道、风井、电缆或通信沟(桥架)、机房间、逃生通道等部位分开设为独立的防火分区。
    (1) 隧道与风井的分隔。一些隧道为了通风需要设置了风井,如: 上海市打浦路隧道设有3个风井, 外环线隧道设有1 个风井。风井在火灾中会起到“烟囱效应〞助长火势, 因此依据《建筑制定防火规范》中有关设备用房防火的要求, 笔者认为风井与隧道之间的门应为甲级防火门, 风井本身结构的耐火极限不应小于2h。
    (2) 隧道与电缆或通信沟(桥架) 的分隔。电缆、通信光缆都直接关系到市政设施或隧道内部各项设备的正常运转, 所以贯穿电缆或通信光缆的建筑结构应与其它部位进行防火分隔, 其耐火极限不小宜小于1h。
    (3) 隧道与机房间、逃生通道的分隔。隧道与变电室、配电间等机房间和逃生通道之间的门应设为甲级防火门。
    3 上海市外环线隧道结构的防火保护
    上海市内越江隧道仅作为一般的城市公路交通,不同意油罐车或液态天然气等运载危险品车辆通行,因此都采纳了RABT曲线作为防火构造的制定依据。目前, 隧道内防火保护一般采纳喷涂材料保护和板材保护。在一些采纳喷涂材料保护的隧道内, 由于喷涂保护层的附着力主要是依靠化学作用, 在污染环境下容易失效。为了获得更好的耐久性, 防火板材在隧道工程中的应用越来越普及, 同时采用设置自动消防设施等来保护隧道的结构。以外环线隧道为例, 主要采纳了以下保护措施:
    (1) 采纳一定耐火等级的PROMA TECTH防火板, 对隧道结构的重点部位(隧道顶板结构和管段接头) 进行强化保护。依据RABT火灾升温曲线, 即火灾温度1200 ℃, 隧道顶板防火保护时间60min, 隧道顶部采纳20mm 厚PROMA TECTH 防火板, 以保证被保护时间内钢筋表面温度≯300℃, 底排钢筋温度≯250 ℃。管段接头需保证止水带等设施的完善,以RABT火灾温升曲线为准, 采纳25mm 厚PROMA TECT H 防火板, 以保证保护层背火面温度≯250 ℃。
    (2) 外环线隧道长1200 m , 在隧道沉管段736m和浦西暗埋段100m 的长度范围内(此范围内的结构一旦被破坏将难以修复), 设置开式水喷雾自动灭火系统, 共102组, 水喷雾系统的用水量为37 L/s, 喷雾强度为≥6 L/(m in·m 2)。水喷雾系统的作用为火灾时冷却、防护, 并对隧道内附属设备进行保护。
    (3) 采纳纵向通风排烟方式, 58台耐高温、可逆转射流风机分配在隧道内, 满足双向送排烟要求, 8台隧道轴流风机分别设于浦东、浦西两端的电缆井通道内,另在浦西端头井设置5 台集中轴流风机, 有利于火灾时控制烟流方向, 减少高温烟气对隧道结构的影响。
    (4) 尽可能地降低隧道内的火灾荷载, 内装修材料采纳不燃材料, 所有消防设备的联动控制电缆与信号电缆(电线) 以及应急照明等采纳耐火电缆, 其余均采纳阻燃电缆。
    (5) 将车行道作为一个独立的防火分区, 与车行道相通的门采纳甲级防火门。电缆等穿越隧道结构处均采纳PROMA TECT H 防火板加以保护。虽然我国的隧道建设和隧道研究在许多方面都取得了不小的成果, 但我们对隧道消防方面的研究还比较缺少, 至今还没有一部相关的法规出台, 本文只是从建筑结构的耐火性和防火分隔两个部分结合自身工作经验对隧道的防火工作作了一个简单的分析。隧道作为一种越来越被广泛应用的构筑物, 应该有其独立且完整的消防制定, 这些都有待于今后在工作和研究中进行探讨、总结和完善。