?；⒅楸厣皾{在隧道防火設計中的應用研究*

季海峰　李珠　劉元珍　秦小超

(太原理工大學建筑與土木工程學院　太原 030024)

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安全技術及工程

玻化微珠保溫砂漿在隧道防火設計中的應用研究*

季海峰李珠劉元珍秦小超

(太原理工大學建筑與土木工程學院太原 030024)

針對當前多發(fā)的隧道火災，探討?；⒅楸厣皾{在隧道防火設計中的可行性。通過有限元計算分析，對設置?；⒅楸厣皾{隔熱層的隧道襯砌結構防火性能進行研究，同時對不同火災規(guī)模下隧道溫度場的影響進行了分析。研究結果表明?；⒅楸厣皾{可以很好地阻止熱量的入侵，初步驗證了其在隧道防火應用的可行性，可為后續(xù)隧道防火設計及相關研究提供參考。

隧道火災?；⒅楸厣皾{有限元分析

0　引言

隧道火災是隧道災害中最為嚴重的問題之一，隧道建設在給人類帶來諸多便利的同時，其火災危害也讓人類蒙受巨大的損失。國內外對于隧道火災的研究逐漸得到重視，王明年、閆治國等[1-2]通過試驗對不同通風速度及火災規(guī)模的隧道溫度場進行了研究，為公路隧道抗火設計提供了相應依據；張念等[3]通過試驗對高海拔長隧道火災燃燒進行了模型試驗，對不同規(guī)?；馂南碌乃淼罍囟燃盁煔夥植歼M行了研究；蔡小林等[4]通過有限元分析，對火災發(fā)生前后隧道荷載的變化及隧道襯砌結構的承載能力進行了研究，為隧道襯砌結構的安全設計計算提供參考；李忠友等[5]基于材料非線性理論，結合Bradford[6]研究成果，通過理論推導給出了火災下半圓形隧道截面轉角及徑向變形的解析解；程小偉等[7]通過試驗對隧道防火涂料配方各影響因素進行了研究，對隧道防火涂料做出了優(yōu)化。

盡管當前國內外在隧道抗火領域取得了諸多有益的成果，然而新建隧道自身的火災安全隱患依然存在。目前，限于國內科技的發(fā)展及當前經濟水平，在寒區(qū)隧道施作保溫隔熱層時仍然有使用可燃有機材料的現象，給隧道防火埋下了隱患。隧道發(fā)生火災時，由于隧道自身空間狹小，突發(fā)火災產生的熱量散發(fā)困難[8]，也加劇了隧道火災的危害。

針對當前寒區(qū)隧道有機材料在隧道抗火性能方面的缺陷，本文提出將無機?；⒅楸厣皾{應用于寒區(qū)隧道，通過有限元計算對火災作用下設置玻化微珠保溫砂漿隔熱層寒區(qū)隧道溫度場進行分析，探討無機?；⒅楸厣皾{對隧道耐火性能的影響，據此研究其在隧道抗火設計應用的可行性。

1　火災作用下隧道傳熱數值計算理論及計算模型

1.1熱傳導方程的建立

熱量傳遞主要有熱的傳導、對流以及熱的輻射3種方式，隧道火災計算主要傳熱方式為熱傳導和對流，模型計算時忽略熱輻射的影響。根據傳熱學基本理論，建立火災作用下隧道傳熱基本方程：

(1)

式中，λx，λy，λz分別為材料不同方向的導熱系數，W/(m·K)；T為瞬時溫度，℃；ρ為材料密度，kg/m3；q為材料內部釋放熱量；C為材料比熱，J/(kg·K)。

在計算時假定混凝土及保溫砂漿為各向同性材料，且火災作用下內部水泥水化釋放的熱量相對較小，可以忽略，對式(1)簡化得：

(2)

式中，λ為材料導熱系數，W/(m·K)。

考慮隧道長度遠大于其截面尺寸，可假定在局部火災區(qū)域范圍內，隧道溫度場沿軸向相同，對上式進一步簡化：

(3)

1.2模型初始條件

隧道火災模型選取我國寒區(qū)隧道多年凍土段進行模擬分析，隧道圍巖和襯砌結構初始溫度近似取為-1 ℃，方程初始條件即為：

T(x,y,z,t=0)=T0

(4)

1.3模型邊界條件

(1)對于隧道非受火面采用第一類邊界條件：

T│l=T(X,y,z,t)

(5)

(2)對于隧道受火面采用第三類邊界條件：

(6)式中，h為空氣與隧道表面對流換熱系數，W/(m2·K)；Tf為流體介質溫度，℃。

1.4隧道有限元模型

隧道有限元計算模型如圖1所示，該隧道位于寒區(qū)隧道多年凍土段，其初襯結構厚度為30 cm，二襯結構厚度40 cm，模型上邊界距隧道頂部20 m，下邊界距隧道底部20 m，模型左右邊界距隧道左右側分別為30 m。

1.5模型計算假定

(1)當構件截面尺寸大于其骨料粒徑4倍時，可假定混凝土及?；⒅楸厣皾{為各向同性材料[9]，忽略其沿不同方向物理性能的變化。

(2)由于隧道長度遠大于其截面尺寸，模型計算時考慮隧道局部受火區(qū)域溫度場沿軸線相同。

(3)混凝土在高溫作用下釋放的熱量與火災釋放的熱量相比較小，模型計算時不予考慮。

圖1　隧道有限元計算模型

2　有限元模型計算參數的選擇

2.1火災溫度-時間曲線

火災溫度-時間曲線選用HC升溫曲線，火災規(guī)模5～10 MW[10]，可用于一般規(guī)模隧道火災的模擬分析。T=20+1 080×(1-0.325e-0.167t-0.675e-2.5t)

(7)

式中，t為時間，min。

當隧道火災規(guī)模較大時，可采用HCinc升溫曲線，其升溫曲線為HC曲線乘以1 300/1 100的放大系數。HC和HCinc升溫曲線如圖2所示。

圖2　火災溫度-時間曲線

2.2高溫下隧道襯砌混凝土導熱系數

混凝土的導熱系數主要受混凝土的骨料類型、配合比、含水量、溫度等因素影響，隨著溫度升高，骨料類型對混凝土導熱系數的影響逐漸減少[11]。模型計算時采用歐洲規(guī)范[12]的導熱系數計算公式：

(20 ℃≤T≤1 200 ℃)

(8)

2.3高溫下襯砌混凝土比熱

混凝土的比熱隨著骨料比熱、混凝土密度、混凝土含水量、溫度的增加而變大，不同骨料類型對混凝土比熱影響較小[13]。模型計算時采用歐洲規(guī)范的比熱計算公式：

(20 ℃≤T≤1 200 ℃)

(9)

2.4其他計算參數

材料的密度受溫度影響變化較小，在計算時可采用常溫下材料的容重，計算時混凝土容重取為ρc=2 400 kg/m3，?；⒅楸厣皾{容重取為ρ=200 kg/m3。當前國內外尚無高溫下?；⒅楸厣皾{計算公式，計算時恒定值λ=0.058 W/(m·K)。隧道圍巖受火災影響小于混凝土襯砌結構，圍巖導熱系數λ=2.0 W/(m·K)，圍巖密度ρ=2 500 kg/m3，圍巖比熱C=980 J/(kg·K)。

3　火災下隧道襯砌及圍巖溫度分布及分析

3.1未設置?；⒅楸厣皾{隔熱層隧道溫度場

未設置玻化微珠保溫砂漿隔熱層時，隧道不同位置、不同時刻溫度變化如圖3、圖4所示。

圖3　未設置保溫隔熱層隧道襯砌結構溫度

圖4　未設置保溫隔熱層后距隧道表面不同深度處溫度

對圖3、圖4分析可知，一般未設置無機防火保溫隔熱層的隧道，在火災發(fā)生初期溫度迅速升高，表層混凝土6 min時溫度可高達800 ℃，這將嚴重影響混凝土的物理力學性能。根據國內外對于混凝土高溫下力學性能研究成果[14]，800 ℃時混凝土強度僅為常溫下強度的15.6%，這將對隧道結構的安全造成威脅，甚至會產生局部坍塌。同時從有限元計算結果可以看出，一般未設置防火保溫隔熱層的隧道，火災發(fā)生時，其距離隧道二襯表面75 mm范圍為火災主要的影響區(qū)域，距受火面距離越遠受火災影響程度越低。對圖3數據進一步對比分析，可以發(fā)現離隧道表面距離越小，火災作用下溫度梯度越大，其混凝土所承受的溫差應力也越大，表層混凝土更容易產生爆裂。

3.2設置?；⒅楸厣皾{隔熱層后火災作用下溫度場

設置?；⒅楸厣皾{隔熱層后，火災作用下隧道不同時刻及不同位置溫度如圖5、圖6所示。

圖5　設置30 mm?；⒅楸馗魺?/p>

圖6　設置30 mm玻化微珠保溫隔熱

從圖5、圖6可以看出，設置防火保溫隔熱層后，火災作用下其影響區(qū)域主要集中在玻化微珠保溫砂漿隔熱層，而內層的隧道襯砌結構并未產生明顯的影響。設置防火保溫隔熱層后在受火災作用120 min后，其襯砌結構表面溫度僅為78.62 ℃，此時襯砌結構表層混凝土力學性能所受溫度影響可以忽略。?；⒅楸厣皾{隔熱層的設置很大程度減少了熱量對隧道襯砌結構的入侵，對隧道襯砌結構形成保護，避免由于局部溫度過高導致隧道混凝土襯砌結構力學性能急劇下降，進而影響隧道襯砌結構的整體穩(wěn)定。

3.3不同火災規(guī)模對隧道溫度場的影響

采用火災HCinc升溫曲線計算火災規(guī)模較大時隧道襯砌結構溫度場狀況，通過有限元計算得出HCinc升溫曲線下未做防火保溫層時隧道不同時刻溫度如圖7所示，HCinc升溫曲線下設置防火保溫層時隧道不同時刻溫度如圖8所示。

圖7　HCinc升溫曲線下無防火隔熱

圖8　HCinc升溫曲線下設置防火隔熱

通過圖7、圖8與圖3、圖5對比可以發(fā)現，當未設置?；⒅榉阑鸨馗魺釋訒r不同升溫曲線對隧道襯砌結構影響明顯，HCinc升溫曲線下隧道襯砌結構溫度要明顯高于HC升溫曲線下隧道襯砌結構溫度，由于熱傳遞的延遲及損耗，不同升溫曲線對隧道表層溫度場影響較為明顯。HCinc升溫曲線下隧道二襯結構表面溫度和距二襯表面25 mm處溫度分別相對于HC升溫曲線下提高了18.5%和15.53%；而對于襯砌結構較深處，HCinc升溫曲線下距二襯表面50 mm處溫度和距二襯表面75 mm處溫度分別相對于HC升溫曲線下的溫度提升了12.59%和10.76%。設置?；⒅楸厣皾{隔熱層時，由于?；⒅楸厣傲己玫谋馗魺嵝阅埽煌馂囊?guī)模對隧道溫度場的影響主要集中于保溫隔熱層厚度范圍內，對于隧道襯砌結構溫度場的影響變化數值相對較小，其溫度仍在低于100 ℃的溫度范圍，在此溫度下對隧道襯砌結構物理力學性能的影響可以忽略。

4　結語

對于當前多發(fā)的隧道火災，本文著重對隧道無機玻化微珠保溫砂漿隔熱層防火性能進行了分析，證實了其在隧道防火設計中應用的可行性，可為我國隧道防火的設計及相關領域的研究提供了借鑒。不同火災規(guī)模對于一般隧道襯砌結構溫度場影響明顯，而設置?；⒅楸厣皾{防火隔熱層的隧道襯砌結構受不同火災規(guī)模影響則相對較小，可以忽略。本文在計算中未考慮火災作用下?；⒅楸厣皾{和混凝土襯砌結構的爆裂，對于?；⒅楸厣皾{高溫下抗爆裂性能的研究是進一步的工作。

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李珠，男，教授，博士研究生導師，主要從事結構工程研究。

Research on the Application of Thermal Insulation Glazed Hollow Bead Mortar in the Tunnel Fire Protection Design

JI HaifengLI ZhuLIU YuanzhenQIN Xiaochao

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnologyTaiyuan030024)

In view of the current multiple tunnel fire, the feasibility of thermal insulation glazed hollow bead mortar used in the fire protection design of tunnel is explored. Through the finite element analysis, thermal insulation glazed hollow bead mortar used as tunnel fireproof lining is studied, and the effect of different fire scale on the tunnel temperature field is analyzed. The research results show that the thermal insulation glazed hollow bead mortar performs well in preventing heat intrusion, and the feasibility in tunnel fireproof application is verified, which can provide references for the subsequent tunnel fire protection design and related research.

tunnelfirethermal insulation glazed hollow bead mortarfinite element analysis

2015-06-15)

國家自然科學基金(51308371)，山西省自然科學基金(2014011033-1)。

季海峰，男，碩士研究生，主要從事結構工程研究。