張升耀，董毓利，段進濤，鄭 威

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院，廈門，361021)

0 引言

自1810年英國在泰晤士河上修建第一座沉管隧道起[1]，至今沉管隧道發(fā)展已歷經(jīng)200多年。本世紀初，國外丹麥至瑞典的厄勒海峽大橋沉管隧道、韓國的釜山-巨濟沉管隧道已相繼建成，我國也于2018年建成了當前世界上沉管段最長(5 664 m)、埋深最深的港珠澳大橋(HZMB)沉管隧道[2]，而規(guī)劃建設(shè)中的深中通道沉管段長度已達6 845 m[3]?？梢灶A(yù)見，沉管隧道的工程應(yīng)用會越來越廣泛，且不斷向超寬、超長的方向發(fā)展。然而，沉管隧道給交通運輸帶來便利的同時，也受到了許多因素的制約，火災(zāi)就是其中的因素之一[4]。沉管隧道一般較長且相對封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，會造成大量生命財產(chǎn)損失[5]。除對隧道內(nèi)部人員造成巨大傷害外，火災(zāi)往往會對隧道襯砌結(jié)構(gòu)造成破壞[6]。作為沉管隧道連接結(jié)構(gòu)的管節(jié)接頭，其主要構(gòu)造為兩道橡膠止水帶，相對于混凝土材料的管段更為薄弱，火災(zāi)下被破壞的幾率更大，因此對于管節(jié)接頭的耐火性能研究頗為重要。

近年來有學(xué)者相繼對接頭的耐火性能進行了研究。文獻[7,8]通過同種型號防火板的不同疊加組合，進行管節(jié)、節(jié)段接頭1∶1局部火災(zāi)試驗，得到了符合耐火目標的防火板組合方案；文獻[9]研究了火災(zāi)下沉管隧道管節(jié)接頭、節(jié)段接頭局部在防火涂料和防火板協(xié)同作用下的耐火性能，并對接頭部分的溫度場進行了分析；文獻[10]比較了管節(jié)接頭局部在不同錨固形式的防火板覆蓋下的耐火性能優(yōu)劣；文獻[11]通過數(shù)值模擬分析了無防火措施下的沉管隧道的溫度場及結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，并通過局部防火板高溫試驗獲得合理的耐火保護建議，但試驗未進行接頭部位的耐火性能研究。以上研究均沒有涉及沉管隧道孔道內(nèi)接頭整體結(jié)構(gòu)的耐火性能，且接頭外覆防火板的厚度、布置方式與港珠澳大橋沉管隧道段單層防火板布置方式存在差異。同時，基于結(jié)構(gòu)性能化抗火設(shè)計方法，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)整體作用對耐火性能的影響[12]。

為此，本文以港珠澳大橋沉管隧道為研究背景，建造1∶5縮尺寸模型，對管節(jié)接頭整體在防火板保護下的耐火性能進行了研究。隧道內(nèi)僅鋪設(shè)1層防火板，厚度25 mm左右，接頭內(nèi)設(shè)防火隔斷，防火設(shè)置保持與港珠澳大橋沉管隧道段一致。以國際標準的隧道火災(zāi)升溫曲線RABT作為設(shè)計火災(zāi)場景，考慮火災(zāi)升溫、降溫全過程，進行4次單孔接頭整體在不同防火板保護下的火災(zāi)試驗。試驗主要量測防火板背火面、防火隔斷各層及止水帶等位置的溫度場，觀測防火板的破壞形態(tài)，量化防火板的耐火性能并比較不同材料性能的優(yōu)劣，最后根據(jù)試驗結(jié)論提出可供實踐參考的合理建議。

1 試驗構(gòu)件設(shè)計

試驗構(gòu)件參考港珠澳大橋沉管隧道E13及E14管節(jié)節(jié)段，建造1∶5縮尺寸模型，模型主體包括“兩孔一管廊”結(jié)構(gòu)的兩管節(jié)節(jié)段以及管節(jié)接頭部分，整個試驗構(gòu)件見圖1。構(gòu)件全長11.62 m，寬7.59 m，高2.28 m，其中單一節(jié)段長5.80 m。管節(jié)接頭部分主要設(shè)置兩道防滲構(gòu)造，如圖2，最外側(cè)為GINA止水帶，內(nèi)側(cè)為OMEGA止水帶。構(gòu)件混凝土強度C50，鋼筋HRB400。

圖1 沉管隧道

圖2 接頭構(gòu)造

2 火災(zāi)試驗方案

2.1 火災(zāi)試驗爐

為研究接頭在防火板保護下的耐火性能，火災(zāi)試驗爐設(shè)在隧道內(nèi)的管節(jié)接頭處。根據(jù)FDS[13]對火災(zāi)試驗爐內(nèi)的煙氣及溫度場的模擬分析，為滿足試驗要求，試驗爐的尺寸設(shè)計見圖3?；鹪床捎脙膳_單機功率為1.2 MW的燃氣燃燒機，燃燒機安裝在左側(cè)爐墻上，爐室熱煙氣從左至右順暢排出。煙道采用粘土磚、混凝土材料建造；煙道前部頂板設(shè)有水噴淋頭對熱煙氣進行降溫，底板設(shè)有排水坡及噴淋水排水口；煙道末端設(shè)有預(yù)制冷卻罐，對熱煙氣進行二次降溫以避免其對周邊人員產(chǎn)生危險。

圖3 試驗爐尺寸(單位：mm)

2.2 防火板選擇與鋪設(shè)

防火板的耐火性能與板厚相關(guān)，選擇板厚作為主要控制變量。港珠澳大橋沉管隧道段使用防火板型號為PROMATECT?-H matrix engineered mineral board，尺寸為2 440 mm×1 220 mm×25 mm，主要成分為硅酸鈣，見圖4(a)。經(jīng)市場調(diào)研國內(nèi)常用板材厚度少有與其相同的，因此選擇與25 mm厚度相近的板材作為試驗對象。由四川消防研究所采購1 200 mm×1 000 mm×30 mm 硅酸鋁板(圖4(b))，其質(zhì)輕、耐火極限較高，屬于研發(fā)中的新型防火材料，但密實度較硅酸鈣板低，其切割面如圖4(c)。另外由市面采購兩種不同廠家生產(chǎn)的硅酸鈣板，尺寸為900 mm×600 mm×30 mm和2 440 mm×1 220 mm×20 mm。共4種材料，進行4次平行試驗，試驗以港珠澳大橋沉管隧道防火設(shè)計為基礎(chǔ)。

圖4 防火板

鑒于港珠澳大橋項目在管節(jié)段僅鋪設(shè)單層防火板，并采用不銹鋼螺栓直接后附在結(jié)構(gòu)表面安裝[14]，因此本試驗采用相同設(shè)置。參考原設(shè)計的柔性防火隔斷，代替方案采用一層40 mm厚防火棉+30 mm厚防火板，具體設(shè)置見圖5。爐室內(nèi)防火板直接用膨脹螺栓固定在隧道內(nèi)壁，緊密鋪設(shè)；板材之間的縫隙使用防火棉覆蓋，見圖6，使其處于單面受火狀態(tài)。防火板基本完全覆蓋爐室內(nèi)混凝土表面，板材側(cè)邊采用防火棉壓縫密實。

圖5 防火隔斷

圖6 防火板鋪設(shè)

2.3 爐溫控制及耐火目標

隧道火災(zāi)一般升溫速度快、最高溫度高、持續(xù)時間長，這些特征明顯區(qū)別于建筑火災(zāi)[15]。常用的隧道火災(zāi)升溫曲線有HC/HCinc、RWS、RABT等，這些曲線相較于標準升溫曲線ISO 834更為嚴格(見圖7),能充分反映隧道火災(zāi)的特征；同時為研究火災(zāi)全過程中接頭的耐火性能，需考慮降溫段過程。因此本試驗火災(zāi)場景設(shè)計采用RABT隧道火災(zāi)升溫曲線[16]，升溫段持續(xù)2 h，降溫段110 min，為保護燃燒機噴嘴，降溫段采用機械強制通風(fēng)。爐溫由熱平衡原理控制[17]，經(jīng)過FDS數(shù)值模擬分析，爐室尺寸及配套火源可滿足火災(zāi)后約10 min爐溫上升至1 200 ℃左右要求，并能維持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 標準升溫曲線

為保護火災(zāi)下隧道襯砌結(jié)構(gòu)及止水帶構(gòu)造，根據(jù)現(xiàn)行《建筑設(shè)計防火規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，在RABT隧道火災(zāi)場景下混凝土結(jié)構(gòu)的表面溫度不超過380 ℃或距離表面25 mm處鋼筋溫度不超過250 ℃?？紤]管節(jié)接頭防滲的要求，橡膠止水帶的溫度一般不應(yīng)超過70 ℃。

2.4 溫度測量

爐溫采用6根S型鉑銠熱電偶測量，如圖8。為充分研究接頭部分各位置的溫度場，故略去底部行車道構(gòu)造。溫度測量主要包括兩個截面位置：1)接頭截面；2)距接頭截面375 mm的混凝土截面。

圖8 爐溫測點

對于接頭截面，除中墻外，各測點包含防火板背火面、防火隔斷各層、OMEGA止水帶、GINA止水帶，測點后綴依次為4～0，測點布置見圖9。中墻由于無防滲構(gòu)造，僅測量防火板背火面和混凝土溫度。

圖9 接頭測點(單位：mm)

對于混凝土截面，因底部混凝土熱邊界條件不同，故未設(shè)置測點?；炷羶?nèi)部測點布置見圖10，測點處的熱電偶束根據(jù)板厚不同而設(shè)置；頂板、側(cè)墻板厚300 mm，鋼筋測點距混凝土表面距離分別為30 mm，60 mm，270 mm；中墻板厚為160 mm，鋼筋測點距混凝土表面距離為30 mm，60 mm。溫度采集設(shè)備為安捷倫(34980A)溫度采集儀。

圖10 混凝土測點(單位：mm)

3 宏觀試驗現(xiàn)象

火災(zāi)試驗進行4次，按照材料到達試驗現(xiàn)場的先后次序進行，試驗1～4所使用的材料依次是：硅酸鋁防火板(30 mm)、硅酸鈣防火板1(30 mm)、硅酸鈣防火板2(HZMB，25 mm)、硅酸鈣防火板3(20 mm)?；馂?zāi)發(fā)生后防火板受火面均有裂紋產(chǎn)生，裂紋主要集中在支撐條件較差的接頭凹槽部分；裂紋的形態(tài)與防火板的材性有關(guān)；硅酸鈣板發(fā)現(xiàn)明顯的煙氣侵入發(fā)黃痕跡。防火板的主要破壞形態(tài)見圖11，各種板材具體破壞特征見表1。

圖11 火災(zāi)后防火板

表1 防火板破壞特征

總體而言，板材的損壞形態(tài)與自身的物理性質(zhì)相關(guān)，硅酸鋁板受火后因密實度較差而出現(xiàn)松散分離；硅酸鈣板相對密實，受火后易脆性破裂為幾個較大的板塊。但所有板材均無貫通裂縫，火災(zāi)下仍維持一定的耐火性能。

4 主要試驗結(jié)果

4.1 爐溫

爐溫數(shù)據(jù)見圖12，火災(zāi)后約10 min爐溫曲線出現(xiàn)拐點，穩(wěn)定階段各測點溫度略有偏差；4次試驗平均爐溫均在1 200 ℃以上，滿足RABT升溫曲線要求。?；鸷螅捎谟蟹阑鸢灞Ｗo，接頭部分溫度并不高，且爐室空間較小，在機械通風(fēng)下，爐溫下降較快。300 ℃時下降速度減緩至與RABT曲線基本一致，之后曲線趨近于水平，最終溫度40 ℃左右。由于4次試驗爐溫各測點數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本相同，故僅給出一次試驗爐溫各測點數(shù)據(jù)，4次試驗平均爐溫Average數(shù)據(jù)見圖12(b)。

圖12 爐溫

4.2 防火板背火面溫度

對于防火板背火面的溫度數(shù)據(jù)，主要進行以下三個方面的分析：1)分析單次試驗防火板背火面各測點溫度數(shù)據(jù)，以研究隧道火災(zāi)全過程中防火板背火面溫度場變化規(guī)律；2)分析單一測點序列的溫度數(shù)據(jù)，以研究火災(zāi)下防火板耐火性能變化規(guī)律；3)分析4次試驗同一測點位置的溫度數(shù)據(jù)，以研究不同防火板耐火性能的優(yōu)劣。

4.2.1 防火板背火面溫度場變化規(guī)律

圖13為試驗一硅酸鋁防火板在隧道火災(zāi)全過程下的背火面測點溫度隨時間的變化規(guī)律，部分測點在溫度接近100 ℃時出現(xiàn)5 min～10 min的平臺段，測點溫度基本保持不變，這可能是防火板含有水分所致。隨后溫度快速上升，40 min左右溫度增長速率全部放緩至溫度出現(xiàn)“平穩(wěn)段”。這是由于防火板背面存在“隔熱層”(一定厚度的空氣層和混凝土層)，火災(zāi)發(fā)生后傳遞到防火板背火面的熱量由于“隔熱層”存在不能在短時間內(nèi)傳遞出去，導(dǎo)致內(nèi)部溫度不斷上升；當外部爐溫基本穩(wěn)定時，防火板內(nèi)外側(cè)的溫差將會不斷減小，由于此時防火板仍保持一定的耐火性能，由外至內(nèi)的熱流量較小而出現(xiàn)了溫度的“平穩(wěn)段”。

?；饡r背火面溫度達到最大值，各溫度測點的最大值見圖13(d)。各測點溫度最大值并不相同，這與爐溫不均勻有關(guān)。兩側(cè)燃燒機噴射火焰處(噴口位置)及底部煙道出口處溫度稍高，邊角處溫度較低，由于熱煙氣均從底部煙道排出，導(dǎo)致頂部溫度稍低于底部。

圖13 防火板背火面溫度

4.2.2 防火板耐火性能變化規(guī)律

為了研究防火板的耐火性能隨受火時間變化的規(guī)律，選擇測點JS1、JC1處溫度數(shù)據(jù)進行分析。圖14為防火板、混凝土厚度-溫度-時間曲線。規(guī)定0 mm→30 mm為防火板的受火面→背火面，30 mm→35 mm考慮為板后空隙，35 mm→125 mm為混凝土測點從0 mm→90 mm的范圍。0 mm～35 mm厚度范圍內(nèi)溫差較大，混凝土內(nèi)部溫差較小。防火板內(nèi)外側(cè)溫差在火災(zāi)初期保持較大值，隨著火災(zāi)時間的延長，溫差逐漸減小，40 min左右溫差達到穩(wěn)定值，約700 ℃左右，該狀態(tài)一直維持至120 min?；稹＿@表明防火板耐火性能在點火初期隨受火時間的延長逐漸下降，在40 mm～120 mm時段內(nèi)防火板性能處于一定的穩(wěn)定狀態(tài)，并保持一定的耐火性能。

圖14 防火板、混凝土厚度-溫度-時間曲線

4.2.3 防火板耐火性能的優(yōu)劣

選擇防火板背火面同一測點4次試驗數(shù)據(jù)進行對比，研究不同防火板耐火性能的優(yōu)劣。圖15中對于同一測點，4次試驗整體溫度變化趨勢相接近，僅HZMB防火板升溫時段滯后，升溫速率低于其他三種材料。?；饡r，防火板背火面溫度均達到最大值，4次試驗的最大值不相同。HZMB防火板溫度值最低，其次為硅酸鋁防火板；其他兩種硅酸鈣防火板溫度值相對較高，且其值隨測點不同大小次序不同。對于4次試驗中防火板背火面最高溫度值，最大值與最小值的差值幅度可達30%，這表明不同防火板耐火性能差異較大?？紤]防火板厚度對耐火性能的影響，單位厚度防火板隔熱性能(內(nèi)外側(cè)溫差)HZMB防火板綜合性能最優(yōu)(27 ℃/mm)，硅酸鋁板為22.5 ℃/mm，硅酸鈣板1(30 mm)為17 ℃/mm，硅酸鈣板3(20 mm)為23 ℃/mm。

4.3 混凝土測點溫度

混凝土溫度分布情況可反映火災(zāi)下防火材料對管節(jié)接頭的保護性能。為研究受保護的混凝土內(nèi)部溫度場，選取頂部S1、S4，中墻Z2測點進行分析，30 mm-S表示距離受火側(cè)混凝土表面30 mm處鋼筋測點。

圖16為混凝土溫度-時間曲線?；馂?zāi)發(fā)生20 min后，混凝土溫度才開始緩慢上升；?；鸷?，溫度仍保持一定時長的上升狀態(tài)。由于防火板的存在，?；痣A段混凝土向爐室內(nèi)散發(fā)熱量的過程受阻，導(dǎo)致測點降溫速率比較緩慢，部分測點在?；鸾禍囟位緹o明顯溫度下降過程，遠離受火面的部分測點甚至全過程保持升溫狀態(tài)。中墻由于板厚僅160 mm，溫度上升速度較頂板(300 mm)快。溫度接近100 ℃時部分測點出現(xiàn)溫度平臺，這是混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)所致[18]。中洞頂部測點S4試驗全過程中溫度基本無明顯變化，表明有防火板保護，火災(zāi)對中間孔洞的混凝土影響很小。

由圖16中鋼筋測點的溫度時間變化規(guī)律可知，在火災(zāi)初期鋼筋的溫度基本與同位置的混凝土溫度一致。后期由于鋼筋的體比熱容較大，其溫度略高于同位置的混凝土。

表2給出了所有混凝土測點4次試驗測量溫度最大值，S4測點(中洞頂部)溫度普遍較低，故不計入統(tǒng)計。試驗一(硅酸鋁板，30 mm)和試驗三(HZMB，25 mm)各測點溫度整體較低且相互接近，試驗二(硅酸鈣板，30 mm)測點溫度相對較高，而試驗四(硅酸鈣板，20 mm)部分測點溫度超過耐火目標限值。這表明：防火板厚度較小時難以滿足耐火目標，25 mm～30 mm厚單層防火板可滿足耐火目標要求；HZMB防火板厚度較小，對混凝土保護效果處于最佳行列，因此綜合性能HZMB防火板最優(yōu)。

表2 混凝土測點最高溫(單位：℃)

4.4 防火隔斷

為了研究防火隔斷的耐火性能，以防火隔斷外溫度相近的原則在4次試驗中選測點進行分析。隔斷外參考溫度設(shè)定為500 ℃，由于第四次試驗整體溫度較高，選擇的測點隔斷外溫度(844 ℃)高于前三者。防火隔斷溫度與時間變化關(guān)系見圖17?；馂?zāi)初期由于有防火板的隔熱作用，防火隔斷內(nèi)部溫度基本保持不變，40 min左右熱量開始傳遞到隔斷內(nèi)部。隔斷內(nèi)防火棉層溫度上升較快，停火后溫度仍繼續(xù)緩慢上升一段時間。隔斷內(nèi)防火板層、OMEGA止水帶、GINA止水帶溫度相差不大，溫度都隨受火時間延長而緩慢增長。即使防火隔斷外溫度高達844 ℃，止水帶內(nèi)部溫度仍能維持在70 ℃以下，這表明采用防火隔斷構(gòu)造可有效保護接頭止水帶構(gòu)造，提升接頭的耐火性能，工程中設(shè)置合理的接頭防火隔斷對整體抗火性能提升有很重要的意義。

5 結(jié)論

(1)管節(jié)接頭整體的耐火性能主要取決于防火板與防火隔斷的共同作用，其中防火隔斷的作用相對顯著。單孔爐室溫度分布的不均勻性，主要對防火板背火面的溫度場影響較大，對防火隔斷后的溫度場影響較小。

(2)一般而言，防火板的厚度大小是影響同型號板材耐火性能的關(guān)鍵因素，不同型號防火板的耐火性能也受板材厚度的影響。因此當綜合考慮板材厚度的影響時，管節(jié)接頭在港珠澳大橋項目防火板整體保護下耐火性能較好；其次是30 mm厚硅酸鋁防火板，其耐火性能較30 mm厚硅酸鈣板好，但密實度較差；而20 mm厚硅酸鈣防火板整體耐火性能較差，混凝土表面最高溫超出限值17.9%，不能滿足耐火目標要求。

(3)防火板背火面溫度場主要受爐室內(nèi)溫度分布的影響，在底部煙道和火焰噴射處溫度較高，頂板溫度稍低，邊角處溫度最低。防火板背火面溫度與混凝土0 mm(內(nèi)表面)處溫度最大相差接近400 ℃，這是由于防火板與混凝土之間存在空隙所致。

(4)火災(zāi)下防火板主要在接頭凹槽處出現(xiàn)大量裂紋，而在有混凝土支撐的區(qū)域板材開裂較少，因此實際工程中應(yīng)加強對防火板背面的支撐。防火板的制造可考慮在板內(nèi)部進行加筋處理，提高板材自身的整體性、密實度，降低防火板在火災(zāi)下的開裂幾率，增強整體耐火性能。

(5)接頭防火隔斷代替方案采用一層40 mm厚防火棉+30 mm防火板，止水帶溫度最高不超過70 ℃，可滿足耐火目標要求。即使隔斷外溫度高達844 ℃，防火隔斷仍能很好保護止水帶構(gòu)造，防止?jié)B漏的發(fā)生。因此在實際工程中合理設(shè)計的防火隔斷可以提升沉管隧道管節(jié)接頭的耐火性能。