公路隧道衬砌结构火灾损伤及检测评估技术研究.docx
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公路隧道衬砌结构火灾损伤及检测评估技术研究
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
Owningtothecharacteristicssuchaslonggallery,smallroom,narrowroad,poorventilation,hightemperatureetc,oncefireoccurredinaroadtunnelinthemountain,itcan’tbeputoutimmediatelyandconsequenceswillbeextremelyserious.Hightemperatureofthefirecanhazardstheusers,anditwillleadtotheburstandthedeteriorationofthemechanicalfunctionofconcrete,anddothevariousdegreesofdamagestotheliningstructure,whichwillreducetheloadcapacityandsafetyofthestructure.Afterthefire,howtoassessthedegreeofdamagesofliningstructureresultingfromthehightemperaturequicklyandaccuratelyandmakeaplanfortherepairmentandreinforcementofthestructuretimely,andithasapracticalmeaningtothesafetyofthetunnelstructureetc.
Mainresearchworkofthisthesisareasfollows:
①AdoptingCNhightemperatureelectricheatingmode,test-componentablationtestofhighwaytunnelliningstructureconcretewasundertaken.throughexperimentaboutthefriedamagesofliningmaterialsinfire,whichisconstitutedwithliningmaterialsinfourlevel（C20、C25、C30、C35）,temperaturesinfourlevel（300℃,600℃,750℃,900℃）andtimeinthreelevel（onehour,twohours,fourhours）,andthendeeplyanalyzedthesuperficialcharacteristicsandthedeteriorationofthemechanicalfunctionofconcrete,andbulitthequantitativeconnectionofdetectingitemswiththetemperatureandtimeinfire,andobtainedregressionmathematicalequations,andanalyzdthedegreeandrangeofdamagesofliningstructure,whichcanprovidetheoreticalbasisfortheanalyzingevaluationofthebearingcapacityofthetunnelliningstructureafterthefire.
②Acomputationmodel"generalizedload-structuremodel”wasbulit,whichcanbeusedforcalculatethebearingcapacityoftunnelstructureinfireconditions.Thismodelisaimprovedload-structuremethod,changingthebeamelementstoplanestrainelements,andachievingthecoupledofthefireloadconditionandsurroundingrockconditions.theselectionmethodofparametersisdifferentfromtheload-structuremethod.Thedefinitionoftheliningelasticmodulepoissonratioetcmechanicalparametersofeachlayerofthesectionisrealized,inliningsectionthicknessdirection.thestressofanysectioninthicknessdirectioncanbeobtained,internalstressofthechangingsituationandthedegreeofdamagecanfacilitatelyanalyzedanddeterminedinliningarbitrarysection.
③Basedontheablationexperimentand"generalizedload-structuremodel",establishedsafetyassessmentmethodfortwo-lanehighwaytunnelliningstructureinfireconditions.TakingliningstructureatⅤlevelinshallowsurroundingrockasanexample,undertookadetailedanalysisthestresschangesoftheliningatkeypointsofcombustion,vault,archwaist,side-wallalongthethicknessdirectionafterthefirecausebyburningofthecars,buses,heavytrucks,tankers.thestructurecalculationofthethicknessoftheliningbeforeandafterthe5cmthiner,10cmthiner，15cmthiner,20cmthinerwascontrasted,whosestressesincreased,comparedwiththerelativelycompletestructure,buttheincreasingratedidnotexceed35%oftheoriginal.Taketheliningasthestructuraldesign,generallysafetycoefficientisfor2~3,evenliningbythinning,theincreasingrateofstressreachedtheoriginal35%,underthepremiseofthestructuraldesignsafetyfactor,liningdamagedwillnotexceedtheallowablestress,althoughsafecoefficientcanbereduced,butstructureisstillstable.Therefore,caneliminatedestroyliningstructurescheme,onlytotakerepairmentandreinforcementtothedamagedliningstructure.
④Itshoulddothefurtherresearchworkatthepracticalapplicationofthetestevaluationmethod.
⑤Throughliningfirephysicaltestanddataanalysis,numericalcomputationandfireexamplesofroadtunnel,takeevaluationforthesafetyofroadtunnelliningstructuresystem.TheachievementswasusedforDaBaoshantunnelofGungShaohighway,firetestdatainthefieldwasanalyzedandstudied,thenforeachsectionofthedamagelevelevaluationwasdone,obtainedsomethephenomenonhasandconclusionwithengineeringguidingsignificance.
KEYWORDS:
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
2.1.1ISO834曲线15
2.1.2HC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]
Table1.1Greatfireaccidentstatisticsofforeigntunnels
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]
Table1.2Greatfireaccidentstatisticsofdomestictunnels
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：
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