港珠澳大桥沉管隧道接头耐火性能试验研究

张升耀，董毓利，段进涛，郑 威

(华侨大学土木工程学院，厦门，361021)

0 引言

自1810年英国在泰晤士河上修建第一座沉管隧道起[1]，至今沉管隧道发展已历经200多年。本世纪初，国外丹麦至瑞典的厄勒海峡大桥沉管隧道、韩国的釜山-巨济沉管隧道已相继建成，我国也于2018年建成了当前世界上沉管段最长(5 664 m)、埋深最深的港珠澳大桥(HZMB)沉管隧道[2]，而规划建设中的深中通道沉管段长度已达6 845 m[3]。可以预见，沉管隧道的工程应用会越来越广泛，且不断向超宽、超长的方向发展。然而，沉管隧道给交通运输带来便利的同时，也受到了许多因素的制约，火灾就是其中的因素之一[4]。沉管隧道一般较长且相对封闭，一旦发生火灾，会造成大量生命财产损失[5]。除对隧道内部人员造成巨大伤害外，火灾往往会对隧道衬砌结构造成破坏[6]。作为沉管隧道连接结构的管节接头，其主要构造为两道橡胶止水带，相对于混凝土材料的管段更为薄弱，火灾下被破坏的几率更大，因此对于管节接头的耐火性能研究颇为重要。

近年来有学者相继对接头的耐火性能进行了研究。文献[7,8]通过同种型号防火板的不同叠加组合，进行管节、节段接头1∶1局部火灾试验，得到了符合耐火目标的防火板组合方案；文献[9]研究了火灾下沉管隧道管节接头、节段接头局部在防火涂料和防火板协同作用下的耐火性能，并对接头部分的温度场进行了分析；文献[10]比较了管节接头局部在不同锚固形式的防火板覆盖下的耐火性能优劣；文献[11]通过数值模拟分析了无防火措施下的沉管隧道的温度场及结构响应规律，并通过局部防火板高温试验获得合理的耐火保护建议，但试验未进行接头部位的耐火性能研究。以上研究均没有涉及沉管隧道孔道内接头整体结构的耐火性能，且接头外覆防火板的厚度、布置方式与港珠澳大桥沉管隧道段单层防火板布置方式存在差异。同时，基于结构性能化抗火设计方法，应考虑结构整体作用对耐火性能的影响[12]。

为此，本文以港珠澳大桥沉管隧道为研究背景，建造1∶5缩尺寸模型，对管节接头整体在防火板保护下的耐火性能进行了研究。隧道内仅铺设1层防火板，厚度25 mm左右，接头内设防火隔断，防火设置保持与港珠澳大桥沉管隧道段一致。以国际标准的隧道火灾升温曲线RABT作为设计火灾场景，考虑火灾升温、降温全过程，进行4次单孔接头整体在不同防火板保护下的火灾试验。试验主要量测防火板背火面、防火隔断各层及止水带等位置的温度场，观测防火板的破坏形态，量化防火板的耐火性能并比较不同材料性能的优劣，最后根据试验结论提出可供实践参考的合理建议。

1 试验构件设计

试验构件参考港珠澳大桥沉管隧道E13及E14管节节段，建造1∶5缩尺寸模型，模型主体包括“两孔一管廊”结构的两管节节段以及管节接头部分，整个试验构件见图1。构件全长11.62 m，宽7.59 m，高2.28 m，其中单一节段长5.80 m。管节接头部分主要设置两道防渗构造，如图2，最外侧为GINA止水带，内侧为OMEGA止水带。构件混凝土强度C50，钢筋HRB400。

图1 沉管隧道

图2 接头构造

2 火灾试验方案

2.1 火灾试验炉

为研究接头在防火板保护下的耐火性能，火灾试验炉设在隧道内的管节接头处。根据FDS[13]对火灾试验炉内的烟气及温度场的模拟分析，为满足试验要求，试验炉的尺寸设计见图3。火源采用两台单机功率为1.2 MW的燃气燃烧机，燃烧机安装在左侧炉墙上，炉室热烟气从左至右顺畅排出。烟道采用粘土砖、混凝土材料建造；烟道前部顶板设有水喷淋头对热烟气进行降温，底板设有排水坡及喷淋水排水口；烟道末端设有预制冷却罐，对热烟气进行二次降温以避免其对周边人员产生危险。

图3 试验炉尺寸(单位：mm)

2.2 防火板选择与铺设

防火板的耐火性能与板厚相关，选择板厚作为主要控制变量。港珠澳大桥沉管隧道段使用防火板型号为PROMATECT©-H matrix engineered mineral board，尺寸为2 440 mm×1 220 mm×25 mm，主要成分为硅酸钙，见图4(a)。经市场调研国内常用板材厚度少有与其相同的，因此选择与25 mm厚度相近的板材作为试验对象。由四川消防研究所采购1 200 mm×1 000 mm×30 mm 硅酸铝板(图4(b))，其质轻、耐火极限较高，属于研发中的新型防火材料，但密实度较硅酸钙板低，其切割面如图4(c)。另外由市面采购两种不同厂家生产的硅酸钙板，尺寸为900 mm×600 mm×30 mm和2 440 mm×1 220 mm×20 mm。共4种材料，进行4次平行试验，试验以港珠澳大桥沉管隧道防火设计为基础。

图4 防火板

鉴于港珠澳大桥项目在管节段仅铺设单层防火板，并采用不锈钢螺栓直接后附在结构表面安装[14]，因此本试验采用相同设置。参考原设计的柔性防火隔断，代替方案采用一层40 mm厚防火棉+30 mm厚防火板，具体设置见图5。炉室内防火板直接用膨胀螺栓固定在隧道内壁，紧密铺设；板材之间的缝隙使用防火棉覆盖，见图6，使其处于单面受火状态。防火板基本完全覆盖炉室内混凝土表面，板材侧边采用防火棉压缝密实。

图5 防火隔断

图6 防火板铺设

2.3 炉温控制及耐火目标

隧道火灾一般升温速度快、最高温度高、持续时间长，这些特征明显区别于建筑火灾[15]。常用的隧道火灾升温曲线有HC/HCinc、RWS、RABT等，这些曲线相较于标准升温曲线ISO 834更为严格(见图7),能充分反映隧道火灾的特征；同时为研究火灾全过程中接头的耐火性能，需考虑降温段过程。因此本试验火灾场景设计采用RABT隧道火灾升温曲线[16]，升温段持续2 h，降温段110 min，为保护燃烧机喷嘴，降温段采用机械强制通风。炉温由热平衡原理控制[17]，经过FDS数值模拟分析，炉室尺寸及配套火源可满足火灾后约10 min炉温上升至1 200 ℃左右要求，并能维持稳定状态。

图7 标准升温曲线

为保护火灾下隧道衬砌结构及止水带构造，根据现行《建筑设计防火规范》的有关规定，在RABT隧道火灾场景下混凝土结构的表面温度不超过380 ℃或距离表面25 mm处钢筋温度不超过250 ℃。考虑管节接头防渗的要求，橡胶止水带的温度一般不应超过70 ℃。

2.4 温度测量

炉温采用6根S型铂铑热电偶测量，如图8。为充分研究接头部分各位置的温度场，故略去底部行车道构造。温度测量主要包括两个截面位置：1)接头截面；2)距接头截面375 mm的混凝土截面。

图8 炉温测点

对于接头截面，除中墙外，各测点包含防火板背火面、防火隔断各层、OMEGA止水带、GINA止水带，测点后缀依次为4～0，测点布置见图9。中墙由于无防渗构造，仅测量防火板背火面和混凝土温度。

图9 接头测点(单位：mm)

对于混凝土截面，因底部混凝土热边界条件不同，故未设置测点。混凝土内部测点布置见图10，测点处的热电偶束根据板厚不同而设置；顶板、侧墙板厚300 mm，钢筋测点距混凝土表面距离分别为30 mm，60 mm，270 mm；中墙板厚为160 mm，钢筋测点距混凝土表面距离为30 mm，60 mm。温度采集设备为安捷伦(34980A)温度采集仪。

图10 混凝土测点(单位：mm)

3 宏观试验现象

火灾试验进行4次，按照材料到达试验现场的先后次序进行，试验1～4所使用的材料依次是：硅酸铝防火板(30 mm)、硅酸钙防火板1(30 mm)、硅酸钙防火板2(HZMB，25 mm)、硅酸钙防火板3(20 mm)。火灾发生后防火板受火面均有裂纹产生，裂纹主要集中在支撑条件较差的接头凹槽部分；裂纹的形态与防火板的材性有关；硅酸钙板发现明显的烟气侵入发黄痕迹。防火板的主要破坏形态见图11，各种板材具体破坏特征见表1。

图11 火灾后防火板

表1 防火板破坏特征

总体而言，板材的损坏形态与自身的物理性质相关，硅酸铝板受火后因密实度较差而出现松散分离；硅酸钙板相对密实，受火后易脆性破裂为几个较大的板块。但所有板材均无贯通裂缝，火灾下仍维持一定的耐火性能。

4 主要试验结果

4.1 炉温

炉温数据见图12，火灾后约10 min炉温曲线出现拐点，稳定阶段各测点温度略有偏差；4次试验平均炉温均在1 200 ℃以上，满足RABT升温曲线要求。停火后，由于有防火板保护，接头部分温度并不高，且炉室空间较小，在机械通风下，炉温下降较快。300 ℃时下降速度减缓至与RABT曲线基本一致，之后曲线趋近于水平，最终温度40 ℃左右。由于4次试验炉温各测点数据变化规律基本相同，故仅给出一次试验炉温各测点数据，4次试验平均炉温Average数据见图12(b)。

图12 炉温

4.2 防火板背火面温度

对于防火板背火面的温度数据，主要进行以下三个方面的分析：1)分析单次试验防火板背火面各测点温度数据，以研究隧道火灾全过程中防火板背火面温度场变化规律；2)分析单一测点序列的温度数据，以研究火灾下防火板耐火性能变化规律；3)分析4次试验同一测点位置的温度数据，以研究不同防火板耐火性能的优劣。

4.2.1 防火板背火面温度场变化规律

图13为试验一硅酸铝防火板在隧道火灾全过程下的背火面测点温度随时间的变化规律，部分测点在温度接近100 ℃时出现5 min～10 min的平台段，测点温度基本保持不变，这可能是防火板含有水分所致。随后温度快速上升，40 min左右温度增长速率全部放缓至温度出现“平稳段”。这是由于防火板背面存在“隔热层”(一定厚度的空气层和混凝土层)，火灾发生后传递到防火板背火面的热量由于“隔热层”存在不能在短时间内传递出去，导致内部温度不断上升；当外部炉温基本稳定时，防火板内外侧的温差将会不断减小，由于此时防火板仍保持一定的耐火性能，由外至内的热流量较小而出现了温度的“平稳段”。

停火时背火面温度达到最大值，各温度测点的最大值见图13(d)。各测点温度最大值并不相同，这与炉温不均匀有关。两侧燃烧机喷射火焰处(喷口位置)及底部烟道出口处温度稍高，边角处温度较低，由于热烟气均从底部烟道排出，导致顶部温度稍低于底部。

图13 防火板背火面温度

4.2.2 防火板耐火性能变化规律

为了研究防火板的耐火性能随受火时间变化的规律，选择测点JS1、JC1处温度数据进行分析。图14为防火板、混凝土厚度-温度-时间曲线。规定0 mm→30 mm为防火板的受火面→背火面，30 mm→35 mm考虑为板后空隙，35 mm→125 mm为混凝土测点从0 mm→90 mm的范围。0 mm～35 mm厚度范围内温差较大，混凝土内部温差较小。防火板内外侧温差在火灾初期保持较大值，随着火灾时间的延长，温差逐渐减小，40 min左右温差达到稳定值，约700 ℃左右，该状态一直维持至120 min停火。这表明防火板耐火性能在点火初期随受火时间的延长逐渐下降，在40 mm～120 mm时段内防火板性能处于一定的稳定状态，并保持一定的耐火性能。

图14 防火板、混凝土厚度-温度-时间曲线

4.2.3 防火板耐火性能的优劣

选择防火板背火面同一测点4次试验数据进行对比，研究不同防火板耐火性能的优劣。图15中对于同一测点，4次试验整体温度变化趋势相接近，仅HZMB防火板升温时段滞后，升温速率低于其他三种材料。停火时，防火板背火面温度均达到最大值，4次试验的最大值不相同。HZMB防火板温度值最低，其次为硅酸铝防火板；其他两种硅酸钙防火板温度值相对较高，且其值随测点不同大小次序不同。对于4次试验中防火板背火面最高温度值，最大值与最小值的差值幅度可达30%，这表明不同防火板耐火性能差异较大。考虑防火板厚度对耐火性能的影响，单位厚度防火板隔热性能(内外侧温差)HZMB防火板综合性能最优(27 ℃/mm)，硅酸铝板为22.5 ℃/mm，硅酸钙板1(30 mm)为17 ℃/mm，硅酸钙板3(20 mm)为23 ℃/mm。

4.3 混凝土测点温度

混凝土温度分布情况可反映火灾下防火材料对管节接头的保护性能。为研究受保护的混凝土内部温度场，选取顶部S1、S4，中墙Z2测点进行分析，30 mm-S表示距离受火侧混凝土表面30 mm处钢筋测点。

图16为混凝土温度-时间曲线。火灾发生20 min后，混凝土温度才开始缓慢上升；停火后，温度仍保持一定时长的上升状态。由于防火板的存在，停火阶段混凝土向炉室内散发热量的过程受阻，导致测点降温速率比较缓慢，部分测点在停火降温段基本无明显温度下降过程，远离受火面的部分测点甚至全过程保持升温状态。中墙由于板厚仅160 mm，温度上升速度较顶板(300 mm)快。温度接近100 ℃时部分测点出现温度平台，这是混凝土内部水分蒸发所致[18]。中洞顶部测点S4试验全过程中温度基本无明显变化，表明有防火板保护，火灾对中间孔洞的混凝土影响很小。

由图16中钢筋测点的温度时间变化规律可知，在火灾初期钢筋的温度基本与同位置的混凝土温度一致。后期由于钢筋的体比热容较大，其温度略高于同位置的混凝土。

表2给出了所有混凝土测点4次试验测量温度最大值，S4测点(中洞顶部)温度普遍较低，故不计入统计。试验一(硅酸铝板，30 mm)和试验三(HZMB，25 mm)各测点温度整体较低且相互接近，试验二(硅酸钙板，30 mm)测点温度相对较高，而试验四(硅酸钙板，20 mm)部分测点温度超过耐火目标限值。这表明：防火板厚度较小时难以满足耐火目标，25 mm～30 mm厚单层防火板可满足耐火目标要求；HZMB防火板厚度较小，对混凝土保护效果处于最佳行列，因此综合性能HZMB防火板最优。

表2 混凝土测点最高温(单位：℃)

4.4 防火隔断

为了研究防火隔断的耐火性能，以防火隔断外温度相近的原则在4次试验中选测点进行分析。隔断外参考温度设定为500 ℃，由于第四次试验整体温度较高，选择的测点隔断外温度(844 ℃)高于前三者。防火隔断温度与时间变化关系见图17。火灾初期由于有防火板的隔热作用，防火隔断内部温度基本保持不变，40 min左右热量开始传递到隔断内部。隔断内防火棉层温度上升较快，停火后温度仍继续缓慢上升一段时间。隔断内防火板层、OMEGA止水带、GINA止水带温度相差不大，温度都随受火时间延长而缓慢增长。即使防火隔断外温度高达844 ℃，止水带内部温度仍能维持在70 ℃以下，这表明采用防火隔断构造可有效保护接头止水带构造，提升接头的耐火性能，工程中设置合理的接头防火隔断对整体抗火性能提升有很重要的意义。

5 结论

(1)管节接头整体的耐火性能主要取决于防火板与防火隔断的共同作用，其中防火隔断的作用相对显著。单孔炉室温度分布的不均匀性，主要对防火板背火面的温度场影响较大，对防火隔断后的温度场影响较小。

(2)一般而言，防火板的厚度大小是影响同型号板材耐火性能的关键因素，不同型号防火板的耐火性能也受板材厚度的影响。因此当综合考虑板材厚度的影响时，管节接头在港珠澳大桥项目防火板整体保护下耐火性能较好；其次是30 mm厚硅酸铝防火板，其耐火性能较30 mm厚硅酸钙板好，但密实度较差；而20 mm厚硅酸钙防火板整体耐火性能较差，混凝土表面最高温超出限值17.9%，不能满足耐火目标要求。

(3)防火板背火面温度场主要受炉室内温度分布的影响，在底部烟道和火焰喷射处温度较高，顶板温度稍低，边角处温度最低。防火板背火面温度与混凝土0 mm(内表面)处温度最大相差接近400 ℃，这是由于防火板与混凝土之间存在空隙所致。

(4)火灾下防火板主要在接头凹槽处出现大量裂纹，而在有混凝土支撑的区域板材开裂较少，因此实际工程中应加强对防火板背面的支撑。防火板的制造可考虑在板内部进行加筋处理，提高板材自身的整体性、密实度，降低防火板在火灾下的开裂几率，增强整体耐火性能。

(5)接头防火隔断代替方案采用一层40 mm厚防火棉+30 mm防火板，止水带温度最高不超过70 ℃，可满足耐火目标要求。即使隔断外温度高达844 ℃，防火隔断仍能很好保护止水带构造，防止渗漏的发生。因此在实际工程中合理设计的防火隔断可以提升沉管隧道管节接头的耐火性能。