不同燃烧物及防护下隧道火灾特征调查与分析

李鹏 宋文超 罗亦洲

摘要：隧道内发生火灾后，会对结构造成不可逆的损伤。隧道火灾事故具有共性，也具有异性。认识共性，便于火灾发生后，快速对隧道结构进行检查，文章提供了火灾隧道结构检查流程。认识差异，便于评估火灾造成的灾损，开展维修处治工作，文章分析了不同燃烧物及防护下隧道火灾的特征，指出燃烧热值高的同质量的可燃物会在短时间内加热环境温度，造成较大范围的影响;隧道衬砌设置防火涂料能有效阻止火灾能量向衬砌混凝土传递，起到保护作用。

[作者簡介]李鹏（1988—），男，硕士，工程师，主要从事运营公路隧道病害检测及加固处治设计方面的工作。

随着我国经济的快速发展，包括公路隧道在内大量交通运输基础设施建设不断推进。公路隧道现已建成超1.9×104座，总长约1.8×104 km[1]。隧道数量的增多不仅方便了人民的出行，也带来了极大运营压力，隧道内发生火灾是一种严重威胁隧道运营安全及结构安全的事故。

与地面火灾的特征明显不同，隧道结构狭长，内部环境相对封闭，一旦发生火灾，扑灭难度大，并且由于烟囱效应[2]，发生火灾后，火势会迅速扩大，温度会迅速传播，除被火焰直接灼烧的结构外，被加热的空气会把能量传递给任何接触到的结构或材料，造成隧道结构大面积的损伤。隧道发生火灾后，出现损伤的结构主要为衬砌钢筋混凝土结构、防排水系统以及附属照明通风等设备。火灾会影响衬砌混凝土及钢筋的力学性能，进而影响到结构承载能力及耐久性。

笔者在工作中遇到多起隧道火灾事故，本文通过对不同火灾案例的调查检测，分析了不同燃烧物及设防环境下隧道内火灾灾损的主要特征。

1 案例介绍

1.1 木门燃烧案例

2019年12月27日，在A高速公路A隧道内发生一起货车起火事故，事故发生在隧道左线主车道距南充端洞口约90 m处，对应桩号为K0+090。经了解，起火货车所装载的物品为木门、线缆（外包皮应为PVC材料）及生活用品，在隧道内燃烧时间在6 h左右（含消防救援时间）。火灾过后，隧道衬砌部分表层被烧毁剥落，影响范围约60 m。隧道规模见表1。

1.2 汽油燃烧案例

2020年06月14日B高速B隧道左线内发生交通事故引发火灾，事故发生在左线ZK1+581～ZK1+621加宽带处。经了解，事故为两辆载重货车相撞导致燃油泄露引发火灾，隧道内火灾燃烧时间在1.3 h左右（含灭火救援时间），火灾燃烧物主要为车辆及泄露燃油，燃烧中心在加宽带处。火灾过后，隧道装饰层瓷砖不同程度被烧毁剥落、机电设备烧毁情况严重，局部隧道衬砌防火涂料受火灾影响脱落，局部衬砌存在裂纹;局部路面出现坑槽、路面标识烧毁，影响范围约430 m。隧道规模见表2。

1.3 基本信息汇总

此两起事故均是隧道内发生火灾，造成交通中断，使衬砌结构受到影响。为方便对两座隧道进行比较，现将两座隧道的基本信息汇总见表3。

2 调查检测

隧道内发生火灾后，首先要对隧道结构进行应急检测，确定隧道结构受火灾影响的范围和程度，调查检测流程见图1。

2.1 结构烧灼损伤状况检测

2.1.1 木门燃烧无防火涂料损伤状况

（1）受火直接灼烧致衬砌混凝土表面剥落，位于左拱腰及拱顶部，桩号为K0+089～K0+093，面积约为4 m×4 m，剥落最深处为3 cm（里程桩号为K0+092.5）。混凝土表面颜色为土黄色或淡黄色，锤击声音沉闷（图2）。

（2）受火灼烧或熏烤致混凝土表面出现鱼鳞状裂纹或网状纹，位于左拱腰及拱顶部，范围为K0+084～K0+130。靠近混凝土表面剥落位置处混凝土表面颜色为土黄色或淡黄色，远离处为灰色。广元端衬砌表面网状裂缝多于南充端（图3）。

（3）隧道K0+083～K0+103段左拱腰处照明用的LED灯受火灾的影响，熔化或烧毁（图4）。

（4）隧道左线左车道K0+086～K0+091货车燃烧处，路面沥青混凝土因火灾产生坑槽（图5）。

（5）从现场检测情况看，衬砌混凝土受火直接灼烧致表面层剥落，面积约为4 m×4 m，深度约为3 cm;混凝土剥落周边混凝土表面存在大量鱼鳞状裂缝;混凝土表面颜色为土黄色或淡黄色;锤击声音沉闷。根据混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应与温度的关系初步判断混凝土表面局部受火温度可能为800 ℃左右。

2.1.2 汽油燃烧有防火涂料损伤状况

（1）ZK1+591.5～ZK1+592.5（1 m）衬砌拱顶防火涂料受火灾影响部分脱落，面积约为1 m×2 m，剥落深度约为1 cm。该处混凝土表面熏黑，锤击声较响亮，留下痕迹。向四周铲除防火涂料后，ZK1+590～ZK1+592（2 m）拱顶衬砌显现2条环向裂缝及大量细微裂纹，其中一条长5 m，宽1 mm，与施工缝相接，裂缝周围细微裂纹发育;另一条长2 m，宽3 mm;去除防火涂料显现白色，锤击声音较响亮，表面留下痕迹。ZK1+559～ZK1+565（6 m）拱腰及拱顶部衬砌表面防火涂料出现网状裂纹，纹路为灰白色，锤击声较响亮，孔洞周围存在空洞（图6）。

（2）隧道左线路面ZK1+599～ZK1+602（3 m）处，路面沥青混凝土因火灾产生坑槽。如图7所示;ZK1+607～ZK1+609（2 m）处路面左侧标示线烧毁。

（3）隧道内装饰ZK1+595～ZK1+608（13 m）左边墙秀壁板基本烧毁。ZK1+608～ZK1+618（10 m）左边墙秀壁板部分烧毁。ZK1+569～ZK1+600（31 m）右边墙瓷砖基本脱落，表面熏黑，ZK1+510～ZK1+581（71 m）左边墙及ZK1+501～ZK1+569（68 m）右边墙瓷砖大面积脱落，表面熏黑，如图8所示。其余部分区段瓷砖零星脱落，表面熏黑。ZK1+220～ZK1+510（290 m）左边墙、ZK1+220～ZK1+501（281 m）右边墙、ZK1+622～ZK1+650（28 m）左边墙及ZK1+622～ZK1+635（13 m）右边墙瓷砖零星脱落。

（4）附属设施病害。受火灾影响附属设施出现了变形、熔化、烧毁等情况（图9）。

（5）从现场检测情况看，衬砌混凝土表面防火涂料受火灾影响局部剥落，面积约为1×2 m2;防火涂料剥落处发现混凝土表面存在环向裂缝及大量细微裂纹;锤击声音较响亮，表面留下痕迹，根据混凝土表面颜色、裂损剥落、锤击反应与温度的关系初步推测混凝土表面局部受火温度可能为300～500 ℃，防火涂料达到的温度在1 000 ℃以上。

2.2 火灾后结构现状检测

2.2.1 火灾作用调查

火灾后结构现状检查首先要进行火灾作用调查，前文案例介绍已把火灾作用调查内容展示，此处不再赘述。只补充通过火灾作用调查发现，火灾后隧道损伤情况与隧道内风向有直接关联，顺风一侧损伤程度明显高于逆风一侧。

2.2.2 混凝土中性化深度检测

（1）A隧道在拱部选取10处位置进行混凝土中性化深度检测，测量结果见图10、表4。

通过混凝土中性化深度检测结果可以看出，直接受火灼烧的位置，混凝土中性化深度明显大于其他位置。

（2）B隧道在拱部选取6处位置进行混凝土中性化深度检测，测量结果见表5、图11。

通过混凝土中性化深度检测结果可以看出，直接受火灼烧的位置，混凝土中性化深度明显大于其他位置。

（3）通过检测结果可以看出，A隧道的混凝土最大中性化深度大于B隧道，这是因为B隧道表面覆盖有防火涂料，有效阻止了热量向衬砌混凝土传递。

2.2.3 衬砌强度检测

钻孔取芯，进行抗压试验，分别对临火侧及背火侧混凝土强度进行试验。两座隧道检测结果见图12、图13、表6、表7。

从检测结果可以看出直接受火焰灼烧的位置，衬砌混凝土强度降低明显，部分芯样表现出临火侧强度低于背火测强度的特征，说明在火灾高温影响下，衬砌混凝土發生物理化学变化，造成混凝土强度降低，对直接灼烧处临火侧的影响程度要大于背火侧（未灼烧处）。

3 分析评估

（1）A隧道火灾的燃烧物主要是木门及聚氯乙烯，燃烧热值为17～19 MJ/kg;B隧道内燃烧物为汽油，其燃烧热值为44 MJ/kg[3]。单位时间内汽油燃烧释放的能量是木材2.3倍，火灾开始后，B隧道承受更高的温度，在狭小的空间内，温度沿隧道风向迅速传播，最终影响范围为430 m，远大于A隧道的60 m。燃烧物的燃烧热值是影响火灾损伤范围的因素之一。

（2）A隧道火灾的燃烧时间在6 h左右，而B隧道火灾的燃烧时间为1.3 h。受燃烧时间的影响，A隧道火灾中心的灾损程度要比B隧道严重。

（3）B隧道衬砌表面设置有防火涂料，查阅设计文件，厚10～15 mm的防火涂料在1 000 ℃高温环境中耐火2 h。实际B隧道火灾燃烧1.3 h后，即有防火涂料剥落，说明火灾中心防火涂料承受的温度在1 000 ℃以上，再次说明燃烧热值高的可燃物会在短时间内将环境温度加热到很高的温度。防火涂料在火灾发生时，确能起到保护混凝土结构的作用。

（4）从2座隧道的损伤情况看，顺风一侧衬砌结构破坏严重，而逆风一侧基本未受破坏，说明风向是影响隧道火灾损伤的原因之一。这也为隧道内火灾发生后人员逃生方向提供了选择依据。

（5）衬砌混凝土中性化深度及衬砌混凝土强度的检测，主要是为了评估损伤深度及剩余承载能力。为火灾后衬砌加固维修提供依据。

4 结束语

本文针对隧道内发生火灾后，不同燃烧物、是否设置防火涂料造成的损害，通过工程实例进行了调查分析，为隧道火灾灾损检查提供了一种思路，分析了不同燃烧物和是否设防下的灾损特征。

本文仅根据火灾后灾损现象及数据进行分析，得到的结论较定性，未对火灾后衬砌损伤深度进行分析，也未对隧道发生火灾后剩余承载能力进行评估，在后续工作中，应加强火灾后隧道安全性评估的研究。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通运输部 2019年交通运输行业发展统计公报[R].2020.05.12

[2] 闫治国 长大公路隧道火灾研究[D].成都： 西南交通大学，2002.

[3] 火灾后工程结构鉴定标准： T/CECS252-2019[S].北京：中国建筑工业出版社， 2019.