钢壳沉管隧道耐火极限标准与防火保护技术研究——以深中通道沉管隧道为例

吴梦军,吴庆良,宋神友,曹 鹏

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067; 2.公路隧道国家工程研究中心,重庆 400067; 3.西南大学工程技术学院,重庆 400715; 4.深中通道管理中心,广东 中山 528400)

0 引言

沉管隧道具有不占航道、环境适应能力强、施工方便快捷等优点,是水下交通运输的重要通道。我国现有的沉管隧道大多为钢筋混凝土结构,如大连湾隧道[1-2]、港珠澳大桥隧道[3-6]、珠江隧道[7]、甬江隧道[8-9]、上海外环线隧道[10-11]等。相较于钢筋混凝土结构,钢壳混凝土结构承载能力更强、不均匀沉降更小、抗震适应性更好,被越来越多地运用到水下隧道工程中[12]。我国超大型跨海集群工程——深中通道中的沉管隧道正是采用了这一组合结构,为国内首次、国际上首次大规模应用。隧道全长6 845 m,沉管段长5 035 m,最大纵坡为2.98%,最大水深为35 m,采用双向8车道技术标准。标准管节断面宽46 m、高10.6 m、结构厚1.5 m,技术指标和工程规模均属世界领先[13]。

目前,关于钢壳沉管隧道耐火性能的文献较少,且主要为日本学者的研究。例如:中井章裕[14]依托冲绳、北九州、大阪间某隧道,开展钢壳混凝土管节结构耐火试验与承载性能试验,得到结构高温劣化损伤特征和构件变形破坏规律; 清宮理[15]依托神户港岛隧道,通过物理模型试验对防火板、防火涂料保护下的试验构件进行研究,对热-力耦合作用下结构的损伤情况进行评价; 松尾幸久等[16]依托神户港岛隧道,开展防火板、防火涂料保护下钢壳管节结构模型火灾试验,研究了结构构件内部温度变化规律与耐火性能; 松本典人等[17]依托梦咲隧道,提出管节结构侧壁和天井部位的防火保护方案,阐述了防火板规格尺寸与施工方法。

上述研究中,管节结构内部构造简单,试验模型与工程实际存在一定差异,且燃烧曲线与我国现行规范不一致,因此已有成果并不能直接指导深中通道沉管隧道的设计与施工。此外,钢壳沉管的防火抗灾还存在如下技术难题:1) 现有的沉管隧道结构耐火极限标准仅针对钢筋混凝土结构,对于钢壳混凝土结构尚无明确规定。2) 海底沉管结构耐火要求高,针对钢壳混凝土管节结构的防火板保护方案在防火板的参数选择、安装工艺、拼缝处理、防火保护效果等方面尚不明确。3) 火灾作用下,管节接头材料性能劣化,接头处防火构造是否满足耐火要求缺乏相关研究。

本研究基于深中通道钢壳沉管隧道耐火需求与高温损伤特征,提出相应的管节结构和管节接头耐火极限标准,并通过局部足尺模型试验,验证管节结构与管节接头防火保护方案的可行性,提出隧道结构与接头防火设计方案。

1 钢壳沉管隧道耐火极限标准研究

通过开展钢壳沉管隧道热力耦合分析和材料性能试验,探讨深中通道钢壳沉管隧道管节结构与管节接头结构的耐火极限,最终提出钢壳沉管隧道结构防火设计建议,并给出管节接头处橡胶止水带的合理使用温度。

1.1 钢壳管节结构耐火极限标准研究

关于钢壳管节结构耐火极限状态判定标准的深入研究较少,国内外的一些规范或规程虽对隧道结构耐火极限标准进行了规定,但均仅针对钢筋混凝土结构,如美国、荷兰等相关规范[18-20]考虑结构稳定和灾后功能恢复2方面需求,规定钢筋和混凝土的限制温度分别为250～300 ℃和350～380 ℃。但针对钢壳混凝土沉管结构的耐火极限目前尚无统一标准。

沉管隧道封闭段长,通风、照明等极大依赖电力供应,一旦内部发生火灾,人员疏散和灭火救援将极为困难,若火灾导致电源供应中断,还将严重影响隧道功能正常使用。此外,沉管隧道深埋于河、海底部,外部环境复杂,承受较高的水土压力,一旦结构局部坍塌或透水将发生灾难性的事故。基于上述特点,提出钢壳沉管隧道4项耐火功能需求及其相应的判定标准。沉管隧道耐火功能需求如表1所示。

表1 沉管隧道耐火功能需求

由表1可知,4项耐火功能需求相应的判定标准如下。

1)结构承载稳定判定标准。结构承载稳定是最基础的要求,通过热力耦合分析,可得到如图1(a)、1(b)所示的不同温度下隧道结构挠度与应力分布情况。当内侧钢壳温度达到500 ℃时,顶板挠度远远小于GB/T 9978—2008《建筑构件耐火试验方法》[21]中规定的弯曲限值(l2/(400d)=583 mm。其中,l为试件的净跨度;d为试件截面上抗压点与抗拉点之间的距离)。大部分钢壳均达到屈服强度,故提出钢壳沉管隧道结构承载稳定判定标准为:结构内侧钢壳温度不超过500 ℃。

(a) 顶板挠度

2)结构完整密闭判定标准。结构完整密闭的薄弱处为管节接头,考虑管节接头变形的问题,通过结构高温响应研究可知,当内侧钢壳温度达到400 ℃时,管节接头节间错动变形过大,钢壳将抵住橡胶,对其止水产生不利影响,故提出钢壳沉管隧道完整密闭判定标准为:结构内侧钢壳温度不超过400 ℃。

3)设施功能正常判定标准。沉管隧道安全通道、管线通道分隔构件等区域的功能需求与一般建筑功能需求相类似,故参考一般建筑构件隔热要求,提出设施功能正常判定标准为:背火面平均温升不超过初始平均温度140 ℃,最高温度不超过初始温度180 ℃。根据管节结构温度场模拟结果[22]可知,无论有无防火保护,其背火面温度均不受火灾高温影响,皆可满足设施功能正常需求,但有关通风、照明等设施保证功能的温度限制要求还应根据设备本身的具体情况另行考虑。

4)结构快速修复判定标准。从外部钢壳和内部混凝土2方面考虑组合结构高温损坏,获取内侧钢壳火灾后残余应力和混凝土高温等效塑性拉应变分布规律。由图1(c)可知,当内侧钢壳经历300 ℃高温冷却后,部分混凝土等效塑性拉应变贯穿了顶板截面,故提出结构快速修复判定标准为:结构内侧钢壳温度不超过300 ℃。

鉴于深中通道海底沉管隧道在我国交通基础设施建设中的重大意义,综合上述研究成果,建议在设计时将结构内侧钢壳在火灾下的最高温度控制在300 ℃以内。

1.2 接头结构耐火极限标准研究

1.2.1 橡胶止水带拉伸性能试验

1.2.1.1 试验方案

依据规范[23-25]相关规定,采用电子万能试验机和哑铃状拉伸试样开展橡胶止水带拉伸性能试验,以获取高温对橡胶拉伸强度等物理参数的影响。试验测试内容与相应测试条件如表2所示。

表2 测试内容与测试条件

1.2.1.2 试验结果与分析

橡胶止水带拉伸性能随温度的变化规律如图2所示。

(a) OMEGA橡胶

由图2可知:1)当温度为70 ℃和100 ℃时,OMEGA橡胶的拉伸强度较常温分别下降了36%和58%左右,GINA橡胶的拉伸强度较常温分别下降了26%和68%左右; 2)当温度大于150 ℃时,2种橡胶的拉伸性能均发生了明显改变。

1.2.2 橡胶止水带压缩性能试验

1.2.2.1 试验方案

橡胶止水带压缩性能试验采用电子万能试验机和圆柱形压缩试样,测定OMEGA橡胶和GINA橡胶分别在20、40、70、100、150、200 ℃下的压缩永久变形和压缩应力松弛[26-27],高温持续时长为24 h。

1.2.2.2 试验结果与分析

橡胶止水带压缩性能随温度的变化规律如图3所示。

(a) OMEGA橡胶

由图3可知:1)当温度为100 ℃和150 ℃时,橡胶压缩永久变形由常温的10%分别增加了30%和70%左右; 2)压缩应力松弛由常温的10%分别增加了50%和90%左右。

1.2.3 接头结构耐火极限标准

基于试验结果,分别给出OMEGA橡胶与GINA橡胶的耐火极限标准为:OMEGA橡胶超过70 ℃的时间小于2 h,超过100 ℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150 ℃; GINA橡胶超过100 ℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150 ℃。

2 钢壳沉管隧道管节结构耐火试验

通过钢壳沉管隧道管节结构局部足尺耐火模型试验(厚度方向的尺寸以及整体构造与背景工程沉管隧道完全一致,长度方向与宽度方向选取局部进行试件制作),对不同材质与厚度的防火板,以及不同的拼缝处理方案条件下的防火效果进行研究,并据此提出管节结构防火最佳方案。

2.1 管节结构试件设计

试验构件为1.0 m×1.0 m×1.5 m(长×宽×高)的立方体。上、下钢壳厚度为30 mm,采用Q420B钢;横、纵隔板厚度为12 mm,采用Q390B钢;其余钢材采用Q345B。混凝土强度等级为C50,管节结构试件尺寸与构造如图4所示。

(a) 试件三维模型 (b) 试件现场实拍

2.2 整板防火板耐火试验

2.2.1 试验方案

整板防火板耐火试验采用保全厂家的纤维增强硅酸钙防火板,根据防火板厚度可分为25、30、35 mm 3种工况。防火板安装示意如图5所示。首先,在构件底部焊接龙骨;然后,通过M8螺栓连接龙骨与角钢;最后,通过M5.5×50 mm六角自攻螺钉将防火板固定在角钢上。

图5 防火板安装示意

整板试验在防火板与钢壳底板之间的空腔边缘和中部分别布设了2组热电偶传感器,各组布设位置分别为防火板背火面、角钢、空腔、钢壳底板下表面。整板试验温度测点布置如图6所示。试验采用RABT火灾标准升温曲线,温度在5 min时从常温升到1 200 ℃,并持续了115 min后开始下降; 降温过程为110 min,到第230 min时温度降到常温。

(a) 测点位置平面示意(单位:mm) (b) 测点位置现场实拍

2.2.2 试验结果与分析

各测点温度最高值如表3所示。由表可知:1)各测点温度由高到低为防火板背火面、空腔、钢壳底板下表面,即温度是沿着防火板、空腔空气向钢壳底板下表面传递的,而角钢测点温度明显高于其他3个部位,主要是因为与其相连接的自攻螺钉直接接触炉内的高温热烟气,温度较高,进而传递给角钢; 2)在3种防火板厚度下,钢壳底板下表面的温度最高值均未超过设计文件规定的管节结构耐火极限300 ℃,说明火灾中防火板对钢壳的保护作用明显,且防火板越厚、钢壳底板下表面的温度越低。

表3 各测点温度最高值

2.3 拼缝防火板耐火试验

2.3.1 试验方案

相较于整板试验,拼缝试验在拼缝处增设2组传感器,每组传感器包括防火板背火面、空腔、钢壳底板下表面3个测点。为保证防火板拼缝的密封性,本研究提出如图7所示的3种拼缝处理措施:“L型拼缝,涂防火胶,对接挤压”,“工字形胶条,直缝拼接”,“直缝,涂防火胶,对接挤压”,并对6个厂家的防火保护方案进行耐火性能测试。

(a) L型拼缝,涂防火胶

2.3.2 试验结果与分析

不同工况下钢壳底板温度最高值如表4所示。

表4 拼缝试验钢壳底板温度最高值

由表4可知,不同工况下钢壳底板下表面最高温度均未超过设计文件规定的管节结构耐火极限300 ℃。说明上述拼缝处理方案均能有效防止热烟气沿拼缝进入空腔进而加热钢壳底板,满足钢壳沉管隧道结构防火设计要求。此外,防火板采用单层或双层结构对耐火性能基本没有影响,但考虑结构整体性建议采用单层防火板。

3 钢壳沉管隧道管节接头耐火试验

通过开展深中通道钢壳沉管隧道管节接头局部足尺耐火试验,获取无剪力键与有剪力键管节接头试件的高温损伤特征和温度时程曲线,对试验采用的管节接头防火保护方案进行验证,并提出管节接头防火构造改进措施。

3.1 构件制作

无剪力键管节接头试件由2个完全一致的接头对接而成,主体为钢壳混凝土结构。单个接头试件现场实拍如图8所示。试件主体制作完成后,在其中一个接头的端部居中安装GINA橡胶;接着将2个接头依次吊装放置在试验炉支撑梁上,放置平稳后,在中部空腔安装OMEGA橡胶止水带。试件采用27.5 mm厚防火板+50 mm厚陶瓷纤维毯双层防火保护体系。其中,防火板采用龙骨拼装在试件底部,以保护试件主体结构;防火棉铺设在防火板之上、2个接头之间,以保护OMEGA以及GINA橡胶。

(a) 正视图 (b) 左视图

有剪力键管节接头试件制作步骤和无剪力键管节接头试件制作步骤基本一致,仅在吊装拼接前增设了3个钢剪力键。在防火保护方面,有剪力键试件将空腔处5号槽钢龙骨自由端长度由600 mm改为500 mm,并将防火板缝隙封堵方式由防火棉封堵改为防火胶密封,以保证防火板的密封性。试件安装完成效果如图9所示。

(a) 无剪力键试件

3.2 测点布置

无剪力键试件与有剪力键试件均布置有9个温度测点。热电偶传感器布置如图10所示。热电偶传感器位置说明如表5所示。

(a) 无剪力键试件

表5 热电偶传感器位置说明

3.3 试验结果与分析

由于国内现有可容纳此类大型构件的装置还无法实现RABT曲线的加载,试验采取系统固有的ISO834火灾标准升温曲线,升温时间为189 min(火灾曲线等效处理:基于关键材料温度相等原则得出等效曝火时间[28])。试验过程中,2种试件外观均无明显变化,防火材料及主体结构没有出现爆裂、鼓出、开裂等现象。试验完成后,无剪力键试件的防火板出现多处裂纹,如图11(a)所示;龙骨在伸入空腔的自由端产生较大挠度,如图11(b)所示。分析原因为:槽钢龙骨的安装方式与防火板的拼缝存在缺陷,导致龙骨温度较高,造成强度退化和产生温度应力。通过改进龙骨安装与防火板缝隙封堵方式,后续有剪力键试件耐火试验中龙骨未再产生明显变形。

(a) 防火板裂纹 (b) 龙骨自由端挠度

此外,有剪力键试件内部测点温度时程曲线较无剪力键试件内部测点温度时程曲线平稳。钢壳测点温度时程曲线如图12所示。2种工况下各材料最高温度如表6所示。由图12和表6可知,无剪力键试件与有剪力键试件均未达到其相应的耐火极限,说明试验采用的防火保护方案是安全可行的。

图12 钢壳测点温度时程曲线

表6 2种工况下各材料最高温度

4 结论与建议

1)提出钢壳沉管隧道管节结构和接头结构的耐火极限标准,给出管节结构防火设计建议和接头橡胶止水带合理使用温度,为深中通道沉管隧道防火保护技术的设计、研究提供了技术支撑。

2)提出钢壳沉管隧道管节结构防火保护方案,针对结构防火薄弱构造拼缝,给出3种创新处理措施,并基于耐火试验验证了上述方案措施的可行性。综合技术经济和安全耐久分析,建议管节结构防火板厚度采用35 mm,接缝采用L型单层防火板拼缝,对接面涂热膨胀胶。

3)开展钢壳沉管隧道管节接头耐火试验,获取无剪力键与有剪力键管节接头试件的高温损伤特征和温度时程曲线,验证了管节接头防火保护方案的可行性,并提出管节接头防火构造的改进措施。建议管节接头在防火设计时外侧设35 mm防火板,采用防火胶封堵拼缝,内侧设50 mm陶瓷纤维毯组成防火隔断,拼装龙骨在空腔自由端取500 mm。