墨尔本地下隧道工程中衬砌结构的防火设计方案

2020-12-01 10:07:29
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一、相关背景

自20世纪60年代起,全球范围内发生多起重大隧道火灾事故,像1996年的英吉利海峡海底隧道火灾、1999年的勃朗峰隧道火灾以及2001年的圣哥达隧道火灾等,通常会对人身财产、设施结构等造成较大影响。加之修复期间隧道关闭时间较长,经济方面的损失也不可小觑。虽说公路隧道火灾事故相对频繁,但铁路隧道的死亡人数则往往更多。此外,火灾通常会对隧道衬砌结构造成较大的高温损伤,火灾中的爆炸性剥落为最严重的一种衬砌剥落,给消防人员的救援也带来较大的挑战性和危险性。对此,来自澳大利亚维多利亚大学等高校的研究人员基于墨尔本地铁隧道工程提出一项混凝土衬砌管片的设计方案,可在重大火灾事故中确保衬砌结构的稳定性。相关成果以论文形式发表在《Structural Concrete》期刊上。

二、工程概况

墨尔本地铁隧道工程主要包括两条9km长的铁路隧道,通过中央商务区从南肯辛顿出发到南亚拉结束,并将连接现有山伯利-威廉斯顿线和克蓝本/帕金线。工程采用土压力平衡盾构并排建造,开挖直径为7.28 m,两条隧道共由超过56,000个预制衬砌管片构成,管片直径均为6.90 m,厚度为0.300 m。

三、测试方案

该研究主要选取两种防火测试方案。方案一是以12块未施加荷载的平板作为对象进行防火测试,以确定易发生剥落的某一混凝土配合比。方案二是对6块全尺寸隧道原型衬砌管片进行防火测试,这在澳大利亚尚属首次。

试验第一阶段主要对12块未施加荷载的平板进行3次测试,每次测试4块,平板尺寸为1,550mm*1,550mm*300mm,第二阶段主要对6块施加荷载后的全尺寸弯曲衬砌管片进行了6次测试,管片尺寸为1700mm*3450mm*300mm,内外半径分别为3150 mm和3450 mm。试验采用模块化组装熔炉,可在加载或未加载的条件下对梁、柱、底板/顶板、管道、洞壁等加以测试。此外,中等规模防火测试(未加载平板测试)与全尺寸防火测试均适合采用隧道火灾RABT-ZTV升温曲线加以分析。试验中,炉内温度于5分钟内升至1200°C,并保持55分钟。之后,温度线性骤降至90℃以下,持续时间为115分钟。冷却阶段表示通过灭火方法来扑灭大火,强烈的热冲击作用易导致混凝土剥落。试验过程中,研究了三种不同的水泥混合料,a.水泥/矿渣混合料;b.矿渣/粉煤灰/水泥混合料;c.市面销售的低碳高性能混凝土(Envisia®)。同时,文章还就水泥混合料中添加两种不同单位剂量(1.5kg/m3和1.75kg/m3)的聚丙烯微纤维所带来的剥落缓解效应进行了对比和分析。

四、结论

试验结果表明,相比未加载平板测试,足尺加载防火测试所反映的结果更为准确,这是因为负载会影响混凝土的剥落程度。试验中,加载试件较未加载试件更易发生剥落,在持续的单轴加载和加热条件下,1/3的加载试件会在320~360℃之间发生剥落。且剥落程度随荷载水平的增加而增加,但与混凝土中是否含有钢纤维并无明显关系。

另外,通过在水泥中掺入矿渣或矿渣和粉煤灰来抵御衬砌剥落,效果良好。与普通硅酸盐水泥混凝土相比,复合水泥的耐火性能更为优异,是因为在高温条件下,混凝土的水化产物在相位变换过程中遭到的破坏较小。此外,掺入聚丙烯纤维也有效减缓混凝土剥落。不管掺入的聚丙烯纤维单位剂量为1.5kg/m3还是1.75kg/m3,于最终结果差异不大。只不过对于Envisia®低碳高性能混凝土平板而言,采用单位剂量高的聚丙烯纤维对降低剥落程度的效果更好。不过,在水泥中添加掺合料的方式较掺入聚丙烯纤维的作用更大。涉及知识产权问题,文章未公布混合料配合比的具体信息。

(资料来源:Structural Concrete)


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