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隧道前景 -- 新一代安全科技
作者:摩根先进材料
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Ermanno Magni,摩根先进材料欧洲区产品技术应用经理,考察了当今隧道消防的现状

1999年一辆冷藏挂车在西欧勃朗峰隧道引发的火灾让大家仍然记忆犹新。在这样的密闭空间里,火势蔓延相当迅速,温度甚至超过了1,000°C。高温和燃烧了两天而产生的有毒气体严重阻碍了救援工作的实施。此次事故共造成39人死亡。教训是何其惨重,然后事发两年之后在瑞士的圣哥达隧道由于两辆卡车相撞而引发的火灾再次导致11人死亡。而大家熟知的英吉利海峡隧道自1994年开通以来,相继发生过三次着火事件,一度造成交通中断并且很多人因此受伤,不过唯一幸运的是并没有人在事故中丧生。

由于前车之鉴,隧道起火可能引起的灾难性后果已经引起了多方的高度重视。毫无疑问,火灾当中人员死亡无疑是最重要的事故,但是与此同时大火对于隧道结构引起的巨大损坏也不容忽视。勃朗峰隧道在那场大火之后的重建工作持续了三年,期间一直处于关闭状态,连接意大利和法国的这条重要交通命脉也因此中断。包括安全监管机构以及隧道运营公司在意大利和法国分公司的经理在内的多个公司共16个人因此被指控犯有杀人罪。2002年,该隧道才又重新对外开放,并配备了最先进的探测设备、平行于隧道的逃生通道以及其他额外的安全港,教训是惨重的,新科技因此而受到青睐。

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随着立法和日益严格的规章制度的出台,也意味着隧道安全进入崭新纪元。包括采用主动的保护措施如洒水装置,此外还有一系列的被动解决方案,比如采用刚性板材以及喷涂砂浆用以保护隧道墙壁的关键材料:钢筋混凝土。由于这些措施的广泛应用,该领域甚至成为欧盟出资赞助的‘UPTUN’(隧道升级)项目的重点研究课题,主要是在模拟隧道火灾现场调查潜在火灾下产生的载荷分布以及防火衬的性能表现。研究人员从众多的测试试验中选取了在Runehamar测试隧道进行的一次火灾模拟试验。这场大火是由于一辆载重9.9吨的大货车所负载的木质托盘引起的,大火产生的峰值温度甚至超过了1,300°C,而典型的隧道中着火汽车的温度不过400°C。

在如此高温下会发生两件事情:混凝土砌衬由于高温而爆裂,还有就是砌衬的钢筋强度会大打折扣。挪威公共道路管理局和瑞典公共火灾研究所进行了一个联合消防测试,显示在高楼火灾中如果对裸露在外的钢筋混凝土没有采取相应的保护措施,其剥落程度会相当严重。其最终的结果就是导致隧道坍塌。从而得出的结论就是对任何防火隔热解决方案进行全面的耐火试验是十分必要的,原因是那些在原有防火性能测试中幸存下来的系统,当把混凝土板的预应力增加到5.5兆帕的时候却无一能幸免。

该测试突出了混凝土板在什么温度下剥落会因其类型不同而有很大差别。在近期开罗爱资哈尔隧道进行的测试项目中,经测定当温度到达200°C时就会发生混凝土板剥落现象,所以如何选择最合适的墙衬就必须经过严格的测试调查。在这种情况下,研究人员选择了一种喷涂料来保护隧道在烃类火灾产生的1,350°C高温下延缓崩塌近两个小时。采用绝缘的方法可以让混凝土的温度低于其由于高温而产生剥落的临界温度,与此同时还可以保证钢筋会维持在一个相对安全的温度。除此之外,有效的防火绝缘系统必须能适应正常的隧道运行条件——举例而言,水泄露、温度波动、车辆的尾气排放和清洁制度等等,所有这些因素都会影响到防护衬的性能表现。

因为有这些潜在的灾难性后果的出现,用于隧道的防火绝缘系统的资质认证就变得相当苛刻,必须通过相应的防火测试,一般是取代表样品的材料安装于混凝土板上,然后用加热炉对其加温从而得到其规定的温度/时间曲线。目前最常用的测试方法就是采用源自荷兰的两小时长的RWS测试方法,该测试比用于近海石油和天然气行业的NPD烃曲线或常用于建筑防火测试的ISO834曲线都更为苛刻。在RWS测试中,加热炉的温度不到十分钟内就会达到1,200°C,而60分钟后会达到1,350°C。通常情况下在整个测试过程中防火绝缘材料必须确保混凝土板的表面温度不超过380°C,内部钢筋条的温度不超过250°C。然而由于混凝土等级不同其临界剥落温度也有很大不同,很多时候其剥落的临界温度比380°C要低,有时甚至会低于200°C。

隧道衬砌的设计通常是基于内部热计算从而获得一个预期承载能力,当然这些计算都是有一定局限性的。在prEN 1992-1-2(混凝土结构的欧洲规范)规定里,材料模型的的有效范围是每分钟的加热率在2°C -50°C之间,因为这并不会明确认为是“蠕变”的效果。相应的,如果模型是为隧道衬砌快速加热而设计的话,那么记录的结果将会不准确。就如同RWS的时间-温度曲线,其加热率在每分钟200°C与240°C之间就是相互冲突的。同样的,计算结果只有在没有混凝土剥落的情况发生时才是最准确的。然而,在过去十年里市场上出现了多种材质更加致密的混凝土类型,但是由于其渗透率较低反而更容易破碎。这些混凝土当然也有其优点比如说高强度和耐用性,但是很不幸的是它们的防火性能偏低。

因此有关安全的挑战也变得更加复杂,许多工程师都将其研究课题转向喷涂砌衬领域,那些支持者们声称新材料必须有足够多的优点:优秀的高温性能、安装的快速和简便,以及极佳的粘接强度,最基本来说粘接强度是其重量的8倍。

还有一个例子是位于奥斯陆的令人艳羡的Bjorvika隧道。其面对的挑战就是在不良地质环境下进行钻井,设计者选择了不同于常规的由六部分组成的下沉式隧道,每部分长112.5米,宽28-43米,高10米。从一开始就会制定严格的消防安全标准,挪威公共道路管理局(NPRA)选择了在隧道的混凝土结构表面安装一个保护层,以防止在火灾中产生崩塌事故。作为资格认证的一部分,挪威公共道路管理局要求测试必须是在长3.6米、宽1.2米、厚600毫米的大的B45级混凝土板上进行。为了在混凝土板的表面达到11兆帕的应力,在安装防火绝缘材料之前就要及时施加相应的张力。这模拟了升温条件下持续的应力所造成的塑性变形,并尽可能在超静定状态下模拟持续的弯曲运动对火灾中不断升温的隧道结构有何影响。选择的升温曲线与用于RWS火灾测试的方式是一致的。为了最大程度的确保安全,挪威公共道路管理局还制订了一系列补充测试,包括耐碱性测试、动态疲劳以及抗霜冻和高压清洗等方面。最终选择了摩根先进材料阻燃剂产品系列中的Fire Barrier 135,以满足严格的性能要求。该应用始于2009年初,并在当年秋天顺利完工。

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在意大利的Serralunga隧道进行的喷涂砌衬试验也得到了类似的结果。该隧道于2013年12月正式通车,该隧道设置了两条逃生路线,并采用了悬浮的设计方式。主要的挑战就是逃生通道保护衬所用的材料必须能承受极高的温度并且保护隧道结构和人员免受肆虐的大火及由此产生的烟雾影响。喷涂内衬采用了镀锌钢丝网,从而可以快速而高效安装到隧道各部分的表面。对悬浮逃生通道的处理为用户提供了一个至关重要的保护层,其安装6,500平方英尺(600m2)保护层的时间一般不超过40天。

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那么对于工程师、施工者以及隧道运营商来说又有什么需要注意的呢?

首先,尽管隧道里提供了重要的与外界连接的渠道,但与此同时也承担着相应的风险,因为绝大多数方式都是要从大火中通过。相关人员有责任防止火灾发生, 谁来负责是一个严峻的话题,必须要给予足够的重视。有许多可供选择的解决方案,每个都有其优缺点,每个方案都有其拥护者及反对者。但无一例外所有解决方案的起点都必须全面而且坚定的执行耐火试验。只有做到这些我们才能避免类似勃朗峰隧道或Gottherd惨案那样的悲剧再次发生。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/20/2015)
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