大跨度特长公路隧道火灾损伤评估与防治研究
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摘要
随着我国西部建设的高速发展，大跨度特长公路隧道日益增多，隧道火灾损伤
评估与防治研究已成为隧道工程急需解决的关键问题之一。本文首先通过深入分析
国内外隧道火灾事故原因及其防灾设施设置标准，重点讨论了长大隧道的火灾防治
设计方法，并结合上瑞国道主干线邵阳至怀化高速公路拟建的长达7． 6公里的雪峰
山隧道工程特点，提出了该隧道的防灾设计标准；然后通过对大量隧道衬砌材料与
构件火损试验数据的深入分析和研究，得出一系列具有工程指导意义的隧道衬砌受
高温作用后其损伤程度(烧伤、酥松、剥落深度)、抗压强度、抗拉强度等随不同烧
损温度和时间作用的变化规律；最后对各种温度量级下衬砌结构的烧损状况进行了
深入分析，并结合试验和已有工程经验，提出了简单实用的隧道结构火灾损伤等级
的划分标准及隧道结构的耐火极限温度。
此外，本文通过引进可靠度理论中的复合并串联系统，建立出隧道灾后可靠度
的评估模型，提出了公路隧道在发生火灾事故后衬砌结构承载能力的可靠度评估方
法，在对有关试验测试资料进行概率分布统计的基础上，对不同火灾温度场作用后
衬砌结构的失效概率及其剩余承载能力进行了评估，由此提出了评价隧道火灾后衬
砌结构的可靠度指标，并用于雪峰山隧道工程实践。
本文主要研究结果考虑了隧道衬砌不同火灾、温度和时间烧损的实际情况，具
有较高的实用价值和可操作性，因此可为雪峰山隧道及其它同类工程的防灾设计提
供科学的参考依据。
With increased construction of long-span and extra-long highway tunnel, the research on damage evaluation and prevention & control of fire hazard in tunnel is becoming increasingly important. Through analysis of causes of fire in tunnels and of calamity prevention facility criterion in home and abroad, this paper made a discussion of fire prevention methods for long and large highway tunnels. And in conbination with the engineering characteristics of the planned 7.6-kilometer-long Xuefeng Mountain Highway Tunnel on Shaoyang to Huaihua Expressway, this paper proposed the design standard of calamity prevention for this tunnel. And then, through deep analysis and research of large quantities of tunnel lining materials and testing data of fire loss on members, it draws a series of change law of the damage degree of the tunnel lining under high temperature, such as burns, crisp, peeling, varied with different burning temperature and time, and that of the compression strength and the tensile strength varied with b
urning temperature and time. Finally, through deep analysis of damage condition of the tunnel lining under various temperature degree and combining the tests and existing engineering experience, it proposed a simple and practical criterion for categorizing the damage degree of the tunnel structure after the fire hazard, as well as the limit fire resistance temperature of the tunnel structure.
Besides, this paper discusses the methods of reliability evaluation of bearing capacity of lining structure after the fire hazard occurred in highway tunnel by adopting compound parallel and series system in reliability theory, evaluates the ineffectiveness probability and its remaining bearing capacity of lining structure under different temperature field of fire hazard on the basis of the probability distribution statistics for the related experimental testing data, provides the reliability index of lining structure, and then gives the applied project examples in Xuefeng Mountain Tunnel.
The main study results and conclusions draw from this paper takes into consideration of the real damage of tunnel lining under different fire hazard, various temperature and time. Therefore, it has relatively high and practical value to operate and can provide inference for calamity prevention design for Xuefeng Moutain Tunnel and the similar engineering projects alike.
评估与防治研究已成为隧道工程急需解决的关键问题之一。本文首先通过深入分析
国内外隧道火灾事故原因及其防灾设施设置标准，重点讨论了长大隧道的火灾防治
设计方法，并结合上瑞国道主干线邵阳至怀化高速公路拟建的长达7． 6公里的雪峰
山隧道工程特点，提出了该隧道的防灾设计标准；然后通过对大量隧道衬砌材料与
构件火损试验数据的深入分析和研究，得出一系列具有工程指导意义的隧道衬砌受
高温作用后其损伤程度(烧伤、酥松、剥落深度)、抗压强度、抗拉强度等随不同烧
损温度和时间作用的变化规律；最后对各种温度量级下衬砌结构的烧损状况进行了
深入分析，并结合试验和已有工程经验，提出了简单实用的隧道结构火灾损伤等级
的划分标准及隧道结构的耐火极限温度。
此外，本文通过引进可靠度理论中的复合并串联系统，建立出隧道灾后可靠度
的评估模型，提出了公路隧道在发生火灾事故后衬砌结构承载能力的可靠度评估方
法，在对有关试验测试资料进行概率分布统计的基础上，对不同火灾温度场作用后
衬砌结构的失效概率及其剩余承载能力进行了评估，由此提出了评价隧道火灾后衬
砌结构的可靠度指标，并用于雪峰山隧道工程实践。
本文主要研究结果考虑了隧道衬砌不同火灾、温度和时间烧损的实际情况，具
有较高的实用价值和可操作性，因此可为雪峰山隧道及其它同类工程的防灾设计提
供科学的参考依据。
With increased construction of long-span and extra-long highway tunnel, the research on damage evaluation and prevention & control of fire hazard in tunnel is becoming increasingly important. Through analysis of causes of fire in tunnels and of calamity prevention facility criterion in home and abroad, this paper made a discussion of fire prevention methods for long and large highway tunnels. And in conbination with the engineering characteristics of the planned 7.6-kilometer-long Xuefeng Mountain Highway Tunnel on Shaoyang to Huaihua Expressway, this paper proposed the design standard of calamity prevention for this tunnel. And then, through deep analysis and research of large quantities of tunnel lining materials and testing data of fire loss on members, it draws a series of change law of the damage degree of the tunnel lining under high temperature, such as burns, crisp, peeling, varied with different burning temperature and time, and that of the compression strength and the tensile strength varied with b
urning temperature and time. Finally, through deep analysis of damage condition of the tunnel lining under various temperature degree and combining the tests and existing engineering experience, it proposed a simple and practical criterion for categorizing the damage degree of the tunnel structure after the fire hazard, as well as the limit fire resistance temperature of the tunnel structure.
Besides, this paper discusses the methods of reliability evaluation of bearing capacity of lining structure after the fire hazard occurred in highway tunnel by adopting compound parallel and series system in reliability theory, evaluates the ineffectiveness probability and its remaining bearing capacity of lining structure under different temperature field of fire hazard on the basis of the probability distribution statistics for the related experimental testing data, provides the reliability index of lining structure, and then gives the applied project examples in Xuefeng Mountain Tunnel.
The main study results and conclusions draw from this paper takes into consideration of the real damage of tunnel lining under different fire hazard, various temperature and time. Therefore, it has relatively high and practical value to operate and can provide inference for calamity prevention design for Xuefeng Moutain Tunnel and the similar engineering projects alike.
引文
[1] 王毅才．隧道工程．北京：人民交通出版社，2000
[2] Alfred Haack. Fire Pritection in Traffic Tunnels-Initial Finding from Large-scale Tests. Tunnelling and Underground Space Technology, 1992． 7, 7(4) , 363-375
[3] Karl-Heinz Westhaus, et al. Fire Behavior Test in an Urban Railway Tunnel Made of corrugated Steel plates in Gelsenkirchen.Special Tunnel, 1989． 50(2) :9-21
[4] Yumoto T. Radiation from Oil Tank Fire. J Japan Society for safety Eng, 1971, 10(3) :17-30
[5] H Lulttger, F poyda. Brandversuch im warmegdammten Tunnel, 1992,18(3) :116-119
[6] 杜宝铃，董希琳．公路铁路隧道火灾的试验研究．中国消防，1995，11，31-34
[7] G. cox., S. Kumar. A numerical model of fire in road tunnels. Tunnels &Tunnelling, 1987,19(3) :55-60
[8] Chow . W. K. Simulation of Tunnel Fires Using A Zone Model. Tunnelling and Underground Space Technology, 1996, 11 (2) :363-375
[9] J A Gonzalez, N H Danziger. Tunnel Ventilation Design for fire safety. 6th International Symposium on the Aerodynamics and Ventil September 1988,60(3) :72-77
[10] Oka, Yasushi, Atkinson. Graham T. Control of Smoke Flow in Tunnel Fire,Fire Safety Journal. 1995, 25(4) :305-322
[11] H Nakamura, T Yamana, T Matsushita, et al. Research on Smoke Conteol in underground Structure .Tunnelling and Underground space Technology, 1992, 7(4) :325-333
[12] 王安坤．混凝土无损检测技术的发展．工程质量管理与检测，1991，4：17-21
[13] 吴新璇．结构混凝土无损检测技术发展综述．施工技术，1991，3：33-38
[14] 高成峰．混凝土实地检测无损技术的现代发展趋势．混凝土及加筋混凝 土，1986，4：46-52
[15] A. Haack, J. Schreyer, and G. Jackel. State-of-the-art of Noudestructive Jesting Method for Determining the state of a Tunnelling and Underground
Space Technology，1995，10(4) ：413-431
[16] 罗骐先．对当前各类无损检测方法的评价．建筑工程无损检测技术全国第四 界学术交流会论文集．安徽屯溪：建筑出版社，1992
[17] 杨彦克，风凌云，宋登高．火灾后钢筋混凝土结构损伤程度的超声诊断．铁路 建设，1992，2：408-412
[18] 吴慧敏．结构混凝土现场检测技术．长沙：湖南大学出版社，1988
[19] Ibrahim A. Ei-Arabi, Heinz Duddeck and Herman Ahrens. Structural Analysis for Tunnels Exposed to Fire Temperature. Tunneling and Underground Space Techology, 1992, 8(3) :79-83
[20] Kordina K. Structural Fire Protection for Road and Metro Tunnels. Bauingenieur , 1993, 56(4) :189-191
[21] 陆洲导，朱伯龙，姚亚雄．钢筋混凝土框架火灾反应分析．土木工程学报，1995， 28(6) ：18-27
[22] 胡克旭，朱伯龙．结构受火灾作用的全过程分析方法．四川建筑科学研 究，1996，1：29-34
[23] 王春华．有限元计算高温(火灾)钢筋混凝土矩形截面梁内温度分布．工程力 学增刊：第三届全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：701-709
[24] 辉文．如何提高隧道的安全．铁路技术市场报．1999年12月29日，第二版
[25] 交通部公路规划设计院主编．公路隧道设计规范(JTJ026-90) ．北京：人民交 通出版社，1990年
[26] 彭立敏，刘小兵，杜思村．不同温度量级对隧道衬砌强度损伤程度的试验研究． 铁道学报，1997，5：87-94
[27] 彭立敏，刘小兵，王薇等．隧道衬砌的火灾损伤试验与监测方法研究．实验力 学，1999，3：395-401
[28] 钱在兹，金贤玉．混凝土受高温作用的破坏机理．工程力学增刊：第三届全国 结构工程学术会议论文集，长沙，1994：580-583
[29] 钱在兹，金贤玉．钢筋混凝土受明火作用的综合研究．工程力学增刊：第三届 全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：108-113
[30] 秋田宏，尾坂芳夫．热物性热物性试验关-考 察．土木学会论文集，1987，384(7) ，119-127
[31] 中华人民共和国国家标准．建筑设计防火规范(GBJ16-87) ，北京：中国计划出 版社,1989
[32] 潘春龙．防火检查手册．上海：上海科技出版社，1982
[33] 钮宏，陆洲导，陈磊．高温下钢筋与混凝土结构关系的试验研究．同济大学学 报，1990，18(3) ：287-297
[34] 潘家鼎，王春华等．高温冷却后预应力混凝土受弯构件强度损伤的试验研究． 工程力学增刊：第三届全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：815-821
[35] 陆洲导，朱伯龙，周跃华．钢筋混凝土简支梁在火灾下反应的试验研究．土木 工程学报1993，26(3) ：37-43
[36] 郑天中．铁路隧道消防技术和烧损衬砌加固措施的研究．隧道与地下工 程，1995，1：21-25
[37] 李卫，过镇海．高温下混凝土的强度和变形性能试验研究．建筑结构学报． 1993，14(1) ：8-16
[38] 铁道部第二勘测设计院主编．铁路隧道设计规范．北京：中国铁道出版社， 1999
[39] 杨成永，张弥．铁路明洞结构的可靠性设计方法．岩石力学与工程学报， 1999，18(1) ，40-45
[40] 王光远．工程软件设计理论．北京：科学出版社，1992
[41] 梅启智，寥炯生等．系统可靠性工程基础．北京：科学出版社，1992
[42] 同济大学数学教研室．线性代数．北京：高等教育出版社，1991
[43] 吴世伟．结构可靠分析．北京：人民交通出版社，1990
[44] 周润兰，喻胜华．应用概率统计．北京：科学出版社，1999
[45] 钟桂彤．铁路隧道．北京：中国铁路出版社，1990
[46] 赵辛源．隧道复合式衬砌结构矩阵分析．铁路学报，1994，16(3) ：100-105
[47] 俞钟祺，马秀兰．随机过程理论及其应用．天津：天津科学技术出版社，1996
[48] P. Thof-Christensen, M. J. Baker. Structural Reliability Theory and Its Applications Sprimger-Verlag, 1982
[49] AH-Sang, CACornell. Reliabilty-Division. ASCE, 1974, 100(12) :59-64
[50] 刘楚中，舒兴平．建筑结构可靠度．长沙：湖南科学技术出版社，1995
[51] 中华人民共和国国家标准．建筑结构设计统一标准(GBJ68-84) ，北京：中国 计划出版社，1984
[52] 宋玉香，景诗庭，刘勇．单线电气化铁路隧道衬砌结构目标可靠指标的试算 分析．岩石力学与工程学报，1999，18(1) ：46-49
[53] ZhangM, YangCY. Reliabi1ity-based Desingn Methodology for
Shotcrete-bolt Support System in Underound Engineering Im proc of the Asia-Pacific On Structcre Reliability and its Application(APSSRY95) 1995, 3097) :124-131
[54] 刘宝权，郑天中．隧道衬砌火灾后加固设计参考图．专隧4012，1996
[55] 郑天中．十里山二号隧道火灾后的抢救．铁道标准设计．1992
[56] ITA地下利用委员会-防灾．安全分科会．各国地下设施防灾．安全 现状调查地下．1997，28(4) ：61-72
[57] 吉田辛信．道路付带设备(3) -防灾设备．地下， 1986，17(4) ：65-72
[58] 关宝树编译．国外长大隧道的防灾技术．隧道译丛，1989，8：1-8
[59] 熊火耀．道路隧道防灾技术．见：第四届隧道及地下工程科技动态报告会论文 集，成都：四川科技出版社，1989
[60] K. Roeder. Brandschutzan for derungen an Stra Bentunnel.Tunnel.1982, 34(1) :21-25
[61] 《日本高等级公路设计规范》编译组．日本高等级公路设计规范-第三册 日本道路公团．1990年6月
[62] 陈家强．湘黔铁路朝阳坝2号隧道液化石油气泄露爆炸抢险消防技术措施． 世界隧道．1998，4：13-17
[63] 陆洲导，朱伯龙，姚亚雄．钢筋混凝土框架火灾反应分析．土木工程学报， 1995，28(6) ：18-27
[64] 胡克旭，朱伯龙．结构受火灾作用的全过程分析方法．四川建筑科学研究， 1996，1：29-34
[65] 王春华．有限元计算高温(火灾)钢筋混凝土矩形截面梁内温度分布：工程 力学增刊．第三届全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：701-709
[2] Alfred Haack. Fire Pritection in Traffic Tunnels-Initial Finding from Large-scale Tests. Tunnelling and Underground Space Technology, 1992． 7, 7(4) , 363-375
[3] Karl-Heinz Westhaus, et al. Fire Behavior Test in an Urban Railway Tunnel Made of corrugated Steel plates in Gelsenkirchen.Special Tunnel, 1989． 50(2) :9-21
[4] Yumoto T. Radiation from Oil Tank Fire. J Japan Society for safety Eng, 1971, 10(3) :17-30
[5] H Lulttger, F poyda. Brandversuch im warmegdammten Tunnel, 1992,18(3) :116-119
[6] 杜宝铃，董希琳．公路铁路隧道火灾的试验研究．中国消防，1995，11，31-34
[7] G. cox., S. Kumar. A numerical model of fire in road tunnels. Tunnels &Tunnelling, 1987,19(3) :55-60
[8] Chow . W. K. Simulation of Tunnel Fires Using A Zone Model. Tunnelling and Underground Space Technology, 1996, 11 (2) :363-375
[9] J A Gonzalez, N H Danziger. Tunnel Ventilation Design for fire safety. 6th International Symposium on the Aerodynamics and Ventil September 1988,60(3) :72-77
[10] Oka, Yasushi, Atkinson. Graham T. Control of Smoke Flow in Tunnel Fire,Fire Safety Journal. 1995, 25(4) :305-322
[11] H Nakamura, T Yamana, T Matsushita, et al. Research on Smoke Conteol in underground Structure .Tunnelling and Underground space Technology, 1992, 7(4) :325-333
[12] 王安坤．混凝土无损检测技术的发展．工程质量管理与检测，1991，4：17-21
[13] 吴新璇．结构混凝土无损检测技术发展综述．施工技术，1991，3：33-38
[14] 高成峰．混凝土实地检测无损技术的现代发展趋势．混凝土及加筋混凝 土，1986，4：46-52
[15] A. Haack, J. Schreyer, and G. Jackel. State-of-the-art of Noudestructive Jesting Method for Determining the state of a Tunnelling and Underground
Space Technology，1995，10(4) ：413-431
[16] 罗骐先．对当前各类无损检测方法的评价．建筑工程无损检测技术全国第四 界学术交流会论文集．安徽屯溪：建筑出版社，1992
[17] 杨彦克，风凌云，宋登高．火灾后钢筋混凝土结构损伤程度的超声诊断．铁路 建设，1992，2：408-412
[18] 吴慧敏．结构混凝土现场检测技术．长沙：湖南大学出版社，1988
[19] Ibrahim A. Ei-Arabi, Heinz Duddeck and Herman Ahrens. Structural Analysis for Tunnels Exposed to Fire Temperature. Tunneling and Underground Space Techology, 1992, 8(3) :79-83
[20] Kordina K. Structural Fire Protection for Road and Metro Tunnels. Bauingenieur , 1993, 56(4) :189-191
[21] 陆洲导，朱伯龙，姚亚雄．钢筋混凝土框架火灾反应分析．土木工程学报，1995， 28(6) ：18-27
[22] 胡克旭，朱伯龙．结构受火灾作用的全过程分析方法．四川建筑科学研 究，1996，1：29-34
[23] 王春华．有限元计算高温(火灾)钢筋混凝土矩形截面梁内温度分布．工程力 学增刊：第三届全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：701-709
[24] 辉文．如何提高隧道的安全．铁路技术市场报．1999年12月29日，第二版
[25] 交通部公路规划设计院主编．公路隧道设计规范(JTJ026-90) ．北京：人民交 通出版社，1990年
[26] 彭立敏，刘小兵，杜思村．不同温度量级对隧道衬砌强度损伤程度的试验研究． 铁道学报，1997，5：87-94
[27] 彭立敏，刘小兵，王薇等．隧道衬砌的火灾损伤试验与监测方法研究．实验力 学，1999，3：395-401
[28] 钱在兹，金贤玉．混凝土受高温作用的破坏机理．工程力学增刊：第三届全国 结构工程学术会议论文集，长沙，1994：580-583
[29] 钱在兹，金贤玉．钢筋混凝土受明火作用的综合研究．工程力学增刊：第三届 全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：108-113
[30] 秋田宏，尾坂芳夫．热物性热物性试验关-考 察．土木学会论文集，1987，384(7) ，119-127
[31] 中华人民共和国国家标准．建筑设计防火规范(GBJ16-87) ，北京：中国计划出 版社,1989
[32] 潘春龙．防火检查手册．上海：上海科技出版社，1982
[33] 钮宏，陆洲导，陈磊．高温下钢筋与混凝土结构关系的试验研究．同济大学学 报，1990，18(3) ：287-297
[34] 潘家鼎，王春华等．高温冷却后预应力混凝土受弯构件强度损伤的试验研究． 工程力学增刊：第三届全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：815-821
[35] 陆洲导，朱伯龙，周跃华．钢筋混凝土简支梁在火灾下反应的试验研究．土木 工程学报1993，26(3) ：37-43
[36] 郑天中．铁路隧道消防技术和烧损衬砌加固措施的研究．隧道与地下工 程，1995，1：21-25
[37] 李卫，过镇海．高温下混凝土的强度和变形性能试验研究．建筑结构学报． 1993，14(1) ：8-16
[38] 铁道部第二勘测设计院主编．铁路隧道设计规范．北京：中国铁道出版社， 1999
[39] 杨成永，张弥．铁路明洞结构的可靠性设计方法．岩石力学与工程学报， 1999，18(1) ，40-45
[40] 王光远．工程软件设计理论．北京：科学出版社，1992
[41] 梅启智，寥炯生等．系统可靠性工程基础．北京：科学出版社，1992
[42] 同济大学数学教研室．线性代数．北京：高等教育出版社，1991
[43] 吴世伟．结构可靠分析．北京：人民交通出版社，1990
[44] 周润兰，喻胜华．应用概率统计．北京：科学出版社，1999
[45] 钟桂彤．铁路隧道．北京：中国铁路出版社，1990
[46] 赵辛源．隧道复合式衬砌结构矩阵分析．铁路学报，1994，16(3) ：100-105
[47] 俞钟祺，马秀兰．随机过程理论及其应用．天津：天津科学技术出版社，1996
[48] P. Thof-Christensen, M. J. Baker. Structural Reliability Theory and Its Applications Sprimger-Verlag, 1982
[49] AH-Sang, CACornell. Reliabilty-Division. ASCE, 1974, 100(12) :59-64
[50] 刘楚中，舒兴平．建筑结构可靠度．长沙：湖南科学技术出版社，1995
[51] 中华人民共和国国家标准．建筑结构设计统一标准(GBJ68-84) ，北京：中国 计划出版社，1984
[52] 宋玉香，景诗庭，刘勇．单线电气化铁路隧道衬砌结构目标可靠指标的试算 分析．岩石力学与工程学报，1999，18(1) ：46-49
[53] ZhangM, YangCY. Reliabi1ity-based Desingn Methodology for
Shotcrete-bolt Support System in Underound Engineering Im proc of the Asia-Pacific On Structcre Reliability and its Application(APSSRY95) 1995, 3097) :124-131
[54] 刘宝权，郑天中．隧道衬砌火灾后加固设计参考图．专隧4012，1996
[55] 郑天中．十里山二号隧道火灾后的抢救．铁道标准设计．1992
[56] ITA地下利用委员会-防灾．安全分科会．各国地下设施防灾．安全 现状调查地下．1997，28(4) ：61-72
[57] 吉田辛信．道路付带设备(3) -防灾设备．地下， 1986，17(4) ：65-72
[58] 关宝树编译．国外长大隧道的防灾技术．隧道译丛，1989，8：1-8
[59] 熊火耀．道路隧道防灾技术．见：第四届隧道及地下工程科技动态报告会论文 集，成都：四川科技出版社，1989
[60] K. Roeder. Brandschutzan for derungen an Stra Bentunnel.Tunnel.1982, 34(1) :21-25
[61] 《日本高等级公路设计规范》编译组．日本高等级公路设计规范-第三册 日本道路公团．1990年6月
[62] 陈家强．湘黔铁路朝阳坝2号隧道液化石油气泄露爆炸抢险消防技术措施． 世界隧道．1998，4：13-17
[63] 陆洲导，朱伯龙，姚亚雄．钢筋混凝土框架火灾反应分析．土木工程学报， 1995，28(6) ：18-27
[64] 胡克旭，朱伯龙．结构受火灾作用的全过程分析方法．四川建筑科学研究， 1996，1：29-34
[65] 王春华．有限元计算高温(火灾)钢筋混凝土矩形截面梁内温度分布：工程 力学增刊．第三届全国结构工程学术会议论文集，长沙，1994：701-709