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11/18/201512015年全国公路隧道学术年会112015年全国公路隧道学术年会港珠澳通道沉管隧道防灾减灾关键技术KeytechnologiesofdisasterpreventionandmitigationofimmersedtunnelinHongKong-Zhuhai-Macaopassage——国家科技支撑计项目部分内容蒋树屏中国公路学会隧道工程分会理事长公路隧道国家工程实验室技委会主任招商局重庆交通科研设计院首席专家2015.11.12·广州2015年全国公路隧道学术年会2【概要】围绕港珠澳海底沉管隧道防减灾难题，以确保结构安全和运营安全为目的，研制了1:1足尺沉管隧道防灾减灾与结构高温耐火两大试验平台，提出沉管隧道火灾、排烟、消防、报警、逃生、救援综合试验方法；得到管节/接头结构体内温度场、损伤范围、承载力等耐火设计参数，以及不同热释放速率洞内空间温度场和烟雾场的扩散特征；提出了洞内设备耐高温的安全位置和洞内人员避浓烟的逃生时间，以及侧向集中排烟控制方法等。取得20项研究成果。【OUTLINE】Aroundtheproblemsofimmersedtunneldisasterpreventionandreduction,onthepurposeofensuringthestructuralandoperationalsafety,an1:1immersedtunneltestplatformisdeveloped.Thetestmethodsoftunnelfire,smoke,firefighting,alarm,escape,rescue,etc.areproposed.Thefire-resistantdesignparameterssuchastemperaturefield,damagerange,carryingcapacity,etc.ofthesections/connectorsandthediffusionsignatureofthetemperaturefieldandsmokefieldbasedondifferentheatreleaseratesareobtained.Thesafelocationofthedevicestoresisthightemperature,theescapetimeofthestafftoavoidthesmokeandthelateralcentralsmokeextractioncontrolmethodareproposed.2015年全国公路隧道学术年会3一、研究背景二、技术路线三、研究内容四、研究成果五、创新点工程背景国内外现状研究流程研究手段结构安全运营安全学术性成果工程性成果八个创新点2015年全国公路隧道学术年会一、研究背景工程背景国内外现状港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接港、珠、澳的大型跨海通道工程，由隧道、人工岛、桥梁组成。香港42015年全国公路隧道学术年会5港珠澳沉管长5664m(隧道总长6265m)，六车道断面，最大纵坡2.98%，是世界上规模最大的在建海底公路沉管隧道.平面纵面2015年全国公路隧道学术年会61.船坞.管节制作2.船队.管节浮运3.基槽.管节沉放4.覆填.管节对接沉管隧道基本工序2015年全国公路隧道学术年会7管节长180m，节段长22.5m，宽37.95m，高11.4m，管壁厚1.5m，管节重9000T管节干船坞预制横断面2015年全国公路隧道学术年会8剪力键接头位置节段接头管节接头2015年全国公路隧道学术年会9交通不规则火灾风险高汽车尾排重交通不规则，车辆轮迹线复杂，事故较多汽车尾排重，含多种污染物，对人体有害12火灾风险高，对特长隧道，防灾救援困难3公路隧道运营技术特点/HighwayTunnelTechnicalFeatures11/18/201522015年全国公路隧道学术年会101.研究离岸特长沉管隧道的管节和接头结构耐高温特性及其工程对策是课题的研究背景；/Structurehightemperatureresistantcountermeasure2.港珠澳沉管隧道远期交通量达90000pcu，设计车速120km/h，确保3.5min行程的运营安全，实现有效防灾减灾亦是课题的研究背景。/Toensurethesafeoperationof3.5mindrive2015年全国公路隧道学术年会甘肃七道梁隧道（2011年）山西岩后隧道（2014年）11一、研究背景工程背景国内外现状近年来，公路隧道频发特大火灾事故，如甘肃七道梁隧道、山西岩后隧道等，造成重大损失。2015年全国公路隧道学术年会防灾减灾一直是公路隧道重要研究方向，受到高度重视，欧洲、日本等和我国开展了不少火灾研究，但针对离岸海底沉管隧道火灾的试验性研究几乎没有。针对港珠澳沉管隧道接头复杂、修复不易、交通量大、疏散困难等特点而开展1:1足尺试验研究尚属首次。122015年全国公路隧道学术年会13二、技术路线研究流程研究手段工程实际问题研究任务火灾试验试验方法沉管接头及结构防火保护技术方案隧道火灾排烟控制技术方案沉管隧道自动灭火技术方案沉管隧道人员疏散技术方案接头及结构火灾力学行为及耐火保护技术火灾报警、灭火与安全预警设施配置方法火灾的烟雾场、温度场、压力场规律排烟通风控制方法与技术人员逃生与救援体系火源标定试验温度场、烟雾场试验通风排烟试验泡沫水喷淋试验人员疏散试验A类实验B类实验C类实验D类实验F类实验任务一任务二任务三任务四任务五1.足尺管节结构及构件耐高温试验平台2.足尺沉管实验隧道及火灾试验平台物理试验1.ANSYS2.FDS数值分析大型综合火灾试验E类实验结构耐火试验足尺沉管试验隧道火灾试验沉管隧道局部构建高温试验炉2015年全国公路隧道学术年会14二、技术路线研究流程研究手段港珠澳离岸特长沉管1:1足尺试验隧道港珠澳沉管隧道结构耐高温试验炉ANSYS&FDS数值分析软件隧道火灾人员疏散特性调查、测试2015年全国公路隧道学术年会15研究手段一览表/Researchmeans2015年全国公路隧道学术年会16三、研究内容结构安全运营安全2015年全国公路隧道学术年会17三、研究内容结构安全运营安全2015年全国公路隧道学术年会18专题一沉管隧道结构耐火保护技术/Refractoryprotectivemeasures研究内容/Researchcontent：1）建立沉管隧道火灾场景及耐火目标/Firescenariosandrefractorygoal研究适应沉管隧道火灾规模和温度时空变化的火灾场景，考虑隧道结构各部位的重要度、火灾承受能力等因素，提出沉管隧道主体结构和接头的耐火目标。2）提出沉管隧道结构耐火保护技术措施/Refractoryprotectivemeasures通过构件耐火试验，研究适合沉管隧道主体结构使用的隔热降温技术和工程措施，提出沉管隧道管节、接头的耐火方案和构造设计参数。11/18/201532015年全国公路隧道学术年会19沉管隧道构件高温试验炉系统构成/combustionfurnacecomposition顶盖高温试验炉送气鼓风装置警报器数据采集模块数据采集计算机高温炉温度传感器控制柜天然气系统2015年全国公路隧道学术年会20试件试件沉管隧道构件高温试验炉系统构成2015年全国公路隧道学术年会21试件制作/Testpiece顶板底板边墙模型浇注构件侧面构件正面1.7m1.7m√局部1:1结构主体结构共制作6块试件，C50混凝土，尺寸1.7m×1.7m×0.7m2015年全国公路隧道学术年会22技术要求：明火试验、单面受火、实际火灾场景、火灾持续时间、峰值最高温度、升温速率燃烧面接头沉管隧道构件高温试验炉（交通行业最大的燃气式高温试验系统）2015年全国公路隧道学术年会23节段模型Ω止水带嵌槽钢筋绑扎0.5m节段接头共制作2块试件，C50强度，尺寸1.7m×1.7m×0.7m√节段接头边墙顶板2015年全国公路隧道学术年会24管节接头共制作2块试件，C50强度，尺寸1.7m×1.7m×1.35m防火隔断龙骨√管节接头顶板底板边墙2015年全国公路隧道学术年会25●:测点位置接头connector测温系统/Temperaturemeasurementpoints管节section节段element2015年全国公路隧道学术年会26试验过程/Testprocedure2015年全国公路隧道学术年会27根据港珠澳沉管隧道实际情况及《建筑设计防火规范》(GB50016)要求，设定火灾持续时间、燃烧最高温度与升温速率定量指标，以及试验炉升温曲线，由此模拟火灾场景。►设计火灾持续时间为2h。►设试验最高温度为1200℃，并设定自动转火回差20℃。►高温试验炉升温速率按照RABT曲线要求进行设计，5min从常温上升到1200℃。01020304050607080901001101200200400600800100012001400温度/℃时间/min炉内温度试验结果一升温曲线/Temperaturerisingcurve11/18/201542015年全国公路隧道学术年会28试验结果二局部1:1结构(涂料/Coating)炉膛升温曲线底部测点温度砼内部测点随时间变化1号测区3号测区4号测区450（为防火板的5.6倍）352015年全国公路隧道学术年会1号测区29拆除两层防火板后拆除一层防火板后烧蚀后出炉状温度沿砼厚度方向分布及拟合曲线T=207.4e-h/7.04+15.7T：距构件底部某处温度h：距底部的距离，cm.（精度平方差R2=0.9365）4号测区试验结果三局部1:1结构(防火板/Fireboard)砼内部测点随时间变化/Temperature-timecurve2号测区底部测点温度33080（为涂料的18%）351202015年全国公路隧道学术年会30底部测点温度管节接头构件在2+1+4烧蚀状Ω止水带附近测点温度……Ω止水带燃烧底部试验结果四管节接头/sectionconnector2015年全国公路隧道学术年会31炉膛升温曲线1号测区2号测区砼内部测点随时间变化/Temperature-timecurve构件正面1.7×1.7×0.7mΩ止水带附近测点温度试验结果五节段接头/elementconnector1324测区2015年全国公路隧道学术年会32分析与结论/Analysisandconclusion1）在双层（2×1.0cm）防火板错缝布置保护下，距底部20cm内基本降为常温。2）对温度分布进行指数衰减拟合，得到相应位置处的力学参数，由此评价火灾时材料的损伤及结构承载力。3）由各测区温度的时间变化，可知点火70min后曲线明显上扬，表明玻镁防火板在受火1h左右时发生破坏，耐火性能降低。建议实际隧道工程受火时间超过1h后，要更换防火板。4）当采用厚2cm防火涂料时，试验中防火涂料从结构表面脱落，失去对结构的耐火保护，尤其对高强混凝土建议不采用。2015年全国公路隧道学术年会335）点火33min后，结构采用单层（厚1.0cm）防火板，砼底部温度已超标；采用双层（2×1.0cm）防火板错缝布置时，砼底部最高温度为330℃左右，距构件底2.5cm处的温度为200℃-230℃，均满足耐火目标要求。6）接头的耐火保护试验可知，采用防火隔断（龙骨+3cm玻镁防火板+2cm硅酸铝耐火棉+1cm玻镁防火板）+底层防火板（2cm玻镁防火板）可满足1200℃的耐火要求。7）经潮湿环境考察和试验，防火板耐火耐久性受空气湿润度影响，接头不能满足RABT温升曲线下持续2h的耐火极限标准。建议港珠澳沉管隧道定期检测环境湿度与防火板性能。2015年全国公路隧道学术年会34外层防火板烧穿内层外层烧伤外层防火板烧穿Ω橡胶止水条烧坏防火板受潮湿时/Dampfireboard2015年全国公路隧道学术年会35三、研究内容结构安全运营安全2015年全国公路隧道学术年会36专题二接头及结构火灾力学行为分析