第13章城市地下空间防灾减灾技术

城市地下空间建设新技术住房和城乡建设部执业资格注册中心2014年10月24-26日全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材全国师资培训班2闫治国同济大学土木工程学院地下建筑与工程系第13章城市地下空间防灾减灾技术313.1概述13.2地下结构防火安全技术13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术13.4小结提纲4隧道及地下空间安全问题的特点：隧道及地下空间环境较封闭，难及时有效的处置疏散救援困难，容易致群死群伤灾后修复困难安全&防灾国内外地下空间火灾、爆炸等灾害事故......地下空间开发呈现规模化、网络化、深层化的趋势13.1概述52005年上海市地铁某标段盾构隧道进行旁通道冷冻法施工前的准备工作时，由于电焊工不慎，引燃水箱内冷却塔中的塑料散热片，引起火灾。火灾持续了约10min。火源起向下风侧约260m，向上风侧约170m隧道衬砌管片表面被熏黑。造成约15m范围内混凝土管片受到轻度到中度损伤，损伤层厚度最大达25mm13.2地下结构防火安全技术61968年，德国汉堡莫尔费雷特（MoorfleetTunnel）公路隧道火灾中，隧道拱部和边墙混凝土发生了严重的爆裂13.2地下结构防火安全技术71984年，英国萨米特（SummitTunnel）铁路隧道火灾中，隧道内最高温度达到1500℃，1900m范围的隧道衬砌受到了火灾损坏，其中严重破坏的范围为395m13.2地下结构防火安全技术81996年，英法海峡隧道（EuroTunnel）火灾中，600m～700m长一段衬砌受到不同程度的损伤，其中最严重的50m范围内原本厚45cm的衬砌管片混凝土剥落深度达30～40cm13.2地下结构防火安全技术91999年，勃郎峰公路隧道火灾中，最高温度达到1000℃,大火持续了55h，隧道结构受到严重损坏，拱顶局部沙化13.2地下结构防火安全技术102000年，瑞士圣哥达公路隧道火灾中，隧道内温度达到了1000℃，出事地段隧道顶部塌陷，隧道内部分路段被烧毁13.2地下结构防火安全技术112001年，美国霍华德城市隧道火灾中，隧道结构被严重破坏，火灾造成横贯隧道顶部直径1m的铸铁水管破裂13.2地下结构防火安全技术12火灾对衬砌结构的损伤02004006008000.00.20.40.60.81.01.2UniaxialcompressivestrengthNCSFRCPPFCT/oCET/E0σT/σ0Elasticmodulus爆裂耐久性降低力学性能劣化内力变化及承载力降低大变形13.2地下结构防火安全技术13影响人员疏散和灭火救援工作的开展影响上部建筑以及临近构筑物正常使用功能的发挥降低地下结构的安全性，威胁隧道及地下空间日后的安全运营特别是处于高水压、软弱地层等情况下的盾构隧道、沉管隧道，可能导致密封及防水失效结构的修复和重新组织交通需要花费大量的人力和物力13.2地下结构防火安全技术14地层-结构体系热力耦合问题热-力耦合问题火灾高温热致应力结构材料高温性能劣化不连续体系超静定体系结构-地层相互作用13.2地下结构防火安全技术15混凝土高温后物理力学性能试验混凝土管片火灾高温时（高温后）力学行为管片接头火灾高温时（高温后）力学行为衬砌环火灾高温时（高温后）力学行为材料层次→构件层次→结构体系层次→结构、地层耦合02004006008000.00.20.40.60.81.01.2UniaxialcompressivestrengthNCSFRCPPFCT/oCET/E0σT/σ0Elasticmodulus13.2地下结构防火安全技术16混凝土强度：C50抗渗等级：P10塌落度：50±10cm配合比/kg/m342.5水泥水中砂碎石Ⅱ级低钙灰高效减水剂（早强型）NDZ-10004411606381135885.29主筋1Ф10（HRB335，热轧带肋钢筋）箍筋1Ф6.5（HPB235，热轧盘条钢筋）钢纤维2冷拔钢丝型钢纤维，直径0.9mm，长径比L/d=55，掺量60kg/m3（1）衬砌管片、接头及衬砌环1：3火灾高温试验13.2地下结构防火安全技术17研究研究内容：火灾对衬砌管片的损伤机理、衬砌管片高温性能、衬砌管片接头高温性能火灾场景：温度－时间曲线选用HC曲线混凝土管片、接头火灾试验13.2地下结构防火安全技术18研究内容：衬砌环火灾高温时（高温后）的力学性能、承载能力、破坏模式、破坏机理火灾场景：温度－时间曲线选用HC曲线混凝土衬砌环火灾试验13.2地下结构防火安全技术19衬砌环钢筋混凝土及钢纤维管片衬砌管片及衬砌环火灾试验13.2地下结构防火安全技术20火灾高温时衬砌管片内温度场的传播分布规律13.2地下结构防火安全技术21初始荷载状态对管片火灾高温力学性能的影响13.2地下结构防火安全技术22火灾高温导致的衬砌环内力重分布13.2地下结构防火安全技术23接头位置对衬砌环火灾高温破坏模式的影响13.2地下结构防火安全技术2412006200L2B2DB1L1F16°65°65°65°65°84°5500轨道交通9号线桂林路站—宜山路站区间隧道工程外径：6.2m，衬砌厚：350mm，环宽：1.2m环间连接：17根M30纵向螺栓；块间连接：2根M30环向螺栓管片混凝土等级：C55，抗渗等级：1.0Mpa（2）地铁盾构隧道管片足尺火灾试验研究13.2地下结构防火安全技术2513.2地下结构防火安全技术26管片混凝土高温爆裂5-20min175-500˚C26-51mm13.1-55.7%13.2地下结构防火安全技术27管片混凝土高温爆裂13.2地下结构防火安全技术28管片混凝土高温爆裂13.2地下结构防火安全技术29管片纵向接头变形接头张角变化13.2地下结构防火安全技术30管片纵向接头螺栓、止水带温度变化接头螺栓13.2地下结构防火安全技术31管片纵向接头螺栓、止水带温度变化接头止水带13.2地下结构防火安全技术32管片接头手孔、嵌缝封堵方法及性能评估13.2地下结构防火安全技术33管片接头手孔、嵌缝封堵方法及性能评估封堵可降低火灾高温时螺栓及止水带温度，抑制火灾高温对接头性能的影响13.2地下结构防火安全技术34火灾条件下盾构隧道的荷载由两部分组成：衬砌结构自身的温度应力和外层土中水汽化而产生的汽压力以及土体膨胀产生的膨胀力（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（1）13.2地下结构防火安全技术35（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（2）13.2地下结构防火安全技术36火灾条件下，由于地层中水分汽化而产生的蒸汽压力，将对地下结构产生额外的压力（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（3）13.2地下结构防火安全技术37火灾高温下地下周围地层土体力学行为（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（4）100120140160180200510152025εv(%)T(℃)2.5hr4hr1001201401601802000.00.20.40.60.81.0SrT(℃)2.5hr4hr13.2地下结构防火安全技术38火灾高温下大直径装配式衬砌结构体系渐进性破坏的机理：1）火灾高温作用过程中，温度在衬砌结构内呈现渐进性扩散增加的过程，使得衬砌结构体系的混凝土、钢筋、接头连接螺栓等力学性能也在时间上呈现出出渐进性劣化的过程，逐渐从初始值向失效状态过渡；2）由于火灾时衬砌内温度场分布的不均匀性不仅表现为沿衬砌结构厚度上的不均匀，同时也表现为衬砌结构体系不同部位温度分布的不均匀，使得衬砌结构体系的破坏表现出空间上的渐进性演变过程；3）火灾高温作用过程中，衬砌结构体系各位置初始受力状态不同，衬砌结构体系各位置达到破坏状态的时间也不一致。衬砌结构体系表现为从最先破坏的薄弱环节开始，随着内力重分布和转移，破坏状态逐渐蔓延，在空间上衬砌结构体系呈现出渐进性破坏的现象；4）由于衬砌结构体系的变形的延迟，在火灾高温作用过程中，由于荷载的变化及内力重分布，衬砌结构体系的变形、内力状态都处在逐渐调整、演化的过程；5）衬砌结构体系与周围地层之间的相互作用及渐进性调整与演化。13.2地下结构防火安全技术39（4）管片火灾高温力学特性计算理论与模型2002,erfcexperfc22fxhxhtxhtTxtTTTtt3001113311232212112332200sincos222coscossincos222221sincoscoscos48222822111cos62424cos2hNREBHRVRARBCCEAEACARBCCRRARBABRHk2222222211211111213sin211coscossinsin2482cossinsincos22822cossinsincos222222CACRACRBCRBCRABRARCCBCRCCC任意边界条件下管片火灾高温力学行为的描述及内力、位移计算κzyhh1h2h3ynTtTfTsTb13.2地下结构防火安全技术40（5）管片接头火灾高温力学特性计算理论与模型40/213chkccHckekh,,ccExtETxt2b013NnF,0,022()t()cccHcbccHhcHcbbccHhchkbHcbcbExtxHhdxhHMnFhNbExtxHhxdxhFFkekKHhh0.00.20.40.60.81.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.031cccc2ehhhhh/cccchFEMdataFittingcurve13.2地下结构防火安全技术41基本参数材料参数周围地质环境火灾基本参数结构耐火措施及救灾措施（5）地下结构火灾安全性评估方法材料参数(S2,W2)隧道基本参数(S1,W1)火灾基本参数(S4,W4)安全等级(S)周围地质环境(S3,W3)耐火及防救灾措施(S5,W5)衬砌厚度(S11,W11)管片连接方式(S12,W12)管片端面形式(S13,W13)手孔、嵌缝封堵情况(S14,W14)分块情况(S15,W15)隧道直径(S16,W16)隧道长度(S17,W17)交通量(S18,W18)通风状况(S19,W19)混凝土骨料类别(S21,W21)骨料热膨胀性(S22,W22)骨料尺寸(S23,W23)混凝土含水量(S24,W24)混凝土强度(S25,W25)掺入材料（聚丙烯纤维、钢纤维等）(S26,W26)水土压力(S31,W31)地质条件(S32,W32)附近建（构）筑物情况(S33,W33)火灾最高温度(S41,W41)火灾持续时间(S42,W42)火灾发生位置（纵向）(S43,W43)火灾发生位置（横向）(S44,W44)被动耐火措施(S51,W51)主动救灾措施(S52,W52)13.2地下结构防火安全技术42模糊综合评判法安全等级标准13.2地下结构防火安全技术43抗爆裂复合盾构隧道管片可抑制爆裂，不会明显降低高温后衬砌结构的抗渗耐久性。无需增厚衬砌，无需增加隧道开挖断面。拼装与普通管片一样，无需增加额外施工时间。可以满足工程全寿命的要求，提供了从施工到运营全程的抗爆裂能力。与通体掺加聚丙烯纤维相比，由于只在PC层内使用聚丙烯纤维，因此用量较少，造价上不会增加