1 工程概况
江阴靖江长江隧道是《长江经济带立体综合交通走廊规划(2014—2020)》中批复的江苏省14条过江通道之一，对落实长三角区域一体化发展战略，缓解江阴大桥过江交通压力，补齐过江通道短板，优化过江通道格局，促进沿线区域经济社会发展等具有重要意义。隧道位于江阴大桥和泰州大桥之间，距下游江阴大桥约5 km, 距上游在建常泰过江通道约27 km, 距泰州大桥约54 km, 如 图 1 所示。
项目按双向六车道高速公路功能建设，盾构内径为14.2 m, 外径为15.5 m, 管片厚度为0.65 m 。 全长约11.825 km, 其中隧道段长6445 m, 盾构段长4952 m, 设置互通式立交3座，风塔2座，管理中心1处，并包含与通道有关的地面道路。承受最大水头超过80m, 最大覆土厚度约为50m 。盾构段横 断面分为上中下三层：烟道层、行车层及管廊层。 隧道横断面和纵断面如图2所示。
图1 项目地理位置
图2 隧道横断面和纵断面
2 顶部集中排烟盾构隧道结构防火安全
从工程整体耦合设计的理念出发,隧道结构防火保护方案应与隧道工程各专业、各系统、各阶段一起考虑，确定出工程在安全可靠、经济合理、技术先进、环境协调等方面最优的方案。
2.1 盾构管片火灾设防标准
2.1.1 行车层盾构管片
江阴靖江长江隧道为超长高速公路隧道，火灾时行车层盾构管片直接暴露于火场。国家标准《GB 50016—2014建筑设计防火规范》、上海地方标准 《DG/TJ 08-2033—2017 道路隧道设计标准》、湖 南地方标准《DB43 /729—2012 公路隧道消防技术规范》均要求行车层盾构管片按最高标准设防， 即火灾升温曲线采用RABT
火灾升温曲线，耐火极限不应低于2.0h, 耐火极限的判定标准为：当距离 混凝土底表面25 mm 处钢筋的温度超过300℃,或 者混凝土表面温度超过380℃时，则判定为达到耐火极限。
2.1.2 烟道层盾构管片
对于烟道层绝大部分拱顶管片，火灾时受到烟 道板的遮蔽作用，不会受到火焰的直接作用。然而，烟道板每隔60m 设置2.5m×1.6m×2m 的排烟口，火灾时火源附近排烟口将打开进行排烟，如火源在排烟口正下方，那么排烟口上部管片将会受到火焰的直接作用。同时，火灾烟气通过烟道层排出，在火源附近烟道层内烟气温度可能超过380℃, 使无防火保护的拱顶管片达不到2.0 h 耐火极限要求。因此，需要对排烟口正上方及一定范围内的管片进行防火保护。为了确定烟道层内管片的防火保护范围，采用CFD 对排烟口附近烟道层内烟气温度沿纵向的分布进行模拟。
考虑到烟道层位置高，横断面形状为弓形，后期对防火保护的维修及更换困难，且局部设防火保护会增加排烟压力的损失，建议烟道层上部拱顶管片通长设置混凝土内层衬砌。
2.1.3 疏散通道层管片
疏散通道层管片受到了现浇箱涵、中间箱涵及空气隔层的保护，且保护层厚度较大，因此无需设置额外的防火保护。
2.2 烟道板火灾设防标准
烟道板不属于隧道承重结构体，国家标准《GB 50016—2014建筑设计防火规范》对烟道板设防标准没有规定，上海地方标准《DG/TJ 08-2033—2017
道路隧道设计标准》、湖南地方标准《DB43/729—2012公路隧道消防技术规范》均要求烟道板的火灾升温曲线采用RABT 火灾升温曲线，但耐火极限要求分别为30 min 和2 . 0h, 差别较大，而对耐火极限判定标准均无明确规定。
烟道板直接暴露于行车层，火灾时将和行车层管片一样，直接受到火灾作用，因此烟道板的火灾升温 曲线可和行车层管片一样采用RABT 火灾升温曲线。
相对于管片，烟道板的结构重要性较低，且易于维修更换，火灾时只要不垮塌从而影响人员安全、造 成交通堵塞以及失去对拱顶管片的遮蔽作用，可以允许较大变形和局部损伤。因此，烟道板的耐火极限可较管片的低，耐火极限判定标准亦可较管片的低。
本文提出，烟道板火灾升温曲线采用RABT 火灾升温曲线，耐火极限为2.0 h, 耐火极限判定标准可参照建筑构件，采用《GB/T 9978.1 建筑构件耐火试验方法第1部分：通用要求》的规定。烟道板为受弯构件，主要承受自重及风机的重量，无完整性和隔热性要求，因此其耐火极限由其承载能力判定，判定条件如下：
极限弯曲变形量：
D=L²/400d (1)
极限弯曲变形速率：
dD/dt =L²/9000d;D>L/30 (2)
式中：L 为试件的净跨度，mm;d 为试件截面上抗压点与抗拉点之间的距离，mm; 极限弯曲变形速率单位为mm /min。
盾构管片与烟道板的火灾设防标准如表1所示。
表 1 盾构管片与烟道板的火灾设防标准
2.3 盾构管片防火保护方案
2.3.1
行车层盾构管片
根据防火保护措施应用现状及类似工程案例， 行车层盾构管片可采用设置混凝土内层衬砌、设置防火板、喷涂防火涂料等方法进行防火保护，具体防火保护方案需结合设备管线布置、限界控制、光线反射效果、吸声降噪、维护保养等因素经技术经济比较确定。
除了粘结强度、耐水性等理化性能外，防火保护层的保护效果主要取决于材料的导热系数和施用厚度。导热系数越小，施用厚度越厚，保护效果越好。防火保护层的施用厚度与导热系数的比值为等效热阻，是衡量防火保护层防火保护性能的技术指标。
式中：R 为防火保护层等效热阻，℃ ·m²/W;d 为防火保护层厚度，mm;λ; 为防火保护材料等效热传 导系数，W/(℃·m)。
采用 ABAQUS 有限元软件对管片温度场进行模拟，模拟结果如图3所示，结果表明耐火极限不低于2.0 h 时所需防火保护层等效热阻应大于 0.10℃·m²/W 。 如采用混凝土、防火板、防火涂料进行防火保护，保护层厚度分别为80 mm、 40 mm 、14 mm。综合考虑施工、运维、防火效果等因素，本工程采用混凝土进行防火保护。根据防火保护层等效热阻及混凝土热传导系数，计算得所需混凝土厚度应大于80 mm。
图3 管片温度场模拟结果
2.3.2
烟道层拱顶管片
采用FDS有限元软件对火灾时拱顶管片下方烟气温度分布规律进行模拟，如图4所示。实际火灾发生时烟气最高温度约为1100℃,且随流动距 离增加迅速降低，在排烟口上下游约20 m 范围外，高温烟气温度低于380℃。
采用 ABAQUS 有限元软件对实际火灾下无防火保护的拱顶管片温度场进行模拟，如图5所示。 排烟口上下游各17 m 范围对应的拱顶管片耐火极限低于2.0h, 其余位置拱顶管片均处于安全状态，确定需设防火保护的拱顶管片为排烟口上下游各 17m 范围内的拱顶管片。根据不同位置管片所受温度不同，采用ABAQUS 有限元软件计算出了各位置所需混凝土防火保护层厚度，如表2所示。
图 4 实际火灾条件拱顶下方高温烟气温度分布
图 5 真实火灾下无防火保护拱顶管片温度分布规律
表2 拱顶管片混凝土防火保护层厚度
可以发现不同位置处拱顶管片温度差距很大， 所需防火保护层的等效热阻差距也很大。本工程考虑混凝土防火保护层施工工作的开展，最终确定各处管片统一设置70 mm 厚度的混凝土牺牲层，这种设置方法施工简便，且超额设置的混凝土牺牲层可进一步提高拱顶管片的防火安全储备。
2.4 烟道板防火保护方案
针对烟道板的防火保护策略，开展了烟道板耐火性能试验，探索了普通钢筋混凝土烟道板、PP 纤维混凝土烟道板、钢纤维混凝土烟道板的抗火性能，并验证烟道板防火策略的有效性、安全性。各烟道板试件跨中挠度、底筋层温度、试验后掉皮剥落情况如图6～图9所示，受火2 h, 烟道板试件跨中挠度均低于40 mm,远小于达到耐火极限的挠度值160 mm, 烟道板试件均满足2 h 耐火极限要求。
图 6 高温试验炉及耐火试验
图 7 烟道板试件跨中挠度对比
图 8 烟道板试件底筋温度对比
图 9 各烟道板试件试验后掉皮剥落情况对比
双掺纤维混凝土烟道板试件受火后，受火面保持完整，而其他烟道板试件受火面均出现了掉皮剥落现象。同时，双掺纤维混凝土烟道板试件温度及跨中挠度均略低于其他烟道板试件。建议采用双掺PP 纤维、钢纤维混凝土烟道板，进一步提高烟道板的防火安全储备。
3
超长距离盾构隧道火灾排烟
3.1 工程面临问题与挑战
(1)排烟距离长，排烟道密封性要求高，需研制高密闭型排烟阀，提出密封降阻措施。
(2)缺乏超长距离盾构隧道相关火灾排烟设计规范，亟需分析确定超长距离盾构隧道火灾排烟设计关键参数及烟控策略。
3.2 高密闭排烟口
本项目隧道长度长，烟道风速高，对于风阀的密闭性要求极高，采用高密闭型排烟阀(图10),该阀门通过一块平板取代传统风阀的叶片结构，不存在叶片缝隙，极大提高风阀关闭时的密闭性，单位面积漏风 量可由200 m³/(h·m²) 降低至50m³/(h·m²)。
图 1 0 高密闭排烟口示意
3.3 超长距离盾构隧道火灾排烟策略
江阴靖江长江隧道是超长隧道，盾构段发生火
灾时，交通堵塞情况下，采用顶部排烟道集中排烟 模式，交通正常情况下，采用纵向通风排烟模式；明挖暗埋段发生火灾时，采用纵向通风排烟模式。如 图11～图13所示。
为确定纵向通风排烟模式的临界风速大小，采用理论计算确定临界风速范围，通过数值模拟与模型试验验证确定(图14)。通过世界道路协会 (PIARC) 标准、浙江省交通规划设计研究院与中南大学提出的临界风速公式，计算出火源热释放速率为50 MW 时隧道不同区段临界风速的取值范围为 2.00～4.00m/s;经数值模拟与模型试验确定不同区段不同坡度的临界风速值 ， 如表 2 所 示 。
交通正常时，隧道全线采用纵向通风排烟模式，50 MW火灾纵向通风风速不小于3.5m/s; 交通堵塞时，明挖段发生50 MW 火灾，采用纵向通风排烟模式，通风风速不小于3.5m/s。
图11 左线进口明挖段排烟示意
图12 盾构段重点排烟示意
图13 左线出口明挖段排烟示意
图14 排烟临界风速模型试验示意
集中排烟模式关键技术参数的研究包括排烟量、排烟阀间距、排烟阀面积和开启方式(图15)。
江阴靖江长江隧道的设计火灾规模为50 MW, 结合规范对于排烟量的要求及《GB 51251—2017 建筑防烟排烟系统技术标准》中轴对称羽流模型与墙型烟羽流模型，理论计算的排烟量为180 m³/s, 经数值模拟与模型试验的验证，确定50 MW 火灾下的 排烟量为180 m³/s。
通过数值模拟与模型试验，确认排烟阀的间距、面积与不同坡度下的开启方式，如图16所示。
表 2 江阴靖江长江隧道临界风速汇总
图 1 5 排烟系统关键参数研究方案
图 1 6 排烟系统关键参数模型试验示意
50 MW
火灾下，选用2.5 m×1.6m×2m 的高密闭排烟阀，排烟阀间距为60m, 排烟量为180 m³/s, 能 达到很好的烟气控制效果。
确定排烟阀间距及面积之后，考虑隧道不同坡度产生的“烟囱效应”对烟气蔓延的影响，对排烟阀开启个数、开启形式(火源上下游的分布)进行研究，通过数值模拟分析与试验验证，得到江阴靖江长江隧道盾构段火灾排烟阀最佳开启方案，如表3 所示。
表3 火灾荷载50 MW 时排烟阀开启方式
交通堵塞时，盾构段火灾烟气采用顶部独立排烟道集中排烟模式排出，开启6组排烟阀，根据坡度的不同选择对称与非对称开启，排烟量为180m³/s。
3.4 超长距离盾构隧道密封降阻措施
隧道排烟系统的性能优劣与排烟道的密封情况有关，设计施工的过程中预留孔洞较多，与排烟阀等设备的切合存在较多缝隙(图17),将导致隧道排烟系统功能达不到要求。
根据现场测试的结果总结归纳超长距离盾构隧道火灾排烟系统密封性保障措施如下：
(1)密封。机电方面：加强排烟风机、排烟阀、 消火栓、安全疏散门等预留孔洞的密封工作(可采用高密闭排烟阀，减少漏风，设计承压2000Pa, 单位面积漏风量不大于50m³/h) 。
土建方面：减少排烟道板对接处、烟道板与牛腿连接处的空隙，做好密封工作。土建排烟道应严密不漏风，排烟道应按高压系统采取密封措施，漏风量应小于《JGJ/T 141— 2017通风管道技术规程》中D 级漏风量的规定,且每平方米烟道板的缝隙面积不应大于11平方毫 米；排烟道承压不小于3000 Pa。
(2)降阻。机电方面：减少电缆电线、安全信息检测箱等突出侵占到排烟道。土建方面：对工作井、排烟道内壁进行平整，优化排烟通道结构，去除烟道与排烟无关构筑物。
(3)其他。建议定期巡视排烟道、工作井、排烟阀、排烟风机等通风设施，保证设备完好，消除可能占用烟道、破坏密封的情况发生。
图17 排烟阀、排烟道、排烟机房漏风示意
4 超长距离盾构隧道疏散救援
4.1 工程面临问题与挑战
(1)超长距离盾构隧道，采用常规加压送风方式，加压送风距离过长，疏散通道内的压力难以保证。
(2)缺乏超长距离盾构隧道相关成熟的疏散设计规范，现行规范细则是否适用于超长距离水下公路盾构隧道疏散设计有待验证。
(3)人员疏散距离超长，疏散救援时间久、效率低，在纵向疏散模式基础上创建一条满足人员救援车辆通行的通道是提高纵向疏散模式保障度的关键。
4.2 疏散通道长距离加压送风技术
本工程设置疏散楼梯间，采用分段加压送风方式， 在疏散通道两端各设置1台加压风机，左、右线隧道疏散通道对应南、北井各设有1台加压风机，共4台，江中位置设有2台加压风机，将疏散通道分为2个加压送风区段，单台加压风机风量为120000 m³/h; 在疏散通道与楼梯间隔墙上设置余压阀，如图18所示。
通过数值模拟，获得了分段加压送风时各疏散口风速分布规律，如图19所示。同一加压送风量，采用分段双侧送风方式，各区段内开启疏散口气流速率均近似呈对称分布，呈现出“中间大，两端小，先减小再增大”的整体变化趋势，疏散口风速值均满足防烟要求，可以有效确保火灾烟气不进入楼梯间和疏散通道。如图20所示，该送风方式降低了疏散通道内的风速，验证了疏散通道分段加压送风技术的有效性和适用性。
图18 纵向疏散通道风机布置示意
图19 分段加压送风时疏散口气流速率分布规律
图20 分段加压送风时疏散通道内的风速分布规律
4.3 超长水下公路盾构隧道人员疏散现场试验
为保证司机、乘客能够从下层疏散通道疏散， 救援人员能够从下层通道到达事故现场，江阴靖江长江隧道工程采用纵向疏散模式，在行车道右侧每 隔 80 m设置一处疏散楼梯，连通车道层与下层纵向疏散通道，如图21所示。
图21 疏散楼梯
通过开展全尺寸隧道人员疏散试验，分析人员行走速度、楼梯疏散速率等关键特征参数，人员行走速度如图22、图23所示。
图22 行车道试验人员疏散行走速度
图 23 下部安全疏散通道试验人员疏散行走速度
试验中，从消防广播播放火警信息至所有人员全部疏散至疏散通道所需疏散时间为352 s, 疏散详细流程如图24所示。
图 24 疏散流程
试验过程如图25所示，试验中疏散楼梯人员 疏散速率为38人/min, 全部试验人员疏散至疏散通道的时间为352 s, 进一步验证了江阴靖江长江隧道火灾情况下人员疏散的安全性。
4.4 超长水下公路盾构隧道环形车辆快速救援通道
(1)盾构隧道下方创建满足人员救援车辆通行的空间。通常大直径盾构隧道下层空间仅布置管廊和人行纵向辅助救援疏散通道，有较充足的空间。通过对空间的优化，提供一条满足人员救援车辆通行的空间，与两端的工作井形成消防救援的环通道，如图26所示。
(2)创建一条实现地面车辆直到着火区域下部的人员救援环通道。利用隧道工作井及设备段空间，设置一条人员救援环通道与隧道车道层的连接坡道， 满足人员救援车辆的通行要求，如图27所示。
连接坡道主要功能有：(1)车道层发生火灾时， 救援人员通过救援通道快速到达着火区域；(2)车道层发生火灾时，疏散人员通过救援通道进行逃生；(3)日常检修时，供工作人员及车辆使用。
图25 试验现场疏散过程
图26 人员救援环向通道平面布置
图27 救援环通道与隧道车道层的连接坡道
人员救援路径：救援疏散通道环路由人员救援车辆入口、人员救援环形通道、救援车辆停车等候区等三部分组成。由两端工作井及圆隧道中间舱救援疏散通道形成人员救援环通道，人员救援车辆进入工作井后组织环路单向交通进行消防、救援与疏散。救援车辆进入后，根据到着火点距离最近的原则组织顺时针或逆时针的单向交通，需紧急待命车辆可就近停在工作井地下停车区。
隧道救援策略：火灾等紧急情况下，人员救援车辆从下层救援通道驶入着火地点下方，然后救援人员利用疏散楼梯快速进入行车道，利用行车道内着火区域附近的消火栓，开展灭火任务；同时指挥还未及时撤离的其他人员及时通过疏散楼梯进入疏散通道，搭乘人员救援车辆进行有序疏散逃生。 如图28、图29所示。
通过理论计算，考虑最不利的情况，人员位于隧道正中心，采用车辆救援模式进行人员疏散，所有被困人员全部撤离所需的时间约为39 min,比以往的人员自行疏散模式减少用时约50 min; 采用盾构隧道下部人员疏散通道车辆快速救援模式，有利于隧道火灾救援及人员疏散，能较大地提高人员救援效率。
图28 车辆救援模式示意
图29 环形车辆快速救援通道
5 结 论
(1)江阴靖江长江隧道结构抗火设计从工程整体耦合设计的理念出发，采用了全新的结构防火保护策略：提出车道层盾构管片防火保护层等效热阻应大于0 . 1℃ ·m²/W, 等效热阻的应用使防火保护材料种类选择更加灵活；烟道层拱顶管片需设防火保护的范围为排烟口上下游各17 m 范围内，并提出各处防火保护所需混凝土的厚度；针对结构重要性较低的烟道板，本工程采用双掺纤维混凝土板提高烟道板自抗火性能，在不施加防火保护措施情况下，确保了火灾下烟道板结构的安全。
(2)江阴靖江长江隧道采用纵向排烟+集中排烟组合排烟模式。隧道交通正常时，采用纵向通风排烟模式，50 MW 火灾纵向通风风速不小于3.5 m/s; 交通堵塞时，明挖段采用纵向通风排烟模式，盾构段采用集中排烟模式，选用2.5 m×1.6m×2m 的高密闭排烟阀，间距为60m, 排烟量为180m³/s,根 据坡度变化，对称与非对称开启6组排烟阀。
(3)江阴靖江长江隧道工程采用疏散通道长距离加压送风技术，分段进行加压送风，疏散口风速值均满足防烟要求；盾构段利用疏散楼梯进行疏散，间距为80 m,宽度为0.9 m, 试验人员全部疏散至疏散通道的时间为352 s, 验证了疏散设计方案的可行性和安全性；采用盾构隧道下部人员疏散通道车辆快速救援模式，有利于隧道火灾救援及人员疏散，能较大地提高人员救援效率 。