《Case Studies in Thermal Engineering》：Damage Evaluation and Resistance Enhancement Technologies for Highway Tunnels under High-Power Fire Conditions
编辑推荐：
为应对公路隧道在火灾等极端灾害中面临的挑战，提升其韧性与安全性，本研究以秦岭天台山公路隧道为背景，重点探究了隧道在火灾场景下的损伤评估与抗力增强技术。研究人员通过FDS-ANSYS联合仿真建立了热-力耦合数值模型，基于应变能构建了韧性量化模型与评估体系，并对比分析了防火涂料、防火板、牺牲层等五种防护措施对衬砌结构火灾韧性的增强效果。该研究将韧性理论引入隧道消防安全领域，为公路隧道的防灾设计、灾害评估与灾后恢复提供了重要参考。
想象一下，在一条绵长幽深的公路隧道中，一辆满载易燃物的货车突然起火。密闭的空间、极高的热量、滚滚的浓烟，不仅瞬间威胁着人们的生命安全，更对隧道结构本身造成严重破坏。一旦隧道结构失效，不仅救援和修复困难重重，更会造成长期的交通中断和巨大的社会经济损失。历史上，如浙江猫狸岭隧道火灾、法国勃朗峰隧道火灾等悲剧，一再警示着提升隧道火灾安全性的紧迫性。然而，传统的隧道安全研究多集中于静态性能评估，难以有效反映系统在灾害中的动态响应及灾后恢复能力。为了应对这一挑战，来自长安大学的研究团队，在《Case Studies in Thermal Engineering》上发表了一项研究，将“韧性”理论引入隧道火灾安全领域，系统评估了高功率火灾对隧道的影响，并探索了多种提升隧道“抗火韧性”的技术方案。
为开展此项研究，作者团队主要采用了以下关键技术方法：首先，以秦岭天台山公路隧道为工程背景，利用FDS (Fire Dynamics Simulator) 软件建立了200米长的隧道火灾三维模型，模拟了100 MW极端火灾场景，并确定了最危险火灾断面（隧道中段，通风风速2 m/s）。其次，将FDS计算获得的温度场数据导入ANSYS软件，通过间接耦合方法建立了隧道结构的热-力耦合数值模型，精细模拟了隧道衬砌在火灾下的温度、应力和变形演化。最后，基于应变能与损伤深度之间的强相关关系，构建了以应变能为核心的韧性量化模型，并定义了韧性指数计算公式。在此基础上，对比设计了防火涂料、防火板、混凝土牺牲层、混凝土类型及水喷淋系统等共计17种工况，系统分析了各种被动与主动防护措施对隧道火灾韧性的增强效果。
数值模型
该研究基于实际工程，建立了详细的隧道几何与材料模型。通过FDS模拟验证与参数分析，确定了火灾功率为100 MW、位于隧道中段、通风风速为2 m/s的场景为最危险工况。在此工况下，火灾中心断面温度最高、高温持续时间最长。利用ANSYS建立的结构模型精细划分了网格，特别是将55 cm厚的二次衬砌在径向上划分为15 cm的外层和40 cm的内层，以精确捕捉近火表面的热-力梯度。模拟结果显示，在火灾发展过程中，隧道衬砌的径向温度分布呈现由表面向内部递减的趋势，且随着时间的推移，温度梯度逐渐减小，热扩散不断向深层发展。
变形场分析
通过分析隧道结构在火灾不同时刻的水平位移 (Ux) 和竖向位移 (Uy) 云图，揭示了结构的变形规律。水平位移随着火灾发展持续增长，尤其是在衬砌被挤压向围岩的方向。竖向位移场关于Y轴对称，从拱顶向拱腰、边墙、拱脚逐渐减小。在火灾进入衰减阶段后，拱顶的沉降位移有所恢复。这些位移场的时空演化规律，直观反映了高温导致材料性能退化、结构损伤的内在机理。
火灾韧性演化规律与评估
研究构建了基于系统性能曲线的韧性量化框架。针对隧道结构，提出使用单位长度隧道衬砌的应变能来表征火灾损伤程度。研究发现，应变能与衬砌损伤深度之间存在强相关关系，且当损伤深度达到临界破坏阈值（30 cm）时，对应的极限应变能 (Pm) 稳定在约1.8×106J/m左右，与风速和火源位置无关。基于此，定义了韧性指数 (R) 的计算公式，并选取指数形式的恢复函数，结合参考实际火灾修复时间（设定恢复时长TR为50天），绘制了完整的隧道结构韧性曲线。该曲线清晰地展示了韧性演化的三个阶段：抵抗阶段、恢复阶段和服务功能恢复阶段。根据计算得到的韧性指数 (R=0.742)，研究进一步建立了隧道结构火灾韧性等级划分标准，分为高、中、基本、低四个等级。
火灾韧性增强与评估
研究从主动消防和被动防护两个角度，系统比较了五种防护措施的增强效果。对防火涂料，厚度为1.5 cm和2.0 cm时，韧性指数分别提升至0.974和0.975，使结构进入高韧性状态。对防火板，厚度达到3.0 cm和5.0 cm时，韧性指数分别提升至0.945和0.970，也达到高韧性水平。对混凝土牺牲层，其增强效果存在最佳厚度（5 cm），过厚反而因自身积累过多应变能而效果下降。对水喷淋系统，其提升效果有限，韧性指数最高提升0.131，主要起辅助控火作用。综合分析表明，防火涂料在较小厚度下即可实现高效防护，性价比高；防火板则更适用于需要长期防护的场景。
最佳防护措施的详细分析
以效果较优且性价比较高的1.5 cm厚防火涂料工况（工况3）为例，进行了详细的温度场和变形场分析。结果显示，该防火涂料能显著降低衬砌各关键部位的温度，拱顶温度最大降幅达97%，有效延缓了混凝土的高温劣化。在变形控制方面，防火涂料使拱顶的水平位移降低了69.9%，竖向位移降低了91.7%；对拱腰、边墙等位置的位移控制效果尤为显著，极大地改善了围岩-支护体系的相互作用，有效抑制了非均匀沉降和不对称变形，从而大幅提升了结构的整体稳定性。
讨论
研究强调了将应变能作为损伤表征参数的物理合理性，因为它完整地反映了结构在热-力耦合下的能量响应。极限应变能不随风速和火源位置变化，这为基于能量阈值的韧性设计和评估提供了理论依据。同时，作者也指出当前研究未考虑混凝土高温爆裂的影响，且所构建的韧性评估体系对高强度混凝土材料的普适性有待验证，这为未来研究指明了方向。
结论
本研究的主要结论包括：1) 确定了100 MW火灾下，位于隧道中段、通风风速2 m/s的火灾中心断面为最危险工况。2) 建立了应变能与损伤深度之间的强关联，并以此为基础构建了韧性量化模型和四级评估标准，清晰刻画了韧性三阶段演化规律。3) 系统评估了多种防护措施，发现防火涂料在增强火灾韧性方面综合表现最佳，具有显著优势。4) 指出了当前韧性评估体系在材料普适性方面的局限性，为后续建立更通用的评估系统提出了展望。该研究将韧性理念与隧道火灾安全工程深度融合，所提出的评估方法与防护策略，为公路隧道的防灾韧性设计、灾害损失评估以及高效灾后恢复提供了重要的理论依据和技术支持。
