《Case Studies in Thermal Engineering》：Damage Evaluation and Resistance Enhancement Technologies for Highway Tunnels under High-Power Fire Conditions
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為應對公路隧道在火災等極端災害中面臨的挑戰，提升其韌性與安全性，本研究以秦嶺天臺山公路隧道為背景，重點探究了隧道在火災場景下的損傷評估與抗力增強技術。研究人員通過FDS-ANSYS聯合仿真建立了熱-力耦合數值模型，基于應變能構建了韌性量化模型與評估體系，并對比分析了防火涂料、防火板、犧牲層等五種防護措施對襯砌結構火災韌性的增強效果。該研究將韌性理論引入隧道消防安全領域，為公路隧道的防災設計、災害評估與災后恢復提供了重要參考。
想象一下，在一條綿長幽深的公路隧道中，一輛滿載易燃物的貨車突然起火。密閉的空間、極高的熱量、滾滾的濃煙，不僅瞬間威脅著人們的生命安全，更對隧道結構本身造成嚴重破壞。一旦隧道結構失效，不僅救援和修復困難重重，更會造成長期的交通中斷和巨大的社會經濟損失。歷史上，如浙江貓貍嶺隧道火災、法國勃朗峰隧道火災等悲劇，一再警示著提升隧道火災安全性的緊迫性。然而，傳統的隧道安全研究多集中于靜態性能評估，難以有效反映系統在災害中的動態響應及災后恢復能力。為了應對這一挑戰，來自長安大學的研究團隊，在《Case Studies in Thermal Engineering》上發表了一項研究，將“韌性”理論引入隧道火災安全領域，系統評估了高功率火災對隧道的影響，并探索了多種提升隧道“抗火韌性”的技術方案。
為開展此項研究，作者團隊主要采用了以下關鍵技術方法：首先，以秦嶺天臺山公路隧道為工程背景，利用FDS (Fire Dynamics Simulator) 軟件建立了200米長的隧道火災三維模型，模擬了100 MW極端火災場景，并確定了最危險火災斷面（隧道中段，通風風速2 m/s）。其次，將FDS計算獲得的溫度場數據導入ANSYS軟件，通過間接耦合方法建立了隧道結構的熱-力耦合數值模型，精細模擬了隧道襯砌在火災下的溫度、應力和變形演化。最后，基于應變能與損傷深度之間的強相關關系，構建了以應變能為核心的韌性量化模型，并定義了韌性指數計算公式。在此基礎上，對比設計了防火涂料、防火板、混凝土犧牲層、混凝土類型及水噴淋系統等共計17種工況，系統分析了各種被動與主動防護措施對隧道火災韌性的增強效果。
數值模型
該研究基于實際工程，建立了詳細的隧道幾何與材料模型。通過FDS模擬驗證與參數分析，確定了火災功率為100 MW、位于隧道中段、通風風速為2 m/s的場景為最危險工況。在此工況下，火災中心斷面溫度最高、高溫持續時間最長。利用ANSYS建立的結構模型精細劃分了網格，特別是將55 cm厚的二次襯砌在徑向上劃分為15 cm的外層和40 cm的內層，以精確捕捉近火表面的熱-力梯度。模擬結果顯示，在火災發展過程中，隧道襯砌的徑向溫度分布呈現由表面向內部遞減的趨勢，且隨著時間的推移，溫度梯度逐漸減小，熱擴散不斷向深層發展。
變形場分析
通過分析隧道結構在火災不同時刻的水平位移 (Ux) 和豎向位移 (Uy) 云圖，揭示了結構的變形規律。水平位移隨著火災發展持續增長，尤其是在襯砌被擠壓向圍巖的方向。豎向位移場關于Y軸對稱，從拱頂向拱腰、邊墻、拱腳逐漸減小。在火災進入衰減階段后，拱頂的沉降位移有所恢復。這些位移場的時空演化規律，直觀反映了高溫導致材料性能退化、結構損傷的內在機理。
火災韌性演化規律與評估
研究構建了基于系統性能曲線的韌性量化框架。針對隧道結構，提出使用單位長度隧道襯砌的應變能來表征火災損傷程度。研究發現，應變能與襯砌損傷深度之間存在強相關關系，且當損傷深度達到臨界破壞閾值（30 cm）時，對應的極限應變能 (Pm) 穩定在約1.8×106J/m左右，與風速和火源位置無關。基于此，定義了韌性指數 (R) 的計算公式，并選取指數形式的恢復函數，結合參考實際火災修復時間（設定恢復時長TR為50天），繪制了完整的隧道結構韌性曲線。該曲線清晰地展示了韌性演化的三個階段：抵抗階段、恢復階段和服務功能恢復階段。根據計算得到的韌性指數 (R=0.742)，研究進一步建立了隧道結構火災韌性等級劃分標準，分為高、中、基本、低四個等級。
火災韌性增強與評估
研究從主動消防和被動防護兩個角度，系統比較了五種防護措施的增強效果。對防火涂料，厚度為1.5 cm和2.0 cm時，韌性指數分別提升至0.974和0.975，使結構進入高韌性狀態。對防火板，厚度達到3.0 cm和5.0 cm時，韌性指數分別提升至0.945和0.970，也達到高韌性水平。對混凝土犧牲層，其增強效果存在最佳厚度（5 cm），過厚反而因自身積累過多應變能而效果下降。對水噴淋系統，其提升效果有限，韌性指數最高提升0.131，主要起輔助控火作用。綜合分析表明，防火涂料在較小厚度下即可實現高效防護，性價比高；防火板則更適用于需要長期防護的場景。
最佳防護措施的詳細分析
以效果較優且性價比較高的1.5 cm厚防火涂料工況（工況3）為例，進行了詳細的溫度場和變形場分析。結果顯示，該防火涂料能顯著降低襯砌各關鍵部位的溫度，拱頂溫度最大降幅達97%，有效延緩了混凝土的高溫劣化。在變形控制方面，防火涂料使拱頂的水平位移降低了69.9%，豎向位移降低了91.7%；對拱腰、邊墻等位置的位移控制效果尤為顯著，極大地改善了圍巖-支護體系的相互作用，有效抑制了非均勻沉降和不對稱變形，從而大幅提升了結構的整體穩定性。
討論
研究強調了將應變能作為損傷表征參數的物理合理性，因為它完整地反映了結構在熱-力耦合下的能量響應。極限應變能不隨風速和火源位置變化，這為基于能量閾值的韌性設計和評估提供了理論依據。同時，作者也指出當前研究未考慮混凝土高溫爆裂的影響，且所構建的韌性評估體系對高強度混凝土材料的普適性有待驗證，這為未來研究指明了方向。
結論
本研究的主要結論包括：1) 確定了100 MW火災下，位于隧道中段、通風風速2 m/s的火災中心斷面為最危險工況。2) 建立了應變能與損傷深度之間的強關聯，并以此為基礎構建了韌性量化模型和四級評估標準，清晰刻畫了韌性三階段演化規律。3) 系統評估了多種防護措施，發現防火涂料在增強火災韌性方面綜合表現最佳，具有顯著優勢。4) 指出了當前韌性評估體系在材料普適性方面的局限性，為后續建立更通用的評估系統提出了展望。該研究將韌性理念與隧道火災安全工程深度融合，所提出的評估方法與防護策略，為公路隧道的防災韌性設計、災害損失評估以及高效災后恢復提供了重要的理論依據和技術支持。
