国内外隧道防火技术现状及发展趋势

作者:安全管理网 来源:安全管理网 点击:  评论: 更新日期:2016年10月09日

1.概述
    随着工程建设和交通事业的发展以及人类生产、生活的不断需求,世界各国所建交通隧道的里程得到丁迅速延长。据统计,2000年整个欧洲地区交通隧道网络总长超过10000km;我国在第二次全国公路普查中,县级以上公路隧道建设总长将近550km。近10年来,由于不断增长的交通流量和路况改善以及运输物品的复杂性,增加了交通隧道的火灾风险,引发了不少严重的火灾事故。例如1999年3月24日发生在法国和意大利之间的MontBlanc隧道火灾,死亡41人,36辆汽车被毁;1999年5月29日发生的奥地利TauemMotorway隧道火灾,死亡12人,伤50人;2000年11月11日奥地利卡布伦山过山缆车火灾,死亡155人,伤18人。
    隧道火灾不仅严重威胁人的生命和财产安全,而且对交通设施、人类的生产活动造成巨大的损坏。因此,各国近20年来都投入了相当的力量对隧道的火灾行为,以及火灾防护进行了较广泛的研究,并取得了一定成果、制订了一些技术要求和标准。
    交通隧道一般包括公路隧道、铁路隧道和地铁隧道及城市其他交通隧道等。不同类别的隧道在火灾防护上没有本质的区别,原则上均应根据隧道允许通行的车辆和货物来考虑其可能的火灾场景,从而确定合理、有效的消防安全措施。根据有关研究,公路隧道的火灾风险为铁路隧道的20-25倍。因此,本文在分析、总结国内外相关研究的基础上,主要针对我国公路隧道和城市交通隧道的消防安全设计、研究及其发展提出了一些看法。
    2.国内外隧道防火研究现状
    20世纪80年代以来,国外在以下几方面开展了研究:车辆的燃烧特性、模拟通风对车辆燃烧的影响、烟气增长、用木垛火与庚烷火模拟正常火灾荷载的比较、烟气中有毒成分生成量分析、隧道内火灾增长和烟气运动数值模拟技术、隧道内衬在火灾中的表现、驾驶人员在隧道内的心理与行为及相关影响因素、消防救援方法与策略以及自救原则等。研究认为:隧道火灾规模主要取决于通行车辆的类型。隧道内部可达到的温度及火灾荷载可见表1。
    车辆类型       最高温度℃      最大热释放速率(MW)
    小汽车         400-500           3-5
    公共汽车        700-800          15-20
    载货卡车(油槽车除外)1000-1200    50-100
    我国也在隧道的烟气数值模拟、衬砌承载力评估、隧道内温度场分布等方面做过大量研究。
 2.1国内外在隧道设计方面的技术要求及标准
    在国内,目前有1992年发布的国家现行标准《地下铁道设计规范》(正在修订);1985年发布的铁道部现行标准《铁路隧道设计规范》;1989年发布的交通部现行标准《公路隧道设计规范》(正在修订)。这些标准分别对地铁、铁路隧道和山岭公路隧道的防火与疏散做了部分规定,但均不够完善,并且未对城市区域内的交通、观光游览隧道的防火设计做出规定。目前,国家标准《建筑设计防火规范》正增补有关城市交通隧道(地铁除外)的防火设计要求。
    在国外,荷兰编制了《TNO报告98-CVB-R1161隧道防火》以及TNO测试标准《隧道防火测试方法》,规定了隧道的火灾场景确定方法与相关消防安全工程设计方法以及隧道结构的耐火测试方法。德国1994年制订了《RABT公路隧道设施及运行准则》,其中对隧道中火灾规模做出了规定;1995年又制订了《ZTV-隧道,关于公路隧道建设补充技术条款及准则》,其中第10章“建筑防火”规定了隧道内的升温曲线以及建筑结构及其内部系统所应采取的防火措施。英国制订了《BD78/99,公路及桥梁设计手册》,用于指导运用消防安全工程方法对隧道进行防火设计。美国消防协会制订了《NFPA502公路隧道、桥梁及其他限行公路标准》,其中规定了不同类型隧道的消防要求,并要求长度超过240m的隧道应根据特定隧道的设计参数(如长度、横截面、分级、主导风、交通流向、货物类型、设计火灾参数等),采用工程分析方法设计其通风设施。日本则制订了《日本建设省道路隧道紧急用设施设置基准》,该基准按公路隧道长度及汽车交通量将隧道进行分级,并根据不同等级规定了公路隧道的火灾防护要求。
    2.2国外对隧道结构测试的几种升温曲线
    尽管各国在测试建筑构件的耐火极限方面一直采用IS0834国际标准规定的温度-时间曲线,但研究表明,像汽车燃料和车辆所运载的石油化工产品、液化石油气等碳氢化合物或其他化学物质的燃烧释放率、火场温度梯度与可能达到的最高环境温度与该升温曲线所描述的情况有很大差异。因此隧道内的结构设计与耐火保护就需要与这种情况相适应。为此,欧洲各国发展了一系列不同隧道火灾类型的时间/温度曲线。
    RWS曲线是在1979年在荷兰TNO实验室的研究结果基础上研究出来的。它假设在最不利的火灾情况下,潜热值为300MW燃油或油罐车持续燃烧120min,并假设120min后消防人员已经将火势控制,接近火源并开始熄灭火源。该曲线主要模拟油罐车在隧道中的燃烧情况,最初温度迅速上升,接着随着燃料的减少而逐步下降。
    在瑞士,由于山岭隧道更长而且远离消防队,采用RWS曲线时,设计时间则延长到180min。此外法国采用的隧道升温曲线与RWS类似,只是其最高点温度为1300℃。
    碳氢化合物燃烧曲线主要模拟火灾发生在较为开放的地带,热量可以散发。
    RABT曲线是在德国通过一系列的实验的研究结果发展而来的,如尤里卡(EUREKA)项目。该曲线假设火场温度在5min之内快速升高到1200℃,并在持续较短时间后冷却110min。
该曲线模拟一场简单的卡车火灾的升温状况,但针对一些特殊的火灾类型,最高温度的持续时间也可延长到60min或更长的时间,然后冷却110min。
    3.隧道火灾场景及火灾发展
    近20年来,国际上已经进行了大量的研究来确定可能发生在隧道以及其他地下建筑中的火灾场景和火灾类型,有些是在真正的、废弃的隧道中和实验室条件下进行。研究表明,公路隧道火灾在起火后10-15min之内热释放速率快速增长,温度急剧上升,大部分火灾在5-10min之内即可达到1000℃以上。隧道火灾场景主要取决于交通工具的类型。
    火灾的热量输出以热辐射为主,并决定温度;而烟气层的热散失则以对流为主,对温度影响很小,因此在高温时得到的热量总是超过散失的热量。由于隧道是一种相对封闭的地下结构,大多数热量被隧道顶、壁吸收。同时,热的烟气层和顶壁通过辐射将热传递给火焰而加剧火灾的发展速率。所以隧道火灾如果不能在引燃阶段扑灭,会很迅速地形成完全发展火,并伴随着急速升温。
    一般的火灾场景可以假设为:多辆小汽车火灾、公共汽车火灾、载货卡车火灾和可燃液体或石油/气槽车火灾。其火灾持续时间、热释放速率等情况因对象不同而有较大差异。对于多辆小、汽车火灾(以4辆车为例),一般30s后即可达到12MW的最大值,持续约60min。公共汽车火灾在10min后可达到25MW的最大值,持续约90min。载货卡车火灾在5min左右可达到180MW的最大值,持续约60min,火焰传播可达到40-60m。
    火灾对周围环境温度的影响主要以热辐射为主,而烟气层以对流为主。由于隧道是一种相对封闭的地下结构,火灾中释放的大部分热量将被隧道顶、壁吸收,而热烟气层和热顶壁同时又通过辐射将热传递回火焰,加剧火灾。因此,隧道火灾如果不能在引燃阶段扑灭,会迅速发展成完全发展火,并使附近区域的温度急速上升。
    在悉尼港口隧道的研究中,研究人员将小轿车火灾定义为3MW(a=0.0115),卡车火灾为10MW(a=0.18),危险物品货车为(a=0.18),公路槽车为50MW(a=0.18)。不同的火灾增长参数对危险温度场和烟气扩散区的影响较大。比如,普通轿车(0.1kW/s2)、小型卡车(0.3kW/s2)对危险区域的温度场和烟气扩散区的变化影响较小,但石油罐车、液化石油气槽车(1.54kW/s2~10.5kW/s2)等则能使危险区域的温度场很快升高、烟气扩散蔓延极快。
    4.隧道的消防安全工程设计
    隧道是一种与外界直接连通口有限的相对封闭的空间。隧道内有限的逃生条件和热烟排除出口使得隧道火灾具有燃烧后周围温度升高较快、持续时间长、着火范围往往较大、消防扑救与进入困难等特点,增加了疏散和救援人员的生命危险,隧道衬砌和结构也受到破坏,其直接损失和间接损失巨大。因此,隧道设计中必须考虑其火灾防护措施。
    隧道内的火灾危险主要有客车的行李、危险货物以及车辆和隧道本身。
    隧道的消防安全控制目标主要有:提供可能的疏散设施,减少人员伤亡;方便救援和灭火行动;避免隧道内混凝土内衬爆裂和通过对隧道结构、设备的防护,减小隧道修复和因隧道中断所造成的损失。
在公路隧道防火设计中主要应考虑结构耐火和防坍塌,降低隧道内的材料的燃烧性能,设置火灾探测与报警、监控信号系统,规划与设置分隔、救援、疏散和避难应急系统以及烟气控制系统等。
    4.1隧道的结构保护
    隧道内的火灾往往持续时间较长,如MontBlanc隧道火灾持续55h,36辆车被卷入火灾。研究表明,混凝土结构表面受热后,会产生爆裂现象,且在混凝土底层冷却之后,还将会出现深裂纹。结构的荷载压力和混凝土含水率(包括物理水含量和分子结合水)越高,产生爆裂的可能性越大,即使在混凝土配料中加入聚丙烯纤维也不会有明显改善。未经保护的混凝土,如果其质量含水率超过3%,在遇到高温或火焰作用后5-30min,内就会产生爆裂,深度甚至可达40-50mm。这是造成隧道跨塌的主要原因。一般在150-200℃时,混凝土表面开始爆裂。
    隧道构造形式有圆形、矩形或拱形。矩形结构的失效通常是由于混凝土或其增强钢筋的温度升高而导致过早产生下垂塑性弯矩,矩形隧道较圆形隧道所受压力荷载较小,产生爆裂情况较轻。圆形隧道的增强钢筋在下垂弯矩下不承受张力,只承受压力荷载。盾构式的圆形隧道通常采用等级为C50的高标号混凝土,在火灾中爆裂的可能性和深度都较高。
    混凝土发生爆裂后,不仅直接威胁救援与逃生,还会使增强钢筋直接暴露在火灾中,减少承载结构的横截面面积。因此,隧道结构耐火设计应考虑其内部可能达到的最高温度、升温特性以及结构体的火灾行为,确定相适应的设定火灾规模与时间-温度曲线,能保证隧道结构在所规定类型火灾条件下的完整性与稳定性。
    隧道结构的耐火保护一般可采用在混凝土中添加聚丙烯纤维或在混凝土内衬下安装防火绝热保护层,或者在隧道内安装自动喷水灭火系统。
    4.2通风及防排烟
    根据隧道火灾事故分析,由一氧化碳导致的死亡约占总数的50%,因直接烧伤、爆炸力及其他有毒气体引起死亡的约50%。通常,采用通风、防排烟措施控制烟气产物及运动可以改善火灾环境,并降低火场温度以及热烟气和火灾热分解产物的浓度、改善视线。但是,机械通风会通过不同途径对不同类型和规模的火灾产生影响,在某些情况下反而会加剧火灾发展和蔓延。实验表明:在低速通风时,对小轿车火灾的影响不大;可以降低小型油池火灾(~10m2)的热释放速率,而加强通风控制的大型油池火灾(~100m2);在纵向机械通风下,载重货车的火灾增长率可以达到自然通风的十倍。
    隧道通风主要有自然、横向、半横向和纵向通风四种方式。短隧道可以利用隧道内的“活塞风”采取纵向通风,长隧道则需采用横向和半横向通风。隧道内的通风系统在火灾中要起到排烟的作用,其通风管道和排烟设备必须具备一定的耐火性能。
    对于隧道通风设计,一般需要针对特定隧道的特性参数(如长度、横截面、分级、主导风、交通流向与流量、货物类型、设定火灾参数等)通过工程分析方法进行设计,并由多种场模型或区域模型对隧道内的烟气运动进行计算模拟,如FASIT、JASMIN等。
    目前有关隧道通风排烟的研究大多集中在其对烟气流动的影响,缺乏通风对火灾自身的影响的研究。
4.3安全疏散与避难设施
    人员在隧道内的正常疏散速度为1.5m/s,但在有烟气的情况下可能只有1m/s。一般人的极限辐射热耐受值为2~2.5kW/m2,消防人员在带有空气呼吸装置时的耐受极限为30min,5kW/m2。一般,160℃的烟气层的辐射热为2kW/m2,270℃的烟气层的辐射热为5kW/m2。人员在疏散时的最高空气温度不应超过80℃,在此温度下的耐受时间约为15min。
    避难设施不仅可为逃生人员提供保护,还可用于消防队员暂时逃避烟雾和热气的场所。在中、长隧道设计中,必须考虑人员安全避难所的设置,考虑通道的布置、隔间及空间的分配以及相应的辅助设施的需要。有些火灾表明,火灾时有些人虽已进入安全避难所,但由于热和烟气的泄漏,最终还是导致了死亡。因此,安全避难所的最低耐火极限除应与隧道结构的耐火极限一致,还应能够隔绝高热和阻止烟气进入,通常应考虑在这些区域设置独立的送风系统。
    此外,在隧道内的疏散口位置以及疏散门的形式非常重要。尽管侧开、平开或对开门可以提供大小合适的开口以便人或机动车辆的通行,但进入疏散通道或避难所的门应采用能自动关闭的常闭防火门。防火门的耐火极限应与相应结构的耐火极限一致,并具有良好的防烟、绝热性能。
    4.4自动喷水灭火系统
    自动喷水灭火系统是建筑物内应用最广泛的一种灭火设施。但从现有试验和使用情况看,目前在公路交通隧道内应用自动喷水灭火系统及其有效性仍存在很大争议。一般,交通隧道内设置自动喷水灭火系统应充分考虑以下情况:
    (1)隧道内的火灾通常发生在车辆的下部、车厢里或车辆的发动机部分,安装在隧道上部的喷头往往达不到灭火效果。
    (2)从火灾引燃到喷头动作之间有一段延迟时间,隧道内快速增长的火灾使喷洒的细小水滴汽化而产生大量高温蒸汽,不但难将火灾扑灭反而会增加对逃生人员的危害性。
    (3)隧道内部狭长,车辆行使形成的活塞风使热量和燃烧产物会沿着隧道快速蔓延,仅启动起火点上方的喷头往往不起作用。
    (4)灭火系统动作后产生的冷却作用往往使沿隧道顶棚的热烟气层降低并破坏烟气分层。
    (5)系统中喷出的水会使路面变得湿滑、危险,并可能导致可燃液体火灾进一步扩大。
    (6)水源及相应排水系统、泵站,系统维护、电力保障等。
    根据世界道路协会(PIARC)的有关报告,大多数国家认为绝大多数隧道火灾发生于油箱和车厢内,自动喷水灭火系统作用不大。因此,在欧洲,自动喷水灭火系统仅用于特殊的目的。例如挪威有两条隧道中安装的自动喷水灭火系统是为了保护添加了聚亚氨酯的隧道内衬。比利时、丹麦、法国、意大利、荷兰和英国的隧道则从不安装自动喷水灭火系统。在日本,只有10km以上的长隧道和3km以上且通行载重货车的短隧道要求安装自动喷水灭火系统。在美国,只有几条允许装载危险品的车辆通行的隧道安装了自动喷水灭火系统。
NFPA502也建议仅当车辆运输危险货物时,才考虑采用水成膜泡沫雨淋系统。
    4.5其他消防设施
    隧道中的其他消防安全设施主要包括:应急照明与信号系统、监控与火灾报警系统、通讯设施、消防栓、消防泵及灭火器等。
    设计中是否采取某种系统以及采用何种类型的系统应视特定隧道的具体情况而定。例如,在选择自动报警系统时应考虑到感烟探头虽然比感温探头反应快,但由于隧道内车辆尾气排放影响,误报的可能性也较大。在奥地利,长度超过1500m的汽车隧道和流量高的隧道均设置了火灾探测器。瑞士、瑞典和日本也根据隧道情况要求设置火灾探测器。其他国家一般只在一些特殊的隧道内安装。
    在设计信号和通讯设施时,应考虑到隧道内的封闭环境、噪声大对人员生理及心理影响,以及如何有效地向行车人员传达信息,降低逃生人员地恐慌心理等。
    火灾发生时,电力系统的正常工作对于隧道中人员的逃生至关重要。因此,在一定的时间内就要保护这些系统不受火灾的影响,其中包括消防泵房、火灾报警系统、疏散应急照明系统和排烟管道系统等的用电。
    5.我国公路隧道防火设计和开展消防安全研究的相关建议
    5.1我国公路隧道防火设计的建议
    根据有关隧道研究和火灾的情况,我们建议在隧道设计时应根据隧道内的可燃物数量与种类、隧道的用途、物理条件、长度及通风与排烟等因素综合考虑进行,并将单孔和双孔隧道按其长度(L)进行分类,见表2。
    类型               L>3000m  1500m<L≤3000m  500m<L≤1500m  L≤500m
    可通行危险品及大型货车   一类     一类             二类           三类
    通行一般载客或载货车辆   一类      二类            三类            四类
    行人或通行非机动车辆      二类     三类            三类            四类
    在隧道的结构耐火设
计中,一、二类隧道内承重结构体的耐火极限建议采用BABT升温曲线测试,一类不应低于2.00h,二类不应低于1.5h;三类隧道的耐火极限采用HC升温曲线测试,不应低于2.00h;四类隧道的耐火极限不限。水底隧道的顶部应设置抗热冲击、耐高温的防火内衬,耐火极限不应低于3.00h。
    在安全疏散设计中,双孔隧道建议沿隧道长度方向设置通向相邻隧道的安全疏散人行横洞和车行横洞,或在双孔中间设置直通隧道外的人行或车行安全通道。一、二、三类水底隧道宜设置车行横洞,间隔宜为500m~1000m;一、二、三类山岭隧道,其车行横洞间隔宜为200m~300m;车行横洞可兼作人行横洞。一、二、三类供机动车辆通行的纵向通风方式单孔隧道应设置人员疏散出口或独立避难所等确保人员安全疏散的避难设施,间隔不宜大于300m。一、二类水底隧道应沿隧道长度方向设置有保证人员安全疏散的通道或设施,疏散通道或设施的间隔:一、二类隧道宜为250m,三类隧道不应大于300m(长度小于500m的隧道可不设)。
    隧道内应设应急照明系统,其照明时间:一、二类隧道不宜小于3h;三类隧道不宜小于2h。应急疏散指示照明灯具设在隧道两侧,高度不宜大于1.5m。
    5.2我国开展公路隧道消防安全研究的相关建议
    隧道消防安全是目前国际消防研究的热点领域之一,已取得了许多研究成果,但仍有大量问题需要进一步研究。我国在这方面所开展的工作不甚系统、人力物力投入不足,部门之间的合作及与国际间的合作机制尚需加强与完善。在具体研究内容上,作者建议在以下几个方面重点开展相关的隧道消防安全工作:
    (1)隧道火灾风险评估方法,建立不同类型和规模的隧道消防安全设计基准;
    (2)隧道火灾/烟气模型:建立设定火灾场景、火灾发展和烟气运动、火场温度与持续时间预测方法与技术;
    (3)隧道火灾试验方法:确定隧道结构在特定火灾场景下的耐火性能及试验标准、防火措施;
    (4)研究隧道内驾驶人员和火灾中疏散人员的行为。
 

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