现代交通隧道及隧道防灾救援研究

现代交通隧道及隧道防灾救援研究中山大学2010级工学院交通工程 姚俊琦 10334039完成日期：2010年12月25日【摘要】：文章讨论了公路隧道火灾的特点，总结了公路隧道火灾的特殊性和严重性，并介绍了两种现代隧道火灾报警系统。【The English abstract】：The article discusses the characteristics of road tunnel fire, summarizes the highway tunnel fire particularity and severity, and introduces two modern tunnel fire alarm system.【关键词】：公路隧道 火灾事故 隧道火灾报警系统 救援通风一、前言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。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了迅速延长。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。20世纪90年代的统计资料显示，隧道火灾的发生频率为10次(亿车km)17次(亿车km)2 ,随着大量交通隧道的出现，交通隧道火灾事故发生的概率也在增加。近年来，国内外发生了多起重大公路隧道火灾、铁路隧道火灾事故，教训十分惨痛。通过这些事故，我们可以清楚的看到，隧道火灾不但会对隧道本身造成损坏，还会对隧道内的人员安全造成威胁，隧道火灾一旦发生且得不到有效控制的话，将会导致严重的后果。如何科学防治隧道交通火灾事故，已成为当前火灾科学技术研究领域的一个热点。根据有关研究，公路隧道的火灾风险为铁路隧道的2025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。二、公路隧道火灾形成原因隧道中火灾发生的原因很多, 有汽车本身的原因引起的, 也有隧道电气线路或电器设备短路引起的, 而尤以汽车本身的原因引起的火灾居绝大多数。 汽车本身的原因指的是汽车本身机械故障, 如电气短路、化油器燃烧起火、刹车时间过长制动器起火或车上装载的物体或由于追尾、碰撞等交通事故引起的火灾。高速公路隧道是一个特殊的建筑物, 它的结构狭长，封闭且空间小、火灾发生后燃烧物产生的大量浓烟难以排出, 火灾发展蔓延速度快, 一般在汽车起火到成灾只需 一% 分钟。同时, 隧道内燃烧产生的热量不易散发, 使得隧道内火灾附近的温度很快上升, 通常达到几百度甚至上千度, 汽车所携带的燃料还会产生爆炸,由于隧道本身的结构特点, 给救援和逃生都带来极大的困难。隧道拱部、侧壁和地面会因火灾而发生剥落、坍塌, 同时大火还会将隧道内的监控、通信、照明、通风设备损坏。主要总结如下：1 隧道火灾的特殊性虽然隧道火灾发生的总数不多，但一般每起火灾的损失都比较大。究其原因，主要是隧道火灾与一般建筑火灾相比有其特殊性，主要表现如下：1.1 起火原因复杂多变，热释放速率大隧道中车辆类型多样、车载物品种类与数量不确定等因素决定了此类隧道火灾具有起火物质种类的多样性，火灾荷载及起火点位置的不确定性。据研究资料表明一辆小汽车的燃烧功率为2.5MW，一辆大客车的燃烧功率为20-30MW，而一辆重型货柜车(HeavyGoods Vehicle)的燃烧功率可以超过100MW345。1.2 火灾蔓延快照明、通风、监测等系统遍布整个隧道，随之而来的则是贯穿整个隧道的电缆桥架和电缆沟，一旦发生火灾，这些部位极可能成为火灾蔓延的途径。另外，隧道火灾中产生的CO等不完全燃烧产物较多，在其流动过程中，一旦遇到新鲜空气和其它可燃物，则会引发新的燃烧，从而出现火灾从一处跳跃到另一处的“跳跃式”蔓延；有时车辆着火后仍在行驶，也会造成起火范围的迅速扩大。1.3 温度高，烟气浓度大，排烟困难由于隧道本身结构的特殊性，其内部空间较小，近似于封闭空间。火灾发生时，燃烧释放的热量不易散发，隧道内部的温度容易迅速升高，在充分燃烧阶段，温度甚至可达1000以上。因此在起火点附近的隧道承重结构体的容易受到破坏，发生崩落；同时，由于隧道中空气不足，多进行不完全燃烧，产生的烟气中CO等有害气体浓度很高，而且很难通过自然排烟排出，对人危害极大。1.4灭火救援难度很大由于交通隧道具有距离长、出入口少等特点，因此灭火工作面和救援途径单一，并且灭火救援路线容易与人员、车辆的疏散路线、烟气流动路线相互重叠；同时由于大型灭火设备无法进入隧道，进入的人员需要进行特殊防护等原因，灭火困难较大；远离城市的隧道缺乏可靠的消防水源，隧道内灭火条件有限，且消防队员到达的时间相对较长，当火场温度过高时，隧道拱顶混凝土有烧塌崩落的危险。这些都使灭火救援的难度无法估量。三、隧道火灾的研究现状相比于普通建筑火灾，交通隧道火灾具有众多特殊性，因此隧道火灾的防治一直是火灾科学研究的难点与热点之一。为了对隧道火灾进行有效的防治，降低其危害程度，首先必须对隧道火灾的发生、发展及控制中的科学问题进行分析研究。本文在此按照研究方法的不同对隧道火灾的研究现状进行一定的阐述。2.1 小尺寸模拟试验研究试验研究是科学研究中的重要方法之一，但由于交通隧道巨大的尺寸，建造全尺寸或者大尺寸的试验平台比较困难，小尺寸的模拟试验研究在针对隧道火灾的研究方法中显得尤为重要且被广泛应用。从目前的研究情况来看，这些小尺寸的隧道火灾模拟试验研究主要侧重于三个方面的研究内容：1 ) 隧道内发生火灾时， 为了抑制烟气逆流(Back Layering)所需的最小临界纵向送风风速(CriticalLongitudinal Ventilation Velocity)；2) 隧道内发生火灾时，近火源区域的羽流特征；3) 隧道内发生火灾时，排烟设备的排烟效果。Lee等(1979)在一条长13.7m、横截面积为0.27m2的小尺寸试验台上对抑制隧道火灾烟气逆流的临界纵向送风风速进行了研究，之后Chaiken等(1979)、Vantelon等(1990)、Kwack等(1990)、Xue等(1993)和Oka等 (1996)相继建立了比例大小不一的小尺寸试验台进行了该临界送风风速的研究；Hwang & Wargo(1986)对隧道纵坡度对烟气流动的影响进行了研究；后来ATKINSON G.T.& WU Y.6还就纵坡度对临界送风风速的影响进行了专门的研究，并提出了考虑隧道纵坡度的临界送风风速的预测关系式。在小尺寸的模拟试验研究中，最新的也是比较有效的研究分别是韩国的JS.Roh等人和法国的VAUQUELIN O.等人所开展的。ROH J.S.7等人利用小尺寸模拟试验台对临界送风风速值与火源功率的关系进行了研究；而VAUQUELIN O.8等人则对半横向通风的效果进行了小尺寸试验研究。目前在国内，有关隧道火灾的试验研究开展得还比较少，比较典型的有中国科学技术大学的杨立中、方廷勇等人在小尺寸试验台内进行的火灾烟气危害性气体在狭长通道内的迁移研究9；曾巧玲10在四川宜宾地区芙蓉矿务局矿山消防救护大队训练巷道内进行的“易燃液体在密闭空间内燃烧时间的测定”及“封闭火区油类物质燃烧状况判别条件”的模拟试验；中国科学技术大学的彭伟、胡隆华等人在燃烧风洞内研究不同纵向风速对隧道火灾燃烧功率的影响11。2.2 数值模拟研究在火灾科学的研究中，另外一种投入较少且比较有效的重要方法是数值模拟。在火灾过程的数值模拟方法中，主要有区域模拟、场模拟（计算流体动力学CFD模拟）以及场区网复合模拟技术。四、隧道火灾报警系统的原理和选型介绍火灾发生后, 隧道的修复也很困难, 会造成交通中断, 给国家和人民带来较大的经济损失和较坏的社会影响。因此, 选择一个合适的火灾报瞥系统是早期发现火灾, 及时救援, 最大限度的降低火灾造成的损失的关键之一。1、双波长火灾探测器原理分析双波长火灾报警系统的检测原理是检测火灾发生时所产生辐射光的特定波长, 及火焰闪烁频率来判定火灾实现报警的。图一是双波长火灾探测器的探测原理图, 火灾嫌烧时放射出来的火焰光按周期变化具有特有的频率, 火焰探测器选择火焰光的比较特殊的频带进行探测。 图一双波长火焰探测器通过过滤器检测火焰特有频率11.5赫兹作为探测信号 短波检测通道用于火焰辐射波长的探测, 波长在4.14.7微米长波检测通道用于监视环境光和自然光产生的辐射, 波长在56微米 。存在火焰时, 当短波检测通道上的信号幅值大于长波检测通道上的信号幅值于是报警, 反之说明存在外部干扰辐射, 此时不报警。双波长火灾探测器主要由双波长火焰检测器和报警控制器两部分组成, 一般把双波长焰检测器、手动报警按钮、报警指示灯集成在一起, 称为“火灾报警综合盘” 。每个双波长火灾检测器为独立检测单元, 可检测50米范围内双向25米或单向50米发生的火灾事故, 并可在同址的报警指示灯上显示。因此, 火灾检测器火灾报警综合盘必须在隧道内以小于等于50米的间距连续布设, 避免出现检测盲区。所有火灾报警综合盘通过通信电缆或光缆以总线形式连接至火灾报瞥控制器, 通过控制器发出报替信号。综合盘的厚度为150毫米, 工程上有明装和暗装两种方式, 考虑到隧道环境美观, 火灾报警综合盘安装一般嵌入在隧道壁内安装高度1.5米, 在隧道主体施工时, 需要进行洞室的预留预埋。根据国内外几十年的隧道火灾数据统计, 98% 以上的火灾情况有明火产生, 所以采用双波长火灾报誓系统对于检测早期火灾是十分有效的。特别在公路隧道内, 风速、温度对它的检测灵敏度基本没有影响。这种隧道专用火灾探测技术十分成熟, 在高速公路隧道中广泛使用, 总体反映情况良好。2、光纤光姗火灾探测器的工作原理分析光纤光栅感温火灾报警系统是将光纤光栅作为温度传感器内部的敏感元件, 通过光纤光栅所反射的光信号中心波长移动盘来检测温度值。这种光纤光栅的作用实质上是在纤芯中形成一个窄带反射镜, 当宽带光进人光纤传输到光栅处时, 光栅将有选择地反射一束窄带光。当外界温度变化时, 由于光栅的条纹周期变化引起光栅的有效折射率发生变化, 从而产生光栅布拉格&+ 信号的波长位移。光纤光栅布拉格波长的变化与环境温度的变化呈线性关系, 光纤光栅的测温精度及分辨率不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响, 可直接通过光纤进行信号远程传输&超过9 , 由于其传输信号是光信号而非传统的电信号, 监测现场无需供电, 实现了安装现场真正意义上的本质安全性, 同时具有测量精度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、防雷击、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻等优点,特别适合于化工行业易燃、易爆及变电所等高磁场所应用。光纤栅火灾报替系统主要设备为光纤光栅检测器&传感器、信号处理器、火灾报警控制器等。为了满足手动报带的需要, 光纤光栅火灾报警系统需另配置手动报警按钮。光纤光栅火灾报替系统把隧道划分为多个监测分区。一根光纤光栅传感器最多可理盖6个分区,在每个分区布置巧个光纤光栅探头,一根光纤光栅传感器最多可对60米的距离进行监测。每根光纤光栅检测器通过通信光缆与信号处理器连接。每个信号处理器可连接四根光纤光栅传感器。处理器再与火灾报替控制器连接实现报警。手动报警按钮一般与消防洞室同址, 通过通信电缆以总线形式连接至火灾报替控制器。光纤光栅检测器安装在隧道顶部, 通过固定在隧道顶部的钢绞线悬挂。除隧道内每隔60米预留一个从弱电电缆沟至顶部的沟槽外, 无需其他预留预埋工程。参考文献：1、钱怀风，公路隧道火灾报警系统的选型，现代隧道技术期刊2002,4；2、中华人民共和国交通部.公路隧道设计规范.JTG D70-2004,20043、杨瑞新,陈雪峰.高等级公路长隧道火灾特点及消防设计初探.消防科学技术4、周旭,赵明华,刘义虎.长大隧道火灾与防治设计研究J.中南公路5、曾艳华，关宝树平行导洞通风计算研究，中国公路学报6、曾艳华，李永林，何川，关宝树 隧道通风网络及调节，西南交通大学学报7、徐瑞龙， 通风网络理论 北京煤炭工业出版社8、张祉道，公路隧道的火灾事故通风，现代隧道技术9、戴国平，田沛哲，夏永旭 二郎山公路隧道火灾通风对策 长安大学学报10、熊火耀. 道路隧道防灾技术M . 成都:西南交通大学出版社,1989 0811、胡宁. J. , . 12、李春杰. J. , . 13、柏友富. J. , . 14、刘鹏举,李刚,彭伟. J. , . 15、许峰,董文辉,徐放. J. , . 16、曾盛. J. , . 17、高红勇,赵艳玲. J. , . 18、桑生福,孟令谦. J. , .