城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)

1、城市地下空間建設(shè)新技術(shù)城市地下空間建設(shè)新技術(shù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部執(zhí)業(yè)資格注冊中心住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部執(zhí)業(yè)資格注冊中心2014年年10月月24-26日日全國注冊土木工程師（巖土）繼續(xù)教育必修教材全全國注冊土木工程師（巖土）繼續(xù)教育必修教材全國師資培訓(xùn)班國師資培訓(xùn)班2閆治國閆治國同濟大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系同濟大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系第第13章章 城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)城市地下空間防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)313.1 概述概述13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)13.3 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)13.4 小結(jié)小結(jié)提綱提綱4隧道及地下空間安全問題的特點：n

2、隧道及地下空間環(huán)境較封閉，難及時有效的處置n 疏散救援困難，容易致群死群傷n 災(zāi)后修復(fù)困難安全&防災(zāi)n 國內(nèi)外地下空間火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害事故 .n 地下空間開發(fā)呈現(xiàn)規(guī)?；?、網(wǎng)絡(luò)化、深層化的趨勢13.1 概述概述52005年上海市地鐵某標(biāo)段盾構(gòu)隧道進行旁通道冷凍法施工前的準(zhǔn)備工作時，由于電焊工不慎，引燃水箱內(nèi)冷卻塔中的塑料散熱片，引起火災(zāi)?；馂?zāi)持續(xù)了約10 min?；鹪雌鹣蛳嘛L(fēng)側(cè)約260 m，向上風(fēng)側(cè)約170 m隧道襯砌管片表面被熏黑。造成約15 m范圍內(nèi)混凝土管片受到輕度到中度損傷，損傷層厚度最大達25 mm13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 61968年，德國漢堡莫爾費

3、雷特（Moorfleet Tunnel）公路隧道火災(zāi)中，隧道拱部和邊墻混凝土發(fā)生了嚴(yán)重的爆裂13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 71984年，英國薩米特（Summit Tunnel）鐵路隧道火災(zāi)中，隧道內(nèi)最高溫度達到1500，1900 m范圍的隧道襯砌受到了火災(zāi)損壞，其中嚴(yán)重破壞的范圍為395 m13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 81996年，英法海峽隧道（Euro Tunnel）火災(zāi)中，600 m700 m長一段襯砌受到不同程度的損傷，其中最嚴(yán)重的50 m范圍內(nèi)原本厚45 cm的襯砌管片混凝土剝落深度達3040 cm13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火

4、安全技術(shù) 91999年，勃郎峰公路隧道火災(zāi)中，最高溫度達到1000 ,大火持續(xù)了55 h，隧道結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p壞，拱頂局部沙化13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 102000年，瑞士圣哥達公路隧道火災(zāi)中，隧道內(nèi)溫度達到了1000，出事地段隧道頂部塌陷，隧道內(nèi)部分路段被燒毀13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 112001年，美國霍華德城市隧道火災(zāi)中，隧道結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，火災(zāi)造成橫貫隧道頂部直徑1 m的鑄鐵水管破裂13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 12-500501001502002503003500246810121416 普通混凝土 鋼纖維混凝土

5、 聚丙烯纖維混凝土Sk /Skc 溫度 /oC火災(zāi)對襯砌結(jié)構(gòu)的損傷02004006008000.00.20.40.60.81.01.2Uniaxial compressive strength NC SFRC PPFC T/ oCET/E0 T/0Elastic modulus爆裂耐久性降低力學(xué)性能劣化內(nèi)力變化及承載力降低大變形13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 13n影響人員疏散和滅火救援工作的開展n影響上部建筑以及臨近構(gòu)筑物正常使用功能的發(fā)揮n降低地下結(jié)構(gòu)的安全性，威脅隧道及地下空間日后的安全運營n特別是處于高水壓、軟弱地層等情況下的盾構(gòu)隧道、沉管隧道，可能導(dǎo)致密封及防水失

6、效n結(jié)構(gòu)的修復(fù)和重新組織交通需要花費大量的人力和物力13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 14地層-結(jié)構(gòu)體系熱力耦合問題l熱-力耦合問題火災(zāi)高溫?zé)嶂聭?yīng)力結(jié)構(gòu)材料高溫性能劣化不連續(xù)體系超靜定體系結(jié)構(gòu)-地層相互作用13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 15n 混凝土高溫后物理力學(xué)性能試驗n 混凝土管片火災(zāi)高溫時（高溫后）力學(xué)行為n 管片接頭火災(zāi)高溫時（高溫后）力學(xué)行為n 襯砌環(huán)火災(zāi)高溫時（高溫后）力學(xué)行為材料層次構(gòu)件層次結(jié)構(gòu)體系層次結(jié)構(gòu)、地層耦合 02004006008000.00.20.40.60.81.01.2Uniaxial compressive strengt

7、h NC SFRC PPFC T/ oCET/E0 T/0Elastic modulus13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 16混凝土強度：C50 抗?jié)B等級：P10塌落度：5010 cm配合比/kg/m342.5水泥水中砂碎石級低鈣灰高效減水劑（早強型）NDZ-10004411606381135885.29主筋110（HRB335，熱軋帶肋鋼筋）箍筋16.5（HPB235，熱軋盤條鋼筋）鋼纖維2冷拔鋼絲型鋼纖維，直徑0.9 mm，長徑比L/d = 55，摻量60 kg/m3（1）襯砌管片、接頭及襯砌環(huán)1：3火災(zāi)高溫試驗13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 17研究

8、研究內(nèi)容：火災(zāi)對襯砌管片的損傷機理、襯砌管片高溫性能、襯砌管片接頭高溫性能火災(zāi)場景：溫度時間曲線選用HC曲線n 混凝土管片、接頭火災(zāi)試驗13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 18研究內(nèi)容：襯砌環(huán)火災(zāi)高溫時（高溫后）的力學(xué)性能、承載能力、破壞模式、破壞機理火災(zāi)場景：溫度時間曲線選用HC曲線n 混凝土襯砌環(huán)火災(zāi)試驗13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 19襯砌環(huán)鋼筋混凝土及鋼纖維管片n 襯砌管片及襯砌環(huán)火災(zāi)試驗13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 20n 火災(zāi)高溫時襯砌管片內(nèi)溫度場的傳播分布規(guī)律13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 21n 初

9、始荷載狀態(tài)對管片火災(zāi)高溫力學(xué)性能的影響13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 22n 火災(zāi)高溫導(dǎo)致的襯砌環(huán)內(nèi)力重分布13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 23n 接頭位置對襯砌環(huán)火災(zāi)高溫破壞模式的影響13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 2412006200L2B2DB1L1F1665656565845500n 軌道交通9號線桂林路站宜山路站區(qū)間隧道工程n 外徑：6.2 m，襯砌厚：350 mm，環(huán)寬：1.2 mn 環(huán)間連接：17根M30縱向螺栓；塊間連接：2根M30環(huán)向螺栓n 管片混凝土等級：C55，抗?jié)B等級：1.0 Mpa（2）地鐵盾構(gòu)隧道管片足尺火

10、災(zāi)試驗研究 13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 2513.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 26n 管片混凝土高溫爆裂n 5-20minn 175-500Cn 26-51mmn 13.1-55.7%13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 27n 管片混凝土高溫爆裂13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 28n 管片混凝土高溫爆裂13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 29n 管片縱向接頭變形接頭張角變化13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 30n 管片縱向接頭螺栓、止水帶溫度變化接頭螺栓13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)

11、地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 31n 管片縱向接頭螺栓、止水帶溫度變化接頭止水帶13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 32n 管片接頭手孔、嵌縫封堵方法及性能評估13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 33n 管片接頭手孔、嵌縫封堵方法及性能評估n 封堵可降低火災(zāi)高溫時螺栓及止水帶溫度，抑制火災(zāi)高溫對接頭性能的影響13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 34火災(zāi)條件下盾構(gòu)隧道的荷載由兩部分組成：襯砌結(jié)構(gòu)自身的溫度應(yīng)力和外層土中水汽化而產(chǎn)生的汽壓力以及土體膨脹產(chǎn)生的膨脹力（3）結(jié)構(gòu)-地層耦合體系火災(zāi)試驗研究 （1） 13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)

12、 35（3）結(jié)構(gòu)-地層耦合體系火災(zāi)試驗研究（2） 13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 36火災(zāi)條件下，由于地層中水分汽化而產(chǎn)生的蒸汽壓力，將對地下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外的壓力（3）結(jié)構(gòu)-地層耦合體系火災(zāi)試驗研究 （3） 13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 37火災(zāi)高溫下地下周圍地層土體力學(xué)行為（3）結(jié)構(gòu)-地層耦合體系火災(zāi)試驗研究 （4） 100120140160180200510152025v (%)T () 2.5hr 4hr1001201401601802000.00.20.40.60.81.0SrT ()2.5hr 4hr13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安

13、全技術(shù) 38火災(zāi)高溫下大直徑裝配式襯砌結(jié)構(gòu)體系漸進性破壞的機理：1）火災(zāi)高溫作用過程中，溫度在襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)呈現(xiàn)漸進性擴散增加的過程，使得襯砌結(jié)構(gòu)體系的混凝土、鋼筋、接頭連接螺栓等力學(xué)性能也在時間上呈現(xiàn)出出漸進性劣化的過程，逐漸從初始值向失效狀態(tài)過渡；2）由于火災(zāi)時襯砌內(nèi)溫度場分布的不均勻性不僅表現(xiàn)為沿襯砌結(jié)構(gòu)厚度上的不均勻，同時也表現(xiàn)為襯砌結(jié)構(gòu)體系不同部位溫度分布的不均勻，使得襯砌結(jié)構(gòu)體系的破壞表現(xiàn)出空間上的漸進性演變過程；3）火災(zāi)高溫作用過程中，襯砌結(jié)構(gòu)體系各位置初始受力狀態(tài)不同，襯砌結(jié)構(gòu)體系各位置達到破壞狀態(tài)的時間也不一致。襯砌結(jié)構(gòu)體系表現(xiàn)為從最先破壞的薄弱環(huán)節(jié)開始，隨著內(nèi)力重分布和轉(zhuǎn)移，破

14、壞狀態(tài)逐漸蔓延，在空間上襯砌結(jié)構(gòu)體系呈現(xiàn)出漸進性破壞的現(xiàn)象；4）由于襯砌結(jié)構(gòu)體系的變形的延遲，在火災(zāi)高溫作用過程中，由于荷載的變化及內(nèi)力重分布，襯砌結(jié)構(gòu)體系的變形、內(nèi)力狀態(tài)都處在逐漸調(diào)整、演化的過程；5）襯砌結(jié)構(gòu)體系與周圍地層之間的相互作用及漸進性調(diào)整與演化。 13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 39（4） 管片火災(zāi)高溫力學(xué)特性計算理論與模型 2002,erfcexperfc22fxhxhtxhtT x tTTTtt 3001113311232212112332200sincos222coscossincos222221sincoscoscos48222822111cos624

15、24cos2hN REBH RV RARBCCEAEACARBCC RRA RBABRHk 2222222211211111213sin211coscossinsin2482cossinsincos22822cossinsincos222222CACRACRBCRBCRABRARCCBCRCCCn 任意邊界條件下管片火災(zāi)高溫力學(xué)行為的描述及內(nèi)力、位移計算zyhh1h2h3ynTtTfTsTb13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 40（5） 管片接頭火災(zāi)高溫力學(xué)特性計算理論與模型 40/213chkccHck ekh,ccEx tET x t 2b013NnF,0,022 ()t(

16、)cccHcbccH hcHcb bccH hchkbHcbcbEx txHhdxhHMnFhNbEx txHhx dxhFFkekKHhh0.00.20.40.60.81.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0 31cccc2ehhh hh /c ccch FEM data Fitting curve13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 41n 基本參數(shù)n 材料參數(shù)n 周圍地質(zhì)環(huán)境n 火災(zāi)基本參數(shù)n 結(jié)構(gòu)耐火措施及救災(zāi)措施（5） 地下結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全性評估方法材料參數(shù)(S2,W2)隧道基本參數(shù)(S1,W1)火災(zāi)基本參數(shù)(S4,W4)安全等級(S)周圍地質(zhì)環(huán)

17、境(S3,W3)耐火及防救災(zāi)措施(S5,W5)襯砌厚度(S11,W11)管片連接方式(S12,W12)管片端面形式(S13,W13)手孔、嵌縫封堵情況(S14,W14)分塊情況(S15,W15)隧道直徑(S16,W16)隧道長度(S17,W17)交通量(S18,W18)通風(fēng)狀況(S19,W19)混凝土骨料類別(S21,W21)骨料熱膨脹性(S22,W22)骨料尺寸(S23,W23)混凝土含水量(S24,W24)混凝土強度(S25,W25)摻入材料（聚丙烯纖維、鋼纖維等）(S26,W26)水土壓力(S31,W31)地質(zhì)條件(S32,W32)附近建（構(gòu)）筑物情況(S33,W33)火災(zāi)最高溫度(S4

18、1,W41)火災(zāi)持續(xù)時間(S42,W42)火災(zāi)發(fā)生位置（縱向）(S43,W43)火災(zāi)發(fā)生位置（橫向）(S44,W44)被動耐火措施(S51,W51)主動救災(zāi)措施(S52,W52)13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 42模糊綜合評判法安全等級標(biāo)準(zhǔn)13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 43抗爆裂復(fù)合盾構(gòu)隧道管片n可抑制爆裂，不會明顯降低高溫后襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B耐久性。n無需增厚襯砌，無需增加隧道開挖斷面。n拼裝與普通管片一樣，無需增加額外施工時間。n可以滿足工程全壽命的要求，提供了從施工到運營全程的抗爆裂能力。n與通體摻加聚丙烯纖維相比，由于只在PC層內(nèi)使用聚丙烯纖維，因

19、此用量較少，造價上不會增加太多。（6） 地下結(jié)構(gòu)防火保護技術(shù)摻聚丙烯纖維混凝土層(PC層)普通混凝土層（RC層）受力主筋摻聚丙烯纖維混凝土層（PC層）普通混凝土層（RC層）受力主筋 聚丙烯纖維鋼纖維混凝土手孔螺栓孔13.2 地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù)地下結(jié)構(gòu)防火安全技術(shù) 44n 空間比較封閉，自然排煙困難，火災(zāi)發(fā)生后升溫速度快，易爆發(fā)成災(zāi) n 對外出口少，導(dǎo)致疏散救援工作非常困難1. 地下空間火災(zāi)安全問題的特點 n 撲救非常困難，因為消防人員進攻路線缺乏，很難接近火源撲救 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)45 現(xiàn)有的防火疏散救援措施有：設(shè)置了監(jiān)控系統(tǒng)、固定消防系監(jiān)控系統(tǒng)、固定

20、消防系統(tǒng)、疏散通道以及其他的結(jié)構(gòu)防火措施統(tǒng)、疏散通道以及其他的結(jié)構(gòu)防火措施，同時還制定了火災(zāi)疏疏散預(yù)案散預(yù)案。 存在的不足之處和問題： p 所能夠得到的火情信息比較有限火情信息比較有限，只能知道火災(zāi)探測器所在點處的溫度，而對于地下空間內(nèi)的整體溫度分布情況了解不足； p 對于煙霧擴散的監(jiān)控和預(yù)測能力不足； p 閉路電視系統(tǒng)的攝像頭容易被煙霧遮擋攝像頭容易被煙霧遮擋而失去其作用； p 各系統(tǒng)之間的聯(lián)系配合不夠緊密，無法充分發(fā)揮各系統(tǒng)設(shè)施的功能效果；p 現(xiàn)有的火災(zāi)疏散預(yù)案多為固定性的、文字性的預(yù)案疏散預(yù)案多為固定性的、文字性的預(yù)案，而火災(zāi)現(xiàn)場的實際火情是實時發(fā)展變化的，這就使得一成不變的固定的預(yù)案無

21、法滿足實際的需求。 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)46 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)n火災(zāi)的誤報、漏報n火災(zāi)現(xiàn)場實時信息的獲取n疏散救援預(yù)案及防災(zāi)管理體系不能適應(yīng)火災(zāi)現(xiàn)場的復(fù)雜情況 數(shù)字化應(yīng)急疏散救援體系（災(zāi)害監(jiān)測報警新技術(shù)、疏散救援新技術(shù)、數(shù)字化應(yīng)急救援預(yù)案等）火災(zāi)預(yù)警疏散47 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)2. 總體思路結(jié)合火災(zāi)探測器收集到的數(shù)據(jù)實時重構(gòu)地下空間內(nèi)火災(zāi)情況下的三維溫度、煙氣場建立火源溫升曲線與火災(zāi)類型、火源熱釋放速率等重要火情信息間的關(guān)系根據(jù)火勢的實際發(fā)展情況來選擇并實時調(diào)整疏散方案，從而達到人

22、員疏散的最合理化火情信息獲取三維溫度煙氣場重構(gòu)數(shù)字化疏散預(yù)案48 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)預(yù)警疏散救援系統(tǒng)組成及功能圖49大斷面隧道足尺火災(zāi)試驗研究 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)3. 試驗驗證50高海拔寒區(qū)特長隧道現(xiàn)場火災(zāi)試驗研究 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)3. 試驗驗證514. 本技術(shù)的優(yōu)點 隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)隧道火災(zāi)動態(tài)火災(zāi)預(yù)警救援技術(shù)n能提供火災(zāi)時能提供火災(zāi)時大量的關(guān)鍵信息大量的關(guān)鍵信息，包括火源點位置，火災(zāi)大小和類型，包括火源點位置，火災(zāi)大小和類型，溫度場，煙氣擴散范圍和移動速度，從而更好地指導(dǎo)救援疏散工作。溫度場，煙氣擴散范圍和移動速度，從而更好地指導(dǎo)救援疏散工作。 n 實時性實時性：根據(jù)火災(zāi)探測器測得的信息實時地重