國內外隧道防火技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、國內外隧道防火技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢   摘 要：近10年來，我國公路和城市交通隧道的不斷增加，給隧道的消防安全帶來了挑戰(zhàn)。國內外交通事故所造成的危害引起了各國對隧道消防安全問題的高度重視，促進了關于隧道火災的基礎性研究，并取得了一定的成果。本文總結和分析了近年國內外重大隧道火災事故、相關研究成果和主要國家隧道消防規(guī)范要求，提出了隧道火災場景的確定和我國有關隧道如何考慮防火設計及今后研究方向。    關鍵詞：隧道防火 火災場景 消防安全     1. 概述    隨著工程建設和交

2、通事業(yè)的發(fā)展以及人類生產(chǎn)、生活的不斷需求，世界各國所建交通隧道的里程得到了迅速延長。據(jù)統(tǒng)計， 2000年整個歐洲地區(qū)交通隧道網(wǎng)絡總長超過10000km；我國在第二次全國公路普查中，縣級以上公路隧道建設總長將近550km。近10年來，由于不斷增長的交通流量和路況改善以及運輸物品的復雜性，增加了交通隧道的火災風險，引發(fā)了不少嚴重的火災事故。例如1999年3月24日發(fā)生在法國和意大利之間的Mont Blanc隧道火災，死亡41人，36輛汽車被毀；1999年5月29日發(fā)生的奧地利Tauern Motorway隧道火災，死亡12人，傷50人；2000年11月11日奧地利卡布倫山過山纜車火災，死亡155人

3、，傷18人。    隧道火災不僅嚴重威脅人的生命和財產(chǎn)安全，而且對交通設施、人類的生產(chǎn)活動造成巨大的損壞。因此，各國近20年來都投入了相當?shù)牧α繉λ淼赖幕馂男袨?，以及火災防護進行了較廣泛的研究，并取得了一定成果、制訂了一些技術要求和標準。    交通隧道一般包括公路隧道、鐵路隧道和地鐵隧道及城市其他交通隧道等。不同類別的隧道在火災防護上沒有本質的區(qū)別，原則上均應根據(jù)隧道允許通行的車輛和貨物來考慮其可能的火災場景，從而確定合理、有效的消防安全措施。根據(jù)有關研究，公路隧道的火災風險為鐵路隧道的2025倍。因此，本文在分析、總結國內外相關研

4、究的基礎上，主要針對我國公路隧道和城市交通隧道的消防安全設計、研究及其發(fā)展提出了一些看法。    2. 國內外隧道防火研究現(xiàn)狀    20世紀80年代以來，國外在以下幾方面開展了研究：車輛的燃燒特性、模擬通風對車輛燃燒的影響、煙氣增長、用木垛火與庚烷火模擬正?；馂暮奢d的比較、煙氣中有毒成分生成量分析、隧道內火災增長和煙氣運動數(shù)值模擬技術、隧道內襯在火災中的表現(xiàn)、駕駛人員在隧道內的心理與行為及相關影響因素、消防救援方法與策略以及自救原則等。研究認為：隧道火災規(guī)模主要取決于通行車輛的類型。隧道內部可達到的溫度及火災荷載可見表1。表1

5、60;   我國也在隧道的煙氣數(shù)值模擬、襯砌承載力評估、隧道內溫度場分布等方面做過大量研究。    2.1 國內外在隧道設計方面的技術要求及標準    在國內，目前有1992年發(fā)布的國家現(xiàn)行標準地下鐵道設計規(guī)范（正在修訂）；1985年發(fā)布的鐵道部現(xiàn)行標準鐵路隧道設計規(guī)范；1989年發(fā)布的交通部現(xiàn)行標準公路隧道設計規(guī)范（正在修訂）。這些標準分別對地鐵、鐵路隧道和山嶺公路隧道的防火與疏散做了部分規(guī)定，但均不夠完善，并且未對城市區(qū)域內的交通、觀光游覽隧道的防火設計做出規(guī)定。目前，國家標準建筑設計防火規(guī)范正增補有關城市交通

6、隧道（地鐵除外）的防火設計要求。    在國外，荷蘭編制了TNO報告98-CVB-R1161隧道防火以及TNO測試標準隧道防火測試方法，規(guī)定了隧道的火災場景確定方法與相關消防安全工程設計方法以及隧道結構的耐火測試方法。德國1994年制訂了RABT公路隧道設施及運行準則，其中對隧道中火災規(guī)模做出了規(guī)定；1995年又制訂了ZTV-隧道，關于公路隧道建設補充技術條款及準則，其中第10章“建筑防火”規(guī)定了隧道內的升溫曲線以及建筑結構及其內部系統(tǒng)所應采取的防火措施。英國制訂了BD78/99，公路及橋梁設計手冊，用于指導運用消防安全工程方法對隧道進行防火設計。美國消防協(xié)會制訂

7、了NFPA 502公路隧道、橋梁及其他限行公路標準，其中規(guī)定了不同類型隧道的消防要求，并要求長度超過240m的隧道應根據(jù)特定隧道的設計參數(shù)（如長度、橫截面、分級、主導風、交通流向、貨物類型、設計火災參數(shù)等），采用工程分析方法設計其通風設施。日本則制訂了日本建設省道路隧道緊急用設施設置基準，該基準按公路隧道長度及汽車交通量將隧道進行分級，并根據(jù)不同等級規(guī)定了公路隧道的火災防護要求。    2.2 國外對隧道結構測試的幾種升溫曲線    盡管各國在測試建筑構件的耐火極限方面一直采用ISO834國際標準規(guī)定的溫度-時間曲線，但研究表明，像汽

8、車燃料和車輛所運載的石油化工產(chǎn)品、液化石油氣等碳氫化合物或其他化學物質的燃燒釋放率、火場溫度梯度與可能達到的最高環(huán)境溫度與該升溫曲線所描述的情況有很大差異。因此隧道內的結構設計與耐火保護就需要與這種情況相適應。為此，歐洲各國發(fā)展了一系列不同隧道火災類型的時間/溫度曲線（如圖1所示）。    RWS曲線是在1979年在荷蘭TNO實驗室的研究結果基礎上研究出來的。它假設在最不利的火災情況下，潛熱值為300MW燃油或油罐車持續(xù)燃燒120min，并假設120min后消防人員已經(jīng)將火勢控制，接近火源并開始熄滅火源。該曲線主要模擬油罐車在隧道中的燃燒情況，最初溫度迅速上升，接

9、著隨著燃料的減少而逐步下降。在瑞士，由于山嶺隧道更長而且遠離消防隊，采用RWS曲線時，設計時間則延長到180min。此外法國采用的隧道升溫曲線與RWS類似，只是其最高點溫度為1300。圖1    碳氫化合物燃燒曲線主要模擬火災發(fā)生在較為開放的地帶，熱量可以散發(fā)。    RABT曲線是在德國通過一系列的實驗的研究結果發(fā)展而來的，如尤里卡（EUREKA）項目。該曲線假設火場溫度在5min之內快速升高到1200，并在持續(xù)較短時間后冷卻110min。該曲線模擬一場簡單的卡車火災的升溫狀況，但針對一些特殊的火災類型，最高溫度的持續(xù)時間也可延長到

10、60min或更長的時間，然后冷卻110min。    3. 隧道火災場景及火災發(fā)展    近20年來，國際上已經(jīng)進行了大量的研究來確定可能發(fā)生在隧道以及其他地下建筑中的火災場景和火災類型，有些是在真正的、廢棄的隧道中和實驗室條件下進行。研究表明，公路隧道火災在起火后1015min之內熱釋放速率快速增長，溫度急劇上升，大部分火災在510min之內即可達1000以上。隧道火災場景主要取決于交通工具的類型。    火災的熱量輸出以熱輻射為主，并決定溫度；而煙氣層的熱散失則以對流為主，對溫度影響很小，因此在高溫時

11、得到的熱量總是超過散失的熱量。由于隧道是一種相對封閉的地下結構，大多數(shù)熱量被隧道頂、壁吸收。同時，熱的煙氣層和頂壁通過輻射將熱傳遞給火焰而加劇火災的發(fā)展速率。所以隧道火災如果不能在引燃階段撲滅，會很迅速地形成完全發(fā)展火，并伴隨著急速升溫。    一般的火災場景可以假設為：多輛小汽車火災、公共汽車火災、載貨卡車火災和可燃液體或石油5 氣槽車火災。其火災持續(xù)時間、熱釋放速率等情況因對象不同而有較大差異。對于多輛小汽車火災（以4輛車為例），一般30s后即可達到12MW的最大值，持續(xù)約60min。公共汽車火災在10后可達到25MW的最大值，持續(xù)約90min。載貨卡車火災在

12、5min左右可達到180MW的最大值，持續(xù)約60min，火焰?zhèn)鞑タ蛇_到4060min。    火災對周圍環(huán)境溫度的影響主要以熱輻射為主，而煙氣層以對流為主。由于隧道是一種相對封閉的地下結構，火災中釋放的大部分熱量將被隧道頂、壁吸收，而熱煙氣層和熱頂壁同時又通過輻射將熱傳遞回火焰，加劇火災。因此，隧道火災如果不能在引燃階段撲滅，會迅速發(fā)展成完全發(fā)展火，并使附近區(qū)域的溫度急速上升。    在悉尼港口隧道的研究中，研究人員將小轎車火災定義為3MW（=0.0115），卡車火災為10MW（=0.18），危險物品貨車為（=0.18），公路槽車為5

13、0MW（=0.18）。不同的火災增長參數(shù)對危險溫度場和煙氣擴散區(qū)的影響較大。比如，普通轎車（0.1kW/s2）、小型卡車（0.3kW/s2）對危險區(qū)域的溫度場和煙氣擴散區(qū)的變化影響較小，但石油罐車、液化石油氣槽車（1.54kW/s210.5kW/s2）等則能使危險區(qū)域的溫度場很快升高、煙氣擴散蔓延極快。    4. 隧道的消防安全工程設計    隧道是一種與外界直接連通口有限的相對封閉的空間。隧道內有限的逃生條件和熱煙排除出口使得隧道火災具有燃燒后周圍溫度升高較快、持續(xù)時間長、著火范圍往往較大、消防撲救與進入困難等特點，增加了疏散和救

14、援人員的生命危險，隧道襯砌和結構也受到破壞，其直接損失和間接損失巨大。因此，隧道設計中必須考慮其火災防護措施。    隧道內的火災危險主要有客車的行李、危險貨物以及車輛和隧道本身。    隧道的消防安全控制目標主要有：提供可能的疏散設施，減少人員傷亡；方便救援和滅火行動；避免隧道內混凝土內襯爆裂和通過對隧道結構、設備的防護，減小隧道修復和因隧道中斷所造成的損失。    在公路隧道防火設計中主要應考慮結構耐火和防坍塌，降低隧道內的材料的燃燒性能，設置火災探測與報警、監(jiān)控信號系統(tǒng)，規(guī)劃與設置分隔、救援、疏散和

15、避難應急系統(tǒng)以及煙氣控制系統(tǒng)等。    4.1 隧道的結構保護    隧道內的火災往往持續(xù)時間較長，如Mont Blane隧道火災持續(xù)55h, 36輛車被卷入火災。研究表明，混凝土結構表面受熱后，會產(chǎn)生爆裂現(xiàn)象，且在混凝土底層冷卻之后，還將會出現(xiàn)深裂紋。結構的荷載壓力和混凝土含水率（包括物理水含量和分子結合水）越高，產(chǎn)生爆裂的可能性越大，即使在混凝土配料中加入聚丙烯纖維也不會有明顯改善。未經(jīng)保護的混凝土，如果其質量含水率超過3%，在遇到高溫或火焰作用后530min，內就會產(chǎn)生爆裂，深度甚至可達4050mm。這是造成隧道跨塌的主要原因。

16、一般在150200時，混凝土表面開始爆裂。隧道構造形式有圓形、矩形或拱形。矩形結構的失效通常是由于混凝土或其增強鋼筋的溫度升高而導致過早產(chǎn)生下垂塑性彎矩，矩形隧道較圓形隧道所受壓力荷載較小，產(chǎn)生爆裂情況較輕。圓形隧道的增強鋼筋在下垂彎矩下不承受張力，只承受壓力荷載。盾構式的圓形隧道通常采用等級為C50的高標號混凝土，在火災中爆裂的可能性和深度都較高。    混凝土發(fā)生爆裂后，不僅直接威脅救援與逃生，還會使增強鋼筋直接暴露在火災中，減少承載結構的橫截面面積。因此，隧道結構耐火設計應考慮其內部可能達到的最高溫度、升溫特性以及結構體的火災行為，確定相適應的設定火災規(guī)模與

17、時間= 溫度曲線，能保證隧道結構在所規(guī)定類型火災條件下的完整性與穩(wěn)定性。    隧道結構的耐火保護一般可采用在混凝土中添加聚丙烯纖維或在混凝土內襯下安裝防火絕熱保護層，或者在隧道內安裝自動噴水滅火系統(tǒng)。    4.2 通風及防排煙    根據(jù)隧道火災事故分析，由一氧化碳導致的死亡約占總數(shù)的50%，因直接燒傷、爆炸力及其他有毒氣體引起死亡的約50%。通常，采用通風、防排煙措施控制煙氣產(chǎn)物及運動可以改善火災環(huán)境，并降低火場溫度以及熱煙氣和火災熱分解產(chǎn)物的濃度、改善視線。但是，機械通風會通過不同途徑對不同類型和

18、規(guī)模的火災產(chǎn)生影響，在某些情況下反而會加劇火災發(fā)展和蔓延。實驗表明：在低速通風時，對小轎車火災的影響不大；可以降低小型油池火災（10m2）的熱釋放速率，而加強通風控制的大型油池火災（100m2）；在縱向機械通風下，載重貨車的火災增長率可以達到自然通風的十倍。    隧道通風主要有自然、橫向、半橫向和縱向通風四種方式。短隧道可以利用隧道內的“活塞風”采取縱向通風，長隧道則需采用橫向和半橫向通風。隧道內的通風系統(tǒng)在火災中要起到排煙的作用，其通風管道和排煙設備必須具備一定的耐火性能。    對于隧道通風設計，一般需要針對特定隧道的特性參數(shù)（

19、如長度、橫截面、分級、主導風、交通流向與流量、貨物類型、設定火災參數(shù)等）通過工程分析方法進行設計，并由多種場模型或區(qū)域模型對隧道內的煙氣運動進行計算模擬，如FASIT、JASMIN等。    目前有關隧道通風排煙的研究大多集中在其對煙氣流動的影響，缺乏通風對火災自身的影響的研究。    4.3 安全疏散與避難設施    人員在隧道內的正常疏散速度為1.5m/s，但在有煙氣的情況下可能只有1m/s。一般人的極限輻射熱耐受值為22.5kw/m2，消防人員在帶有空氣呼吸裝置時的耐受極限為30min，5kW/m2

20、。一般，160的煙氣層的輻射熱為2kW/m2，270的煙氣層的輻射熱為5kW/m2。人員在疏散時的最高空氣溫度不應超過80，在此溫度下的耐受時間約為15min。    避難設施不僅可為逃生人員提供保護，還可用于消防隊員暫時逃避煙霧和熱氣的場所。在中、長隧道設計中，必須考慮人員安全避難所的設置，考慮通道的布置、隔間及空間的分配以及相應的輔助設施的需要。有些火災表明，火災時有些人雖已進入安全避難所，但由于熱和煙氣的泄漏，最終還是導致了死亡。因此，安全避難所的最低耐火極限除應與隧道結構的耐火極限一致，還應能夠隔絕高熱和阻止煙氣進入，通常應考慮在這些區(qū)域設置獨立的送風系統(tǒng)

21、。此外，在隧道內的疏散口位置以及疏散門的形式非常重要。盡管側開、平開或對開門可以提供大小合適的開口以便人或機動車輛的通行，但進入疏散通道或避難所的門應采用能自動關閉的常閉防火門。防火門的耐火極限應與相應結構的耐火極限一致，并具有良好的防煙、絕熱性能。    4.4 自動噴水滅火系統(tǒng)    自動噴水滅火系統(tǒng)是建筑物內應用最廣泛的一種滅火設施。但從現(xiàn)有試驗和使用情況看，目前在公路交通隧道內應用自動噴水滅火系統(tǒng)及其有效性仍存在很大爭議。一般，交通隧道內設置自動噴水滅火系統(tǒng)應充分考慮以下情況：    （1）隧道內

22、的火災通常發(fā)生在車輛的下部、車廂里或車輛的發(fā)動機部分，安裝在隧道上部的噴頭往往達不到滅火效果。    （2）從火災引燃到噴頭動作之間有一段延遲時間，隧道內快速增長的火災使噴灑的細小水滴汽化而產(chǎn)生大量高溫蒸汽，不但難將火災撲滅反而會增加對逃生人員的危害性。    （3）隧道內部狹長，車輛行使形成的活塞風使熱量和燃燒產(chǎn)物會沿著隧道快速蔓延，僅啟動起火點上方的噴頭往往不起作用。    （4）滅火系統(tǒng)動作后產(chǎn)生的冷卻作用往往使沿隧道頂棚的熱煙氣層降低并破壞煙氣分層。    （5）系統(tǒng)

23、中噴出的水會使路面變得濕滑、危險，并可能導致可燃液體火災進一步擴大。    （6）水源及相應排水系統(tǒng)、泵站，系統(tǒng)維護、電力保障等。    根據(jù)世界道路協(xié)會（PLARC）的有關報告，大多數(shù)國家認為絕大多數(shù)隧道火災發(fā)生于油箱和車廂內，自動噴水滅火系統(tǒng)作用不大。因此，在歐洲，自動噴水滅火系統(tǒng)僅用于特殊的目的。例如挪威有兩條隧道中安裝的自動噴水滅火系統(tǒng)是為了保護添加了聚亞氨酯的隧道內襯。比利時、丹麥、法國、意大利、荷蘭和英國的隧道則從不安裝自動噴水滅火系統(tǒng)。在日本，只有10km以上的長隧道和3km以上且通行載重貨車的短隧道要求安裝自動噴水滅火

24、系統(tǒng)。在美國，只有幾條允許裝載危險品的車輛通行的隧道安裝了自動噴水滅火系統(tǒng)。NFPA502也建議僅當車輛運輸危險貨物時，才考慮采用水成膜泡沫雨淋系統(tǒng)。    4.5 其他消防設施    隧道中的其他消防安全設施主要包括：應急照明與信號系統(tǒng)、監(jiān)控與火災報警系統(tǒng)、通訊設施、消防栓、消防泵及滅火器等。    設計中是否采取某種系統(tǒng)以及采用何種類型的系統(tǒng)應視特定隧道的具體情況而定。例如，在選擇自動報警系統(tǒng)時應考慮到感煙探頭雖然比感溫探頭反應快，但由于隧道內車輛尾氣排放影響，誤報的可能性也較大。在奧地利，長度超過1

25、500m的汽車隧道和流量高的隧道均設置了火災探測器。瑞士、瑞典和日本也根據(jù)隧道情況要求設置火災探測器。其他國家一般只在一些特殊的隧道內安裝。    在設計信號和通訊設施時，應考慮到隧道內的封閉環(huán)境、噪聲大對人員生理及心理影響，以及如何有效地向行車人員傳達信息，降低逃生人員地恐慌心理等。    火災發(fā)生時，電力系統(tǒng)的正常工作對于隧道中人員的逃生至關重要。因此，在一定的時間內就要保護這些系統(tǒng)不受火災的影響，其中包括消防泵房、火災報警系統(tǒng)、疏散應急照明系統(tǒng)和排煙管道系統(tǒng)等的用電。    5. 我國公路隧道防火設

26、計和開展消防安全研究的相關建議    5.1 我國公路隧道防火設計的建議    根據(jù)有關隧道研究和火災的情況，我們建議在隧道設計時應根據(jù)隧道內的可燃物數(shù)量與種類、隧道的用途、物理條件、長度及通風與排煙等因素綜合考慮進行，并將單孔和雙孔隧道按其長度（L）進行分類，見表2。    表2    在隧道的結構耐火設計中，一、二類隧道內承重結構體的耐火極限建議采用RABT升溫曲線測試，一類不應低于2.00h，二類不應低于1.5h；三類隧道的耐火極限采用HC升溫曲線測試，不應低于2.00h；四類隧道的耐火極