道路隧道火灾预防与控制研究Ξ
陈立道,王 锦,吴晓宇
(同济大学地下空间中心,上海 210092)
摘 要:探讨了隧道火灾综合设计中所涉及的火灾预防、建材选择和火灾时的交通组织、消防措施、通风排烟以及人员避难等问题,以盾构法施工的上海越江隧道为例,提出了相应的设计思路,旨在为道路隧道设计防火规范的制订和隧道的防火设计提供参考。
关键词:道路隧道;隧道火灾;防火设计;火灾预控
中图分类号:U458.1 文献标识码:B
1 前言
近年来,随着城市的发展,我国道路隧道发展迅速,但在消防安全上存在着许多不安全因素,亟待研究解决。在世界道路隧道中,往往由于交通事故或车辆起火而引发火灾,例如1949年的美国、荷兰隧道火灾,1979年的日本隧道大火,1987年的英国伦敦地铁君王十字车站火灾等都是震惊于世的。对此,道路隧道火灾的预防与控制已引起了国际上的高度重视,有的国家已列入重要科研课题。近二三十年来,日本、瑞士、奥地利等国纷纷进行研究和实地模拟隧道火灾试验,研究火灾的危害性及其消防对策。上海市因构筑现代化交通的需要,穿越黄埔江的道路隧道也正在加紧建造,为了保证隧道的安全运行,在市有关部门的支持下,对道路隧道的防火灾问题,也已开始立项研究。
1 火灾的来源及特点
道路隧道运营过程中,不安全因素主要来自隧道火灾和交通事故,以及由此产生的次生灾害。例如:先行车辆发生事故,后续车辆因来不及绕行、避让及急停而与先行车辆发生冲撞,并可能导致后续车辆接连冲撞甚至起火等;隧道是一个狭小的交通通道,进出口都只1个,加上现代道路交通流量越来越大,因而任何车辆进入稳定交通流后,通常失去自主能力;隧道内一呈发生火灾,后续车辆试图驶离现场几乎是不可能的,如果发生爆炸事故,则更加危险。
111 火灾来源
车辆火灾是隧道火灾的主要来源。据国外统计资料,在隧道内大约每行驶1000万车公里,将平均发生015～1.5次车辆火灾。引起火灾的主要原因,一般是电气线路燃烧、汽化器起爆和载重汽车气动系统起火,此外还有危险物爆炸起火,以及由车辆冲撞和倾覆引起的火灾等。
112 火灾特点
隧道结构和设施复杂、出入口少、疏散路线长、通风照明条件差,在通风的隧道内一旦发生火灾,其危害性极为严重。
11211 浓烟高温
・火灾蔓延速度快:隧道内一旦起火,会迅速传播并加热空气,顺风向时空气温度可达1000℃,炽热的空气在它的经过途中可把热传递到任何易燃或可分解的材料上。火能从一个燃料的火源“跳跃”相当的隧道长度,传到下一个燃料点,在实验中已观测到这一距离不超过隧道直径50倍。隧道火灾会出现两种不同的类型:富氧型和燃料丰富型。两者中,燃料丰富型的火灾会产生浓度很高的C O 及很高的空气温度。
・烟气流动速度快:由于隧道是近乎封闭的空
第23卷 第1期2003年3月
地 下 空 间
UNDERG ROUND SPACE
V ol.23 N o.1
Mar.2003
Ξ收稿日期:2002207203
作者简介:陈立道(19452),男,山东人,教授,主要从事城市地下空间开发的研究与教学。
间,在隧道内任何地方发生火灾时,由燃烧产生的包含高毒性的C O 气体都要由通风气流传播到整个风道,造成烟雾地带长,而烟热容易集中等。
・能见度低:隧道发生火灾时,一旦电源切断,即使采用事故照明,但由于浓烟遮光,能见度仍然很低,隧道内人员不易辨别方向和路线,影响疏散和灭火速度。
・易造成人员伤亡:隧道火灾产生的浓烟和高温是造成人员伤亡的主要原因。火灾时,当C O 气体含量升高达到015%,热烟温度超过43℃。空气中的氧含量低于18%,隧道内人员就会有生命危险。11212 疏散困难
・隧道狭小,拥挤踏伤 当火灾发生时,由于隧道内径较小,惊慌失措的逃难者,从车辆中逃出后,因无法辨别方向而乱冲乱撞,造成跌倒踏伤的后果。
・障碍物多,疏散速度慢 由于隧道壁上分布有电缆架、消防箱等设备,地面上有排水沟等设施,加上隧道内昏暗,人员疏散速度必然会放慢。11213 扑救艰难
・指挥决策实施慢:由于隧道线长面广,一旦发生火灾,指挥员靠传统的火场指挥方法难以确定起火点和遇难人员集中点,且火情侦察又非常艰难,加上地下通讯联络不便和不易快速集中供水、供
电、排烟、防化等方面的工程人员,使灭火准备时间
延长。
・灭火难度大:由于隧道能见度低、障碍物多,能深入火场内部的消防人员有限,这显然与隧道火灾扑救需要在大范围内排烟灭火和长距离救人相矛盾。另一方面,隧道经长时间的烘烤,辐射出大量的热量,消防人员面临高温考验,射出的水流也会很快气化并形成反扑的热浪,使消防人员极易被熏倒烫伤。
2 火灾防治要求与对策
211 基本要求
隧道防火灾应贯彻“以防为主、防消结合”的原则,集中考虑人员的生命安全、财产保护及隧道使用的连续性这三方面的防火安全设计要求。据此,隧道火灾综合控制的基本要求应包括:通过交通法规和管理手段减小在隧道内发生火灾的可能性;禁止运装化学危险品的车辆通过隧道;一旦发生火灾,现场人员能够方便快速报警,并有条件进行自救,以减轻灾害程度,或等待救援;隧道内部有完善的自动检测、报警和灭火系统,能自动捕捉检测区域内火灾初期的烟雾或热气,从而发出声、光报警信号,在联控系统的控制下启动消防灭火、紧急广播和闭路电视监控等系统。其典型隧道火灾自动报警及联动控制灭火系统详见图1
。
图1 典型隧道火灾自动报警及联动控制灭火系统
212 技术对策
隧道火灾防治基本对策的总体设计应体现的原则包括:主体钢筋混凝土结构的保护层应具有足够的耐火能力;隧道轴线选择和出入口规划布局应考虑行车安全和火灾时烟雾的蔓延;出入口设计在技术上应可识别并阻止载有危险品的车辆进入隧道;隧道内的装修材料应采用不燃材料;隧道内每隔200m 设置一电视摄像头,出入口外设置电视监
控装置,隧道内设自动喷水灭火起动装置,照明灯全亮时风机立即反转全速排烟,排风管考虑耐高温
要求,洞口警铃长呜,火灾信号灯闪烁;隧道内应备有足够的水源(消防给水);隧道内应设有防火隔离设施;通风设计应考虑隧道火灾时的排烟,并设人员疏散通道(与隧道内公用沟管线廊兼用);必须设有可靠的电源(设置自备发电机组,在30s 内自动投入运转。考虑消防电源,配备耐火线或阻燃电
3
72003年第1期 陈立道等:道路隧道火灾预防与控制研究
3 隧道火灾预防与建筑材料选择隧道内建筑材料的选用与隧道自身的防火性能密切相关。如隧道内选用了可燃、易燃性材料进行装修,将使隧道失火的几率增大,传播火焰,使火势迅速蔓延扩大,造成隧道内轰燃提前发生,增大隧道内的火灾荷载,产生大量有毒烟气,严重影响人员安全疏散和扑救困难等严重后果。因此,必须考虑隧道整体结构中各个部位的耐火性能要求。例如,为了增强隧道主体钢筋混凝土结构的防火性能,在其表面可采用诸如F B606饰面型防火涂料作为防火保护层,所用防火涂料的耐火性能应不低于2小时。
4 隧道火灾防治的交通组织
(1) 通过检测器、逻逻车、紧急电话和图像信息,及时地掌握火灾地点交通情况,并向有关方面通报火灾的发生地点、性质及关联的交通状态等。
(2) 对火灾发生路段上下游交通提供诱导和控制管理,开启防止后续车辆驶入隧道的警报装置,进行车道、车速控制,使车辆以最佳运行速度运行,防止车辆发生首尾相撞等二次事故。同时,为救援交通提供最佳路径及沿途的交通控制和管理,保证救援通道的畅通。
(3) 为避免火灾发生时隧道内的交通混乱,在隧道出入口及隧道内设置对行驶车辆的警报提示(可变指示牌),每隔500m设1处。
5 越江隧道的防火设计实例
为体现以上防火设计原则,我们以上海黄浦江某隧道为例,阐明其防火设计方案中的某些要点。该隧道长约3km,双向4车道,采用盾构法施工。511 盾构法越江隧道采取的消防措施
包括设置消火栓及消防给排水系统、轻水泡沫自动喷水灭火系统、灭火器材设计布置、火灾报警系统等。
512 在消防设施设计中,应考虑的内容
(1) 上下行线两条隧道同时发生火灾次数按照一次设计;
(2) 隧道内轻水泡沫喷淋灭火系统的泡沫混合液喷淋强度参照美国国家消协协会的NFPA-16A(1994)规范,采用615LΠm2/min;为解决泡沫原液就地储存的困难和泡沫混合液无法长距离输送的困难,火灾时泡沫原液采用泵送至现场的方案;
(3) 在敞开段结束处设置雨水泵站,雨水在敞开段结束后即予以截留排出,以避免大量雨水流入隧道深处;
(4) 消防用水由市政管网直接提供,并在2个出入口处设置消防水池供消防泵取水;
(5) 出于对隧道防灾的重视,出入口雨水量按百年一遇的暴雨强度进行计算。
513 火灾报警系统的基本要求
(1) 按同一时间内在同一处发生火灾的情况设置健全的消防系统,尽可能把火灾在最小范围内,并能及时扑灭,隧道内部应设置完善的自动检测、报警设备;
(2) 隧道内设置线型感温探测器,在隧道两侧应分别设置感温光纤。感温光纤为智能型探测装置,由光端机和光纤组成,当某处发生火灾时,由感温光纤探测到火情并发出火灾信号送至消防中心,光端机设置在现场;
(3) 隧道内除设置火灾探测装置外,还应设有与火灾有关的手动报警按钮、紧急广播、警铃及给车辆提示的警报装置等,其中:手动报警按钮每隔15m设1个,在隧道两侧交叉设置;紧急广播每隔25m设1个;警铃每隔35m设1个;隧道出入口及隧道内设有对隧道外及隧道内的后续行驶车辆给以的警报显示(可变指示牌),每隔500m设1处。
(4) 消防中心的火灾报警控制器接收并确认火灾信号后,立即向各消防设施发出灭火指令。如:开启紧急广播、警铃发出疏散通知;开启防止后续车辆驶入隧道的警报装置;消火栓内设手动按钮,并在消防中心显示启动泵的按钮位置和能自动开启的消火栓消防泵;开启喷淋泵和泡沫泵,启动电动消防控制阀,开启隧道内的排烟系统等。
(5) 消火栓、消防泵、喷淋泵、泡沫泵,排烟风机的启停,在消防控制中心除自动控制外还应能手动直接控制;
(6) 把火灾报警系统通过联网送至隧道的管理系统,将火灾报警系统作为隧道监测系统的子系统,在监测中心进行信息监测。
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514 隧道火灾的通风排烟要求
(1) 本方案为双孔双车道(单向行驶)盾构法施工的隧道,通风系统采取全横向排风结合纵向增压射流风机的组合通风方式。
(2) 洞内火灾状况及排烟:
・火灾状况按《公路隧道通风照明设计规范》(J T JO123—1999),排烟风速取3mΠs,隧道火灾产热量按20MW考虑。
・及时控制着火点烟气,并保证足够排烟能力。
・利用已有的横向排风系统作为排烟系统,按每段600m将隧道分段,排风口设计成电动闭风口,以保证火灾段风口开启排烟而其余段风口关闭,确保火灾段的排烟能量,送风机要保证有1Π2排烟量的补风量;关闭隧道两端射流风机,以避免烟气扩散。
・若火灾发生在纵向通风部位,则停掉原有射流风机,由消防中心开启全部横向送排风道的风口(正常时关闭)进行排烟,关闭非火灾段的送排风口。若火灾发生在横向通风处,则排风机负担排烟工况,原排风口转换为排烟口,同时保证有正常工况时送风量的1Π2,以控制火势。火灾时,风机开启台数由风速仪测试排烟风速联动控制;火灾消除后,由人工操作将风机运行退出火灾模式,回复到正常状态运行。
(3)人员避难要求:隧道火灾发生后,隧道内人员应能依据紧急广播系统发出的疏散通知,就地下车,利用安全诱导标志,通过设置于隧道路面板下部空间的避难通道疏散至安全区域。
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