武汉长江隧道工程---第二分册(技术方案)

第一部分系统总体技术方案设计起草：苏金明技术经理第一章中央计算机子系统第二章火灾自动报警子系统一、对隧道火灾的特别理解概述公路过江隧道是为使公路从江河地层内部通过而修建的建筑物,是一种与外界直接连通的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少，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。

随着我国公路建设的发展，长隧道及特长隧道不断增多, 隧道自身的结构特点和以往隧道火灾的特点以及隧道的消防安全设计已成为新的研究课题。

就过江公路隧道存在的火灾危险性，人员安全疏散要求和隧道紧急事故处置程序等多方面问题都需要在设计时给予足够的考虑。

1．公路隧道存在的火灾危险性根据隧道自身的结构特点和以往隧道火灾的特点，可归纳以下五条隧道火灾危险性：1.1 多样性和不确定性由于隧道长度、断面、交通量、车型、车载对可燃发展蔓延规律具有多样性和不确定性。

隧道越长，交通量越大，火灾发生的概率越大；据国外20 世纪90 年代的统计资料显示，隧道火灾发生的概率为10 次/（亿车*km）～17 次/（亿车*km）；隧道火灾荷载主要取决于车载可燃物种类及其数量、车内装修和车载燃油类型和数量等。

表1：不同车辆的火灾荷载1.2 灭火救援难度较大较长隧道近似于封闭空间，火灾发生后，隧道内烟雾大，能见度低，散热慢，温度较高,起火点附近未进行防火保护的隧道承重结构体的混凝土容易发生崩落。

根据国内外隧道混凝土衬砌火灾试验研究可知，混凝土衬砌在300℃～400℃时强度开始降低，表面开始产生裂纹，400℃以上强度急剧降低，600℃时试件表面裂纹贯通，800℃以上出现崩裂；由于隧道火灾发生前，隧道衬砌和地层已存在着因挖掘和设置支撑等引起的应力和变形场；此外，由于衬砌内含有水分，当火灾发生时，衬砌中的水变成蒸汽，在衬砌内成千倍地膨胀，从而产生巨大的压力；由此导致隧道衬砌发生崩裂的温度大大降低。

国外针对钻孔隧道衬砌火灾试验研究表明，混凝土表面温度达到200℃时，10～15min 内混凝土衬砌就会发生爆裂、崩落。

隧道内灭火条件有限。

交通隧道、特长隧道内，容易产生灭火救援路线与疏散路线、烟气流动路线的交叉，加之救援面和救援途径有限，火灾扑救难度较大。

1.3 火灾会产生跳跃性蔓延由于隧道内空气不足，火灾时可燃物主要是不完全燃烧，产生的CO 等不完全燃烧产物随高温烟气流动，当有新鲜空气补充，并遇到新的可燃物时，即会引发新的燃烧，从而出现火灾从一辆车跳跃到另一辆车的“跳跃式”蔓延。

1.4 易造成交通堵塞和出现二次灾害双向交通隧道、单向单车道隧道、车流量大或处于交通高峰期的隧道发生火灾时，由于隧道内能见度低疏散通道有限，加之驾驶人员对烟火的恐惧，容易出现慌不择路而造成交通堵塞或出现新的交通事故，而严重影响车辆疏散；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。

隧道越长，车辆疏散所需的时间越长，期间发生二次灾害的概率越大。

1.5 火灾损失的不可预见性隧道火灾损失因隧道火灾荷载和交通状况等随机性和不确定性因素而具有不可预见性。

隧道火灾可能只造成一辆车的损失，也可能造成群死群伤、车损洞毁、交通中断的重大恶性火灾，产生巨大的经济损失和恶劣的社会影响。

2 火场通风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。

隧道内安全疏散与火场烟气有很大关系，在讨论隧道内人员疏散时，我们先了解隧道内一旦发生火灾时，人员的存活条件：（1）人体高度处温度不高于80℃；（2）烟雾浓度低，最小通视距离20m；（3）空气含氧量不低于15%（体积比）；（4）CO2 含量不大于5%（体积比）；（5）一氧化碳及碳氢化合物浓度不大于1500ppm；（6）氮氧化合物浓度不大于100ppm。

2.1 风速与烟气分布关系2.1.1 浮力效应隧道内着火后，其与露天火灾的重大区别在于有浮力效应（图1），热气流上升，在拱顶附近的隧洞上部形成一定厚度的热烟气流，由于着火点源源不断产生烟气，隧道顶部热的烟气流得以迅速扩大体积，向两侧扩充，同时隧道下部冷空气流向火点进行补充，此时火场两侧有对称的循环风流。

图12.1.2 回流现象图1 是隧道内无全隧道纵向风流情况，当有纵向通风时，火点两侧的烟气流不对称（图2.A），如纵向风速V 较小，不足以克服反向的上层热烟气流时将产生回流现象，即火点上部之烟气会逆着风向朝上风方向流动，这对于防止火灾蔓延（炽热空气将“点燃”上风方向停留车辆）和消防队员救火是很不利的（消防队员需从上风方向接近火场）。

因此，最好使人工风的速度大于临界风速（图2.B），此时火场上风方向完全无烟，仅下风方向有烟。

2.1.3隧道内纵向风速与烟气形态与分布关系极大，当风速小于0.5m/s 时，相当于两辆小轿车相撞后燃烧，烟气从着火点向下风方向扩散（上风方向未示）。

一个很有趣的现象是，在开头的8min 内，在距火场700m 范围内隧道的上半部完全是层状的烟雾，下半部则是由洞口流向火场的新鲜气流，这对于人员避难逃生是很有好处的。

只在8min 以后，隧道下风方向才形成烟雾全断面推进,如图3。

一般，人员逃生撤离速度以5km/h（或1.5m/s）计，则8min 时间可行走720m。

当隧道设置供人员避难的横通道时，其间距要求不宜大于720m。

我国公路隧道设计规范规定00-300m，说明只要纵向风速不大于0.5m/s，人员逃生是没有问题。

起火点附近烟气分布示意图：如果洞内风速大于1.5m/s，则下风方向由于涡流作用整个隧道烟雾弥漫，据资料，即使烟雾浓度在5%以下，通视距离也只有几米，使人慌乱、迷失方向。

而且烟气中含大量有毒成分（主要是一氧化碳）致人死命。

纵向风速不得大于1.5m/s，以利于人员逃生。

2.2 安全疏散时的通风要求讨论单向行驶时洞内发生火灾后前方车辆可以向前继续行驶撤出洞外，少量破损车辆上的人员可下车向后方（即通风的上风方向）撤离。

但如火场不能通过，则只有向前方逃生，通过最近的横通道撤向相邻隧道；火场后方车辆及人员应尽可能通过人行及车行横通道撤离。

此时两洞的风机均应由正常通风转为事故通风。

进出口风机均向出口方向吹风，隧道内形成纵向风流，风机开动台数应以要求风速控制。

由于洞内人员较少，本阶段通风的主要目的是防止火灾扩大，兼顾人员避难。

该风速应略大于中型火灾的回流临界风速1.55m/s，但又不能过大，以利人员逃生。

建议取为2.0m/s。

相邻隧道进出口射流风机均应向洞内吹风（即出口方向的射流风机逆向运转），使洞内形成正压，要求在所有开放的人行及车行横通道中形成吹向火灾隧道的新鲜风流，以免火灾隧道的烟气窜入，此风速的速度必须保证能在巷道中形成稳定的紊流，其值参考资料，可取为0.25m/s（当隧道较长，横通道较多，致使中部的横通道风速小于规定值时可在该横道道中加设射流风机）当火场下风方向的人员和车辆全部撤离之后（除损坏不能行驶者外），关闭所有通道门，通风应进入消防灭火阶段。

消防灭火阶段时着火隧道开动所有射流风机向隧道出口吹风，使洞内纵向风速在2.5m/s 以上，消防队员从上风方向到达火场救灾。

相邻隧道改为双向行车，原按单向行驶而布置的风机台数已不敷需要，此时一方面应进行交通管制，控制交通量和车速，另一方面应开动全部风机，吹风方向应与自然风方向一致。

3．安全疏散与避难横洞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lm/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，还是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。

横洞平时主要作为巡查、维修、养护的联络道使用，并可作为隧道局部检修时车辆转换方向、并道的过渡通道使用；火灾和其他紧急情况下，横洞的作用主要是疏导交通、临时避难、人车安全疏散和灭火救援的通道。

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。

隧道中车行横洞和人行横洞设置的防火卷帘及其构造和施工工艺均满足以下要求：门扇各接缝处、导轨、卷筒等缝隙，有防火防烟密封措施，防止烟火窜入；在防火卷帘的两侧设置启闭装置，并能自动、手动和机械控制，保证应急使用；防火卷帘符合防火墙耐火极限的判定条件，耐火极限不低于3.00h。

根据隧道内火灾危险性和烟火效应，为最大限度的减少火灾损失和人员伤亡，经多方考证应将防火卷帘联动控制过程设定为:火灾确认后，行人横洞入口的防火卷帘应能自动、手动开启，起火点排烟方向上游行车横洞入口的防火卷帘全部开启，起火点排烟方向下游行车横洞入口的防火卷帘，当横洞内无正压送风系统时，全部关闭，当横洞内有正压送风系统时，起火点附近的关闭，远离起火点的可开启。

相邻未起火隧道横洞入口的防火卷帘全部开启，以便于空气流入横洞，在起火隧道横洞口形成正压。

车辆、人员安全疏散后，根据现场指令，关闭或开启防火卷帘，以实现横洞及其防火卷帘在火灾不同阶段的安全疏散、灭火救援、防烟防火、防止火灾扩大蔓延的作用。