（水工结构工程专业论文）厦门东通道海底隧道火灾温度场模拟及衬砌结构防火措施研究.pdf

重庆交通学院硕十论文摘要 摘要 随着工程建设技术和交通事业的发展，公路隧道发展迅速，但同时引发了不 少严重的火灾事故，而且火灾形势日趋严重。隧道火灾不仅严重威胁人的生命和 财产安全，而且火灾引起的高温对隧道衬砌危害巨大如：裂缝、爆裂甚至崩塌等。 鉴于目前对隧道火灾方面的研究不足，工程中缺乏有效的衬砌保护措施，本文依 托“厦门东通道海底隧道通风系统及防灾技术研究”课题，主要开展了以下研究 工作： l 、通过分析困内外公路隧道的火灾情况，得出了以下结论：公路隧道火灾具 有很大的随机性其发生、发展不可预见；失火爆发成灾的时间极短；造成火灾 事故的原因主要有：车辆的本身故障、相互撞击及其上的货物，隧道内电线、电 缆老化，及检修、施工时的操作不当等。 2 、以厦门东通道海底隧道为工程依托，采用a n s y s 有限元软件对火灾时隧道 衬砌的温度分布进行模拟。数值模拟结果表明：模型尺寸、水压力、衬砌厚度在 相同火灾荷载作用时对衬砌温度分布的影响可以忽略，隧道树砌内温度分布的主 要影响因素是所加的火灾荷载及衬砌的热性能参数。 3 、基于火灾时隧道衬砌温度场的数值模拟成果，分析了火灾时隧道衬砌的温 度分布规律、距衬砌表面不同距离点的温度随时问的变化规律，并讨论了混凝土 的耐火性能及其损伤特性。结果表明混凝土本身具有一定的耐火性能，但火灾过 后，隧道结构会产生不同程度的损坏。 4 、综合上述结论，对厦门东通道隧道提出了三种衬砌保护措施：一是提高混 凝土本身的抗火性能：二是增加衬砌厚度；三是应用防火涂料或防火板。最后采 用数值模拟来验证这些方法的可行性，数值模拟结果显示前两种方法不足以解决 问题，但可作为安全储备，应用防火涂料或防火板是理想的防火方法。 关键词：公路隧道，火灾事故，衬砌结构，温度场，保护措旋 重庆交通学院硕士论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e n g i n e e r i n gb u i l d i n gt e c h n o l o g y t r a n s p o r t a t i o nb u s i n e s s a n dh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，t h e r ea r em u c hs e r i o u sf i r ea c c i d e n ta n df i r es i t u a t i o n b e c o m e ss e r i o u sg r a d u a l l y t u n n e lf i r et h r e a t e n st h el i f ea n dp r o p e r t yo f p e o p l e ，a n d h i g ht e m p e r a t u r ec o m i n gf r o mf i r em a yd e s t r o yt u n n e ll i n i n g ，s u c ha sc r a c k ，s p a l l i n g ， c o l l a p s e ，a n ds oo n b e c a u s et h er e s e a r c ho n t u n n e lf i r ei sn o te n o u g ha n dt h ee f f e c t i v e s a f e g u a r df o rl i n i n gi ss h o r to f i nt h ee n g i n e e r i n g ，s or e l y i n go nt h es u b j e c to f “t h e s t u d yo nv e n t i l a t i o ns y s t e ma n df i r ep r e v e n t i n gt e c h n o l o g yo fd o n g t o n g d a os u b s e a t u n n e li nx i a m e n ”，t h es t u d yt h a tb ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 、a f t e r a n a l y z i n g t h ef i r es i t u a t i o ni n h i g h w a yt u n n e l i na n da b r o a r d ，t h e c o n c l u s i o na sf o l l o w s ：t h ef i r ea c c i d e n ti sr a n d o ma n du n f o r e s e e a b l e ；i tw i l lt a k ep l a c e i nf e wm i n u t e s ；t h er e a s o no ff i r ea c c i d e n ti s ：t h em a l f u n c t i o no fv e h i c l e ；t h ev e h i c l e s r n n u p o ne a c ho t h e r , t h ea g e i n g o f w i r ea n dc a b l ei nt u n n e l ，t h em i s t a k e m a n i p u l a t i o ni n v e r i f i c a t i o na n d b u i l d i n g ，a n ds o o n 2 、t h el i n i n gt e m p e r a t u r ef i e l di nx i a m e n d o n g t o n g d a o t u n n e li ss i m u l a t e db y u s i n ga n s y sf e as o f t w a r ei r lt h i sp a p e r t h e r e s u l ts h o w st h a t ：t h ea f f e c to f t h em o d e l s i z e ，w a t e rp r e s s u r ea n dl i n i n gt h i c k n e s st ot h el i n i n gt e m p e r a t u r ef i e l dc a nb ei g n o r e d ， a n dt h em a i nf a c t o r sa r ef i r el o a da n dt h eh e a tf u n c t i o np a r a m e t e r o f l i n i n g ， 3 、b a s e do nt h eo u t c o m eo ft h es i m u l a t i o no ft h el i n i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r e g u l a t i o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t u n n e ll i n i n ga n d t e m p e r a t u r ev a r i e t yw i t h t i m e a r ea n a l y z e d ；a n df i r e p r o o fa b i l i t ya n di n j u r i n gp e c u l i a r i t yo fc o n c r e t ea r ed i s c u s s e d t h er e s u l ts h o wc o n c r e t eh a sf i r e p r o o fa b i l i t y , b u ta f t e rf i r e ，t h et u n n e lf r a m e w o r kw i l l b ed a m a g e di ns o m e d e g r e e 4 、s y n t h e s i z i n gc o n c l u s i o na b o v ea 1 1 t h r e es a f e g u a r do fl i n i n g a r ep u to u ti n x i a m e nd o n g t o n g d a ot u n n e l ，f i r s tr a i s i n gt h ef i r e p r o o fa b i l i t yo fc o n c r e t e ；s e c o n d i n c r e a s i n gt h el i n i n gt h i c k n e s s ；a n dt h et h 确a p p l y i n gf i r e p r o o fs m e a ro rf i r e p r o o f b o a r d n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o w st h a t ：t h ef i r s ta n dt h es e c o n dw a y sa r en o te n o u g h t os o l v et h ep r o b l e m ，a p p l y i n gf i r e p r o o fs m e a ra n df i r e p r o o fb o a r da r ei d e a lf i r e p r o o f m e a n s k e y w o r d s ：r o a dt u n n e l ，f i r ea c c i d e n t ，l i n i n gf r a m e w o r k ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，s a f e g u a r d 重庆交通学院学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：最自乙 f _ = l 期：勿迭年；月乃同 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庆交通学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密晒。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：黄自j l 同期：飚年；月- 多闩 指导教师签名： 闩期：伊r 年；月掘同 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 我们的祖国，地大物博，河流纵横，沿海岛屿五千余个。交通运输要跨越江、 河、湖、海等障碍主要靠修建桥梁和水下隧道。以往我们大多以修建桥梁为主， 而水下隧道多不被人重视，这种历史上遗留下来的偏见现在仍然存在。与桥梁相 比，水下隧道有优点，也有缺点。一般来说，桥梁造价相对较低、经验丰富且易 于修建；但是若选择石质好的地段修建水下公路隧道，其每米的造价也大致与每 米桥梁的造价相当，甚至低于桥梁。如横跨英法海峡水下隧道的方案，无论采用 掘进式或沉埋式，造价均只有桥梁造价的一半。与桥梁相比，水下隧道既有优点、 又有缺点，其优点是： 1 、从现代化战争的情况看，水面桥梁易遭受破坏，但要破坏水下隧道就不那 么容易了。 2 、水下隧道抗拒自然灾害的能力特强，能保证汽车全天候畅通无阻。 3 、水下隧道不侵占水运( 航运) 舰、船、艇所需要的航道 因此，在主要的交通枢纽和江、河、湖、海地区，凡有条件时都应该进行桥 梁和隧道方案的比选。拟建的厦门东通道正是如此。 拟建的厦门东通道隧道位于厦门刘五店、五通规划港区( 5 力吨级泊位以上) 内，连接厦门岛五通和同安下店，是厦门第三条重要的进出岛通道。东通道的建 设在技术上采用桥梁方案和隧道方案都是可行的，但在进行桥隧比选的时候发现： 因为东通道将穿越规划中的刘五店深水港区以及现有的白海豚、文吕鱼自然保护 区，因此采用桥梁方案就会侵占航道，而桥梁的施工对中华白海豚自然保护区和 文昌鱼自然保护区等环境的负面影响非常大。专家们基于环保和资源利用等因素 考虑推荐选择暗挖隧道方案，这样一方面能保护深水岸线资源和航道开挖利用， 有利于厦门可持续发展以及环境保护，而另一方蕊，隧道方案还可确保全天候开 放运行，同时有利于市政管线和高压电缆跨海布设。 在我国水下隧道的施工方法主要采用以下六种：暗挖施工法；盾构法；沉埋 法；项管法；大开挖施工法；半挖半填施工法。钻爆法施二! 二主要用在山岭隧道， 东通道隧道拟采用钻爆法施工，这在我国水下隧道的建设中尚属酋例，而作为我 国大陆第一条海底隧道，还有许多问题需要研究，其中的衬砌结构的火灾失效与 保护措施研究就是的一个重要的研究课题。 首先，公路隧道的火灾形势日趋严重。伴随着隧道数量的同益增多和长度的 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 日益增长、交通流量的逐年增长、危险品运输量的增多、车辆行车速度的加快和 破坏行为的增多，包括恐怖主义的发展日趋严重，近几年国内外公路隧道，尤其 是特长公路隧道火灾事故频发、伤亡严重、损失巨大口】【1j 。由于隧道是一个狭小的 交通孔道，进出口都只有一个，加上现代道路交通流量越来越大，所以任何车辆 只要进入稳定交通流内，就都失去自主能力，不得不“随波逐流”。隧道内一旦发 生火灾，后续车辆脱离现场几乎都是不可能的，如果有爆炸事故发生就更危险了。 隧道火灾的危害主要是由于火灾引发的热量在封闭环境下聚集而导致温度急剧升 高和燃烧生成的有毒有害气体的大量扩散而造成的。火灾往往会危及隧道使用者 的人生安全，能见度的降低又进一步使得人员的逃生更加困难。火灾的爆燃对周 围设施有很大的破坏作用，爆燃波的传播速度很快，可使火灾在短时间内扩大。 火灾还会烧毁洞内车辆、车上物质和隧道本身的设施( 包括通风设备、通行设备、 照明设备、监控设备、电缆、电线等) 。造成巨大的财产损失。如1 9 9 9 3 发生在 意法之间的勃朗峰隧道火灾，导致死亡4 1 人，烧毁3 6 辆车，9 0 0 多米的隧道拱 项及路面被严重毁坏。波斯尼豫隧道火灾3 5 人死亡，德园蒙特伯朗隧道火灾4 2 人死亡，法国维尔兹隧道火灾1 0 8 人死亡，奥地利陶恩隧道火灾1 2 人死亡，奥地 利普方隧道火灾3 人死亡，日本津清海峡隧道火灾7 人死亡，日本森北隧道火灾 3 4 人死亡，英国莎耐尔隧道火灾维修费8 7 0 0 万欧元，间接经济损失2 1 1 亿欧元。 我国猫狸岭隧道火灾i 习造成交通中断1 8 天。此外隧道一旦发生火灾，势必要影响 整条线路的交通，导致交通堵塞和中断，大型火灾还会引起隧道的结构破坏、降 低隧道的整体稳定性，有时恢复交通需要几周、几个月或更长的时间。如t a u e m 隧道的修复花了三个月：英国莎耐尔隧道火灾维修费8 7 0 0 万欧元，间接经济损失 2 1 1 亿欧元；而勃朗峰隧道在1 9 9 9 年3 月的火灾后共耗资3 亿欧元，需要花大约 三年半的时间才能恢复运行。据调查统计资料显示，平均每年每3 0 k m 隧道内发生 一次事故，汽车大约每行车1 0 0 0 万公里平均发生o 5 1 5 次火灾，其频率是十分 高的，造成的经济损失和财产破坏难以估计，后果是严重的。以下是1 9 4 9 2 0 0 1 年剧国外重大公路隧道火灾的持续时间和隧道结构破坏程度统计表1 ，r 。 我国隧道建设起步较晚，火灾的统计表不太齐全。见下表1 2 。 不断发生的火灾事故及其造成的惨重损失，已经引起了国际上的高度重视， 世界各国对长大交通隧道防治火灾的研究都非常重视，专门列为重要的研究课题。 其次，厦门东通道隧道作为海底隧道还有其特殊之处就是其始终处于巨大的 水压力之中，衬砌不仅要承受水压力，还要一直处于潮湿的恶劣工作环境中。董 国贤在水下公路隧道一书中就提到：在水下岩( 土) 中开挖隧道的突出问题 是怕“通天”和江河水相连，使江河水泄漏到隧道中，最后造成不可收拾的局面。 同样，如果水下公路隧道在长期的运营过程中出现衬砌失效，导致江河水泄漏甚 2 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 表1 1 国外公路隧道主要火灾情况 年份隧道名称长度m火灾持续时间 隧道结构破坏程度 9 4 9 芷美国纽约霍兰隧道2 2 5 04 h隧道严重损坏2 0 0 m 9 7 4 年法国意大利勃朗峰1 1 6 0 00 2 5 h 9 7 6 芷 法国巴黎c r o s s i n gb p a 6 4 3 01 h隧道严重损坏1 5 0 m 隧道严重损坏1 1 0 0 m死亡 1 9 7 9 年日本n i h o n z a k a2 0 4 51 5 9 h 7 人1 7 3 辆车技毁 9 8 0 芷 日本k w a r a 7 4 0隧道严重损坏2 8 0 m 1 9 8 2 年美国奥克兰c a l d e c o t l1 0 2 82 7 h隧道严重损坏5 8 0 m 意人利g e n e s s a v o n e 9 8 3 正6 6 2损坏较轻 p e c o n l ag a l l e r i a 1 9 8 6 芷法国n i c el a r m e “0 5 隧道设备严重损坏 1 9 8 7 年瑞+ 伯尔尼g u m e f e n s3 4 32 h损坏较轻 1 9 9 0 控挪威r o l d a l 4 6 5 60 8 3 h 轻微损坏 意人利b o l o g n e - - f l o r e n c e 1 9 9 3 链4 4 22 5 h损坏较轻 s e r r ar i p o l i 1 9 9 3 年 挪威h o y a n g e r h o v d e n1 2 0 91 h1 1 l m 隔热材料被毁 1 9 9 4 年 南替h u g u e n o t 3 9 1 4l h严重损坏 1 9 9 5 年1 0 月澳人利孤p f a n d e r 6 7 1 91 h严重损坏 意人利p a l e r m oi s o l ad e l l e 1 9 9 6 年3 月 1 4 8 严重损坏关刚2 5 d f e m m i n e 死亡4 1 人3 6 辆车被毁 1 9 9 9 年3 月法国意人利勃朗峰 1 1 6 0 0 混凝土穹隆全部沙化 1 9 9 9 年5 月奥地利陶恩 6 4 0 1死亡1 2 人伤5 0 人严重损坏 2 0 0 0 年1 1 月奥地利山地列车 3 3 0 0死亡1 5 5 人伤1 8 人 2 0 0 0 年7 月挪威e 1 2 3 4 s e l j e s m d 1 2 7 2o 7 5 h 2 0 0 1 年5 月 意大利a 3 2 p r a p o n t i n 4 4 0 9关闭7 d 2 0 0 j 年8 月奥地利a 9g l e i n a l m 8 3 2 0 2 0 0 1 年1 0 月瑞士a 2 s t g o t t h a r d 1 6 9 1 83 d严重受损关闭2 个月 丹麦e 4 7 海底隧道 2 0 0 1 年1 0 月 4 6 0 g u l d b o r g s u n d 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 表1 2 我国公路隧道主要火灾情况 时间名称火灾情况火灾原因 北5 人，重伤2一大客车油箱与地面露出的钢筋 1 9 7 6 年3 月上海市打浦路隧道总 人相撞漏油起火 长2 7 6 4 m ，宽7 0 7 m ， 1 9 9 8 年3 月车辆过速撞车导致油管断裂起火 高4 4 m 1 9 9 8 年8 月车辆电路故障起火 1 9 9 1 年4 月延安东路隧道宽 朱造成伤亡公交车辆电气线路起火 1 9 9 4 年8 月7 5 m ，北线总长 车辆发动机油管爆裂起火 2 2 6 1 m ，南线总k 1 9 9 8 年5 月 车辆发动机故障起火 2 2 0 7 m 造成巨人直接与车载物品的燃烧，发生小规模的爆 2 0 0 1 年1 月猫狸岭隧道 问接经济损失炸。 至隧道崩塌，都会造成不可收拾的局面。 还有最近发生在勃朗峰隧道、陶恩隧道、丹麦海底隧道、英法海峡隧道“和圣 哥达隧道川的火灾事故，表明许多时候隧道火灾的强度远远超乎人们的想象，而火 灾引起的衬砌失效及由此导致的隧道修复费用和关闭隧道引发的经济损失是巨大 的。尽管不是每次火灾都会造成隧道衬砌的失效，导致混凝土剥落或衬砌崩塌， 但高温会引起衬砌材料以及一定范围内围岩的物理和力学性能的改变承载能力 的减低。 综上所述，进行厦门东通道海底隧道火灾温度场模拟及衬砌结构防火措施研 究意义重大，通过这个研究要系统地了解隧道发生火灾时的一些基本规律和高温 作用对衬砌结构的损伤状况，为东通道隧道防灾设施的设簧与衬砌结构耐火性能 的设计，提供安全、经济的科学依据。 1 2 国内外隧道防火研究现状 1 2 1 国外隧道防火研究现状 鉴于隧道火灾的危险性严重，国外专家对公路隧道防灾技术的研究都做过不 少工作，他们试图通过研究找出火灾发生的规律，制定一套隧道火灾的预防措施 和救援方法。但f = | 益增多的火灾和造成的损失也说明对火灾还缺乏足够的认识。 目前欧洲的研究者们j 下在收集意人利、法国、瑞士、德国、奥地利、挪威、瑞典、 英国、荷兰、美国等各国关于公路隧道火灾安全的规范及其他相关文件 ，并于2 0 0 4 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 年出版了隧道火灾与烟雾控制的报告，希望能在国际上建立统一的标准，这样更 有利于火灾的防治工作，见f i t 欧洲主题网。下表1 3 是收集的资料。 表1 3 欧洲各国关于公路隧道火灾安全的规范 国家主题时问 意大利1 公路隧道的交避安全特指危险物品的车辆运输 1 9 9 9 9 1 国家公路网内的隧道安全 2 0 0 0 8 2 国家公路网内危险物品通过隧道的运输规章制度 2 0 0 0 1 l 法国 3 地r 结构和交通系统的安全 2 0 0 2 1 4 公路隧道的分析研究，方法规范( 过期版本) 2 0 0 2 ? 1 公路隧道的设计规范 瑞士 2 ，公路隧道的通风、系统的选择、设计和运营 2 0 0 1 - 8 1 公路隧道设施及远行准则 2 0 0 2 德国 2 荚予公路隧道建设补充技术条款和准则 ( 1 9 9 5 、1 9 9 9 ) 1 隧道横断面 1 9 9 4 2 结构 1 9 8 7 3 内部施i ： 2 0 0 1 4 通风的基本原则 1 9 9 7 5 通风、需风量的计算 1 9 9 7 奥地利 6 照明 1 9 9 1 7 运营莉i 安全措施：结构 2 0 0 2 8 运营和安全措施：设备 2 0 0 2 9 运营和安全措施：无线电 1 9 8 7 1 0 隧道设备的维护 1 9 9 9 1 公路隧道设计规范 1 9 9 2 挪威 2 隧道火灾的风险分析( h j 作施【：标准) 2 0 0 0 1 隧道的设计、施r 和运营指南 1 9 9 89 柏班牙2 隧道的横断面和坡度 1 9 9 9 9 3 隧道入口处的信号 1 9 9 9 英国公路及桥梁设计手册b d 7 8 9 9 1 公路隧道的通风 1 9 9 l 2 公路隧道的安全预警 1 9 9 5 荷兰3 高速公路隧道上的危险物品的运输规范 4 隧道防火, r w s 1 9 9 8 5 救援者能抵抗的温度说明和隧道防火测试方法, r w s 1 9 9 7 瑞典隧道9 9 瑞典的国家公路管理部门颁布实施 1 9 9 9 1 n f p a 隧道防火，公路隧道、桥梁及其他酿行公路标准 1 9 9 8 荧国 2 f h w a r d ，8 3 0 3 2 报告：高速路隧道火灾的防护和控制 1 9 8 4 3 h v a c 手册的应用 1 9 9 1 2 0 多年来，各国都投入了相当的力量对隧道的火灾行为以及火灾防护进行了 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 较广泛的研究，并取得了一定成果，制定了一些技术要求和标准。 荷兰编制了报告隧道防火以及隧道防火测试方法，规定了隧道火灾 场景的确定方法与相关的安全工程设计方法和隧道结构的耐火测试方法。 德国1 9 9 4 年制定了公路隧道设施与运行准则r a b t ，对隧道中的火灾规 模做出了规定。1 9 9 5 年制定了z t v 隧道关于公路隧道建设补充技术条款及准则 其中第1 0 章“建筑防火”规定了隧道内的升温曲线以及建筑结构及其内部系统所 应采取的防火措施。 英国制定了b d 7 8 9 9 公路及桥梁设计手册用于指导运用消防安全工程 方法对隧道进行消防设计。 美国消防协会制定了n f p a l 3 0 固定导轨运输和有轨客运系统标准和 n f i ，a 5 0 2 公路隧道、桥梁及其它限行公路标准。其中，n f p a l3 0 规定了地下铁道 的消防安全设计、运营管理、应急以及车辆消防要求等。n f p a 5 0 2 规定了不同类 型隧道消防要求，并要求长度超过2 4 0 m 的隧道应根据特定隧道的特，征和相关参数， 如长度、横截面、分级、主导风、交通流向、货物类型，设定火灾参数等，采用 一亡程分析方法设计其通j x l 设施。 日本制定了日本建设省道路隧道急用设施设置标准，该标准按公路隧道 长度及其交通流量将隧道进行分级，并根据不同级别规定公路隧道的消防要求， 并对其进行了修订，以强化隧道火灾对策。 世界有关国家对隧道火灾对策的研究早就很重视除对已建成的长大隧道( 铁 路、公路隧道与地下铁道) 均设有消防、报警和救灾设施系统外，一般还成立了 专门的研究机构，深入开展火灾温度对隧道结构影响的分析研究以及火灾烧损检 定和修复的研究工作。1 9 8 4 年国际建筑协会专门成立了有关的工作小组( c i b w l 4 ) 以及专门的委员会，如n f p a 2 5 l 、p c a 、p c i 等。1 9 8 4 年英国铁路管理局对遭受 重大火灾的s u m m i t 隧道结构和通风竖井进行了灾后定量勘查评定和修复加固，取 得了成功。迄今为止在这领域中已取得了许多显著的成果。 2 0 世纪8 0 年代以来，国外在以下几方两开展了研究：车辆的燃烧特性、模拟 通风对车辆燃烧的影响、烟气增长、用木垛火与庚烷火模拟正常火灾荷载的比较、 烟气中有毒成分生成量分析、隧道内火灾增长和烟气运动数值模拟技术、隧道内 衬在火灾中的表现、驾驶人员在隧道内的心理与行为及相关影响因素、消防救援 方法与策略以及自救原则等。研究认为：隧道火灾规模及其对车辆、隧道内衬的 影响主要取决于车辆的类型如下表1 4 。 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 表1 4 典型车辆的火灾热释放速率及适用的火灾时间一温度曲线 交通工具类 火灾热释放速率 m w 】 燃烧时间 火灾曲线类型 刑 荷兰德国英国美国瑞士【m i n 小轿车 5 1 01 1 02 0 543 0 6 0 标准曲线碳氢化合物曲线 公共汽车 2 0 3 02 03 09 0 1 2 0碳氢化合物曲线 快速系统 4 03 01 2 0碳氢化合物曲线 轻轨乍厢 集装箱旅 1 2 0 + 碳氢化合物曲线r a b t 曲线 游轿车 t -1 0 02 0 3 0 3 0 5 02 01 5 1 3 01 2 0 +碳氢化合物曲线r a b t 曲线 1 2 0r w s 曲线或者 油罐车载 3 0 05 0 1 0 01 0 0 重乍 2 4 0 标准曲线碳氢化台物曲线 目前，国外对公路隧道火灾的研究主要有三种方式：一是统计分析，二是试 验研究，三是数值模拟。 统计分析 8 0 年代初期，为改善公路隧道、城市铁路隧道和地下铁路隧道的防灾，波恩联邦 运输部委托进行了一次综合性的调查! 。在这一项目研究中，他们对过去1 5 年间 ( 1 9 7 0 1 9 8 5 年间) 世界范围内8 5 个城市中隧道火灾情况进行调查，而且对其频 率、起因、范围、类似现象、防火方法及造成的损失调查了大量的文献，进行统 计分析，制定了相应的对策。 试验研究 1 9 6 6 年瑞士公路隧道安全委员会在废弃的铁路隧道内进行火灾发生的救援试 验，试验的主要目的是对不同量级的火灾时，选择不同灭火荆的效果及通风技术 方案，同时对烟尘分布进行了观测。7 0 年代英国火灾研究所在废弃的公路隧道内 进行了火灾试验，研究的内容为：火灾时隧道内部烟雾厚度和扩散情况“”1 。8 0 年 代至9 0 年代，以德国为主的西欧八个国家共同出资进行交通隧道防火问题的专门 研究，探讨隧道发生火灾的原因，隧道火灾的燃烧过程及其救援防治措施。他们 在隧道中对地铁车辆、铁路客车进行了燃烧试验，其目的是为了研究车辆发生火 灾时，对人的援救措施和和火灾对结构的破坏。试验测试内容有火灾时结构范围 内的最高温度、断面温度分布、温度随时闾的变化等“。 1 9 8 1 年，r 本专门成立“青函隧道防火对策委员会”，研讨青函隧道防火对策 的基本设想及其各种防灾设备。他们在青函隧道的防火中采用了“定点”的方式。 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 日本隧道学会和日本道路公团还对工程施工的防火问题进行了长期的、系统的调 查和全面完整的研究。 数值模拟 1 9 7 0 1 9 7 5 年，帕森斯布林克霍夫领导小组开发了地铁环境模拟( s e s ) 计 算机程序【。7 0 年代，美国运输部委托帕森斯，开发了反映与隧道火灾相关的各 种空气动力学的热力学参数的地铁环境模拟火灾模型。这项工作开始于1 9 7 8 年， 在1 9 8 0 年1 1 月，研究出地铁隧道火灾通风模型。s e s 程序是以一维模型维基础， 程序分三个步骤： 1 ) 确定火灾的临界风速： 2 ) 根据隧道环境( 隧道尺寸、形状、衬砌等) 和设备( 通风枫的数量、布置、 型号) 确定预计风速； 3 ) 判断火灾通风能否达到要求。 英国防火研究所采用计算流体力学方法，不事先假设火灾将怎样发展，建 立数值计算的流体动力学预测模型，用动量、质量、能量和种类守恒方程式求解 在三维空间和时间内的解。香港的d r w k ，c h o w 和m r w m 1 e u n g 等也用类似的程序 作过类似的计算”。 模拟火灾是极其复杂的事情。在过去的几年中，用c f d 技术模拟了许多不同 的火灾过程，但迫切需要用实验结果来证明计算结果的可靠性。n a v i e r - s t o k e s 微分 公式是c f d 计算模型的基础，描述了质量、动量、热量和物质在压缩介质的变换。 1 2 2 国内隧道防火研究现状 自八十年代以来，我国组织制定了有关铁路隧道、公路隧道和地下铁道的设 计标准，如1 9 8 5 年发布的铁道部现行标准铁道隧道设计规范，1 9 8 9 年发布的 交通部现行标准公路隧道设计规范( 正在修订) 、2 0 0 0 年发布的交通部标准公 路隧道通风照明设计规范和1 9 9 2 年发布的国家现行标准地下铁道设计规范( 已 修订报批) 。这些标准分别对铁路隧道、山岭公路隧道和她下铁道的防火和疏散做 了部分规定，但均不够完善，并且来对城市市区的交通、观光游览隧道的防火设 计做出规定。目前，国家标准建筑设计防火规范( 报批稿) 已增补了除地铁外 的城市交通隧道的有关防火设计要求。其中还根据水下隧道的特点，对水下隧道 做出了特殊的规定。 我国的公路隧道建设起步较晚，对隧道火灾的研究也落后于欧洲、同本和美 国。我国在隧道火灾方面的研究主要集中在烟气数值模拟、衬砌承载力评估、隧 道内温度场分布等方面。如1 9 9 6 年我国铁道部立项进行了易燃液体在密闭空间内 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 燃烧时间测试的模型实验，目的为研究火灾油罐列车发生火灾时，采用密闭的救 援措施火灾对结构的损伤评估1 1 1 】。1 9 9 4 1 9 9 7 年，由铁道部主持完成了“隧道 衬砌结构火灾损伤评定和修复加固措施”科研项目【| “。其重要研究成果是：通过 现场火灾模拟试验、室内衬砌材料与构件火损试验等手段以及三维数值计算，探 讨了不同火灾温度作用下衬砌结构的受力、变形情况、温度分布和传递规律，并 分析了混凝土衬砌的损伤形态、程度和剩余强度值；初步提出了铁路隧道衬砌结 构损伤程度的评定方法以及快速检测方法。这些研究成果可为东通道特长公路隧 道在衬砌结构耐火性能的设计方面提供很有价值的参考。但这些成果重点是针对 铁路隧道，同时还存在对衬砌火灾损伤程度的评定方法不够完善等缺陷。 重庆交通科研设计院结合承担的科研课题，对火灾和交通异常时的控制方法 进行了研究，着重解决异常时的交通组织和减少异常发生，将火灾危害降低到最 小，提出公路隧道异常交通可分为火灾异常、故障阻塞异常、周期性交通拥挤异 常及正常运营4 种情况。对于异常情况，其危害程度及与处置方案受异常位置、 交通量、方向不均匀系数等的影响，异常交通模式一般可分为八类。若考虑交通 量的大小则有异常隧道变通量大与交通量小两种情况，对于交通流空间分布， 则可分为均匀与不均匀，即交通量比较大和交通量比较小，这时，对于单向双车 道双洞隧道，有4 0 种异常工况，提出了交通控制方案洞内车流的缎织的1 2 种方 案。同时，对多种火灾报警设备及特长隧道通风与防灾模式进行了较深入的研究。 2 0 0 0 年院西安公路交通大学夏永旭、王永东j 1 驯对公路隧道火灾情况下的通风 做过相关的研究。2 0 0 1 年西南交通大学的杨其新、王明年教授| 1 叫结合秦岭终南山 特长公路隧道工程进行了防灾救援技术的课题研究，并在西南交通大学峨嵋校区 防灾与通风实验基地进行隧道火灾物理模型试验。2 0 0 2 年，戴国平、罔沛哲 1o 等 进行了“二郎山半横向通风公路隧道的火灾控制研究”，研究了半横向通风方式的 隧道在发生火灾时，通过通风系统的风机、横通道及平行导洞内的阀门的不同动 作方式在着火点产生大于l 晦界风速的强制气流对隧道内烟气走向进行控制的各种 方法和效果，并采用国际上流行的c f x 5 5 软件对隧道内气流流动情况进行计算机 模拟与分析。2 0 0 1 年夏永旭、邓念兵i ls 】等在参考国内外相关资料的基础上提出了 我国公路隧道防火救灾的相关对策，将其划分为隧道火灾的安全等级、隧道防灾 的宣传教育、隧道的交通管理制度、隧道的防火通风设计、隧道的监控与消防系 统、建筑材料和附属设施的防火以及隧道的防火救灾体系七个予系统，及根据公 路隧道火灾的通风模拟简化得出的纵向式火灾通风计算方程式。 然而目前，对隧道火灾多的研究多从通风系统与火灾的关系方面展丌，火灾 和结构方面的关系却被忽略了，后者对隧道火灾的发展结果也很关键。 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 1 3 主要研究内容和研究思路 1 3 1 主要研究内容 根据国内外隧道防火研究现状，并参考了国内外隧道工作者的一些科研成果， 本文主要完成了以下几个方面的研究： 1 、通过分析国内外公路隧道的火灾情况，得出了以下结论：公路隧道火灾具 有很大的随机性，其发生、发展不可预见：失火爆发成灾的时间极短：造成火灾 事故的原因主要有：车辆的本身故障、相互撞击及其上的货物，隧道内电线、电 缆老化，及检修、施工时的操作不当等。 2 、以厦门东通道海底隧道为工程依托，采用a n s y s 有限元软件对火灾时隧 道衬砌的温度分布进行模拟。数值模拟结果表明：模型尺寸、水压力、衬砌厚度 在相同火灾荷载作用时对衬砌温度分布的影响可以忽略，隧道衬砌内温度分布的 主要影响因素是所加的火灾荷载及衬砌的热性能参数。 3 、基于火灾时隧道衬砌温度场的数值模拟成果，分析了火灾时隧道衬砌的温 度分布规律、距衬砌表面不同距离点的温度随时间的变化规律，并讨论了混凝土 的耐火性能及其损伤特性。结果表明混凝本身具有一定的耐火性能，但火灾过 后。隧道结构会产生不同程度的损坏。 4 、综合上述结论，对厦门东通道隧道提出了三种衬砌保护措施：是提高混 凝土本身的抗火性能；二是增加衬砌厚度；三是应用防火涂料或防火板。最后采 用数值模拟来验证这些方法的可行性，数值模拟结果显示前两种方法不足以解决 问题，但可作为安全储备，应用防火涂料或防火板是理想的防火方法。 1 3 2 研究思路 0 随着我国高速公路建设的飞速发展，涉及特长公路隧道f 1 益增多，发生在隧 道中的火灾也越来越多，因此防灾的问题显得很突出。国外从2 0 世纪6 0 年代便 开始研究公路隧道的火灾防治工作，而国内对隧道火灾的研究处于起步阶段。我 国对公路隧道火灾防治研究主要集中在烟气数值模拟、衬砌承载力评估、隧道内 湿度场分布等方面。这些研究多从火灾与通风系统的关系展开，两火灾和结构方 面的关系却研究不够，后者对隧道火灾的发展也很关键：这些研究提高了我国公 路隧道的火灾防治水平，有效降低了隧道火灾事故，但在隧道主体结构方面的被 动防火系统还研究不够。目前国内仅有少量隧道采用了被动防火措施，而且国家 隧道防灾的设计标准尚未制定，这就需要对衬砌失效、衬砌保护展丌深入的研究， 0 重庆交通学院硕士论文第一章绪论 把这些理论应用于厦门东通道隧道的实际防护，并为国内其它同类工程的防灾设 计提供科学的参考依据。我国在隧道火灾方面的规范还不齐全，希望这次研究能 对我国公路隧道的防火设计、研究和发展有所裨益。 本研究拟从隧道衬砌在火灾时的物理力学特性来考虑如何从结构方面来提高 隧道的防火等级。做到小火灾对隧道不产生危害，大火灾时把危害降低到合适的 程度。这主要是考虑火灾发生的概率和经济的缘故。 本文依托“厦门东通道海底隧道通风系统及防灾技术研究”。课题，采用理 论分析、数理统计和数值计算相结合的方法，在收集国内外的相关资料的基础上， 分析、总结公路隧道火灾的特点和规律、隧道火灾对衬砌的影响，运用大型有限 元程序a n s y s ，模拟了火灾时隧道内及衬砌的温度分布”。通过对隧道衬砌保护方 法的讨论，并结合水下隧道所处环境的特点，对厦门东通道海底隧道的衬砌保护 措施给出了具体的建议。 在国家大力进行交通建设的政策实行之际，研究公路隧道火灾，对于保障隧 道建设的顺利进行，保障交通事业的迅猛发展，保障人民群众的人身和财产安全 等方面都具有重大意义。 重庆交通学院硕士论文第章公路隧道火灾的特点及其规律 第二章公路隧道火灾的特点及其规律 2 1 公路隧道火灾的特点及危害 2 1 1 公路隧道火灾的特点 沉痛的教训和成功的经验告诫人们，要降低公路隧道火灾的发生频率，减小 火灾造成的损失，就必须了解火灾的特点。通过对国内外的隧道火灾事故和科研 试验的调查，结合相关的火灾模型试验，得出公路隧道火灾几个特点是： 火灾的发生、发展不可预见 隧道火灾多由车辆火灾引发，车辆火灾又因车载货物的不确定，同时存在发 生a 类、b 类、c 类火灾的概率，且不可预见。因此，隧道发生火灾后，火灾的发 展蔓延规律、扩散速度各不相同。 烟雾大，温度高，能见度低 由于隧道呈狭长形，内部空间较小，近似于封闭空间，很难进行自然排烟。 火灾发生后，隧道中空气不足，多产生不完全燃烧，烟雾较大，热量易散发，起 火点附近能见度低。机械排烟设施启动后，空气流动加快，燃烧猛烈，火灾蔓延 迅速并加热空气，顺风向时空气温度可达1 0 0 0 ，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。火焰从一个燃料的火源“跳跃”相当的 隧道长度，传到下一个燃料点火灾会产生浓度很高的c o 及很高的空气温度，容 易造成隧道拱顶混凝土崩落。 车辆、人员疏散困难 长隧道近似于封闭空间，道路狭窄，火灾发生后容易造成车辆堵塞，且长隧 道不同于城市公路隧道，没有相对固定的车流量和车行高峰期，火灾发生时，隧 道中的人员及车辆数量、堵塞状况和疏散十分困难。 火灾扑救难易程度无法估量 长隧道火灾中，由于能见度低，救援面窄，火灾扑救路线单一，且可能与人 员车辆疏散路线、烟气流动方向发生冲突，加之火灾类型、发展蔓延规律不确定， 消防水源有限，隧道内车辆堵塞状况不可预见，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。 成灾时间短，失火爆发成灾的时间一般为5 1 0 m i n ，大部分火灾的持续时 间与隧道内的环境有关，一般在3 0 m i n 和几个小时之间。 火灾使衬砌混凝土强度降低，衬砌结构的整体性受到破坏。主要表现在烧 坏支护结构拱部及边墙，拱部较边墙严重，一般衬砌损坏厚度为1 0 2 0 c m ，约为隧 重庆交通学院硕十论文第二章公路隧道火灾的特点及其规律 道衬砌总厚度的1 3 1 2 。严重的情况会造成拱顶掉落，边墙倒塌，进而造成隧道 的部分坍塌。 2 1 2 公路隧道火灾的成因及隐患 从国内外隧道火灾事故案例可知，造成火灾事故的原因是多方面的。隧道火 灾原因大致有以下几方面： 车辆本身故障弓i 发的火灾 车辆故障引发汽车火灾的主要原因有机件磨擦起火、化油器回火、电气线路 短路、车辆漏油等引发火灾。如1 9 9 9 年3 月2 4r ，在法国和意大利交界的l lk m 的勃朗峰高速公路隧道1 发生火灾，l 辆载有人造黄油的汽车因车上的人造黄油流 进汽车排气管引发火灾，3 0 s 内整车起火，几分钟之后，整个隧道就变成了一片火 海。火灾后，法国、意大利、比利时三国的消防人员在隧道中找到4 0 多具尸体， 大火烧毁卡车2 3 辆、轿车9 辆和小货车l 辆，有的卡车彻底熔化，隧道大面积垮 塌。 车辆撞击起火 由于隧道内车辆超速行驶和隧道能见度低，极易发生车辆之间、车辆与隧道 及隧道设施相撞或擦挂。发生交通事故导致火灾。如1 9 7 9 年7 月1 1 日，日本大 板隧道内由于4 辆卡车与2 辆轿车连续相撞，导致轿车的油箱破裂而起火。由于 起火车辆和撞击车辆阻塞了交通，车辆无法及时疏散，火势迅速蔓延。这场大火 导致隧道内17 4 辆车全部烧毁，死亡7 人。又如，2 0 0 1 年l o 月2 4 日两辆载重卡 车在瑞士圣哥达隧道南端l k m