城市地下空间防灾减灾技术

城市地下空间建设新技术,住房和城乡建设部执业资格注册中心2014年10月24-26日,全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材全国师资培训班,闫治国同济大学土木工程学院地下建筑与工程系,第13章城市地下空间防灾减灾技术,13.1概述13.2地下结构防火安全技术13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术13.4小结,提纲,隧道及地下空间安全问题的特点：,隧道及地下空间环境较封闭，难及时有效的处置疏散救援困难，容易致群死群伤灾后修复困难,安全&防灾,国内外地下空间火灾、爆炸等灾害事故.地下空间开发呈现规模化、网络化、深层化的趋势,13.1概述,2005年上海市地铁某标段盾构隧道进行旁通道冷冻法施工前的准备工作时，由于电焊工不慎，引燃水箱内冷却塔中的塑料散热片，引起火灾。火灾持续了约10min。火源起向下风侧约260m，向上风侧约170m隧道衬砌管片表面被熏黑。造成约15m范围内混凝土管片受到轻度到中度损伤，损伤层厚度最大达25mm,13.2地下结构防火安全技术,1968年，德国汉堡莫尔费雷特（MoorfleetTunnel）公路隧道火灾中，隧道拱部和边墙混凝土发生了严重的爆裂,13.2地下结构防火安全技术,1984年，英国萨米特（SummitTunnel）铁路隧道火灾中，隧道内最高温度达到1500，1900m范围的隧道衬砌受到了火灾损坏，其中严重破坏的范围为395m,13.2地下结构防火安全技术,1996年，英法海峡隧道（EuroTunnel）火灾中，600m700m长一段衬砌受到不同程度的损伤，其中最严重的50m范围内原本厚45cm的衬砌管片混凝土剥落深度达3040cm,13.2地下结构防火安全技术,1999年，勃郎峰公路隧道火灾中，最高温度达到1000,大火持续了55h，隧道结构受到严重损坏，拱顶局部沙化,13.2地下结构防火安全技术,2000年，瑞士圣哥达公路隧道火灾中，隧道内温度达到了1000，出事地段隧道顶部塌陷，隧道内部分路段被烧毁,13.2地下结构防火安全技术,2001年，美国霍华德城市隧道火灾中，隧道结构被严重破坏，火灾造成横贯隧道顶部直径1m的铸铁水管破裂,13.2地下结构防火安全技术,火灾对衬砌结构的损伤,爆裂,耐久性降低,力学性能劣化,内力变化及承载力降低,大变形,13.2地下结构防火安全技术,影响人员疏散和灭火救援工作的开展影响上部建筑以及临近构筑物正常使用功能的发挥降低地下结构的安全性，威胁隧道及地下空间日后的安全运营特别是处于高水压、软弱地层等情况下的盾构隧道、沉管隧道，可能导致密封及防水失效结构的修复和重新组织交通需要花费大量的人力和物力,13.2地下结构防火安全技术,地层-结构体系热力耦合问题,热-力耦合问题火灾高温热致应力结构材料高温性能劣化不连续体系超静定体系结构-地层相互作用,13.2地下结构防火安全技术,混凝土高温后物理力学性能试验混凝土管片火灾高温时（高温后）力学行为管片接头火灾高温时（高温后）力学行为衬砌环火灾高温时（高温后）力学行为,材料层次构件层次结构体系层次结构、地层耦合,13.2地下结构防火安全技术,（1）衬砌管片、接头及衬砌环1：3火灾高温试验,13.2地下结构防火安全技术,研究研究内容：火灾对衬砌管片的损伤机理、衬砌管片高温性能、衬砌管片接头高温性能火灾场景：温度时间曲线选用HC曲线,混凝土管片、接头火灾试验,13.2地下结构防火安全技术,研究内容：衬砌环火灾高温时（高温后）的力学性能、承载能力、破坏模式、破坏机理火灾场景：温度时间曲线选用HC曲线,混凝土衬砌环火灾试验,13.2地下结构防火安全技术,衬砌环,钢筋混凝土及钢纤维管片,衬砌管片及衬砌环火灾试验,13.2地下结构防火安全技术,火灾高温时衬砌管片内温度场的传播分布规律,13.2地下结构防火安全技术,初始荷载状态对管片火灾高温力学性能的影响,13.2地下结构防火安全技术,火灾高温导致的衬砌环内力重分布,13.2地下结构防火安全技术,接头位置对衬砌环火灾高温破坏模式的影响,13.2地下结构防火安全技术,轨道交通9号线桂林路站宜山路站区间隧道工程外径：6.2m，衬砌厚：350mm，环宽：1.2m环间连接：17根M30纵向螺栓；块间连接：2根M30环向螺栓管片混凝土等级：C55，抗渗等级：1.0Mpa,（2）地铁盾构隧道管片足尺火灾试验研究,13.2地下结构防火安全技术,13.2地下结构防火安全技术,管片混凝土高温爆裂,5-20min175-500C26-51mm13.1-55.7%,13.2地下结构防火安全技术,管片混凝土高温爆裂,13.2地下结构防火安全技术,管片混凝土高温爆裂,13.2地下结构防火安全技术,管片纵向接头变形,接头张角变化,13.2地下结构防火安全技术,管片纵向接头螺栓、止水带温度变化,接头螺栓,13.2地下结构防火安全技术,管片纵向接头螺栓、止水带温度变化,接头止水带,13.2地下结构防火安全技术,管片接头手孔、嵌缝封堵方法及性能评估,13.2地下结构防火安全技术,管片接头手孔、嵌缝封堵方法及性能评估,封堵可降低火灾高温时螺栓及止水带温度，抑制火灾高温对接头性能的影响,13.2地下结构防火安全技术,火灾条件下盾构隧道的荷载由两部分组成：衬砌结构自身的温度应力和外层土中水汽化而产生的汽压力以及土体膨胀产生的膨胀力,（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（1）,13.2地下结构防火安全技术,（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（2）,13.2地下结构防火安全技术,火灾条件下，由于地层中水分汽化而产生的蒸汽压力，将对地下结构产生额外的压力,（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（3）,13.2地下结构防火安全技术,火灾高温下地下周围地层土体力学行为,（3）结构-地层耦合体系火灾试验研究（4）,13.2地下结构防火安全技术,火灾高温下大直径装配式衬砌结构体系渐进性破坏的机理：1）火灾高温作用过程中，温度在衬砌结构内呈现渐进性扩散增加的过程，使得衬砌结构体系的混凝土、钢筋、接头连接螺栓等力学性能也在时间上呈现出出渐进性劣化的过程，逐渐从初始值向失效状态过渡；2）由于火灾时衬砌内温度场分布的不均匀性不仅表现为沿衬砌结构厚度上的不均匀，同时也表现为衬砌结构体系不同部位温度分布的不均匀，使得衬砌结构体系的破坏表现出空间上的渐进性演变过程；3）火灾高温作用过程中，衬砌结构体系各位置初始受力状态不同，衬砌结构体系各位置达到破坏状态的时间也不一致。衬砌结构体系表现为从最先破坏的薄弱环节开始，随着内力重分布和转移，破坏状态逐渐蔓延，在空间上衬砌结构体系呈现出渐进性破坏的现象；4）由于衬砌结构体系的变形的延迟，在火灾高温作用过程中，由于荷载的变化及内力重分布，衬砌结构体系的变形、内力状态都处在逐渐调整、演化的过程；5）衬砌结构体系与周围地层之间的相互作用及渐进性调整与演化。,13.2地下结构防火安全技术,（4）管片火灾高温力学特性计算理论与模型,任意边界条件下管片火灾高温力学行为的描述及内力、位移计算,13.2地下结构防火安全技术,（5）管片接头火灾高温力学特性计算理论与模型,40,13.2地下结构防火安全技术,基本参数材料参数周围地质环境火灾基本参数结构耐火措施及救灾措施,（5）地下结构火灾安全性评估方法,13.2地下结构防火安全技术,模糊综合评判法,安全等级标准,13.2地下结构防火安全技术,抗爆裂复合盾构隧道管片,可抑制爆裂，不会明显降低高温后衬砌结构的抗渗耐久性。无需增厚衬砌，无需增加隧道开挖断面。拼装与普通管片一样，无需增加额外施工时间。可以满足工程全寿命的要求，提供了从施工到运营全程的抗爆裂能力。与通体掺加聚丙烯纤维相比，由于只在PC层内使用聚丙烯纤维，因此用量较少，造价上不会增加太多。,（6）地下结构防火保护技术,13.2地下结构防火安全技术,空间比较封闭，自然排烟困难，火灾发生后升温速度快，易爆发成灾,对外出口少，导致疏散救援工作非常困难,1.地下空间火灾安全问题的特点,扑救非常困难，因为消防人员进攻路线缺乏，很难接近火源扑救,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,现有的防火疏散救援措施有：设置了监控系统、固定消防系统、疏散通道以及其他的结构防火措施，同时还制定了火灾疏散预案。存在的不足之处和问题：,所能够得到的火情信息比较有限，只能知道火灾探测器所在点处的温度，而对于地下空间内的整体温度分布情况了解不足；对于烟雾扩散的监控和预测能力不足；闭路电视系统的摄像头容易被烟雾遮挡而失去其作用；各系统之间的联系配合不够紧密，无法充分发挥各系统设施的功能效果；现有的火灾疏散预案多为固定性的、文字性的预案，而火灾现场的实际火情是实时发展变化的，这就使得一成不变的固定的预案无法满足实际的需求。,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,火灾的误报、漏报火灾现场实时信息的获取疏散救援预案及防灾管理体系不能适应火灾现场的复杂情况数字化应急疏散救援体系（灾害监测报警新技术、疏散救援新技术、数字化应急救援预案等）,火灾预警疏散,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,2.总体思路,结合火灾探测器收集到的数据实时重构地下空间内火灾情况下的三维温度、烟气场,建立火源温升曲线与火灾类型、火源热释放速率等重要火情信息间的关系,根据火势的实际发展情况来选择并实时调整疏散方案，从而达到人员疏散的最合理化,火情信息获取,三维温度烟气场重构,数字化疏散预案,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,隧道火灾动态预警疏散救援系统组成及功能图,大断面隧道足尺火灾试验研究,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,3.试验验证,高海拔寒区特长隧道现场火灾试验研究,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,3.试验验证,4.本技术的优点,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,能提供火灾时大量的关键信息，包括火源点位置，火灾大小和类型，温度场，烟气扩散范围和移动速度，从而更好地指导救援疏散工作。实时性：根据火灾探测器测得的信息实时地重构地下空间内的三维温度烟气场，从而实时地调整所执行的应急疏散救援预案。合理性：根据地下空间内实际的火势发展情况来选择相应的疏散救援预案，从而能够保证预案实施的有效性。火灾预警系统运行状态实时监测与评估,独立光纤光栅感温火灾探测系统,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,5.工程应用,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,5.工程应用,独立光纤光栅火灾探测系统布置图,5.工程应用,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,中控室,13.3隧道火灾动态火灾预警救援技术,5.工程应用,现场火灾试验,13.4小结,（1）由于环境的封闭性，交通隧道的火灾安全是一个非常重要的问题。（2）火灾高温会导致混凝土爆裂、力学性能的劣化及耐久性降低，大大降低结构的承载力和安全性。装配