《城市地下空间建设新技术》第章二

城市地下空间建设新技术

2014年11月19-22日合肥全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材

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25mm13.2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395m13.2地下结构防火安全技术1996年，英法海峡隧道（EuroTunnel）火灾中，600m～700m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30～40cm13.2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，美国霍华华德城市隧道道火灾中，隧隧道结构被严严重破坏，火火灾造成横贯贯隧道顶部直直径1m的铸铁水管破破裂13.2地下结构防火安全全技术火灾对衬砌结结构的损伤爆裂耐久性降低力学性能劣化化内力变化及承承载力降低大变形13.2地下结构防火安全全技术影响人员疏散散和灭火救援援工作的开展展影响上部建筑筑以及临近构构筑物正常使使用功能的发发挥降低地下结构构的安全性，，威胁隧道及及地下空间日日后的安全运运营特别是处于高高水压、软弱弱地层等情况况下的盾构隧隧道、沉管隧隧道，可能导导致密封及防防水失效结构的修复和和重新组织交交通需要花费费大量的人力力和物力13.2地下结构防火安全全技术地层-结构体系热力力耦合问题热-力耦合问题火灾高温热致致应力结构材料高温温性能劣化不连续体系超静定体系结构-地层相互作用用13.2地下结构防火安全全技术混凝土高温后后物理力学性性能试验混凝土管片火火灾高温时（（高温后）力力学行为管片接头火灾灾高温时（高高温后）力学学行为衬砌环火灾高高温时（高温温后）力学行行为材料层次→构件层次→结结构体系层次次→结构、地地层耦合13.2地下结构防火安全全技术混凝土强度：C50抗渗等级：P10塌落度：50±10cm配合比/kg/m342.5水泥水中砂碎石Ⅱ级低钙灰高效减水剂（早强型）NDZ-10004411606381135885.29主筋1Ф10（HRB335，热轧带肋钢筋）箍筋1Ф6.5（HPB235，热轧盘条钢筋）钢纤维2冷拔钢丝型钢纤维，直径0.9mm，长径比L/d=55，掺量60kg/m3（1）衬砌管片、、接头及衬砌砌环1：3火灾高温试验验13.2地下结构防火安全全技术研究研究内容容：火灾对衬衬砌管片的损损伤机理、衬衬砌管片高温温性能、衬砌砌管片接头高高温性能火灾场景：温温度－时间曲曲线选用HC曲线混凝土管片、、接头火灾试试验13.2地下结构防火安全全技术研究内容：衬衬砌环火灾高高温时（高温温后）的力学学性能、承载载能力、破坏坏模式、破坏坏机理火灾场景：温温度－时间曲曲线选用HC曲线混凝土衬砌环环火灾试验13.2地下结构防火安全全技术衬砌环钢筋混凝土及及钢纤维管片片衬砌管片及衬砌环火灾试验13.2地下结构防火安全全技术火灾高温时衬衬砌管片内温温度场的传播播分布规律13.2地下结构防火安全全技术初始荷载状态态对管片火灾灾高温力学性性能的影响13.2地下结构防火安全全技术火灾高温导致致的衬砌环内内力重分布13.2地下结构防火安全全技术接头位置对衬砌环火灾高温破破坏模式的影响13.2地下结构防火安全全技术轨道交通9号线桂林路站站—宜山路站区间间隧道工程外径：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）地铁盾构隧隧道管片足尺火灾试验研研究13.2地下结构防火安全全技术13.2地下结构防火安全全技术管片混凝土高高温爆裂5-20min175-500˚C26-51mm13.1-55.7%13.2地下结构防火安全全技术管片混凝土高高温爆裂13.2地下结构防火安全全技术管片混凝土高高温爆裂13.2地下结构防火安全全技术管片纵向接头头变形接头张角变化化13.2地下结构防火安全全技术管片纵向接头头螺栓、止水水带温度变化化接头螺栓13.2地下结构防火安全全技术管片纵向接头头螺栓、止水水带温度变化化接头止水带13.2地下结构防火安全全技术管片接头手孔孔、嵌缝封堵堵方法及性能能评估13.2地下结构防火安全全技术管片接头手孔孔、嵌缝封堵堵方法及性能能评估封堵可降低火火灾高温时螺螺栓及止水带带温度，抑制制火灾高温对对接头性能的的影响13.2地下结构防火安安全技术火灾条件下盾构构隧道的荷荷载由两部部分组成：：衬砌结构构自身的温温度应力和和外层土中中水汽化而而产生的汽汽压力以及及土体膨胀胀产生的膨膨胀力（3）结构-地层耦合体体系火灾试验研究（1）13.2地下结构防火安安全技术（3）结构-地层耦合体体系火灾试验研究（2）13.2地下结构防火安安全技术火灾条件下下，由于地地层中水分分汽化而产产生的蒸汽汽压力，将将对地下结结构产生额额外的压力力（3）结构-地层耦合体体系火灾试验研究（3）13.2地下结构防火安安全技术火灾高温下下地下周围围地层土体体力学行为为（3）结构-地层耦合体体系火灾试验研究（4）13.2地下结构防火安安全技术火灾高温下下大直径装装配式衬砌砌结构体系系渐进性破破坏的机理理：1）火灾高温温作用过程程中，温度度在衬砌结结构内呈现现渐进性扩扩散增加的的过程，使使得衬砌结结构体系的的混凝土、、钢筋、接接头连接螺螺栓等力学学性能也在在时间上呈呈现出出渐渐进性劣化化的过程，，逐渐从初初始值向失失效状态过过渡；2）由于火灾灾时衬砌内内温度场分分布的不均均匀性不仅仅表现为沿沿衬砌结构构厚度上的的不均匀，，同时也表表现为衬砌砌结构体系系不同部位位温度分布布的不均匀匀，使得衬衬砌结构体体系的破坏坏表现出空空间上的渐渐进性演变变过程；3）火灾高温温作用过程程中，衬砌砌结构体系系各位置初初始受力状状态不同，，衬砌结构构体系各位位置达到破破坏状态的的时间也不不一致。衬衬砌结构体体系表现为为从最先破破坏的薄弱弱环节开始始，随着内内力重分布布和转移，，破坏状态态逐渐蔓延延，在空间间上衬砌结结构体系呈呈现出渐进进性破坏的的现象；4）由于衬砌砌结构体系系的变形的的延迟，在在火灾高温温作用过程程中，由于于荷载的变变化及内力力重分布，，衬砌结构构体系的变变形、内力力状态都处处在逐渐调调整、演化化的过程；；5）衬砌结构构体系与周周围地层之之间的相互互作用及渐渐进性调整整与演化。。13.2地下结构防火安安全技术（4）管片火火灾高温力力学特性计计算理论与与模型任意边界条条件下管片片火灾高温温力学行为为的描述及及内力、位位移计算13.2地下结构防火安安全技术（5）管片接接头火灾高高温力学特特性计算理理论与模型型4013.2地下结构防火安安全技术基本参数材料参数周围地质环环境火灾基本参参数结构耐火措措施及救灾灾措施（5）地下结构火火灾安全性性评估方法法13.2地下结构防火安安全技术模糊综合评评判法安全等级标标准13.2地下结构防火安安全技术抗爆裂复合合盾构隧道道管片可抑制爆裂裂，不会明明显降低高高温后衬砌砌结构的抗抗渗耐久性性。无需增厚衬衬砌，无需需增加隧道道开挖断面面。拼装与普通通管片一样样，无需增增加额外施施工时间。。可以满足工工程全寿命命的要求，，提供了从从施工到运运营全程的的抗爆裂能能力。与通体掺加加聚丙烯纤纤维相比，，由于只在在PC层内使用聚聚丙烯纤维维，因此用用量较少，，造价上不不会增加太太多。（6）地下结构防防火保护技技术13.2地下结构防火安安全技术空间比较封封闭，自然然排烟困难难，火灾发发生后升温温速度快，，易爆发成成灾对外出口少少，导致疏疏散救援工工作非常困难1.地下空间火灾安安全问题的的特点扑救非常困困难，因为为消防人员员进攻路线线缺乏，很很难接近火火源扑救13.3隧道火灾动动态火灾预预警救援技技术现有的防火火疏散救援援措施有：：设置了监控系统、、固定消防防系统、疏疏散通道以以及其他的的结构防火火措施，同时还制制定了火灾灾疏散预案。存在的不足足之处和问问题：所能够得到到的火情信息比比较有限，只能知道道火灾探测测器所在点点处的温度度，而对于于地下空间间内的整体体温度分布布情况了解解不足；对于烟雾扩扩散的监控控和预测能能力不足；；闭路电视系系统的摄像头容易易被烟雾遮遮挡而失去其作作用；各系统之间间的联系配配合不够紧紧密，无法法充分发挥挥各系统设设施的功能能效果；现有的火灾灾疏散预案多多为固定性性的、文字字性的预案案，而火灾现现场的实际际火情是实实时发展变变化的，这这就使得一一成不变的的固定的预预案无法满满足实际的的需求。13.3隧道火灾动动态火灾预预警救援技技术13.3隧道火灾动动态火灾预预警救援技技术火灾的误误报、漏漏报火灾现场场实时信信息的获获取疏散救援援预案及及防灾管管理体系系不能适适应火灾灾现场的的复杂情况数字化应急疏散散救援体体系（灾灾害监测测报警新新技术、、疏散救救援新技技术、数数字化应应急救援援预案等等）火灾预警警疏散13.3隧道火灾灾动态火火灾预警警救援技技术2.总体思路结合火灾灾探测器器收集到到的数据据实时重重构地下下空间内内火灾情情况下的的三维温温度、烟烟气场建立火源源温升曲曲线与火火灾类型型、火源源热释放放速率等等重要火火情信息息间的关关系根据火势势的实际际发展情情况来选选择并实实时调整整疏散方方案，从从而达到到人员疏疏散的最最合理化化火情信息息获取三维温度度烟气场重重构数字化疏散预案案13.3隧道火灾灾动态火火灾预警警救援技技术隧道火灾灾动态预预警疏散散救援系系统组成成及功能能图大断面隧隧道足尺尺火灾试试验研究究13.3隧道火灾灾动态火火灾预警警救援技技术3.试验验证证高海拔寒寒区特长长隧道现现场火灾灾试验研研究13.3隧道火灾灾动态火火灾预警警救援技技术3.试验验证证4.本技术的的优点13.3隧道火灾灾动态火火灾预警警救援技技术能提供火火灾时大量的关关键信息息，包括火火源点位位置，火火灾大小小和类型型，温度度场，烟烟气扩散散范围和和移动速速度，从从而更好好地指导导救援疏疏散工作作。实时性：根据火火灾探测测器测得得的信息息实时地地重构地地下空间间内的三三维温度度烟气场场，从而而实时地地调整所所执行的的应急疏疏散救援援预案。。合理性：根据地地下空间间内实际际的火势势发展情情况来选选择相应应的疏散散救援预预案，从从而能够够保证预预案实施施的有效效性。火灾预警警系统运运行状态态实时监监测与评评估独立光纤纤光栅感感温火灾灾探测系系统13.3隧道火灾灾动态火火灾预警警救援技技术5.工程应用用13.3隧道火灾灾动态火火灾预警警救援技技术5.工程应用用独立光纤