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隧道群防灾救援技术 地下工程减灾防灾学 —隧道群防灾救援技术 西南交通大学 2017年6月 隧道群防灾救援技术 1、引言 随着我国隧道建设的大力发展，隧道群在城市建设、水利水电、铁路、公路的建设中频繁出现，于此同时伴随着隧道群的发展，出现的各种隧道灾害也是屡见不鲜，频频发生。为此怎么减少甚至是消除隧道群灾害的问题就摆在了隧道技术研究人员的面前。我认为隧道群的防灾救援技术应该从以下几个方面进行研究。 （1）现今关于单体隧道的防灾减灾研究已经取得了丰富的成果，比如泥巴山隧道中的防灾救援设计技术就非常的前沿，那么这样才能把单体隧道中的研究成果运用到隧道群防灾救援中就是一个值得关注的问题。 （2）我国海底隧道的发展也给隧道群的防灾救援技术带来一定的启示，我国的海底隧道建设大都采用了两条主隧道加上一条服务隧道的形式，严格的讲，海底隧道就属于隧道群的范畴，那么隧道群防灾救援技术就可以借鉴我国以及国外海底隧道中的设计。 （3）对于长大公路隧道群的发展而言，尤其是特长公路隧道的发展，怎样设置防灾救援站、怎样减少在灾害发生时伤亡，怎样组织乘客撤离危险区域都是值得进一步进行研究。 （4）对于山区高速铁路隧道群而言，桥隧相邻情况普遍，安全隐患多，救援疏散条件差。一旦列车在隧道内发生火灾，将陷入疏散环境恶劣，救援工作面狭隘的困境。因此，一旦列车发生火灾怎样组织疏散乘客，向什么方向疏散也是我们所需要考虑的。 2、我国隧道群发展背景 近年来，我国高速公路隧道建设取得了巨大成就，大量特长隧道和隧道群不断涌现，隧道在改善线性、缩短行车距离、避免地质灾害、保护生态环境等方面具有显著的优点，已成为高速公路的重要组成部分，但特长隧道和隧道群特殊的交通环境产生的交通安全问题，引起了人们的广泛关注。目前，我国已经成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展最快的国家。隧道在整个线路中多占的比例也越来越大，形成高速公路隧道群的特征，如四川省广甘高速公路全长58.5km，共设隧道18座，特长隧道达3座；云南衡昆国道主干线富宁—砚山高速公路全长140km，共有27座隧道;京珠高速公路韶关段全长54km，长隧道3座，短隧道1座，约占韶关路段长度45%；贵州省崇遵高速公路共有隧道17座，约占总里程的18%。近年来，重庆高速公路建设取得了巨大的发展，到2010年，重庆市规划的2000公里“二环八射”高速路网将全线连通，由于其地处中国西南，四川盆地东南缘，修建完成的高速公路隧道数量巨大，即将建成的3km以上特长隧道32座，5km以上的特长隧道12座，隧道总数量达到140座；同时隧道群多，隧道进出口距离较近，其隧道间距在100m以下占隧道7. 6%，隧道间距在100m-500m占隧道14. 4%，隧道间距在500m-2000m占隧道33. 3%，隧道间距在2000m-5000m占隧道23. 5%。重庆高速公路的隧道间距分布如表1-1所示。 表1-1 重庆高速公路隧道间距分布 序号 间距/m 比例/% 1 100m以下 7.6 2 100m-500m 14.4 3 500m-2000m 33.3 4 2000m-5000m 23.5 5 5000m以上 21.2 大量的隧道和隧道群的建设，取得良好的社会经济效益。但公路特长隧道及隧道群由于其道路及交通环境的特殊性，暴露出由于交通灾害事故而引起的安全问题。 3、隧道群出现的灾害事故 谈到隧道灾害事故，发生最为频繁的就是隧道火灾以及隧道交通事故了，我国隧道发生的灾害事故90%以上都是这两种情况，这也是地下工程防灾减灾学中的研究重点，对于隧道群而言，隧道群中所发生的事故与单体隧道发生的灾害事故基本相同，在下面的内容中主要以比较著名的隧道灾害事故为例进行说明。 3.1 隧道火灾事故 公路隧道是一个半封闭的空间，行驶的车辆燃料为易燃品，其火灾的特点主要表现为火灾不确定性强、温度高、烟气能见度低、有毒有害气体浓度高、火灾蔓延速度快、人员疏散困难，以及短时间内救援很难到达事故现场展开施救工作等。因此，隧道一旦发生火灾并得不到有效控制，造成的直接经济损失巨大、间接损失难以估计。 1999年3月24日上午11时左右，在法国连接意大利的勃朗峰隧道发生过一起隧道火灾事故，当时一辆满载黄油和面粉的车辆发生火灾，最终火情失去控制，那次事故直接导致至少41人不幸遇难。比利时卡车进入隧道后不久，这辆满载面粉和黄油的卡车隧道中失火，法国方面的隧道监视系统探测到了车上的烟雾。但这辆卡车没有停下来，而是继续行驶到隧道中部。勃朗峰隧道内是安装有自动灭火系统和自动排烟系统，但是火灾发生后，这些先进的消防系统没有自动启动，火势接着殃及前后车辆。如图3-1。 图3-1 法国勃朗峰隧道火灾 3.1.1火灾的发展规律 火灾燃烧过程包括了火灾初期增长、充分燃烧、熄灭三个过程。如图3-2所示。火灾初期增长阶段只是起火部位及其周围一定范围的可燃物着火和燃烧，由于这相对于隧道空间来讲，此时的火灾与在敞开的空间内燃烧一样。在起火阶段后期，火灾范围迅速扩大，当房间温度达到一定值时，室内所有的可燃物都发生燃烧。在火灾全面发展阶段的后期，随着室内可燃物的消耗，火灾的燃烧强度逐渐减弱，以致明火熄灭。 图3-2 火灾增长过程 3.1.2隧道火灾特点 通过对国内外的隧道火灾事故和科研试验的调查,得出隧道火灾几个特点是: 1、失火爆发成灾的时间快,一般为4-10min。 2、火灾的持续时间较长,它与隧道内的环境有关,一般在30min和几个小时之间。 3、隧道火灾产生烟雾浓度大,传播迅速,毒性强。较小的火灾更容易产生大量的烟雾并充满整座隧道,即使在强力照明(泛光灯)的条件下,能见度也只在1.0m左右。同时,有毒烟雾的传播,将使人员中毒而死亡。 4、火灾温度高。隧道内一旦起火,火灾下游的空气温度可达到1000℃以上,这样,火就能从一个燃料火源“跳跃”一个长度而引燃下一个着火点试验中已经观察到这个“跳跃”的长度约为隧道直径的50倍; 5、隧道火灾将极大地影响隧道内空气压力的分布,而隧道空气压力的变化可导致通风气流流动速度的变化,或加速,或减速,或者完全逆向流动。隧道火灾由于有强烈的热对流,只能从火灾上游去救火。然而,烟的这种逆向流动将会阻碍救火工作的进行。 6、火灾在发生过程中,在隧道拱顶附近会形成一层远离火源的热烟流和气流,而支持燃烧的空气从热烟层下面向火源流动。同时,对纵向式通风系统,如果通风的风量充足,则将使所有的热气流流向下风向。如果风量不足,上层的热气流将相反于压力通风的方向流动,发生“回流现象”。 7、隧道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10-20cm,约为隧道衬砌总厚度的1/3-1/2。严重的情况会造成拱顶掉落,边墙倒塌,进而造成整个隧道坍塌。 8、据国外统计资料表明:隧道内火灾频率平均为13.5次/亿车·km。 9、安全疏散困难,极易发生次生灾害。 3.2 隧道群交通事故 高速公路隧道及隧道群一般修建设在山区，沿线相对封闭，一旦发生交通事故并得不到及时的处置，可能造成大范围交通阻塞，在毗邻隧道较近的情况下，车辆也可能阻塞在上游隧道内，造成新的事故风险。同时由于交通阻塞，应急救援的车辆难以及时到达事故现场，将错失事故初期处置的有时机，因此，高速公路隧道及隧道群的应急救援至关重要。 公路隧道与外部道路的行车环境有较大差异，隧道交通事故的发生受多种因素的影，当照明条件差、通风不畅、线性设计不合性、路面湿滑等都可能造成交通事故的发生，事故后果也较严重。2008年9月4日，浙江省金丽温高速公路俞主隧道口发生交通事故，造成10人死亡36人受伤的重大交通事故。2005年4月18日，一辆大巴客车在行驶到重庆黔江区香山隧道至狮子峰隧道之间沙弯特大桥处时，冲出大桥，造成27名人员死亡。在2009年2月2日，该香山隧道内一辆小轿车与中巴车相撞，致使1人死亡，10余人不同程度受伤。 山区高速公路修建过程中，线路的沿线一般不止修建一座隧道，而是多座隧道，形成隧道群结构形式，线路包括“隧一路一隧”或者“隧一桥一隧”等类型，高速公路隧道群除具有一般单体隧道的特征外，由于隧道之间的相互影响，独特的隧道群结构形式将影响行车安全，产生新的安全隐患和风险。2008年江西省泰称高速公路10公里长下坡隧道群3个月发生交通事故17起，死亡3人；2007年2月5日，浙江省金丽温高速公路隧道群丽水出口段连续发生5起交通事故。 3.2.1隧道交通事故特点 隧道内的交通事故形态主要有追尾、翻车、火灾、货物洒落等，其中追尾事故为隧道交通事故的主要形态，占整个事故构成的65.89%，其次是撞隧道壁和翻车事故，分别占整个事故构成的17.89%和12.71%，火灾和其它（货物洒落）事故相对较少，占整个事故的3.3%和0.17%。隧道发生交通事故的车型包括小汽车、客车、货车、集装箱和油罐车等，其中小汽车和货车为发生交通事故的主要车型，其次为客车、集装箱和大货车，分别占和最少为大客车和油罐车。 4、隧道群防灾救援措施 4.1 交通隧道火灾救援设置原则 公路隧道火灾救援的基本原则因各国国情不同、各地区具体标准细则不同而各异统计分析国内外先进的消防理念后汇总如下： （1）对于特长公路隧道而言，防灾救援设置应从其最基本的出发点而来，经过大量的工程实践总结而言。应为＂防消结合，以防为主＂。 （2）从规划设计隧道的最巧始，应该设定此隧道的消防等级，并根据消防等级进行相应的设计；在随后的施工期间应注重隧道的防灾体系的设计，按着设计施工，杜绝偷工减料，综合考虑，选化最优异的材料和施工方法，最大限度的杜绝火灾的发生。 （3）运营期间，管理人员应定期检查消防设施，如有损毁或者丧失功能，应及时进行维修及替换，并且管理人员应制定适宜的消防预案，如果发生火灾，应采取何种应急措施。 （4）构建智能化的通风系统，及照明系统，如若发生火灾，启动火灾情况下的通风照明系统，自动化的监测有毒有害物质浓度、烟流温度、可见度等信息，确保科学准确的指挥现场防灾。 （5）在整个交通隧道系统关键位置设置防灾预警体系，并确保体系稳定、信息。 4.1.1 隧道防灾救援系统 图4-1 隧道防灾救援体系 4.1.2 高速公路隧道群防灾救援设施分类及设置 以国内外隧道防灾救援设施设置现状为依据，在考虑各防灾救援设施彼此之间差别的基础上，将高速公路隧道群防灾救援设施进一步划分为“机动型”和“非机动型”两大类，并简单给出各类设施的设置方法，如表3-1所示。 表3-1 高速公路隧道群防灾救援设施分类表 4.1.3 高速公路隧道火灾探测器分类与选型 火灾探测器是火灾信号的传感元件，是整个火灾自动报警系统最基本的组成部分它是实现火灾的非电量电测技术的关键。根据火灾发生的特点，目前较常用及成熟的有感烟、感温、感光等传感技术。 由于隧道内环境污染较大，特别是汽车尾气的大量排放对感烟火灾探测器会 产生较大的误信号，并影响感烟型火灾探测器的使用寿命，所以感烟型火灾探测 器很少在公路隧道内使用，其多设置在中控室、配电房、风机房、发电机房等处。 目前，国内公路隧道内设计施工中常用的火灾自动探测器按检测原理可分为 三类:线型感温探测器、点型感光探测器和视频图像火灾探测器。线型感温探测器主要包括分布式光纤感温探测器和光纤光栅探测器;点型感光探测器主要有双 波长火焰探测器。 ① 布式光纤感温探测器 光纤分布式温度检测系统工作原理为光纤温度雷达中采用的雷达技术，激光光源沿着光纤注入光脉冲，脉冲大部分能传到光纤末端并消失，只有少部分拉曼散射光会沿着光纤反射回来，且该部分反