大型地下互通式立交隧道防灾救援措施探讨

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公路交通技术2012年4月第2期TechnologyofHighwayandTransportApr．2012No．2大型地下互通式立交隧道防灾救援措施探讨陈建忠，涂耘(i．招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆400067；2．国家山区公路工程技术研究中心，重庆400067)摘要：通过对火灾案例和火灾试验结果的分析研究，给出地下立交火灾场景的关键参数及地下立交横断面、纵向风速对火灾热释放率的影响规律。根据目前隧道火灾发生实际状况和营运技术水平，提出地下立交隧道防火安全等级体系和与之相对应的防火设施配置。对地下立交人员所需安全疏散时间与可用安全疏散时间进行对比分析、研究，得出地下互通式立交区域联络通道的合理间距。关键词：地下立交；安全等级；安全疏散；合理间距文章编号：1009—6477(2012)02—0129—07中图分类号：U459．2文献标识码：AProbeintoMeasuresforFireProtectionandRescueinLarge—scaleUndergroundInterchangeTunnelsCHENJianzhong．TUYunAbstract：Basedonanalysisandstudyforfirecasesandfiretestresults，thispaperpresentsinfluencelawofkeyparametersoffirescene，crosssectionandlongitudinalwindspeedofundergroundinterchangeonheatreleaserateoffires．Inaccordancewithpracticalconditionsoffiresintunnelsandoperatingtechnicallevelatpresent，thepaperputsforwardfireprotectingsafetyclasssystemofundergroundinterchangetun-nelsandconfigurationofcorrespondingfirefightingfacilities．Comparativelyanalysisandstudyfortimeofsafeevacuationrequiredbypersonnelofundergroundinterchangeandavailabletimeofsafeevacuationareperformedtoobtainthereasonableclearanceofcontactpassagewaysinundergroundinterchangearea．Keywords：undergroundinterchange；safetyclass；safeevacuation；reasonableclearance随着中国经济的高速发展，城市化水平不断提空前丰富，人们在享受现代科技所带来的高度物质高，导致城市规模扩大，城市人口超饱和，建筑空间文明的同时，对自身的健康、安全和环境质量也提出拥挤，城市绿化减少，城市环境日益恶化。为了解决了更高要求。但与此极不适应的是全球范围内的安城市交通拥挤问题，立体使用空间已成为一个发展全状况并未随着物质文明的提高而发生根本好转，趋势，出现多种交通方式，如地铁、高架道路、城市公重大灾难性事故时有发生，出现了安全工作状况和路隧道等，其起到了缓解中心城市密度，人车立体分现代化生产极不协调的严重局面，从而迫使人们对流，有效疏导交通等作用。城市隧道作为地面道路安全问题重新认识。研究火灾时期人员的安全疏散的延伸和补充，具有造价相对较低、可灵活解决私人问题对防火灭火设计具有重要作用。实际生活中，汽车流量、隧道中污染物排放集中有利于处理、噪音单纯依靠预防措施并不能防止灾害发生。水火无易于控制等特点，因而被广泛采用¨I2j。情，在隧道特别是在大型地下立交区域，一旦发生火目前，随着世界各国城市化的迅猛发展，出现了灾，造成的后果不堪设想。而发生灾害后，人员如何建造地下立体快速公路交通网的需求，美国波士顿及时脱离灾害危险区域是减轻事故损失的重要问题和日本东京已建成了地下快速路。我国厦门和重庆之一，因此研究火灾中抗灾救援问题具有现实意义。等城市，也已在建和拟建地下互通式立交公路隧道。地下互通式立交隧道跨度大、结构复杂，近接施工难1地下立交隧道火灾场景度大，且其通风和抗灾等运营技术难度更大。近几火灾场景是指发生火灾时，地下立交内可能的十年来，科学技术取得了突飞猛进的发展，物质财富温度分布变化情况。确定一个火灾场景的关键参数收稿日期：2011—10—09作者简介：陈建忠(1982一)，男，四川省隆昌县人，硕士，助理研究员 130公路交通技术2012年包括火灾规模、升温速率、最高温度、持续时间、降温害，在纵向通风隧道内重型货车引起的火灾释热率可模式、温度横纵向分布等。达1130MW以上；但良好的通风也会改善隧道的散热近20年来，国际上已经进行了大量研究来确定条件，可能使火灾危害减小。图1是EUREKA进行可能发生在隧道及其他地下建筑中的火灾场景和火的2组关于火灾释热率的木柴火灾试验对比图。一灾类型，有些是在真正的、废弃的隧道中或实验室进组是在自然通风条件下，火灾释热率随时间的变化曲行。研究表明，公路隧道火灾在起火后l0—15min线；另一组是在机械强迫通风风速为2．2m／s条件内热释放速率快速增长，温度急剧上升，大部分火灾下，火灾释热率随时间的变化曲线。由图1可知，在在5～10min内即可达到1000℃以上。自然通风条件下，火灾释热率在火灾发生后15min对于地下立交的火灾场景，一般可以假设为多左右达到最大值，约9．8MW；在机械强迫通风风速为辆小汽车火灾、公共汽车火灾、载货卡车火灾、可燃2．2m／s条件下，火灾释热率在火灾发生后19rain左液体或石油气槽车火灾。其火灾持续时间、热释放右达到最大值，约27MW。后者火灾释热率约为前者量、隧道内的温度等情况因隧道条件和车辆及其运的2．8倍。以往的大量火灾试验研究表明，强制通风输物品不同而有较大差异。对于多辆小汽车火灾，对火灾的影响视火源的类型和尺寸而定。以4辆车为例，一般30s后即可达到12MW的最大值，持续约60min。公共汽车火灾在10min后可达塞到25MW的最大值，持续约90min。载货卡车在5巨rain左右可以达到180Mw的最大值，持续约90min。可燃液体或石油气槽车火灾的热释放率取决艇蕞于液体扩散的面积等情况，一般可达到300MW，持续约60min，火焰可扩展到4O一60mp。地下立交火灾场景主要取决于交通工具的类型，其火灾热时间／min释放率及适用的火灾时间一温度曲线随交通工具类图1自然通风与机械通风状态条件下的热释放率对比型的不同而各有差异，见表1。1)地下立交封闭环境对热释放率的影响。Et本消防研究所进行了模型隧道火灾试验，结2地下立交隧道防火安全等级果表明，隧道内燃料的燃烧速度是开敞空间的3倍。所谓地下立交隧道防火安全等级，是指根据城定义一个释热量的环境条件增大系数以表征封闭环市地下快速道路网在区域路网中的重要性和发生火境对热释放率的影响，=隧道内的释热量／开放条灾可能造成的危害性，将其按一定的防火安全要求件下的释热量。大量试验表明，一般大于1，且其划分成不同等级。公路隧道按长度划分为短隧道、取值和隧道尺寸与火源尺寸的比值有关。根据中隧道、长隧道和特长隧道4类。隧道交通工程是Bayesian理论，在所有几何尺寸中，隧道宽度对的隧道安全营运保障的重要部分，国际上对隧道分级影响最大，占83％，而隧道高度仅占19％-6J。的划分除考虑长度外，主要还考虑交通量因素。少2)地下立交纵向通风速度对热释放率的影响。数国家的标准规范将其分为5级，大部分国家则分地下立交发生火灾后，相对自然通风条件，强制为4级。地下立交隧道防火安全等级的划分准则是通风会使得氧气供给更充足，这可能加重火灾的危地下立交隧道内的年事故概率。 2012年第2期陈建忠，等：大型地下互通式立交隧道防灾救援措施探讨131从以往的研究看，长度无疑是分级的一个重要P=365X10一“×O／XL×g。(1)指标，交通量、火灾频率同样是进行防火安全等级划式中，P为地下立交隧道年火灾事故概率估计值，当分的重要指标。地下立交隧道火灾频率与地下立交P的计算值大于1时，取值1；L为地下立交隧道长隧道长度、交通密度、速度控制和公路坡度等有关。度，1TI；q为地下立交隧道单向年平均日交通量，因此，火灾频率由地下隧道每m数量确定，且与车pcu／d；ol为地下立交隧道火灾事故率(火灾事故数／辆数×km数量相关，包括地下立交隧道长度总效应1O车·km)，取值4。和交通密度。根据P计算值，地下立交隧道防火安全等级划参照《高速公路隧道监控系统模式》和JTG—T分见表3。D71-2004~公路隧道交通工程设计规范》对监控等级和交通工程等级的划分，并结合我国城市地下快表3地下立交隧道防火安全等级划分速道路发展现状及趋势，从工程建设难度、运营管理等级IⅡⅢⅣV方式以及对道路周边环境的影响等方面统筹考虑，P／％>36．521．9～36．57．3～21．93．65—7．3≤3．65提出将地下立交隧道按其长度分为5类，见表2。表2地下立交隧道长度分类特长地长地下中长地中地下短地下3地下立交隧道防火安全设施配置⋯。片⋯下道路道路下道路道路道路完善的地下立交隧道防火设施应由检测设施、长J蔓：／m>50003000～50001000～3000500～1000<~500通报设施、警报设施、消防设施、诱导设施、逃生设施和其他设施等7大部分组成。各种设施在地下立交根据表2提出的地下立交隧道长度分类原则，隧道防火中既有明确分工，又有相互配合。在地下按长度和单向年平均日交通量将地下互通式立交隧道路内设置完善的防火安全设施，虽然能取得较好道防火安全划分为5个等级，如图2所示。满足以的防范效果，但同时也会增加工程投资，所以地下道下条件的区域其安全防火等级应提高一档：路防火设施的选择和设置应遵循安全、经济、实用的1)对于事故率高、平曲线半径为500m以下或原则。根据本文划分的地下立交隧道防火安全等纵坡超过4％的下坡线形较差区域；级，给出了对应的防火安全设施配置，见表4。2)地下立交隧道穿越江底、河底、海底；3)地下立交隧道穿越城市繁华地段的区域；4)隧道地下大型互通立交近距离重叠段和多4地下互通式立交隧道逃生通道设置条隧道交叉段。4．1所需安全疏散时间确定地下立交隧道防火安全分级对应火灾概率可按联络横通道的宽度小于地下立交的宽度，因此下式计算大批人员拥到疏散通道口可能会受到阻挡，同时疏＼；l{i{{i}i‘’⋯⋯⋯⋯叶-、；、；、}⋯⋯●’●⋯_'。⋯⋯---}‘t一l___-⋯～_--●⋯＼_⋯●⋯⋯_⋯-J⋯⋯⋯-__●’_⋯二：j●，●⋯_⋯’_V‘×Ⅳl!＼_⋯_⋯⋯+●_●+__●⋯⋯⋯⋯'_l：⋯⋯-，．⋯一+⋯-{⋯⋯+⋯⋯^‘‘●●_●^1{：⋯⋯⋯⋯．i⋯一L⋯⋯4‘-⋯⋯●‘●_‘●-●⋯地下立交隧道长度，fn注：对于长度小于100m或年平均日交通量小于1000pcu／d的地下立交隧道一般可不设防火安全设施，特殊情况除外。图2地下立交隧道防火安全等级划分 132公路交通技术2012年注：●为原则上必选设施；0为视需要可选设施。散通道口宽度不能完全用于人员通行，有效宽度大tl=^[n×rX(W一0．3)J。(2)约比实际宽度窄0．3—0．4m。若地下道路内临危式中，t为人员全部通过疏散横通道口所必需的时区域人数为Ⅳ，单位疏散通道口宽度单位时间通过间；r约为(1．2～1．5)人／(m·S)，本文按最不利情的人数为r，疏散通道口宽度为，取疏散通道边界况下取值，为1．2人／(rn·S)。厚度为0．3m，出口数为n，则人员全部通过疏散横本文参考复杂建筑物火灾的人员疏散模型，假通道15所必需的时间可用下式表示：设地下立交内只允许客车通行，火灾由2辆大客车 2012年第2期陈建忠，等：大型地下互通式立交隧道防灾救援措施探讨133相撞引起，且火灾位于某一逃生通道口，结合人员在一·2m--一W=2．5m—，．3m800不同火灾场景中的疏散速度，假定各种可能的疏散70o通道间距和不同联络通道宽度，计算出人员所需的60F500安全疏散时间，整理结果如图3所示。4．2可用安全疏散时间分析确保人员安全疏散即保证人员在火灾达到危险200100状态之前全部疏散到安全区域。在火灾情况下保证0人员安全进行疏散需同时满足以下4个条0】oo2oo30o疏散距离，m件川：图3不同疏散通道间距和不同联络通道1)2m以上空间内烟气层的辐射热荷载为2．5宽度的人员安全疏散时问kW／m，相应的温度不能超过180℃；2)2m以下空间内烟气温度不能超过80℃；一一v=O．0m／s⋯．v=3．0m／s一集中排烟3)能见度不小于7m；4)CO浓度不大于1000ppm。4．3可用安全疏散时间确定火灾产生的高温及烟气对人体损害最大，且对∞54∞4∞3∞32∞2∞1∞l0于地下立交内车辆和人员的逃生也有极大的威胁，具体表现在：高温烟气移动中向周围不断辐射热量，对人员、结构造成损伤，同时由于火风压作用，会导致地下立交内烟流紊乱，使地下立交内能见度降到图4集中和纵向排烟的可用安全疏散时间很低，甚至损伤逃生通道和信号引导灯的功用；含有安全隧道大量有毒有害气体的高温烟雾会刺激人的眼睛流车人人泪，使视力下降，给人在精神上和体力上造成巨大的压力，极大地妨碍人员、车辆的逃生及火灾救援。采越用FDS软件建立地下立交火灾模拟模型，通过对50道MW规模火灾的温度、能见度、CO浓度进行模拟计火灾位置烟雾流动方向算分析，得出集中排烟方式和纵向排烟方式情况下图5人员疏散示意的可用安全疏散时间，见图4。4．4安全疏散的临界时间与临界距离中的可用安全疏散时间刚好等于人员所需安全疏散根据上述火灾状态下司乘人员安全疏散的判定时间。本文将可用安全疏散时间与人员所需安全疏条件，在疏散过程中，采用纵向排烟方式，可将烟流散时间相等的时间定义为“人员安全疏散的临界时限制在火源一侧使其向行车方向下游蔓延，而火源间”，将人员在“安全疏散的临界时间”内所能安全上游人员的疏散不受烟雾、温度、有毒气体的影响，疏散的距离定义为“人员安全疏散的临界距离”。对于人员的顺利逃生、安全到达安全区域极其有利。4．5地下立交联络通道设置间距分析但人员从着火车辆内疏散至地面后，可能会选择向4．5．1采用集中排烟方式的地下立交联络通道设火源下游方向疏散，如图5所示。如果从火灾点向置间距分析下游某一位置A点疏散的过程中，可用安全疏散时火灾发生时，采用集中排烟方式的地下立交，利间始终大于人员所需安全疏散时问，则人员的疏散用顶部排烟道半横向排烟，地下立交内的能见度较很安全。而在行走至某一位置B点，并向下游更远好，人员的疏散速度明显增加。将本文分析得出的的地方疏散时，其可用安全疏散时间小于所需的安地下立交人员所需安全疏散时间与可用安全疏散时全疏散时间，则人员的疏散会出现危险。间进行比较，如图6所示。由高等数学的介值定理可知，在A点和B点之由图6可知，采用集中排烟方式，可有效控制烟间必然至少存在某一临界点c，使得人员在疏散过程雾的蔓延，将烟雾限制在地下立交上部空间，人员可 134公路交通技术2012篮一·Iv=2m⋯·W=2．5m表5各工况的地下立交联络通道间距∞0∞9∞8∞7—∞6∞5W∞4，-∞33m∞2⋯∞lOTAEST疏散距离／m图6集中排烟方式所需安全疏散时间与可用安全疏散时间的比较较短；当风速等于临界风速时，其间距较远。同时，联络通道宽度越大，其人员安全疏散的临界距离也用安全疏散时间远大于所需安全疏散时间，地下立越远。鉴于城市地下道路交通量大、司乘人员较多，交内的人员能安全逃生。采用集中排烟方式的地下且人员组成复杂，地下互通式立交区域联络通道宽立交联络通道设置间距不受可用安全疏散时间的限度宜取3．0m。若仅从安全性考虑，即保证各种工制。设置间距可参照JTJ021-2004(公路隧道设计况下的人员疏散都很安全，则纵向排烟方式的地下规范》建议值250m取值。互通式立交区域联络通道的合理间距为195m。4．5．2采用纵向排烟方式的地下立交联络通道设置间距分析5结语采用纵向排烟方式的地下立交，当纵向风速达本文对地下立交隧道火灾场景关键参数的规到临界风速时，可将烟雾限制在火源一侧并使其向律、大型地下互通式立交防火安全设施、人员安全疏行车方向下游蔓延。火源上游人员的疏散不受烟散、逃生通道设置进行了探讨，得出如下结论和建议：雾、温度、有毒气体的影响，对于人员的顺利逃生、安1)根据目前地下立交隧道建设的实际状况和全地到达安全区域极其有利，火源下游的车辆也可技术水平，建立了地下立交隧道防火安全等级体系，以迅速从隧道出口驶离地下立交。假设事故肇事车按长度和单向年平均日交通量将地下立交隧道防火辆其中一辆客车的司乘人员选择火灾下游进行逃生安全等级划分为5个等级。疏散(图5)，对其所需安全疏散时间与可用安全疏2)结合地下立交隧道火灾情况下地下道路环境散时间进行比较，如图7所示。一-IV=2m⋯一W=2Sril1．W=3m以及人员的疏散特性，计算得出在各种可能的疏散通道间距和不同联络通道宽度情况下人员安全疏散所需的疏散时间。例如，当疏散通道间距为200m、联络通道宽度为3ITI时，人员所需的安全疏散时间为366S。3)提出火灾状态下司乘人员安全疏散的判定条件，通过对50MW规模火灾的温度、能见度、CO浓度的计算分析，得出集中排烟方式和纵向排烟方式情况下的可用安全疏散时间。疏散距离／m4)鉴于地下立交隧道交通量大司乘人员较多，图7纵向排烟方式火源下游侧所需安全疏散时间且人员组成复杂，地下立交联络通道宽度宜取3ITI。与可用安全疏散时间的比较采用集中排烟方式的地下互通式立交区域联络通道根据图7及人员安全疏散的判断条件，得出在的合理间距为250m，纵向排烟方式的地下互通式地下立交联络通道不同宽度和不同通风风速下的立交区域联络通道的合理间距为195m。“人员安全疏散的临界时间”和‘．人员安全疏散的临界距离”，见表5。参考文献由图7可知，地下立交通风情况对联络通道间[1]钱七虎．迎接我国城市地下空间开发高潮[J]．岩土工距设置的影响很大，无任何通风时，其联络通道间距程学报，1998，20(1)：112—113． 2012年第2期陈建忠，等：大型地下互通式立交隧道防灾救援措施探讨135[2]李晓红，王宏图，杨春和，等．城市地下空间开发利用[7]EUREKA—ProjectEU499．FiresinTransportTunnels：问题的探讨[J]．地下空间与工程学报，2005，1(3)：ReportOUfull—scaletests[C]／／FIRETUNStudienge一319—328．sellschaftStahlanwendungelV．D一40213．Dusseldorf：[3]NFPA．NFPA502StandardforRoadTunnels，肺ages，and[S．U．]，1995．OtherLimitedAccessHighways[S]．Quincy：NFPA，2OO4．[8]张社道．公路隧道的火灾事故通风[J]．现代隧道技[4]PIARC．FireandSmokeControlinRoadTunnels[M]．术，2003，40(1)：36—37．Paris：PIARC，2004．[9]杨高尚，彭立敏，彭建国，等．隧道火灾时人员安全疏『51PIARC．SystemsAndEquipmentForFireandSmoke散的模拟研究[J]．灾害学，2006，21(4)：8—13．ControlinRoadTunnels[M]．Paris：PIARC，2007．[1O]周勇狄，夏永旭．长大公路隧道火灾数值模拟及逃生研f61SaitoN，YamadaT，SekizawaA，eta1．SafetyinRoadand究[D]．西安：长安大学，2006．RailTunnels[C]／／2ndlnt．Conf．Granada：1995．[11]FIT．DesignFireScenarios[M]．Brussels：FIT，2001．0●(>●<>●0●<)●<'●(>●o●(>●<>●<>‘<>●<>●<>’<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>‘<>●<>●<>’<>●<>●<>●<>●0●<>●(>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●(>●<>●<>●<>●<>●<>●<>●(上接第125页)表13种开口特点比较rLrlrL『-34561J]j1J1●J根据项目需要，方案1不适合本项目，推荐使用通行能力经验模型[J]．交通运输工程学报，2004，4方案2。(2)：80—84．慈玉生，吴丽娜，裴玉龙，等．快速路入口匝道连接段通行能力间隙接受模型[J]．交通运输系统工程与信6结语息，2009，9(4)：116—119．本文针对3种施工开口型式，分析了施工开口王永平，赵胜林，周磊，等．高速公路停车视距研究对城市快速路主线交通运行的影响、交通安全的影[J]．交通标准化，2010(17)：129—138．响及其解决措施，对3种施工开口型式进行了对比钟连德，孙小瑞，陈永胜，等．高速公路大、小车速度差分析，并通过案例说明了在不同条件下选择应用不与事故率的关系[J]．北京工业大学学报，2007，33同的施工开口型式，对快速路及其类似条件道路施(2)：185—188．工开口的设置具有一定的参考作用。北京市市政设计研究院．CJJ37—0城市道路设计规范[s]_北京：中国建筑工业出版社，1990．参考文献张建旭，刘伟，敖谷昌，等．赖家桥车辆段在渝遂高熊烈强，邵春福，王富，等．出口匝道连接处通行能速公路开口布置方案及交通影响分析[R]．重庆：重庆力分析计算模型[J]．北京交通大学学报，2005，29交通大学，2011．(3)：69—76．卢川I，王朝阳，项乔君，等．高速公路出口匝道交通[2]李文权，王莉，王炜，等．高速公路上匝道合流区安全评价方法研究[J]．现代交i百技术，2011，8(6)：60～63．