（土木工程专业论文）城市交通隧道火灾人员疏散及风险评估.pdf

i 一 独创性声明 1 l l 川1 i i l l l l l l i 硼 y 17 8 7 9 9 5 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：么挞叁日期：銎幽) 侈阈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 期： 蝣笪因f 硼 摘要 摘要 城市地下公路隧道是一种新型的城市地下交通系统，通常位于城市繁华地 带，具有出入口多，连接横通道复杂，坡度明显，车流呈现城市交通峰谷变化的 特点。该系统火灾风险性高，需要可靠的人员疏散方案以及合理的风险评估模式。 本文主要研究城市公路隧道火灾温度场、烟气浓度场发展状况，探索隧道火灾人 员疏散方案和火灾风险评估模式。 首先采用数值模拟软件f d s 4 0 5 建立城市交通隧道局部全尺寸模型，分别对 5 m w 、1 0 m w 的火源功率情况下，隧道无坡度和5 倾斜坡度的火灾场景进行 数值模拟。结果表明，在宽8 m 高5 m 的拱形横截面隧道中，当火源功率为5 m w 时，火源上方温度竖向分布呈现两个温度峰值，而当火源功率为1 0 m w 时，火 源上方温度竖向分布只在隧道拱顶处出现温度峰值；纵向温度分布总体趋势受火 源功率影响较小，火源功率的增大只影响近火源区域的温度分布；纵向温度分布 和烟气浓度分布受隧道坡度影响较大，当隧道有5 倾斜坡度时，火源两侧温度 分布出现不对称，下坡向温度及烟气浓度扩散受限，上坡向温度、烟气浓度扩散 加强。 然后应用数值模拟软件s t e p s 建立城市交通隧道疏散模型，借鉴其他类型建 筑物疏散模拟的设置条件，当隧道内发生火灾时，分别对不同车辆密度、人员密 度和水平隧道、5 倾斜坡度隧道六种工况的疏散情况进行了数值模拟研究，结 果表明，城市交通隧道内必须安全疏散时间主要取决于人员的行走速度，疏散过 程中几乎不存在排队拥堵等现象，总体疏散时间就是最不利位置上行动能力最差 的人员撤离隧道着火区间的时间。从理论上计算所得必须安全疏散时间也充分验 证了上述的数值模拟结果，并在此基础上总结了简单的城市交通隧道火灾时人员 疏散分析的理论预测与验证模型。 最后以城市交通隧道火灾场景的数值模拟结果和隧道内人员安全疏散的分 析结果为基础，借鉴一般性的火灾风险评估理论，初步探索了城市交通隧道火灾 风险评估的思路和模式：将城市交通隧道车辆人员特征、潜在火灾危险源、交通 流特征进行定量化数值处理，分析城市交通隧道发生火灾的原因、可能性大小和 不同程度的火灾后果，根据上述风险评估内容的数值化处理制定相应的风险控制 策略。 关键词：城市交通隧道，数值模拟，火灾场景，疏散模型，风险评估 北京t 业人学工学硕卜学位论文 a b s t r a c t u r b a l lr o a dt 1 1 姗e li san e w 够p eo fu r b a nu n d e r 擎o u n dt r a i l s p o r ts ys t e m ni s u s u a l l y1 0 c a t e di nm a i ln o 嘶s b j n ga r e a s ，晰n lm a l l yi i l l p o r t 锄de x p o r t ；c o m p l e x c o n n e c t i n gc r o s s c h 籼e l ；o b v i o u ss l o p e t h ev e l l i c l e sn o w i 1 1t 1 1 eu r b a nr o a dt u 彻e l c h a i l g e sw i mt r a 伍cp e a ka n dv a l l e yp r e s e n t s t h e r e f o r e ，t l l e r ei s1 1 i g h e rr i s ko ff i r e ；i t n e e d sr e l i a b l ep e r s o n n e le v a c u a t i o np l a i la n dr e a s o n a b l er i s ka s s e s s m e n tm o d e l s h l t h i sp a p e r ，t 1 1 et e n l p e r a t u r ef i e l d 趾d 锄o k ec o n c e n 仃a ：t i _ 0 n 丘e l d a r es t u m e dt 0 f o m l u l a t ep e r s o 曲e le v a c u a t i o np l a i la i l df i r er i s ka s s e s s m e n tm o d e li i lm e 曲a i lr o a d t l l n n e lw r h e naf i r e a p p l y i n gn u m e r i c a ls i i l l u l a t i o ns o 觚像r ef d s 4 0 5t 0e s 讪l i s hl o c a lm l l 。s c a l e m o d e lo f m eu r b a i l 缸a 伍ct u 蛐e l ，t w of i r es c e n 撕o e s 谢m5 m w 、1 0 m wf hp o 、v e ri n a5 s 1 0 1 ，et u 肋e la i l dt w of i f es c e n a r i o e s 嘶t h5 m w 、1 0 m wf i r ep o w e ri nat u n n e l w i t h o u ts l o p ea r ef i r s ts i m u l a t e d n l er e s u l t ss h o wt 1 1 a t ，i nm e5 m1 1 i 班a i l d8 m 丽d e u r b a i lt r a 伍ct 咖e l 晰t ha r c h e dc r o s ss e c t i o i l ，w h e nt h ef i r ep o 、v e ri s5 m w ；m e r ea r e t w dp e a i ( si nm et e m p e r a n l r ev e n i c a ld i s t r i b u t i o na b o v et 1 1 ef i r es o u r c e ，w h e nm ef i r e p o w e r i s10 m w ，t h e r ei s0 1 1 l yat e m p e r a t u r ep e 呔v a l u e t h el o n g h d i n “t e m p e r 狐鹏 d i s t r i b u t i o ni n 也ew h 0 1 et u i m e l i s 雄e c t e dal i t t l eb yt h ef i r ep o w e r ，g t r e n g t l l e n i n gm e f i r ep o w e r0 1 1 l ye f i e c t st h et e m p e r a t u r cd i s t r i b u t i o nn e a rt 1 1 ef i r es o m c e t h e l o n g i t u d i n a lt e m p e r a t 眦ea n ds m o k ec o n c e l l t r a t i o nd i s t r i b u t i o ni n s i d et h et l l l l n e la r e 疆e c t e dm u c hb ym es l o p eo ft h e 呲1 t h et e m p e m t u r ea i l ds m o k ec o n c e n t r a t i o n d i g t r i b u t i o na r ea s v m m 嘶co nt l l et w os i d e so f 也e6 r es o u r c e 试也et u n n e lw i t h5 s l o p e t h es p r e a do ft 1 1 et e m p e r a ：t u r ea u l ds m o k ei s r e s t r i c t e do nt h ed o 、ns l o p e d i r e c t i o na n di ss t r e n g t l l e n e do nt h eu ps l o p ed i r e c t i o n t h e na p p l y i n gm l m e r i c a ls i m u l a t i o ns o 行胧u es t e p st o e s t a b l i s he v a c 嘲i o n m o d e lo ft h eu r b a nt r a m ct i l n n e l ，o t h e rt y p e so fb u i l d m ge v a c u a t i o ns i m u l a t i o na r e r e f 色m dt os e ti 1 1 i t i a lc o n d i t i o n st o 蜘j d yo np e r s o i m e le v a c u a t i o ni nt l l et 1 1 n n e l 诵t h d i f r e r e n tv e h i c l ed e n s i t ) ，、p e r s o nd e l l s i t ) r 、5 s l o p ea n di nt h el e v e lt u n n e lw h e naf i r e t h er e s u l t ss h o wt 1 1 a t t l l er e q u i r e de v a cu a _ t i o nt i m ei sd 印e n d e db yt 1 1 ep e r s o 皿e l m o v i n gs p e e d ；t h e r ea r e n ta l m 0 s tq u e u ec o n g e s t i o np h e n o m e n ai i l t l l ee v a c 伽i o n p r o c e s s t h eo v e r a l le v a c u a t i o nt i m ei st h et i i n ew 虹c hm ep e r s o nw i t h 也ew o r s t m o v i n ga b i l i t ) ， o nt h em o s tu i 正l v o r a b l e p o s i t i o nn e e d t h e r e s u l tc a l c u l a t e d t 1 1 e o r e t i c a l l yv e r i f i e s 彻l ym en 啪e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l tt o o as 访l p l e t l l e o r e t i c a l p r e d i c t i o nm o d e lo f 也ep e r s o i m e ls a f e 够e v a c u a t i o ni ss u m m 撕z e d 、v h e n af i r ei i lm e u r b a n 仃a 饪i ct l l n n e l f i n a l l ya c c o r d i n gt om e 删l r n e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so f t l l e6 r es c e n a r i o sa 1 1 dt h e i i i 一 北京t 业大学t 学硕1 ：学位论文 p e r s o 皿e ls 甜e 够e v a c u a t i o ni 1 1m e 证b a l l 的筠c 劬【1 1 1 e l ，l eg e n e r 撕t l l e o r yo ft h e 触 r i s ka s s e s s m e n ti sr e 诧1 1 r e dt 0f o r m u l a t ei d e a l sa 1 1 dp a ：t t e m so ft h eu r b a nt r a 衢ct u 姐e l f i r er i s ka s s e s s m e n t t h ev e k c l ea 1 1 d p e r s o m l e lc h a l r a c t e r i s t i c s 、t l l ep o t e n t i a lf i r e h a 2 ：a r d 、a 1 1 dt r a 伍cn o wc k 吸屺t e r i s t i c si i ln l et 咖e la r ep r o c e s s e dq u a n t i t a t i v e l y n 啪e r i c a j l y ，t 1 1 ec a u s e s ，t h ep o s s i b i l i 吼也ed i 髓r e n tl e v e l sc o n s e q u e n c e so ft 1 1 eu r b a l l 舰街ct i m e lf i r ea r ea i l a l y z e d 孔ea 1 ) p r o 研a t er i s kc o n 们ls 仃a t e g ) ，i sf 0 衄u l a t e di n n l e1 i 曲to fm ea _ b o v em m l e r i c a l lr i s ka l s s e s s m e mc o n t e n t s k e l 唧o r d s ：u f b a i l 劬街ct u 皿e l ，n u m e r i c a ls i i i l u l a t i o 玛f i r es c e n 撕o ，e v a c 嘲i o n m o d e l ，黜s ka s s e s s m e n t i v t 目录 目录 摘吾要i a b s t r a c t i i i 目 录v 第1 章绪论1 1 1 课题研究目的及意义l 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 国外对火灾人员安全疏散的研究现状5 1 2 2 国内对火灾人员安全疏散的研究现状5 1 2 3 国外对火灾风险评估的研究现状7 1 2 4 国内对火灾风险评估的研究现状8 1 3 本课题的研究内容及方法1 0 1 3 1 研究内容和具体目标10 1 3 2 研究思路和具体方法1 0 第2 章城市交通隧道火灾场景的数值模拟研究1 3 2 1 城市交通隧道火灾场景中的关键参数1 3 2 2 隧道火灾场景数值模拟软件1 7 2 2 1 城市交通隧道火灾数值模拟软件基本介绍17 2 2 2 城市交通隧道火灾数值模拟简化条件设定。1 8 2 2 3c f d 模拟初始条件及边界条件1 9 2 3 隧道火灾数值模拟与经验公式、实验结果的对比验证1 9 2 3 1 城市交通隧道火灾数值模拟模型介绍1 9 2 3 2 城市交通隧道火灾数值模拟结果与理论计算结果对比验证。2 0 2 4 城市交通隧道火灾场景数值模拟计算2 3 2 4 1c f d 模型的网格划分2 3 2 4 2c f d 模型中测点布置2 4 2 4 3 城市交通隧道汽车火灾c f d 数值模拟场景的设定2 4 2 5 城市交通隧道火灾场景模拟计算结果分析2 7 2 5 1 场景l 模拟计算结果分析2 7 2 5 2 场景2 模拟计算结果分析3 0 2 5 3 场景3 模拟计算结果分析3 4 2 5 4 场景4 模拟计算结果分析3 6 2 6 本章小结3 8 第3 章城市交通隧道火灾时的人员疏散4 1 3 1 安全疏散及其标准4 1 3 1 。1 安全疏散4 l 3 1 2 安全疏散标准4 1 3 2 城市交通隧道火灾安全疏散时间分析4 2 3 2 1 必须安全疏散时间r s e t 4 2 3 2 2 可用安全疏散时间a s e t 4 3 3 2 3 人员安全疏散过程的主要影响因素4 5 3 3 城市交通隧道火灾安全疏散数值模拟计算4 7 v 北京丁业，j ：学工学硕 ：学位论文 3 3 1 城市交通隧道火灾安全疏散模型4 7 3 3 2 城市交通隧道火灾人员疏散模拟工况设置4 9 3 3 3 隧道火灾人员疏散模拟结果分析5 1 3 3 4 隧道火灾疏散数值模拟计算结果和理论计算结果比较5 5 3 4 城市交通隧道火灾疏散时间预测模型5 7 3 4 1 城市交通隧道火灾必须安全疏散时间r s e t 的数学预测模型5 7 3 4 2 城市交通隧道火灾可用安全疏散时间a s e t 的数学预测模型5 7 3 5 本章小结5 9 第4 章城市交通隧道火灾风险评估6 1 4 1 火灾风险评估的的基本概念6 1 4 1 1 火灾风险的概念6 1 4 1 2 火灾风险的度量。6 2 4 1 3 火灾风险容忍度。6 3 4 2 火灾风险评估方法简介6 3 4 2 1 定性分析方法6 4 4 2 2 半定量分析方法6 5 4 2 3 定量分析方法一6 5 4 3 城市交通隧道火灾风险评估6 6 4 3 1 城市交通隧道火灾风险评估的基点6 6 4 3 2 城市交通隧道火灾风险评估的内容7 0 4 3 3 城市交通隧道火灾风险评估模型及方法7 1 4 4 城市交通隧道火灾风险控制7 4 4 4 1 城市交通隧道火灾风险控制原则7 4 4 4 2 城市交通隧道火灾风险控制具体方案7 4 4 5 本章小结7 7 第5 章论文总结7 9 5 1 城市交通隧道火灾场景分析的主要结论7 9 5 2 城市交通隧道火灾人员疏散分析的主要结论7 9 5 3 城市交通隧道火灾风险评估方法研究的主要结论8 0 参考文献8 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文8 4 致谢8 5 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究目的及意义 自上世纪8 0 年代后期，国际隧协提出“大力发展地下空间，开始人类新的 穴居时代”的倡议以来，地下空间开发利用作为解决人口、环境、资源三大难题 的重大举措，在世界各国得到了积极的响应，根据用途，隧道大体可分为交通隧 道、市政隧道、矿山隧道、水工隧道等。交通隧道包括公路隧道、铁路隧道、城 市地铁隧道及较长的地下人行通道等1 1 】。市政隧道主要用于敷设电缆、管路等设 施；矿山隧道( 通称巷道) 是从地表之下向外输送矿石的通道；水工隧道则是用 来引水、排水的地下通道。交通隧道包括铁路隧道、山岭公路隧道和城市交通隧 道，其中城市交通隧道近年来得到迅速发展，在穿越障碍、解决城市交通压力、 节约城市用地、加强城市防护等方面发挥了重要的作用i l 】o 城市交通隧道是为了解决城市交通压力而建造的一种特殊交通隧道，主要包 括轨道公共交通隧道( 例如地铁) 和公路隧道( 例如城市快速路) 。本文以城市 公路隧道为研究对象。城市公路隧道按照隧道长度可以分为长隧道、中长隧道和 短隧道；按照隧道形式可以分为单洞双向两车道、单洞双向四车道，双洞单向四 车道，双洞单向六车道，目前双洞城市公路隧道形式比较普遍，此类交通形式相 对比较安全，便于设置疏散横通道和避难场所，适用于城市交通环境和车流特点。 在北京，国内首例超大规模中关村西区地下综合管廊及城市交通隧道综合开 发利用系统投入试运行，使中关村地区实现了立体交通；2 0 0 8 年建成的奥运中 心区的社会交通将主要由地下交通设施承担。 由于国家对城市地下铁道的防灾设计要求已经有标准。我国新版的建筑防 火规范( g b 5 0 0 1 6 2 0 0 6 ) 虽然专门增加了城市交通隧道火灾安全的章节。但由 于城市交通隧道的复杂性，使得设计中合理选择适用的设计规范变得很困难，现 行的相关规范中提供的可参考的设计依据较少或者比较笼统，不能完全满足地下 交通隧道的消防设计的要求。与一般交通隧道的消防设计不同，城市地下交通隧 道的消防设计受到地面建筑设计规划的限制。因此，本文开展的相关研究主要以 城市交通隧道中的城市地下公路隧道作为主要的研究对象。 在许多大城市中，人口十分集中，加上机动车剧增，地面的道路交通条件严 重恶化。发展地下交通隧道是缓解地面道路阻塞和居民乘车难的重要途径，同时 对优化城市整体布局、改善城市环境等方面都有积极作用。 与非城市地区的交通隧道相比，城市交通隧道具有以下特征： ( 1 ) 交通量大，常为山体、越江( 海) 隧道的5 1 0 倍，且有明显的时间频 率性，即上下班时交通量大1 2 j ； 北京工业大学工掌帧，1 j 学位论文 ( 2 ) 城市地下交通隧道往往埋深较大，如日本东京计划建设的城市地下交通 隧道，其预计深度为5 卜1 0 0m 。埋深大，意味着隧道会有较大的坡度。国际上 通常要求隧道坡度不大于5 ，特殊情况下，如在越江隧道和海底隧道最大坡度 可以达到7 。对于城市地下交通隧道，若按5 0m 深度、坡度5 计算，隧道就 有一条长约1 0 0 0m 的坡道； ( 3 ) 隧道结构主要有双管单层与单管双层两种形式，交通方向主要有单洞双 向、双洞单向两种形式； ( 4 ) 在隧道出入口设置方面，山岭隧道通常只有单一的进、出口，对于城市 地下交通隧道而言可根据设计要求建造多个出入口，以缩短车辆绕行时间。如北 京某个地下交通隧道直线方案中，就提出了在隧道中部设置出入口的方案，隧道 形式如图1 1 所示。部分类型城市交通隧道( 如城市地下快速路) 多与地下停车 场及地面主干道相连，出入口多，空气( 烟气) 流动受此影响，使通风排烟效果难以 控制。 图1 1 有中间出入口的城市地下快速路示意图 f i g 卜lu r b a i lu n d e p 旷o u n de x p r e s s w a yw i t hi n t e 册e d i a t ee n t 瑚c e sa n de x i t s 所以，在城市地下交通隧道给人们生产、生活带来便利，越来越多被使用的 同时，作为主要灾害的火灾也成为对隧道的重大威胁。 当交通隧道内发生火灾时，其火灾共有的特点和危害如下： ( 1 ) 热量难以散出。由于受到隧道净空高度的限制，烟气只能沿水平方向流 动，在火源燃烧处高温烟气将大部分热量传给隧道衬砌和围岩，烟气传播过程中 与隧道内空气混合，故烟气温度随距离的增加而迅速下降，所以，只可能在火源 燃烧处隧道结构遭到高温烟气和火源辐射热的破坏。 ( 2 ) 成灾时间短，火灾容易快速蔓延。由于隧道内的管道、风道、地沟以及 通道与地面大气相连或者隧道间相互联系，一旦发生火灾，这些部位容易成为火 灾蔓延的途径。发生火灾且未能得到及时控制，火灾蔓延迅速。 ( 3 ) 燃烧产生大量有害气体。隧道火灾多半是缺氧燃烧，产生高毒性c o 气 体，国外隧道火灾事故中曾观察到洞内c o 浓度达7 ( o 1 2 的浓度几分钟即 可致人于死命) 。在缺氧与c o 高浓度的时候，人会丧失部分的判断与行为能力， 这对人员的安全疏散是非常不利的。消防人员在高温浓烟的情况下，也难以接近 火点，导致扑救工作面十分窄小。而且地下工程对通讯设备的干扰较大，使扑救 人员与地面指挥联络困难，贻误战机，为消防扑救增添了障碍。 2 第l 币绪论 ( 4 ) 易发生二次火灾。由于炽热气流可顺风传播很远，一旦遇到易燃物很快 触发燃烧，火点即可从一辆车跳跃到另一辆车。实验中观察到最远的引燃点可距 起火点5 0 倍洞径。 ( 5 ) 隧道结构不利于人员疏散。由于地下工程只有数量有限的洞口，而且为 了节约建筑面积，通常将入口处的通道做得很窄，以致通道狭窄曲折，疏散的距 离较长；火灾时，人员疏散只能步行通过出入口或联络通道，地面建筑火灾时使 用的云梯车之类的消防救助工具对地下的人员疏散就无能为力。最重要的是，平 时的出入口在没有排烟设施或排烟设施较差时，火灾时将成为喷烟口，高温的浓 烟的流动方向与人员逃生的方向一致，都是自下而上，烟气的扩散流动速度比人 群的疏散逃生速度快得多，人们就在高温浓烟的笼罩下逃生，能见度大大降低， 使人群心里更加恐慌，同时烟气中的有些气体，如氨气、氟化氢和二氧化硫等会 刺激人眼，使人心里极度恐惧，可能会瘫倒在地或盲目逃跑，造成不必要的伤亡。 表1 1 近年来国内外发生的一些重大公路隧道火灾事故 t a b l e 1 1s o m eo f t h em 勾o r h i 曲w a yt u 衄e lf i r e so c c u l l r e da th o m ea 1 1 da b r o a di nr e c e n ty e a r s 隧道名称火灾发生地火灾发生时间人员死亡情况经济损失 f e 唱u st u 彻e l 法国 2 0 0 5 6 4 2 人 b a re g g t u n n e l 瑞士 2 0 0 4 9 8 1 人 重大经济损失，交 猫狸岭隧道中国_ 浙江 2 0 0 2 1 1 0 无 通中断1 8 天 勃朗峰隧道 法国 19 9 9 3 2 4 4 1 人 毁车4 3 辆，交通 ( m o mb l a n ct u 彻e 1 ) 中断1 年半以上 托恩隧道 奥地利 l9 9 9 5 2 91 3 人 毁车3 4 辆，交通 ( t e e mt u l m e l ) 中断约3 个月 圣哥达隧道 瑞士 2 0 0 1 1 0 2 41 1 人 毁车1 0 0 辆，交通 ( s t g o t n l a r d1 、u 加e 1 ) 中断约2 个月 v j e 田7t u 彻e l法国1 0 8 人 h o k u r i k ut u n n e l 日本 1 9 7 2 1 1 63 0 人 s a l a n g t u n n e l ， 阿富汗 1 9 8 2 1 1 7 0 0 人 f h a n i s 锄 表1 _ 2 近年来国内外发生的一些重大地铁隧道火灾事故 t a b l e 1 - 2s o m eo f t h em 勾o rs u b w a yt u n n e lf i r e so c c u 丌e da th o m ea n da b r o a di nr e c e n ty e a r s 火灾发生地发生时间人员伤亡起火原因 法国，巴黎 1 9 0 3 8 1 0 8 4 人死亡 中国，北京 1 9 6 9 1 l 。1 l 6 人死亡，2 0 0 多人中毒电动机车短路 加拿大，蒙特利尔 1 9 7 1 1 21 人死亡 列车追尾 瑞士，苏黎士 1 9 9 l 5 8 人重伤机车电线短路 美国，纽约 1 9 9 1 8 2 8 5 人死亡，1 5 5 人受伤 列车脱轨 韩国，大邱 l9 9 5 4 2 8 1 0 3 人死亡，2 3 0 人受伤煤气泄漏，发生爆炸 阿塞拜疆，巴库 1 9 9 5 1 0 2 8 5 1 6 人死亡，2 6 9 人受伤机车电路故障 奥地利，萨尔茨州 2 0 0 0 1 1 1 1 1 5 5 人死亡，1 8 人受伤列车电暖空调过热 韩国，大邱 2 0 0 3 2 1 8 1 9 8 人死亡，1 4 6 人受伤人为纵火 表1 1 和表1 2 数据充分表明了隧道火灾的严重性，隧道火灾一旦得到充分 发展而没有得到有效控制的话，将造成重大人员伤亡、隧道结构的重大破坏等直 接损失，由于火灾引起交通中断所造成的间接损失也是无法估量的【2 1 。 北京1 = 业人学t 学硕十学位论文 城市交通隧道一般位于地下( 山区城市的交通隧道除外) ，因此城市交通隧 道火灾特点兼有地下建筑火灾和交通隧道火灾的特点。主要表现在以下几点： ( 1 ) 火灾发生的概率大，起火原因复杂多变。隧道中的车流量不均匀，车载 物品与火灾荷载不确定，起火源也不确定，这些因素决定了此类隧道火灾具有多 样性和不确定性。隧道越长、交通量越大，发生火灾的概率越大。这使得城市隧 道发生火灾事故的概率较常规隧道明显提高，火灾安全形势更加严峻。 ( 2 ) 出入口设置受城市环境规划影响，出入口设置状况也影响火灾羽流发 展。由于城市交通隧道出入口多，并且与地面周围建筑相连，进出口的增多等于 将隧道进行了分区，使长隧道分割成若干短隧道，这对就近将隧道内的污染物或 烟气排出和隧道内滞留人员的安全疏散非常有利。 ( 3 ) 坡度对火灾中烟气扩散以及通风排烟的影响必须加以考虑。坡度的存在 使隧道烟气难以形成对称的顶棚射流。车辆在这样的道路上行驶极易发生交通事 故，同时在发生火灾时容易使热烟气在上坡处聚集，影响隧道内人员的安全疏散， 造成火灾事故的扩大。 ( 4 ) 由于隧道的横断面小，疏散难度大，内部防火系统设计非常关键。火灾 烟气蔓延方向一般与人员的疏散方向相同，燃烧产生的大量有毒烟气严重影响人 员疏散。此外，由于隧道的横断面小，发生火灾时车辆疏散更加困难。 城市交通隧道火灾人员的安全疏散与火灾风险评估应该综合考虑各种因素 后确定。一般情况下，城市隧道火灾时隧道空间内温度场以及烟气扩散规律是分 析隧道火灾时人员逃生、疏散设施的布置的重要基础；隧道的用途以及交通组成、 可燃物数量与种类决定了隧道火灾的可能规模以及火灾增长过程，进而成为火灾 风险评估的基础数据。 隧道防火在世界范围还是一项正在不断研究的重大课题。随着城市交通隧道 的开发，开展有关针对城市交通隧道的火灾安全研究，对确保城市公共安全具有 重大的实际意义和社会价值。本文的研究成果可为城市交通隧道火灾时人员的安 全疏散应急预案的制定以及城市交通隧道火灾风险评估模型与方法的建立提供 必要的理论依据。随着性能化防火设计概念的普及和发展，本文的研究成果也可 广泛用于城市交通隧道的性能化防火设计。 1 2 国内外研究现状 目前国内外的隧道火灾研究内容绝大多数是对一般地区公路隧道火灾的研 究，由于城市的快速发展以及地下空间开发利用，急需可靠的城市交通隧道火灾 安全设计为其提供保障。而这种设计思路必须建立在对城市交通隧道人员安全疏 散情况和火灾风险分析进行深入研究基础上。 由于交通隧道火灾的严重性及特殊性，隧道火灾人员的安全疏散和风险评估 问题一直是火灾科学研究的一个难点与热点。要想对隧道火灾采取科学、合理的 4 第l 章绪论 防治措施，必须对隧道火灾发生时人员的安全疏散与火灾风险评估进行研究。城 市交通隧道防火研究需要建立在已有的交通隧道防火研究的基础，并根据其特殊 性进行防火安全设计的深化和发展。 由于直接针对城市交通隧道火灾的安全疏散和风险评估的研究成果很少，所 以，下面从四个方面主要对当前火灾时人员的安全疏散与风险评估的研究现状进 行一个简单的综述，进而把这些思路、方法应用到城市交通隧道火灾中。 1 2 1 国外对火灾人员安全疏散的研究现状 1 9 9 8 年8 月第一届“火灾中人员行为”国际学术会议在北爱尔兰召开，来 自2 3 个国家和地区的2 0 0 多位学者参加了本次会议，会上交流了人员疏散、性 能化设计和危险性评估等方面的科技成果【3 j 。 c 0 1 l i i l s ，o u e l l e 他对建筑物有烟和无烟环境中疏散标识的能见度进行了实验 研究，结果表明疏散标识亮度、均匀度和对比度是烟气条件下疏散标识能见度的 重要影响因素i 】。 对于交通隧道火灾中的人员疏散，国际上正在进行的研究主要包括以下几种 思路和方向：( 1 ) 基于隧道火灾中烟气运动规律的人员疏散研究。如：针对隧道 的运输系统，可以运用计算流体动力学方法设计隧道的机械通风系统，使得在发 生火灾时，能高效排热和排烟，以提供安全疏散路线。( 2 ) 有效的报警系统和疏 散设施的研究。( 3 ) 基于信息技术的安全性研究，特别是其在疏散引导方面的作 用。( 4 ) 基于建筑性能化设计和疏散方案的研究。 目前疏散研究中最行之有效的方法之一便是建立疏散模型，城市交通隧道中 的疏散研究也不例外。对建筑中人员逃生模式进行模拟能够真实而有效地评价建 筑物疏散系统的性能，但是现代建筑结构的复杂性决定了用简单的计算是不可能 对逃生模式进行模拟的，随着数字化计算机的发展，已有2 0 多种以计算机为基 础的疏散模型被不断开发出来或正处于开发之中，比如目前比较成熟的一些模型 包括s t e p s 、e x i t 、s i m u l e x 等。 1 2 2 国内对火灾人员安全疏散的研究现状 在国内，对于人员安全疏散的研究开展较晚，但也有一定的进展。 1 9 9 7 年中国科技大学的袁理明提出了一种计算疏散时间的数学模型【7 ，8 1 ，这 一模型提出安全疏散的时间即为火灾探测系统发出报警信号的预警时间加上人 员安全疏散出建筑物的时间，但没有考虑当人们接收到报警信号后的确认险情反 应时间。 1 9 9 9 年中国建筑科学研究院防火研究所的刘文利、熊洪提出利用网络控制 原理对地下商业街建筑人员疏散行为进行模拟，建立了相应的疏散预测模型【9 l 。 西安建筑科技大学的周银对地铁典型双层岛式车站火灾时乘客疏散的情况 北京丁业) ：学t 学硕十学位论文 进行了数值模拟研究1 0 1 ，广州大学的田娟荣分析了地铁出口条件对人员疏散的影 响【1 1 】；还有东北大学的陈宝智、天津消防研究所的王志刚等对不同类型建筑物 发生火灾时的人员疏散行为进行了初步的模拟研究。 表1 q 各国对公路隧道联合横通道间距的一般规赳1 2 1 t i a b l e 1 31 1 1 eg e n e r a lp r o v i s i o n st oh i 曲w a yt l 岫e lc r o s s c h 锄e ls p a c i n g 舶md i 仃e r e mc o u n t r i e s 国家时间( 年份)联络通道间距( m ) 备注 美国1 0 0 _ 一3 0 0 日本 3 5 0 根据最新r a b t 曲线，连接 德国 1 9 8 43 5 0 通道间距将调至3 0 0 米 对城市隧道2 0 0 法国 非城市隧道4 0 0 瑞士 2 0 0 03 0 0t u 彻e lt a s kf o r c e 奥地利 1 9 8 9 5 0 0 ，最大允许1 0 0 0 r v s 9 2 8l 9 2 8 2 我国目前涉及隧道防火要求的规范主要有2 0 0 3 年发布的国家现行标准地 下铁道设计规范；2 0 0 1 年发布的铁道部现行标准铁路隧道设计规范：2 0 0 4 路隧 市交 动车 人行 应小 应设 排烟 设定 基本 宽度 计单 和人 安全 结合 烟雾 的横 我国 各国 第l 章绪论 的横通道设置间距。 我国防火规范针对隧道内人员疏散设计的要求比较笼统，人行横通道的间 距、长度、宽度都给出了个范围，涵盖的范围广，各个隧道的结构、车流量都不 尽相同，没有对隧道的防排烟设计做出具体的规定，且就规范中所涉及到的内容 也还存在适用性的问题，这都需要设计人员在确定防火方案时，综合考虑各项因 素，以求达到经济与安全的最优化结合，如果严格按照指令性规范设计，有时会 使得原有的设计功能无法实现；有时会使得建筑物的安全等级过高，造成不必要 的浪费。 在实际分析设计过程中如何套用隧道防火规范，人员密度如何确定，疏散 宽度、疏散距离如何确定，以及车辆在火灾中的疏散如何与人员的疏散相协调等 等，己经成为困扰设计人员的难题。 1 2 3 国外对火灾风险评估的研究现状 火灾风险评估是指通过运用火灾安全工程学的原理与方法，根据建筑物的结 构、用途和内部可燃物等方面的具体情况，对建筑的火灾危险性和危害性进弦定 性或者定量的预测和评估，为建筑物提供可靠的消防保护。 国外关于火灾风险评估方法学的研究主要是从2 0 世纪7 0 年代开始的【3 】。 2 0 世纪8 0 年代，在美国火灾研究基金会的组织下，实施了国家级的火灾风 险评估项目，由美国国家标准与技术研究院( n a t i o n a li n s t i t l l t eo fs t a i l d a r da i l d t e c h n o l o g y ，n i s t ) 、美国国家消防协会( n a t i o n a lf i r ep r o t e c t i o na s s o c i a t i o l l ，n f p a ) 等多个机构参加，目标是开发一个可用于建筑物内部的基于防火目的、综合性的 火灾风险评估方法。 在火灾风险评估领域，美国有两种比较成功的方法在全世界得到了推广，并 日趋完善。一是灭火分级制的方法，成为各国火灾风险分级的源头；二是风险、 危害和经济价值评估方法，是现代统计技术在火灾风险评估领域应用较为成功的 案例。 2 0 世纪8 0 年代，日本采用“城市等级法表示城市火灾危险度。对所有城 市进行火灾风险评估、划分城市等级，从城市防灾的角度加强行政管理，并形成 了一种制度。 瑞典的m a g n u s s o n 等在火灾模拟方面引入了随机性分析，提出了可靠性理论 和定量风险分析的方法( q u a m i t a t i v e 砒s k a n a l y s i s ，q r a ) 。 1 9 9 6 年，澳大利亚的防火规范改革中心( f c r c ) 推出了防火工程指南 ( f i r ee n g i n e e r i n gg u i d e l i n e s ) 。该指南包括三个等级的防火工程系统评估方法， 其中第三级是系统风险评估( s y s t e mr i s ke v a l u a t i o n ，s r e ) 【1 6 1 。 从1 9 9 9 年开始，欧盟对其境内隧道逐年进行火灾安全测试和评估，到目前 为止已对1 8 4 条隧道进行了火灾安全测试与评价，1 9 9 9 年的评估结果显示，安 7 北京t 业人学1 二学硕_ ：学位论文 全标准达到优秀的隧道仅有3 条( 占当年评估隧道的l o ) ，而2 0 0 6 年这一数 据为2 2 条( 占当年评估隧道的4 2 ) ，说明评估工作有效的促进了隧道火灾安 全等级的提高。 国外很多国家还开发了火灾风险评估模型和相应的软件。主要包括： 美国的建筑防火评估方法( t h eb u i l d i n gf i r es 疵够e v a l u a t i o nm e t l l o d ， b f s e m ) ；评估特定场所内所用产品火灾风险的f 凡心伍w o r k s 方法；火灾致损 评估方法( f 硫i n d u c e dv u l i l e r a b i l i t ye v a