城市地下空间防灾减灾技术

1、城市地下空间建设新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住房和城乡建设部执业资格注册中心2014年年10月月24-26日日全国注册土木工程师（岩土）继续教育必修教材全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国师资培训班2闫治国闫治国同济大学土木工程学院地下建筑与工程系同济大学土木工程学院地下建筑与工程系第第13章章 城市地下空间防灾减灾技术城市地下空间防灾减灾技术313.1 概述概述13.2 地下结构防火安全技术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隧道火灾动态火灾预警救援技术13.4 小结小结提纲提纲4隧道及地下空间安全问题的特点：n

2、隧道及地下空间环境较封闭，难及时有效的处置n 疏散救援困难，容易致群死群伤n 灾后修复困难安全&防灾n 国内外地下空间火灾、爆炸等灾害事故 .n 地下空间开发呈现规模化、网络化、深层化的趋势13.1 概述概述52005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10 min。火源起向下风侧约260 m，向上风侧约170 m隧道衬砌管片表面被熏黑。造成约15 m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25 mm13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 61968年，德国汉堡莫尔费

3、雷特（Moorfleet Tunnel）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地下结构防火安全技术 71984年，英国萨米特（Summit Tunnel）铁路隧道火灾中，隧道内最高温度达到1500，1900 m范围的隧道衬砌受到了火灾损坏，其中严重破坏的范围为395 m13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 81996年，英法海峡隧道（Euro Tunnel）火灾中，600 m700 m长一段衬砌受到不同程度的损伤，其中最严重的50 m范围内原本厚45 cm的衬砌管片混凝土剥落深度达3040 cm13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火

4、安全技术 91999年，勃郎峰公路隧道火灾中，最高温度达到1000 ,大火持续了55 h，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地下结构防火安全技术 102000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地下结构防火安全技术 112001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1 m的铸铁水管破裂13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 12-500501001502002503003500246810121416 普通混凝土 钢纤维混凝土

5、 聚丙烯纤维混凝土Sk /Skc 温度 /oC火灾对衬砌结构的损伤02004006008000.00.20.40.60.81.01.2Uniaxial compressive strength NC SFRC PPFC T/ oCET/E0 T/0Elastic modulus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地下结构防火安全技术 13n影响人员疏散和灭火救援工作的开展n影响上部建筑以及临近构筑物正常使用功能的发挥n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n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

6、效n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下结构防火安全技术 14地层-结构体系热力耦合问题l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地下结构防火安全技术 15n 混凝土高温后物理力学性能试验n 混凝土管片火灾高温时（高温后）力学行为n 管片接头火灾高温时（高温后）力学行为n 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 02004006008000.00.20.40.60.81.01.2Uniaxial compressive strengt

7、h NC SFRC PPFC T/ oCET/E0 T/0Elastic modulus13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 16混凝土强度：C50 抗渗等级：P10塌落度：5010 cm配合比/kg/m342.5水泥水中砂碎石级低钙灰高效减水剂（早强型）NDZ-10004411606381135885.29主筋110（HRB335，热轧带肋钢筋）箍筋16.5（HPB235，热轧盘条钢筋）钢纤维2冷拔钢丝型钢纤维，直径0.9 mm，长径比L/d = 55，掺量60 kg/m3（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地下结构防火安全技术 17研究

8、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n 混凝土管片、接头火灾试验13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 18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n 混凝土衬砌环火灾试验13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 19衬砌环钢筋混凝土及钢纤维管片n 衬砌管片及衬砌环火灾试验13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 20n 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地下结构防火安全技术 21n 初

9、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地下结构防火安全技术 22n 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地下结构防火安全技术 23n 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地下结构防火安全技术 2412006200L2B2DB1L1F1665656565845500n 轨道交通9号线桂林路站宜山路站区间隧道工程n 外径：6.2 m，衬砌厚：350 mm，环宽：1.2 mn 环间连接：17根M30纵向螺栓；块间连接：2根M30环向螺栓n 管片混凝土等级：C55，抗渗等级：1.0 Mpa（2）地铁盾构隧道管片足尺火

10、灾试验研究 13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 2513.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 26n 管片混凝土高温爆裂n 5-20minn 175-500Cn 26-51mmn 13.1-55.7%13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 27n 管片混凝土高温爆裂13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 28n 管片混凝土高温爆裂13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 29n 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地下结构防火安全技术 30n 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

11、地下结构防火安全技术 31n 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地下结构防火安全技术 32n 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地下结构防火安全技术 33n 管片接头手孔、嵌缝封堵方法及性能评估n 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地下结构防火安全技术 34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地下结构防火安全技术

12、 35（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地下结构防火安全技术 36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地下结构防火安全技术 37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） 100120140160180200510152025v (%)T () 2.5hr 4hr1001201401601802000.00.20.40.60.81.0SrT ()2.5hr 4hr13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安

13、全技术 38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

14、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地下结构防火安全技术 39（4） 管片火灾高温力学特性计算理论与模型 2002,erfcexperfc22fxhxhtxhtT x tTTTtt 3001113311232212112332200sincos222coscossincos222221sincoscoscos48222822111cos624

15、24cos2hN REBH RV RARBCCEAEACARBCC RRA RBABRHk 2222222211211111213sin211coscossinsin2482cossinsincos22822cossinsincos222222CACRACRBCRBCRABRARCCBCRCCCn 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zyhh1h2h3ynTtTfTsTb13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 40（5） 管片接头火灾高温力学特性计算理论与模型 40/213chkccHck ekh,ccEx tET x t 2b013NnF,0,022 ()t(

16、)cccHcbccH hcHcb bccH hchkbHcbcbEx txHhdxhHMnFhNbEx txHhx dxhFFkekKHhh0.00.20.40.60.81.0-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0 31cccc2ehhh hh /c ccch FEM data Fitting curve13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 41n 基本参数n 材料参数n 周围地质环境n 火灾基本参数n 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材料参数(S2,W2)隧道基本参数(S1,W1)火灾基本参数(S4,W4)安全等级(S)周围地质环

17、境(S3,W3)耐火及防救灾措施(S5,W5)衬砌厚度(S11,W11)管片连接方式(S12,W12)管片端面形式(S13,W13)手孔、嵌缝封堵情况(S14,W14)分块情况(S15,W15)隧道直径(S16,W16)隧道长度(S17,W17)交通量(S18,W18)通风状况(S19,W19)混凝土骨料类别(S21,W21)骨料热膨胀性(S22,W22)骨料尺寸(S23,W23)混凝土含水量(S24,W24)混凝土强度(S25,W25)掺入材料（聚丙烯纤维、钢纤维等）(S26,W26)水土压力(S31,W31)地质条件(S32,W32)附近建（构）筑物情况(S33,W33)火灾最高温度(S4

18、1,W41)火灾持续时间(S42,W42)火灾发生位置（纵向）(S43,W43)火灾发生位置（横向）(S44,W44)被动耐火措施(S51,W51)主动救灾措施(S52,W52)13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 42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地下结构防火安全技术 43抗爆裂复合盾构隧道管片n可抑制爆裂，不会明显降低高温后衬砌结构的抗渗耐久性。n无需增厚衬砌，无需增加隧道开挖断面。n拼装与普通管片一样，无需增加额外施工时间。n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。n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

19、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掺聚丙烯纤维混凝土层(PC层)普通混凝土层（RC层）受力主筋掺聚丙烯纤维混凝土层（PC层）普通混凝土层（RC层）受力主筋 聚丙烯纤维钢纤维混凝土手孔螺栓孔13.2 地下结构防火安全技术地下结构防火安全技术 44n 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 n 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 n 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 隧道火灾动态火灾预警救援技术隧道火灾动态火灾预警救援技术45 现有的防火疏散救援措施有：设置了监控系统、固定消防系监控系统、固定

20、消防系统、疏散通道以及其他的结构防火措施统、疏散通道以及其他的结构防火措施，同时还制定了火灾疏疏散预案散预案。 存在的不足之处和问题： p 所能够得到的火情信息比较有限火情信息比较有限，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； p 对于烟雾扩散的监控和预测能力不足； p 闭路电视系统的摄像头容易被烟雾遮挡摄像头容易被烟雾遮挡而失去其作用； p 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；p 现有的火灾疏散预案多为固定性的、文字性的预案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

21、法满足实际的需求。 隧道火灾动态火灾预警救援技术隧道火灾动态火灾预警救援技术46 隧道火灾动态火灾预警救援技术隧道火灾动态火灾预警救援技术n火灾的误报、漏报n火灾现场实时信息的获取n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47 隧道火灾动态火灾预警救援技术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

22、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48 隧道火灾动态火灾预警救援技术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49大断面隧道足尺火灾试验研究 隧道火灾动态火灾预警救援技术隧道火灾动态火灾预警救援技术3. 试验验证50高海拔寒区特长隧道现场火灾试验研究 隧道火灾动态火灾预警救援技术隧道火灾动态火灾预警救援技术3. 试验验证514. 本技术的优点 隧道火灾动态火灾预警救援技术隧道火灾动态火灾预警救援技术n能提供火灾时能提供火灾时大量的关键信息大量的关键信息，包括火源点位置，火灾大小和类型，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。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。 n 实时性实时性：根据火灾探测器测得的信息实时地重