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
目录
1、引言 (3)
2、我国隧道群发展背景 (3)
3、隧道群出现的灾害事故 (4)
3.1 隧道火灾事故 (5)
3.1.1火灾的发展规律 (5)
3.1.2隧道火灾特点 (6)
3.2 隧道群交通事故 (7)
3.2.1隧道交通事故特点 (8)
4、隧道群防灾救援措施 (8)
4.1 交通隧道火灾救援设置原则 (8)
4.1.1 隧道防灾救援系统 (9)
4.1.2 高速公路隧道群防灾救援设施分类及设置 (9)
4.1.3 高速公路隧道火灾探测器分类与选型 (10)
4.1.4 高速公路隧道自动灭火系统分类与选型 (12)
4.1.4 高速公路隧道群“机动型”防灾救援设施配置 (14)
4.2 铁路隧道群火灾救援设置原则 (16)
4.2.1铁路隧道火灾逃生特点 (16)
4.2.2 桥隧相连型铁路隧道防灾救援措施 (17)
4.3海底隧道群防灾救援技术 (18)
4.3.1 海底隧道火灾预防系统 (19)
4.3.2海底隧道的基本防灾设施 (19)
4.3.3火灾情况下人员逃生 (21)
4.3.4 火灾下隧道内通风与排烟研究 (22)
5、总结 (23)
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/%
1100m以下7.6
2100m-500m14.4
3500m-2000m33.3
42000m-5000m23.5
55000m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，且该部分反射回来的拉曼散射光物理性值会随着光纤温度的变化而变化，通过对反射回来的拉曼散射光进行分析处理，可判断整条光纤方向的温度分布情况，如图3-2所示。

1—激光源；2—分光计；3—光纤；4—斯托克斯散射光；
5—反斯托克斯散射光；6—信号处理
图4-2 光纤火灾探测器探测基本原理图
分布式光纤温度探测技术属于无电检测技术，有很好的抗电磁干扰能力;分布式测量，在一定的分辨率范围内，可以连续判断温度分布状况;长距离探测，探测范围可达30km。

但由于隧道的“烟囱”效应，使得隧道内自然风速往往较大，从而导致火灾报警点随风漂移，并延长报警时间。

其测温反应时间长且不稳定，系统的灵敏度和报警阀值调整困难，灵敏度调整过高则易误报，灵敏度调整过低则易漏报，报警点和实际着火点位置有误差。

特别是这类火灾的特点是火灾初期汽车还是在运动着，例如，我国高速公路隧道一般限速为80km/h，也就是说，汽车在隧道中正常行驶时，一般每秒钟要移动22米，即使以每小时60公里的速度行驶，每秒钟也要移动16米。

当着火点处的温度还没有上升到报警温度阀值时，汽车已经移动另一处了，当火灾报警系统开始报警时，火势己经很大或汽车己经停住了，这样很不利于火灾的早期扑灭，容易造成较大的损失。

②波长火焰探测器
如图2.2与图2.3所示，双波长火焰探测器通过过滤器检测火焰特有频率((1—15HZ)作为探测信号;检测部件3用于火焰辐射探测(工作波4.1—4.7u m );
检测部件2用于监视(工作波长5—6um)，监视环境光和自然光产生的辐射。

存
在火焰时，部件3通道上的信号幅值大于部件2通道于是报警，但是当通道2
信号较强时，说明存在外部干扰辐射，此时不报警。

1—带状过滤器;2—长波检测，波长5—6um;
3—短波检测，波长4.1—4.7 um;4—放大器;
5—数据处理（比较器+延时回路+整流回路）
图4-3双波长火焰探测器原理图
双波长火焰探测器检测灵敏度高，可靠性高，误报少。

根据国内外几十年的隧道火灾数据统计，98%以上的火灾情况有明火产生，所以采用双波长火灾报警系统对于检测早期火灾是十分有效的。

特别在公路隧道内，风速、温度对它的检测灵敏度基本没有影响。

这种隧道专用火灾探测技术十分成熟，在高速公路隧道中广泛使用，总体反映情况良好。

在日本这样一个多隧道的国家中这种技术也是压倒多数的主流技术。

早在1981年，日本的《公路隧道消防设施设置标准》就制订了应用双波长火焰探测器的标准。

不过，双波长火灾报警系统属于感光型探测器，它的感光窗容易受到隧道内汽车尾气及灰尘的污染而导致探测灵敏度降低。

需要定期进行清洗，由于安装高度比较低，清洗工作比隧道内的摄像机的清洗工作要容易得多。

4.1.4 高速公路隧道自动灭火系统分类与选型
目前，在国内外隧道中使用的自动灭火系统主要有以下几种:
①喷淋或水喷雾灭火系统
水喷淋或水喷雾系统都属于水基灭火系统。

过去，人们认为隧道中的水基灭火系统对隧道使用者是危险的，其主要理由是水遇高温变成蒸汽而伤害逃生者。

如今，大量的科学研究表明:对于隧道内的火灾，其火源外围温度将在很短的时间达到1000多度，水基灭火系统能明显降低隧道内甚至靠近火源的温度，其冷却效应可阻止蒸汽扩散，在隧道环境中具有十分优良的保护性。

水的冷却效应还能够破坏隧道底部烟气分层，使得烟气不能在隧道上部空间形成烟气层，烟气会向预先设计好的排放通道扩散;水基灭火系统还可限制火灾的大小，同时减少烟气的产生。

另外，水滴在一定程度上包裹烟气颗粒，从而降低了其毒性，并提高了能见度。

水喷淋灭火系统的灭火机理主要是通过直接冷却效应来达到扑灭火灾。

使用水喷淋系统最大的缺点是耗水量高、水渍损失大、“误动作后果严重”等。

水喷雾系统一般为低压、单相流、全淹没式，主要靠消防管网供水，其作用原理与水喷淋灭火系统相同，所不同的只是两者的喷嘴有所区别，它用水量很大，所喷出的水雾直径也很大，水渍损失相对水喷淋系统有所减小，但仍然很大。

图4-4 喷淋或水喷雾灭火系统
②细水雾灭火系统
细水雾灭火系统和水喷淋灭火系统比较，具有耗水量大大降低的优点，它比传统水喷淋灭火系统的耗水量小一个数量级。

这一点也潜在降低了水灭火带来的破坏性和供水有限地方的灭火费用，同时耗水量低也为要考虑供水体积以及重量的场合带来了一个明显的优点，这也是进行用细水雾来保护隧道的一个原因。

对于一些易燃液体火焰如采用水喷淋灭火，由于水滴的冲击造成液体燃料的飞溅和溢出而不易将火焰扑灭，但如采用细水雾来扑灭，由于细水雾的动量小不会造成燃料的飞溅和溢出从而能将火焰扑灭。

另外，传统的水喷淋灭火由于水流量大和
水滴的直径大会引起高温设施表面的快速冷却从而导致设施的损坏，而细水雾则不会出现这种损坏。

细水雾灭火系统不仅包含表面冷却这个灭火机理，而且它还通过以下机制共同控制、抑制、扑灭火灾;气相冷却，液滴的汽化吸收了火焰释放的热量;隔氧作用，靠近火焰的大量水蒸汽会降低反应区的氧气体积分量;热辐射的减弱，细水雾及蒸汽会吸收部分热辐射，降低对燃料的热回馈;火焰的拉伸，火焰接受来自细水雾的动量转换被拉长。

图4-5 细水雾灭火系统
4.1.4 高速公路隧道群“机动型”防灾救援设施配置
1、隧道消防救援梯队组织
对于高速公路隧道及其隧道群而言，其消防应急资源一般由三级组成，一梯队由火区车辆的司乘人员组成;第二梯队由隧道管理人员、警察组成;第三梯队由专业消防人员组成。

从救援能力来看，三部分的消防力量中，司机和乘客一般缺少专门的消防知识，隧道管理人员能熟练掌握隧道内消防设施的使用方法，专业消防队的灭火力量最强。

但高速公路全程封闭，以互通式立体交叉或进出口匝道与地面道路相连接的特性，使专业消防力量只能通过两端的互通驶入，驰援距离过大，很难及时赶到火灾现场。

隧道群区段消防力量布局已成为影响救援效率的重要因素。

2、隧道管理站设置
虽然隧道管理站不具备“机动型”防灾救援设施的机动特性，但是，从要求隧道管理人员在隧道火灾发生以后的5min 内赶往火灾现场进行灭火和组织救援的角度讲，其亦具有“机动型”设施配置的共同特点，即应该按照“机动型”
设施的管理辐射范围确定其设置数量和具体布局位置。

3、隧道管理站管理范围的确定
假设隧道发生火灾以后，附近隧道管理站管理人员以计算行车速度V 立刻赶赴火灾现场指导灭火和救援工作，那么，隧道管理站管理人员在5min 内的行程为V/12（km），所以，隧道管理站的管理半径和辐射范围分别为V/12（km）和V/6（km），具体的数值如表3-2所示。

表4-2 隧道管理站管理半径及辐射范围
4、消防摩托车配置
由于隧道管理人员能熟练掌握隧道内消防设施的使用方法，而且其到达火灾现场后展开的消防救援工作可以为第三梯队的到达赢得宝贵时间，所以保证隧道管理人员在火灾发生后5min内赶赴火灾现场进行救援就显得格外重要。

本论文建议消防摩托车应该根据需要设置在隧道管理站中。

消防摩托车是一种方便快捷、机动灵活的灭火特种设备，在国外，在一些空间狭窄，机动车不易行驶的路段，消防摩托车都有着广泛的应用。

隧道用消防摩托车一般携带40kg进口的AFFF-AR环保形泡沫灭火剂，可扑救固体类、可燃液体、可燃气体、电器设备等火灾类型。

5、隧道专用消防车辆配置
地方消防队到达高速公路隧道火灾现场的时间应该包括三个部分，分别是地方消防队到达互通匝道的时间(T1)、由匝道至隧道口的时间(T2 )、由隧道口至事故地点的时间(T3)。

将消防单位由基地出发，经过最近匝道到达隧道口的时间加上隧道口到事故地点的时间，即为救援时间T。

T=T1+T2+T2（3-1）由于高速公路隧道火灾在隧道中的发生位置具有不可预知性，所以式（3-1）中的T3通常难以确定，通过计算地方消防队伍到达隧道群段各隧道进出口的时间不，然后用最大值T与黄金救援时间8min进行比较的方法来设置隧道专用消
防车。

4.2 铁路隧道群火灾救援设置原则
铁路隧道发生火灾的情况相比交通隧道而言火灾发生的概率较低，铁路隧道火灾救援设置应该遵循以下原则：
（1）针对铁路隧道的营运特点，防灾与救援设计应贯彻“以防为主，防控结合，立足自救”的原则，健全防灾设施和消防统，要充分体现“以人为本的观念，将对人员的伤害降低到最低程度；
（2）当列车在隧道内发生火灾时，凡能继续运行时，均应遵循先将列车拉出洞外再进行列车解体及火灾事故处理的基本原则；
（3）在设计隧道通风系统时，应充分考虑到火灾时防灾通风和排烟的要求的观念，将对人员的伤害降低到最低程度。

4.2.1铁路隧道火灾逃生特点
铁路隧道由于其长度较大，列车在隧道内发生火灾时，列车有可能在安全时间内不能驶出洞外。

因此，在铁路隧道内列车着火后，若不能将列车完全驶离隧道，则必须在隧道内实施灭火救援。

目前，特长铁路隧道的救援模式主要有两种：定点疏散救援方式和随机停车疏散救援方式。

（1）定点疏散救援方式
旅客列车车厢发生火灾后，通过车厢内的消防手段不能控制火情，在将着火车厢内的旅客疏散到相邻车厢并封闭其端门之后，决定将列车驶入隧道中设置的“定点”区域，该区域里面有完备的消防设施和逃生通道，利于人员疏散。

列车进入“定点”区域后，立刻进行人员疏散和消防灭火。

（2）随机停车疏散救援方式
特长铁路隧道由于长度较大，列车着火后可能不一定能够驶出隧道或者是甚至不能够到达“定点”，必须要在隧道内随机停车进行人员的安全疏散。

对于列车着火后既无法驶离隧道，又不能够到达“定点”而只能停在隧道内其它任意位置的情况，应按随机救援模式处理。