朱合華長(zhǎng)大隧道數(shù)字化火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)

主要內(nèi)容1前言2隧道火災(zāi)預(yù)警疏散研究現(xiàn)狀3基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)4火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究5長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究6結(jié)語11前言隧道結(jié)構(gòu)空間比較封閉，自然排煙困難，火災(zāi)發(fā)生后升溫速度快，易爆發(fā)成災(zāi)

隧道結(jié)構(gòu)對(duì)外出口少，導(dǎo)致疏散救援工作非常困難，對(duì)于長(zhǎng)大隧道來說，該問題尤其嚴(yán)重長(zhǎng)大隧道火災(zāi)安全問題的特點(diǎn)隧道尤其是長(zhǎng)大隧道火災(zāi)，撲救非常困難，因?yàn)橄廊藛T進(jìn)攻路線缺乏，很難接近火源撲救21前言1996年，英法海峽隧道（全長(zhǎng)51km）發(fā)生火災(zāi)，乘客們?cè)跐鉄熀涂只胖卸冗^了約15min，由于及時(shí)采取較合理的應(yīng)急疏散措施，沒有造成人員傷亡。31前言1999年，勃郎峰公路隧道（全長(zhǎng)11.8km）火災(zāi)中，最高溫度達(dá)到1000℃,大火持續(xù)了55h，導(dǎo)致41人死亡，43輛車燒毀。41前言2000年，瑞士圣哥達(dá)公路隧道（全長(zhǎng)16.9km）火災(zāi)中，隧道內(nèi)溫度達(dá)到了1000℃，有11人喪生，128人失蹤。52隧道火災(zāi)預(yù)警疏散研究現(xiàn)狀線性火災(zāi)探測(cè)器

如感溫電纜、感煙電纜、火災(zāi)報(bào)警光纖等火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)點(diǎn)式火災(zāi)探測(cè)器

如紅外線火災(zāi)探測(cè)器、雙波長(zhǎng)火災(zāi)探測(cè)器等閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)和手動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

手動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)如緊急電話系統(tǒng)和報(bào)警按鈕系統(tǒng)等隧道在運(yùn)營一定時(shí)間后，受汽車排放尾氣及煙塵等影響，以及隧道漏水、雷擊等作用后報(bào)警系統(tǒng)就不能正常工作，發(fā)生誤報(bào)警及火災(zāi)發(fā)生時(shí)不報(bào)警。62隧道火災(zāi)預(yù)警疏散研究現(xiàn)狀

目前對(duì)于疏散方面的研究主要集中在人員疏散模型、疏散時(shí)間計(jì)算以及結(jié)合外界環(huán)境的研究（包括疏散指示標(biāo)志、人員安全疏散影響因素、人員步行速度等方面）。疏散研究現(xiàn)狀

對(duì)于隧道火災(zāi)的預(yù)防救援所采取的基本原則是“以防為主，防消結(jié)合”，所采取的措施包括設(shè)置通風(fēng)排煙系統(tǒng)、火警系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、疏散逃生通道以及建立疏散預(yù)案。

但是所能得到的火情信息比較有限，并且各系統(tǒng)的聯(lián)系也并非十分緊密。所建立的疏散預(yù)案也大多是條文制的預(yù)案，不夠靈活，無法很好的適應(yīng)火情現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況。72隧道火災(zāi)預(yù)警疏散研究現(xiàn)狀火災(zāi)的誤報(bào)、漏報(bào)

隧道火災(zāi)預(yù)警疏散存在的問題火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的獲取

疏散救援預(yù)案及防災(zāi)管理體系不能適應(yīng)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況83基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)總體思路結(jié)合火災(zāi)探測(cè)器收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)重構(gòu)隧道內(nèi)火災(zāi)情況下的三維溫度、煙氣場(chǎng)建立火源溫升曲線與火災(zāi)類型、火源熱釋放速率等重要火情信息間的關(guān)系根據(jù)火勢(shì)的實(shí)際發(fā)展情況來選擇并實(shí)時(shí)調(diào)整疏散方案，從而達(dá)到人員疏散的最合理化火情信息獲取三維溫度煙氣場(chǎng)重構(gòu)數(shù)字化疏散預(yù)案93基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)系統(tǒng)組成火情信息獲取子系統(tǒng)

通過在現(xiàn)場(chǎng)安裝光纖光柵等火災(zāi)探測(cè)儀器并且對(duì)儀器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，為逃生救援系統(tǒng)提供來自現(xiàn)場(chǎng)的各種關(guān)鍵信息，包括起火點(diǎn)數(shù)量，位置，強(qiáng)度，煙氣擴(kuò)散方向等。103基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)三維溫度煙氣場(chǎng)重構(gòu)子系統(tǒng)

利用火災(zāi)探測(cè)器實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)來建立沿隧道縱向及橫向的溫度分布曲線，通過從一維到二維再到三維的構(gòu)筑過程來仿真重現(xiàn)三維溫度場(chǎng)。同時(shí)，建立煙氣在隧道內(nèi)的實(shí)際移動(dòng)速度，有煙區(qū)大小及邊界等煙氣場(chǎng)信息。從而為正確的決策提供可靠的信息。113基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)應(yīng)急疏散救援決策子系統(tǒng)實(shí)時(shí)地根據(jù)隧道內(nèi)火勢(shì)的發(fā)展?fàn)顩r來實(shí)施不同的應(yīng)急疏散救援預(yù)案。當(dāng)隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，由于情況緊急，不可能完全按照應(yīng)急預(yù)案的條條框框來執(zhí)行，因此采用基于數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)急預(yù)案。計(jì)算機(jī)將自動(dòng)提示各部門相關(guān)人員做出應(yīng)急措施，確保救災(zāi)小組各盡其職，順利搶險(xiǎn)救災(zāi)。123基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)顯示子系統(tǒng)基于數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，反饋并實(shí)時(shí)顯示隧道內(nèi)溫度場(chǎng)分布及煙霧的流動(dòng)情況，為現(xiàn)場(chǎng)消防指揮及人員疏散提供直觀的圖像信息。133基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)測(cè)得溫度、煙氣數(shù)據(jù)得知火源點(diǎn)數(shù)量、位置及熱釋放速率火情信息獲取子系統(tǒng)三維溫度煙氣場(chǎng)重構(gòu)子系統(tǒng)三維溫度煙氣場(chǎng)應(yīng)急疏散救援決策子系統(tǒng)數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)顯示子系統(tǒng)指導(dǎo)人員的疏散救援工作143基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)火源溫升曲線與火災(zāi)類型、火源熱釋放速率等重要火情信息間關(guān)系的建立

隧道內(nèi)火災(zāi)情況下三維溫度場(chǎng)的重構(gòu)

數(shù)字化應(yīng)急疏散預(yù)案的建立153基于數(shù)字化的火災(zāi)預(yù)警疏散技術(shù)優(yōu)點(diǎn)提供隧道內(nèi)火災(zāi)時(shí)大量的關(guān)鍵信息，包括起火點(diǎn)數(shù)量，位置，強(qiáng)度，煙氣擴(kuò)散方向，有煙區(qū)大小及邊界等實(shí)時(shí)性：結(jié)合火災(zāi)探測(cè)器測(cè)得的信息實(shí)時(shí)重構(gòu)隧道內(nèi)的三維溫度場(chǎng)，為應(yīng)急疏散救援預(yù)案的決策提供依據(jù)

有效性：根據(jù)隧道內(nèi)實(shí)際的火勢(shì)發(fā)展情況來選擇相應(yīng)的疏散救援預(yù)案，從而能夠保證預(yù)案實(shí)施的有效性

全面性：體現(xiàn)在系統(tǒng)功能的全面上，即集火災(zāi)測(cè)溫報(bào)警、溫度煙氣場(chǎng)重構(gòu)、應(yīng)急疏散救援預(yù)案實(shí)施以及數(shù)字化虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等功能于一體

164火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究研究思路

根據(jù)隧道火災(zāi)數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)以及收集過往隧道現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)和實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)所得的數(shù)據(jù)，來擬合隧道縱向和橫向的溫度分布曲線。

在這些溫度分布曲線中會(huì)帶有一些未知數(shù)。結(jié)合隧道內(nèi)安裝的火災(zāi)探測(cè)器實(shí)時(shí)實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)，反推出這些未知數(shù)，這樣便得到了隧道內(nèi)完整的縱向和橫向溫度分布曲線。從而可以得知隧道內(nèi)任一時(shí)刻，任一點(diǎn)處的溫度值。174火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究隧道橫斷面豎直方向上的溫度分布

借助數(shù)值模擬的方法對(duì)火災(zāi)時(shí)隧道橫斷面上豎直方向的溫度分布形式進(jìn)行了研究。利用CFD軟件SMARTFIRE對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，考慮了3個(gè)因素對(duì)火勢(shì)發(fā)展的影響，分別是隧道尺寸、縱向通風(fēng)速度以及火災(zāi)規(guī)模。采取正交試驗(yàn)的方法來安排試驗(yàn)，這是一個(gè)3因素3水平的試驗(yàn)，因而選用正交表L9(34)。184火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究

數(shù)值模擬結(jié)果顯示隧道內(nèi)橫斷面上豎直方向的溫度分布形式主要受縱向風(fēng)速以及離火源點(diǎn)距離的影響

。因而該溫度分布曲線可按不同的縱向風(fēng)速和離火源點(diǎn)的距離來建立。194火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究縱向風(fēng)速為0m/s時(shí)

距離火源點(diǎn)30m范圍以內(nèi)處距離火源點(diǎn)30m范圍以外處T-隧道內(nèi)任一時(shí)刻任一點(diǎn)處的溫度值，oCT0-常溫，20oCTmax,t-隧道內(nèi)離火源任一距離處拱頂?shù)臏囟戎?，oCh-該點(diǎn)離拱頂?shù)母叨龋琺H-隧道的高度，m204火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究縱向風(fēng)速為1.5m/s時(shí)

距離火源點(diǎn)30m范圍以內(nèi)處距離火源點(diǎn)30m范圍以外處縱向風(fēng)速為3.0m/s時(shí)

距離火源點(diǎn)30m范圍以內(nèi)處距離火源點(diǎn)30m范圍以外處214火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究縱向風(fēng)速為3.0/s時(shí)，隧道內(nèi)縱向溫度分布曲線(a)距離火源點(diǎn)30m范圍以內(nèi)處(b)距離火源點(diǎn)30m范圍以外處224火災(zāi)時(shí)隧道三維溫度場(chǎng)重構(gòu)研究

通過對(duì)大量火災(zāi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和分析，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)縱向溫度分布大致可用下式描述：隧道縱向溫度分布T-距離火源處的溫度，oC

T0-常溫，20oCTmax-火源處的溫度值，oC

x–距火源的距離，mLtot-溫度降到常溫時(shí)，距離火源的距離，m

235長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究疏散通道的設(shè)置參考目前國內(nèi)外長(zhǎng)大隧道疏散通道的設(shè)置情況，從疏散逃生的角度考慮，可采用如下幾種方式：（1）建設(shè)專用的服務(wù)隧道供疏散逃生使用（2）在運(yùn)營隧道間設(shè)立橫向聯(lián)絡(luò)通道（包括人行橫通道及車行橫通道）上海長(zhǎng)江隧道聯(lián)絡(luò)通道245長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究（3）對(duì)于采用盾構(gòu)法修建的長(zhǎng)大隧道，也可充分利用行車道以下的空間形成縱向逃生通道，該通道通過逃生樓梯或滑梯與行車區(qū)間連接日本東京灣海底隧道行車道板下的安全通道255長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究（4）對(duì)于臺(tái)灣海峽隧道，如采用穿梭列車的運(yùn)行模式，也可參考日本青函隧道的做法，在隧道內(nèi)一定位置設(shè)立“定點(diǎn)”（火災(zāi)時(shí)，列車停在定點(diǎn)位置），以進(jìn)行全面的滅火救援、通風(fēng)排煙工作青函隧道在龍飛、吉岡（斜井和豎井之間）設(shè)了兩個(gè)定點(diǎn)265長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究服務(wù)于防災(zāi)救災(zāi)的標(biāo)志、標(biāo)識(shí)設(shè)置

對(duì)于長(zhǎng)大隧道，在災(zāi)害發(fā)生后，為了便于司乘人員能夠迅速、合理的疏散，在設(shè)置逃生通道等標(biāo)志、標(biāo)識(shí)時(shí)要充分考慮人員的逃生需要，體現(xiàn)“以人為本”的精神。逃生口信息提示板（奧地利Schartnerkogel隧道）275長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究服務(wù)于防災(zāi)救災(zāi)的標(biāo)志、標(biāo)識(shí)設(shè)置

火災(zāi)發(fā)生后需禁止車輛再進(jìn)入事故隧道，可在隧道入口用激光在水幕上打出禁行的標(biāo)志?；馂?zāi)時(shí)隧道入口處禁止進(jìn)入的信息顯示285長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究上海長(zhǎng)江隧道人員安全疏散研究

借助CFD軟件SMARTFIRE和疏散軟件BUILDINGEXODUS，對(duì)上海長(zhǎng)江隧道在正常運(yùn)營和阻塞兩種工況下發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全疏散進(jìn)行了研究。通風(fēng)方式：射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)型縱向通風(fēng)+重點(diǎn)排煙的通風(fēng)方式疏散通道：橫向疏散（每850m設(shè)一橫通道）+縱向疏散（每?jī)上噜彊M通道間設(shè)3個(gè)逃生樓梯，以連接公路層和公路層下方的縱向逃生通道）隧道模型：取900m長(zhǎng)，火源位于450m處火源尺寸：長(zhǎng)×寬×高＝5.5×2.5×3.75m（貨車火災(zāi)）火災(zāi)規(guī)模：50MW，熱釋放速率Q＝0.1878t2計(jì)算時(shí)間：10min295長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究正常運(yùn)營工況30人員類型人員比例（％）人員數(shù)量17－29歲的男性15.012130－50歲的男性30.024251－80歲的男性15.012117－29歲的女性10.08030－50歲的女性20.016151－80歲的女性10.080人員年齡步行速度17－50歲0.96－1.2m/s51－80歲0.3－0.96m/s人員類型分布人員步行速度取值人員反應(yīng)時(shí)間察覺時(shí)間（s）確認(rèn)和反應(yīng)時(shí)間（s）離火源點(diǎn)50m范圍內(nèi)3017－50歲的人取0－60s內(nèi)隨機(jī)分布；51－80歲的人取30－90s內(nèi)隨機(jī)分布離火源點(diǎn)50m范圍以外60注：火源下游人員取值時(shí)在以上時(shí)間的基礎(chǔ)上減少30s。5長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究315長(zhǎng)大隧道內(nèi)人員安全疏散研究疏散模擬結(jié)果

正常運(yùn)營工況下發(fā)生火災(zāi)，人員全部