朱合華長大隧道數(shù)字化火災預警疏散技術

主要內(nèi)容1前言2隧道火災預警疏散研究現(xiàn)狀3基于數(shù)字化的火災預警疏散技術4火災時隧道三維溫度場重構研究5長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究6結語11前言隧道結構空間比較封閉，自然排煙困難，火災發(fā)生后升溫速度快，易爆發(fā)成災

隧道結構對外出口少，導致疏散救援工作非常困難，對于長大隧道來說，該問題尤其嚴重長大隧道火災安全問題的特點隧道尤其是長大隧道火災，撲救非常困難，因為消防人員進攻路線缺乏，很難接近火源撲救21前言1996年，英法海峽隧道（全長51km）發(fā)生火災，乘客們在濃煙和恐慌中度過了約15min，由于及時采取較合理的應急疏散措施，沒有造成人員傷亡。31前言1999年，勃郎峰公路隧道（全長11.8km）火災中，最高溫度達到1000℃,大火持續(xù)了55h，導致41人死亡，43輛車燒毀。41前言2000年，瑞士圣哥達公路隧道（全長16.9km）火災中，隧道內(nèi)溫度達到了1000℃，有11人喪生，128人失蹤。52隧道火災預警疏散研究現(xiàn)狀線性火災探測器

如感溫電纜、感煙電纜、火災報警光纖等火災自動報警系統(tǒng)點式火災探測器

如紅外線火災探測器、雙波長火災探測器等閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)和手動報警系統(tǒng)

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

目前對于疏散方面的研究主要集中在人員疏散模型、疏散時間計算以及結合外界環(huán)境的研究（包括疏散指示標志、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

對于隧道火災的預防救援所采取的基本原則是“以防為主，防消結合”，所采取的措施包括設置通風排煙系統(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。所建立的疏散預案也大多是條文制的預案，不夠靈活，無法很好的適應火情現(xiàn)場的復雜情況。72隧道火災預警疏散研究現(xiàn)狀火災的誤報、漏報

隧道火災預警疏散存在的問題火災現(xiàn)場實時信息的獲取

疏散救援預案及防災管理體系不能適應火災現(xiàn)場的復雜情況83基于數(shù)字化的火災預警疏散技術總體思路結合火災探測器收集到的數(shù)據(jù)實時重構隧道內(nèi)火災情況下的三維溫度、煙氣場建立火源溫升曲線與火災類型、火源熱釋放速率等重要火情信息間的關系根據(jù)火勢的實際發(fā)展情況來選擇并實時調(diào)整疏散方案，從而達到人員疏散的最合理化火情信息獲取三維溫度煙氣場重構數(shù)字化疏散預案93基于數(shù)字化的火災預警疏散技術系統(tǒng)組成火情信息獲取子系統(tǒng)

通過在現(xiàn)場安裝光纖光柵等火災探測儀器并且對儀器所采集的數(shù)據(jù)進行分析處理，為逃生救援系統(tǒng)提供來自現(xiàn)場的各種關鍵信息，包括起火點數(shù)量，位置，強度，煙氣擴散方向等。103基于數(shù)字化的火災預警疏散技術三維溫度煙氣場重構子系統(tǒng)

利用火災探測器實測得到的數(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筑過程來仿真重現(xiàn)三維溫度場。同時，建立煙氣在隧道內(nèi)的實際移動速度，有煙區(qū)大小及邊界等煙氣場信息。從而為正確的決策提供可靠的信息。113基于數(shù)字化的火災預警疏散技術應急疏散救援決策子系統(tǒng)實時地根據(jù)隧道內(nèi)火勢的發(fā)展狀況來實施不同的應急疏散救援預案。當隧道內(nèi)火災發(fā)生時，由于情況緊急，不可能完全按照應急預案的條條框框來執(zhí)行，因此采用基于數(shù)字化技術的應急預案。計算機將自動提示各部門相關人員做出應急措施，確保救災小組各盡其職，順利搶險救災。123基于數(shù)字化的火災預警疏散技術數(shù)字化虛擬現(xiàn)實顯示子系統(tǒng)基于數(shù)字化虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，反饋并實時顯示隧道內(nèi)溫度場分布及煙霧的流動情況，為現(xiàn)場消防指揮及人員疏散提供直觀的圖像信息。133基于數(shù)字化的火災預警疏散技術測得溫度、煙氣數(shù)據(jù)得知火源點數(shù)量、位置及熱釋放速率火情信息獲取子系統(tǒng)三維溫度煙氣場重構子系統(tǒng)三維溫度煙氣場應急疏散救援決策子系統(tǒng)數(shù)字化虛擬現(xiàn)實顯示子系統(tǒng)指導人員的疏散救援工作143基于數(shù)字化的火災預警疏散技術關鍵技術火源溫升曲線與火災類型、火源熱釋放速率等重要火情信息間關系的建立

隧道內(nèi)火災情況下三維溫度場的重構

數(shù)字化應急疏散預案的建立153基于數(shù)字化的火災預警疏散技術優(yōu)點提供隧道內(nèi)火災時大量的關鍵信息，包括起火點數(shù)量，位置，強度，煙氣擴散方向，有煙區(qū)大小及邊界等實時性：結合火災探測器測得的信息實時重構隧道內(nèi)的三維溫度場，為應急疏散救援預案的決策提供依據(jù)

有效性：根據(jù)隧道內(nèi)實際的火勢發(fā)展情況來選擇相應的疏散救援預案，從而能夠保證預案實施的有效性

全面性：體現(xiàn)在系統(tǒng)功能的全面上，即集火災測溫報警、溫度煙氣場重構、應急疏散救援預案實施以及數(shù)字化虛擬現(xiàn)實顯示等功能于一體

164火災時隧道三維溫度場重構研究研究思路

根據(jù)隧道火災數(shù)值模擬所得的數(shù)據(jù)以及收集過往隧道現(xiàn)場火災和實驗室火災所得的數(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帶有一些未知數(shù)。結合隧道內(nèi)安裝的火災探測器實時實測得到的數(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)任一時刻，任一點處的溫度值。174火災時隧道三維溫度場重構研究隧道橫斷面豎直方向上的溫度分布

借助數(shù)值模擬的方法對火災時隧道橫斷面上豎直方向的溫度分布形式進行了研究。利用CFD軟件SMARTFIRE對隧道火災進行了數(shù)值模擬，考慮了3個因素對火勢發(fā)展的影響，分別是隧道尺寸、縱向通風速度以及火災規(guī)模。采取正交試驗的方法來安排試驗，這是一個3因素3水平的試驗，因而選用正交表L9(34)。184火災時隧道三維溫度場重構研究

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

。因而該溫度分布曲線可按不同的縱向風速和離火源點的距離來建立。194火災時隧道三維溫度場重構研究縱向風速為0m/s時

距離火源點30m范圍以內(nèi)處距離火源點30m范圍以外處T-隧道內(nèi)任一時刻任一點處的溫度值，oCT0-常溫，20oCTmax,t-隧道內(nèi)離火源任一距離處拱頂?shù)臏囟戎?，oCh-該點離拱頂?shù)母叨?，mH-隧道的高度，m204火災時隧道三維溫度場重構研究縱向風速為1.5m/s時

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

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

通過對大量火災試驗數(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，距離火源的距離，m

235長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究疏散通道的設置參考目前國內(nèi)外長大隧道疏散通道的設置情況，從疏散逃生的角度考慮，可采用如下幾種方式：（1）建設專用的服務隧道供疏散逃生使用（2）在運營隧道間設立橫向聯(lián)絡通道（包括人行橫通道及車行橫通道）上海長江隧道聯(lián)絡通道245長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究（3）對于采用盾構法修建的長大隧道，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長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究（4）對于臺灣海峽隧道，如采用穿梭列車的運行模式，也可參考日本青函隧道的做法，在隧道內(nèi)一定位置設立“定點”（火災時，列車停在定點位置），以進行全面的滅火救援、通風排煙工作青函隧道在龍飛、吉岡（斜井和豎井之間）設了兩個定點265長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究服務于防災救災的標志、標識設置

對于長大隧道，在災害發(fā)生后，為了便于司乘人員能夠迅速、合理的疏散，在設置逃生通道等標志、標識時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長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究服務于防災救災的標志、標識設置

火災發(fā)生后需禁止車輛再進入事故隧道，可在隧道入口用激光在水幕上打出禁行的標志?；馂臅r隧道入口處禁止進入的信息顯示285長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究上海長江隧道人員安全疏散研究

借助CFD軟件SMARTFIRE和疏散軟件BUILDINGEXODUS，對上海長江隧道在正常運營和阻塞兩種工況下發(fā)生火災時人員的安全疏散進行了研究。通風方式：射流風機誘導型縱向通風+重點排煙的通風方式疏散通道：橫向疏散（每850m設一橫通道）+縱向疏散（每兩相鄰橫通道間設3個逃生樓梯，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，火源位于450m處火源尺寸：長×寬×高＝5.5×2.5×3.75m（貨車火災）火災規(guī)模：50MW，熱釋放速率Q＝0.1878t2計算時間：10min295長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究正常運營工況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時間察覺時間（s）確認和反應時間（s）離火源點50m范圍內(nèi)3017－50歲的人取0－60s內(nèi)隨機分布；51－80歲的人取30－90s內(nèi)隨機分布離火源點50m范圍以外60注：火源下游人員取值時在以上時間的基礎上減少30s。5長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究315長大隧道內(nèi)人員安全疏散研究疏散模擬結果

正常運營工況下發(fā)生火災，人員全部