国内外隧道火灾及消防技术现状综述1摘要近10年来我国公路和城市交通隧道里程延长较快给隧道的消防安全带来挑战国内外交通隧道事故造成的危害引起了各国对隧道消防安全问题的高度重视并先后组织力量进行了大量基础性研究取得了一定成果本文通过总结和分析了近年国内外重大隧道火灾事故相关研究成果和主要国家隧道消防规范的要求提出了隧道火灾场景确定和我国有关隧道如何考虑防火设计及今后的研究方向关键词隧道防火火灾场景升温曲线消防安全1 概述随着工程建设技术和交通事业的发展以及人类生产生活的不断需求各种铁路公路交通隧道和地下铁道简称地铁发展迅速据统计至2000年整个欧洲地区交通隧道的总长超过1万km 在第二次全国公路普查中我国县级以上公路隧道建设总长将近550km 但在路况改善的同时道路交通流量和车辆及其运输物品变化也很大不仅增加了交通隧道的火灾风险而且还引发了不少严重的火灾事故隧道火灾不仅严重威胁人的生命和财产安全而且可能对交通设施人类的生产活动造成巨大破坏因此各国20近年来都投入了相当的力量对隧道的火灾行为以及火灾防护进行了较广泛的研究并取得了一定成果制定了一些技术要求和标准目前油槽列车隧道火灾扑救已基本得到解决即用1基金项目公安部城市交通隧道和地铁消防安全研究项目封堵隧道洞口的方法使火灾窒息交通隧道一般包括公路隧道铁路隧道和城市地铁隧道及城市其他交通隧道等地铁是构筑于地下的大容量轨道交通系统由车站行车隧道客运设施客车变配电设施通讯信号通风和给排水等设备及行车调度指挥机构组成主要用于城市交通各类隧道在消防上没有本质区别原则上均应根据隧道允许通行的车辆和货物来考虑其实际的火灾场景确定更合理有效的消防安全措施本文回顾了各国发生的铁路隧道公路隧道和城市地铁火灾重点分析和总结了国内外在公路隧道地铁消防安全方面所做过的相关研究以期对我国城市交通隧道和地铁的消防安全设计研究及其发展有所裨益2 隧道火灾的危险性和火灾原因隧道和地铁建筑结构复杂环境相对密闭在封闭空间内热量不易消散火灾时温度较高对于通行载重汽车或油罐槽车等的公路隧道和油槽列车的铁路隧道火灾温度常达1000 以上火灾扑救相当困难往往会造成重大的人员伤亡和财产损失对于水下隧道还有因结构被破坏而导致隧道修复困难的可能因此各国对交通隧道和地下铁道的消防安全都十分重视2.1 公路铁路隧道的火灾危险性和火灾原因隧道的火灾危险和火灾原因主要为车辆上的行李与危险货物车辆本身故障和隧道设计不合理等1 车辆电气线路短路汽化器失灵载重汽车气动系统故障等2 隧道内道路狭小能见度较差情况复杂易引起车辆相撞事故3 隧道内通行的车辆载有易燃易爆物品遇明火或热源易发生燃烧或自燃4 铁路轨道发生故障列车颠覆特别是油罐车2.2 地铁的火灾危险性和火灾原因地铁的火灾危险和火灾原因主要由人为因素所致1 因电气设备故障工作人员违章操作生产生活中用火用电不慎引燃地铁车站在装修设备办公生活用具方面存在的可燃物2 行车隧道施工维修中进行焊接切割作业工作人员吸烟用火不慎以及列车运行时产生的电弧引燃隧道内的可燃物隧道内安装的电缆电气设备因潮湿鼠害维修使用不当发生故障3 乘客违反安全乘车规定携带易燃易爆物品乘车在车上吸烟用火或车上电气设备故障镇流器污垢氧化导电性能降低以及接触不良兜挂运行线路上的导电体造成短路放弧4 变配电站的工作环境恶劣潮湿多粉尘通风散热不良也会导致设备故障5 纵火等其他原因一般火灾事故发生频率随隧道长度和交通量增加而增加对于公里隧道事故频率最高的隧道多为单洞双向交通或无硬路肩检修道狭窄的隧道此外根据瑞士对从1974年至今的800多起公里隧道交通事故所做分析研究其中90 的事故是由人为误操作造成10 是由其他原因造成3 国内外隧道火灾情况3.1 国外隧道火灾情况1 国外公路隧道主要火灾情况参见表1表1 国外公路隧道主要火灾情况年份隧道名称长度m火灾持续时间隧道结构破坏程度1949年美国纽约Holland 2250 4h 隧道严重损坏200m 1974年法国意大利勃朗峰11600 0.25h1976年法国巴黎Crossing BP-A6 430 1h 隧道严重损坏150m 1979年日本烧津城 Nihonzaka 2045 159h 隧道严重损坏1100m 死亡7人173辆车被毁1980年日本Kajiwara 740 隧道严重损坏280m 1982年美国奥克兰Caldecott 1028 2.7h 隧道严重损坏580m1983年意大利Gênes SavonePecorila Galleria662 损坏较轻1986年法国Nice L Arme 1105 隧道设备严重损坏1987年瑞士伯尔尼Gumefens 343 2h 损坏较轻1990年挪威Roldal 4656 0.83h 轻微损坏1993年意大利Bologne-FlorenceSerra Ripoli442 2.5h 损坏较轻1993年挪威Hoyanger Hovden 1290 1h 111m隔热材料被毁1994年南非Huguenot 3914 1h 严重损坏1995年10月澳大利亚Pfander 6719 1h 严重损坏1996年3月意大利Palermo Isoladelle Femmine148 严重损坏关闭2.5d1999年3月法国意大利勃朗峰11600 死亡41人36辆车被毁混凝土穹隆全部沙化续表1 国外公路隧道主要火灾情况年份隧道名称长度m火灾持续时间隧道结构破坏程度1999年5月奥地利A10 Tauern 6401 死亡12人伤50人严重损坏2000年11月奥地利山地列车3300 死亡155人伤18人2000年7月挪威E134Seljestad 1272 0.75h2001年5月意大利A32Prapontin 4409 关闭7d2001年8月奥地利A9 Gleinalm 83202001年10月瑞士A2St. Gotthard 16918 3d 严重受损关闭2个月2001年10月丹麦E47海底隧道Guldborgsund4602 国外铁路隧道重大火灾情况参见表2表2 国外铁路隧道重大火灾情况时间名称火灾情况1947年4月日本旧生驹山隧道死亡28人伤73人1956年3月日本高野线18号隧道死亡1人伤42人1971年3月法国国铁克洛兹隧道死亡2人中断行车96d 1972年11月日本北陆隧道死亡30人伤715人1978年9月西班牙凯格奇纳斯隧道死亡7人大火持续燃烧60h 1979年1月美国加尼福利亚奥克兰与旧金山之间的隧道1人死亡56人受伤1984年12月英国Summit隧道不祥3 1970 2003年间国外地铁重大火灾情况参见表3表3 1970 2003年间国外地铁重大火灾情况时间地点原因及后果1971年12月加拿大蒙特利尔火车与隧道端头相撞引起电路短路引起座椅起火36辆车被毁司机死亡1972年10月德国东柏林车站和四辆车被毁1972年瑞典斯德哥尔摩人为纵火1973年3月法国巴黎第7节车箱人为纵火车辆被毁死亡2人1974年1月加拿大蒙特利尔车辆内废旧轮胎引发电短路9辆车被毁300m 电缆烧断1974年俄罗斯莫斯科车站平台引发大火1975年7月美国波士顿隧道照明线路被拉断引发大火1976年5月葡萄牙里斯本火车头牵引失败引发火灾毁车4辆1976年10月加拿大多伦多纵火造成4辆车被毁1977年3月法国巴黎天花板坠落引发火灾1978年10月德国科隆丢弃的未熄烟头引发火灾伤8人1979年1月美国旧金山一名收藏家的过失电路短路引发大火死亡1人伤56人1979年3月法国巴黎乘客车箱电路短路中引发大火毁车1辆伤26人1979年9月美国费城变压器火灾引起爆炸伤148人1979年9月美国纽约丢弃的未熄烟头引燃油箱2辆车燃烧4名乘客受伤1980年4月德国汉堡车箱座位着火2辆车被毁伤4人续表3 1970 1987年间国外地铁重大火灾情况时间地点原因及后果1980年6月英国伦敦丢弃的未熄烟头引发大火死亡1人1980 1981年美国纽约1980.6至1981.7 共发生8次火灾重伤50人死亡53人1981年6月俄罗斯莫斯科电路引起火灾死亡7人1981年9月德国波恩操作失误火灾无人员伤亡但车辆报废1982年3月美国纽约传动装置故障引发火灾伤86人1辆车报废1982年6月美国纽约大火燃烧了6h 4辆车被毁1982年8月英国伦敦电路短路引起火灾伤15人1辆车被毁1983年9月德国慕尼黑电路着火2辆车被毁伤7人1984年9月德国汉堡列车座位着火2辆车被毁伤1人1984年11月英国伦敦车站月台引发大火车站损失巨大1985年4月法国巴黎垃圾引发大火伤6人1987年6月比利时布鲁塞尔自助餐厅引起火灾1987年俄罗斯莫斯科火车燃烧1987年11月英国伦敦售票处大火死亡31人1991年4月瑞士苏黎士地铁机车电线短路重伤58人1995年10月阿塞拜疆巴库电动机车电路故障死亡558人伤269人2003年2月韩国大邱地铁市中心车站人为纵火死亡126人伤289人失踪318人3.2 国内隧道火灾情况1 铁路隧道主要火灾情况参见表4近30年来我国油罐列车在隧道中共发生了6次重大火灾造成人员伤亡和重大铁路设备毁损表4 我国铁路隧道主要火灾情况时间名称火灾情况火灾原因1976年3月丰沙线旧窝庄东46#隧道中断正行车54h34min 0201次货物列车1976年10月宝成线白水江140#隧道死亡75人重伤9人中断运行382h15min1111次货物列车1987年8月陇海线兰州十里山2#隧道中断运行201h56min 死亡2人直接经济损失117万元1818次货物列车1990年7月襄渝线梨子园隧道直接经济损失500万元死亡4人伤14人中断行车550h54min0201次货物列车1992年9月青藏线岳家村18#隧道中断正线行车82h19min 直接经济损失132.6万元084次货物列车1993年6月西延线蔺家川隧道死亡8人伤10人中断正线行车579h17min 直接经济损失561.42万元3161次货物列车2 地铁主要火灾情况参见表5表5 我国地铁主要火灾情况城市地铁简况火灾情况火灾原因北京一期 1969.10 长22.6km二期1984.9 长16.1km三期1999.9 长15.3km共发生152起3人死亡300人受伤烧毁电客车4辆电缆3500m车辆电器故障违章操作致使电站分闸打火违章电焊引燃可燃物天津1984.12 长7.4km 1起火灾值班室棉被被电灯引燃上海一线 1995.4 长19.34km二线2000.6 长16.3km39次设备故障3次使用灭火器1次启动卤代烷1301灭火系统2起火灾直接经济损失1725万元设备过载短路小动物损坏设备等违章电焊广州一线 1998.6 长18.48km二线未完工长23.26km1起火灾直接经济损失约20万元变电所电柜电气元件故障引燃电线3 城市公路隧道火灾情况 参见表6 表6 我国城市公路隧道火灾情况 时间名称火灾情况火灾原因1976年3月 死5人 重伤2人一大客车油箱与地面露出的钢筋相撞漏油起火1998年3月 车辆过速撞车导致油管断裂起火 1998年8月 上海市打浦路隧道总长2764m宽7.07m 高4.4m车辆电路故障起火 1991年4月 公交车辆电气线路起火1994年8月车辆发动机油管爆裂起火1998年5月 延安东路隧道宽7.5m 北线总长2261m 南线总长2207m 未造成伤亡 车辆发动机故障起火3.3 火灾的经验教训火灾后 各国均在总结这些火灾经验教训的基础上 组织大量力量对隧道火灾的特点及火灾预防与救援进行了较系统的研究 这里主要介绍英法海峡隧道和意法勃朗峰隧道火灾后的研究情况1 英法海峡隧道由南北两条平行的两条运营隧道组成 隧道直径均为7.6m 全长50.45km 连接英国的福克斯顿与法国的凯莱斯 1996年11月发生火灾 导致许多设备和数百米衬砌严重破坏英法海峡隧道在设计时对消防安全做过大量研究工作 如果不能满足安全要求 则不能发放隧道营运许可证 并采取了以下安全措施1 在两条运行隧道之间修建了通长的服务隧道 建有146条人行通道与服务隧道相连 火灾时 如果列车停在隧道内 靠近列车的人行隧道的隔离门将会打开 乘客可以通过人行通道进入服务隧道 撤离火灾现场2 设有两套通风系统一套是常规通风系统用于提供新鲜空气一套是紧急通风系统用于隧道发生火灾时控制烟气流动方向紧急通风系统设计风向可逆风量可调将根据列车所停位置及乘客疏散方向控制隧道内的气流方向和风速3 为避免人行通道的隔离门打开后隧道内的烟气将可能同乘客一起进入服务隧道常规通风系统将与紧急通风系统配合根据隧道内的压力调整常规通风系统的风量保证服务隧道内的空气压力大于服务隧道外的压力4 在两个交叉渡线隧道设有隔离门火灾时关闭隔离门防止烟气进入相邻隧道5 隧道内安装有闭路电视和火灾报警系统6 根据隧道结构将整个隧道分成不同区域对火灾规模火源及火灾发生在不同区域进行计算机模拟分析制定了隧道应急方案尽管隧道内有比较完善的消防安全设施但火灾时隧道内的自动灭火设施和自动排烟设施在火灾后没有自动启动在灾后组织的研究中人们获得了以下经验教训1 隧道的管理人员经过严格培训熟知火灾的应急处置几乎所有措施和设备的工作状态均按照隧道应急方案执行火灾后的计算机分析表明隧道在安全方面的设计总体上非常好所有控制系统紧急通风系统的开启和正常通风系统的风量调整均正确地控制了烟气地流动方向这些都在灭火救援和火灾疏散中发挥了积极作用使得火灾未造成人员伤亡2 但运载卡车的车辆不封闭车辆自动分离器失灵火灾规模远远超出预计规模列车不能倒退也无避难线以及列车本身及隧道内消防设备的灭火能力低也使得火灾迅速扩大延烧时间长部分结果受到破坏通过这次火灾研究人员建议隧道要有合理的便于人员疏散的结构布置要求火灾发生的预测预警装置要有平时和紧急状态的通风系统要有强力的消防系统2 勃朗峰隧道是意法之间通过阿尔卑斯山的单洞双向公路交通隧道宽8.6m 长11.4km 隧道自1965年通车以来共发生过17起载重货车火灾1999年3月发生的火灾导致41人死亡900多米的隧道拱顶及路面被严重毁坏火灾前隧道内具有以下安全措施1 有一条7m宽的车道两旁各有一条0.8m宽的人行道从法国至意大利由1 36号车道两边每隔300m交替设置了紧急停车带每条紧急停车带前均设置有一道供载重车辆掉头的横通道2 每隔一条紧急停车带设有一个单独送风的具有2h耐火极限的安全避难所可以用于保护人员但两段隧道内的安全避难所不是在同一时间建设设计也不相同3 每隔100m设置了一个紧急电话亭配有火灾报警按钮电话以及2个手动灭火器4 每隔150m还为消防队员设置了消防栓5 通风系统设置自隧道两端的设备间开始以隧道中央为中心两边对称通风管道位于车道下方其中4条送风管道连通两端入口每条风管通过沿隧道的边墙下端每10m一个的通风口对八分之一长的隧道段送风每条风管可以75m3/h的速度补风每一端入口的最大新风量为300m3/h 隧道总送风量为600m3/h第五条风管既可用于排除交通污染空气也可用于火灾时排烟一般该风管能够通过与每300m紧急停车道等高的拱壁上的排烟口从每半段隧道以150m3/h速度排烟火灾后该隧道共耗资3亿欧元经过3年重修才开放在消防安全方面进行了大量改造其中增设了37个分别能容纳50人的紧急庇护所庇护所与隧道之间设有两道可在1200 的高温环境下工作2h的防火防烟门每100m设置排烟管道设置116个安全凹区内设紧急电话和消防设备每隔300m设置临时停车带和紧急照明设备在隧道中部建立紧急救援中心配备3台消防车安装了126台监控摄像机每天通过隧道的载重卡车的数量控制在1100辆以内为事故前的一半同时研究人员总结出以下经验教训1 隧道分别由意法两家公司管理协调不力且安全规则有较大差别导致沟通困难缺乏经验与协调行动2 隧道中意法段内的通风控制不统一使两半隧道内的通风水平不平衡导致烟气向法方隧道快速扩散3 火灾平均热释放速率达到30 MW 50MW 最高可能达到150 MW 190MW4 应将整条隧道作为一个整体进行考虑控制双向行车条件下火灾时的洞内风速5 长隧道应设置火灾报警预警设施适当增设可视监视装置6 控制中心分工应明确以一个为主其他为辅欧盟在这起火灾后还组织有关国家对正在运营的20座长隧道进行了测试和安全评估结果发现近一半低于安全标准其问题主要在于无避难隧道无应急出口无避难洞室没有设置紧急停车带通风系统只有送风不能对排风口的开与关进行遥控4 国内外在隧道设计方面的技术标准与法规4.1 国外现状荷兰编制了GT-98036 TNO报告98-CVB-R1161隧道防火以及BI-86-64/00.65.8.0020 隧道防火测试方法规定了隧道的火灾场景确定方法与相关消防安全工程设计方法和隧道结构的耐火测试方法德国1994年制定了公路隧道设施及运行准则RABT 对隧道中的火灾规模作出了规定1995年制定了ZTV 隧道关于公路隧道建设补充技术条款及准则其中第10章建筑防火规定了隧道内的升温曲线以及建筑结构及其内部系统所应采取的防火措施英国制定了BD78/99公路及桥梁设计手册用于指导运用消防安全工程方法对隧道的消防设计美国消防协会制定了NFPA 130 固定导轨运输和有轨客运系统标准和NFPA 502 公路隧道桥梁及其他限行公路标准其中NFPA 130规定了地下铁道的消防安全设计运营管理应急以及车辆消防要求等NFPA 502规定了不同类型隧道的消防要求并要求长度超过240m的隧道应根据特定隧道的特征和相关参数如长度横截面分级主导风交通流向货物类型设定火灾参数等采用工程分析方法设计其通风设施日本制定了日本建设省道路隧道紧急用设施设置标准该标准按公路隧道长度及其交通流量将隧道进行分级并根据不同级别规定其规定了公路隧道的消防要求此外有关国家还对公路隧道内通行危险物品载运车辆进行了规定参见表7表7 有关国家还对公路隧道内通行危险物品载运车辆的规定国家规定要求荷兰公路隧道按允许通行的危险品运输车辆分为3类在明挖隧道内所有危险品车辆均可通行一类爆炸压力在0.1MPa以上的爆炸物品禁止通行二类只允许通行危险度较低的物品车辆德国全部公路隧道的危险品运输均有限制法国国道隧道原则上禁止危险品车辆通行国道隧道外基本上允许通行危险品车辆英国全部公路隧道不受限制但在特殊情况下有限制美国在州法令中规定只有一座隧道可以通行危险品车辆在郡或自治政府条例中有限制日本根据道路法禁止或限制危险品运输车辆通行4.2 我国现状自1980年代以来我国组织制定了有关铁路隧道公路隧道和地下铁道的设计标准如1985年发布的铁道部现行标准铁路隧道设计规范1989年发布的交通部现行标准公路隧道设计规范正在修订和1992年发布的国家现行标准地下铁道设计规范已修订报批这些标准分别对地铁铁路隧道和山岭公路隧道的防火与疏散做了部分规定但均不够完善并且未对城市市区内的交通观光游览隧道的防火设计做出规定目前国家标准建筑设计防火规范报批稿已增补了除地铁外的城市交通隧道的有关防火设计要求地下铁道设计规范报批稿在地铁消防安全方面也主要参考美国NFPA 130 固定导轨运输和有轨客运系统补充了较多内容特别是在建筑防火和防排烟方面5 国内外隧道消防安全研究现状5.1 我国隧道消防安全研究现状国内在八五期间由铁道部组织铁道部科学研究院西南分院广州铁路局兰州铁道学院长沙铁道学院等单位对长隧道的火灾报警与消防方法进行了研究完成了单线铁路隧道火灾消防方法的1:3模拟试验和消防方法论证等工作铁道部科学研究院西南分院有学者进行过隧道火灾封堵燃烧状况的模型试验研究中国人民武装警察部队学院有学者对隧道火灾封堵后的缺氧燃烧行为特征燃烧熄灭及安全启封条件进行过研究研究认为隧道火灾缺氧燃烧特征是整个体系倾向于发生不完全燃烧反应在氧气浓度降低到10% 15%后经短时间滞后由于缺氧而终止隧道火灾是典型的通风控制型燃烧中性面以上烟气流出与中性面以下空气流入均受火风压的驱使火风压的大小取决于温差或燃烧温度此外我国还在隧道的烟气数值模拟衬砌承载力评估隧道内温度场分布等方面做过大量研究5.2 国外隧道消防安全研究现状国外主要以日本美国和英国欧盟为主开展过这方面的系统研究日本为确保旅客的安全对旅客列车的防火进行了长期研究特别是着火列车在隧道内运行时烟气对相邻车厢的影响瑞典Lund大学运用场模型对隧道火灾烟气流动和安全疏散的相互作用进行了研究研究重点为隧道内物质燃烧时温度烟气在隧道纵横断面上的分布随时间和空间的变化情况英国Leeds大学在假设质量和能量守恒压力差很小混合气流层的速度为热气流层和冷气流层速度之和一半隧道断面不变且平滑羽流沿中心线呈正态分布的条件下开发了隧道内火灾增长和烟气流动模型FASIT 20世纪80年代以来国外曾在以下几方面开展过研究公路车辆的燃烧特性模拟通风对车辆燃烧的影响烟气增长用木垛火与庚烷火模拟正常火灾荷载的火灾比较烟气中有毒成分的生成量分析隧道内的火灾增长和烟气运动数值模拟技术隧道的内衬在火灾下的表现驾驶人员在隧道内的心理与行为及相关影响因素消防救援方法与策略以及自救原则等研究认为隧道火灾规模及其对车辆隧道内衬的影响取决于车辆的类型其内部可达到的温度及火灾规模可见表8表8 不同类型车辆在隧道内燃烧可达到的温度及其火灾规模车辆类型最高温度最大热释放功率MW小汽车400 500 3 5公共汽车700 800 15 20载重火车石油槽车除外1000 1200 50 1005.3 国外对隧道结构测试的几种升温曲线尽管各国在测试建筑构件的耐火极限方面一直采用ISO834标准规定的时间-温度曲线但像汽车燃料或车辆所运载的石油化工产品液化石油气等碳氢化合物或其他化学物质的燃烧释放速率火场的温度梯度与可能达到的最高环境温度与该升温曲线所描述的情况有很大差异因此隧道的结构设计与耐火保护就需要与这种情况相适应为此欧洲各国发展了一系列不同隧道火灾类型的时间-温度曲线如图所示RWS曲线是1979年在荷兰TNO实验室的研究结果基础上共同研究出来的它假设在最不利的火灾情况下潜热值为300MW的燃油或者油罐车持续燃烧120min. 并假设在120min.以后消防人员已经将火势控制接近火源并将开始熄灭火源该曲线主要模拟油罐车在隧道中的燃烧情况最初温度迅速上升并随着燃料的减少而逐步下降在瑞士由于过山隧道更长且远离消防队采用RWS 荷兰公共运输事业治水总局曲线时设计时间则延长到180min. 法国采用的隧道升温曲线与RWS类似但规定其最高温度为1300碳氢化合物燃烧曲线主要模拟火灾发生在较为开放的地带热量可以散发RABT曲线是德国在一系列研究结果的基础上发展而来的如尤里卡Eureka 研究项目该曲线假设火场温度在5min.之内快速升高到1200 并在持续较短时间后冷却110min. 它模拟一场简单的卡车火灾的升温状况但针对一些特殊类型的火灾最高温度的持续时间也可延长到60min.或更长的时间然后冷却110min.。