公路隧道手册 - 世界道路协会
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操作安全要求

隧道手册的第二部分主要致力于隧道运营和安全需要特别考虑的重要因素。

第6章主要涉及隧道几何特征对隧道运营和安全的影响。

第7章主要涉及运营和安全的结构附属设施的作用分析,这些设施在隧道工程早期经常被低估,特别是在费用上经常被低估,但后来常被证明是不可或缺或值得重视的。

第8章主要介绍了隧道的各种类型的设备,并就隧道整个生命周期给出了相关的建议和意见。

最后,第9章重点介绍了隧道中材料、结构和设备在火灾中的行为。

6.几何特征

正如这本手册在第1章中广泛提到的,隧道的几何特性比很早的在隧道设计中定义了,甚至由多种隧道连接一条公路。

这些特征具有不同的特性,根据不同类型作如下分类:

  • 建设方法和典型实例的关系;
  • 相关的通行能力的理论概念;
  • 一般的公路线路组成的隧道:行车道和人行道的数量,空闲车道的规定(两侧和中央),净空高度,最大坡度,最小水平和垂直半径,横向坡度,隧道里面横向轮廓的细部特性,行车道和人行道的宽度,考虑净空高度的建设方法和横断面设备安装空间的安全特征:紧急停车道、紧急人行道、紧急援助区、安全围栏和障碍、安全照明等;
  • 位于接口之外的其它构造的特殊的几何特性如:紧急出口,疏散通道,分路口,横断面连接等;
  • 几何特征对安全的影响。

这章主要是基于技术报告05.11.B“单向公路隧道横断面的几何特征”和05.12.B“双向公路隧道的横断面的设计”。

第6.1节建筑方法和横断面之间的联系。

第6.2节给出了相关的通行能力的理论概念总结。

第6.3节回顾主要规则,包括在一些国家使用的主要数据有关一般道路的路线,并在需要维持隧道本身对外界的道路最大的几何特征的需求(不得不限制的最大坡度)。

第6.4节公路隧道的行车道横剖面经过特别的处理,单双向都包括在内。

第6.5节考虑到隧道的垂直净空。

第6.6节考虑到必须沿隧道建立紧急停车道及非行车道的以及各种安全设施。

撰稿者

这章主要由ITA代表Willy De Lathauwer((比利时)联合C4的委员执笔编写。

Fathi Tarada (英国)复核了本章。

6.1. 施工方法与横断面的关系

        对于公路隧道横断面的形状是典型矩形或圆形更多的依赖于施工方法。在表6.1-1中给出一些横断面和相应的施工方法。

        横断面采用形状的尺寸主要取决于交通量的需要,这些不同由于:

  1. 隧道的交通量和重要性;
  2. 设计速度、安全停下来的距离和视觉距离;
  3. 隧道内部设备的空间如:信号,交通和环境监测器等;
  4. 实用性和安全标准的平衡;
  5. 交通管理要求与隧道内事故;
  6. 通常的地方标准和财政可能性。

        国际上对上面不同的反应比较强烈。不同的国家对不同情况具有不同的反应和涉及的时间也不同。

Table 6.1-1: 横断面和典型的施工方法
N° 横截面 典型的施工方法 评述
1 圆形 盾构施工 近期在日本延伸到矩形截面
2 矩形 沉管式隧道 在美国圆形横断面很普遍
3 矩形 盖挖隧道 预浇筑技术有时候决定了在行车道上面产生圆形的横截面
4 马蹄形 爆破 应用于硬质岩
5 圆形和椭圆拱冠 开挖支撑方法 在硬质岩,通常采用马蹄形处应用

 

6.2. 理论与实际的隧道通行能力

        该路段的理论交通量定义为每小时通过的最大车流量。它是通过测量在15分钟的时间内最大的客车数量,乘以一高峰小时系数。这不是一个绝对的最大值,而是较合理的重复性统计。以这种方式表达,容量只取决于行车道及非行车道数量和宽度,还有该部分的边坡。它不依赖于重型车辆的比例,因为很显然,这将是一个交通强度最高时的是通常是轻型货车,普通司机。如果没有要素限制它,这是理论容量大约每2200机动车(v/h/l)小时的车辆。更多的信息,可详见第4章“通过能力和通过速度取决于公路和公路隧道的几何尺寸”的报告05.11.B和第3章"行车速度和密度"的报告05.12。

        一个部分的实际容量依据没有前面提到的限制的理论容量(2,200 v/h/l)来计算。限制因素的产生是基于路况的实际特点。这些主要因素是:

  • Fw ,车道宽度因素,根据车道和非行车道的宽度减少的容量。如果宽度是相等对或大于3.60 m,车道实际通过能力不受限制;
  • Fhv ,重型车辆因素,根据重型车辆通过比例和车行道倾斜的百分比和长度调整理论容量;
  • Fc ,修正系数由于司机的主要类型决定,这个容量调整基于在是一个工作日交通量,司机是否是沿路线的普通司机。

        在一个方向一条车道的实际容量Cp 计算方法为:

          Cp = 2200 * N * Fw * Fhv * Fc        其中N 为行车线的数量。

        这个因素可以根据第4章"通过能力和通过速度取决于公路和公路隧道的几何尺寸"的报告05.11.B和第3章"行车速度和密度"的报告05.12.B 给出的公式和表格进行进一步的计算和推广。

        更多信息也能在美国交通研究通报中交通高容量手册(HCM)中找到。

6.3. 道路的一般线型和典型实例

  • 6.3.1 水平线型
  • 6.3.2 纵断面
  • 6.3.3 横断面
  • 6.3.4 净高
  • 6.3.5 单向或双向隧道
  • 6.3.6 立体交叉

6.3.1 水平线型

        应避免小半径曲线,尤其是他们与一条直线路相连。500-600m的最小曲率应当可见,纵向的侧向净距离应当在一个可视范围内。

        在城市隧道中,在畅通和拥挤交通流中应该充分考虑设计的速度接近实际速度。

6.3.2 纵断面

        由于速度、纵向下坡的影响会引起较多事故的发生,尤其是在交通量大的情况下(下坡速度增加)。

6.3.3 横断面

        缩减横断面可能诱发事故,事实上,在隧道中不像在开阔的道路上,隧道中车辆的速度很快,在高交通量的情况下可能引发事故。

        在这点上必须引起注意,如果在隧道里中型车道的宽度或限车道的宽度和接近隧道的地方的面积小于开阔路面的宽度,那这些变化必须在进入隧道入口之前完成并尽可能的平顺,详见第4.7节“隧道入口设计”的报告2008R17。

6.3.4 净高

        事故经常发生在超高交通工具经过矩形隧道或以通风为目的的顶棚隧道中。

        建议洞门上边的外边隧道安装一个警示牌,禁止过高的交通车辆通过。

        更多信息可详见附录 IV.2.6“净空”的报告05.04.B。

6.3.5 单向或双向隧道

        双向隧道事故率比单向隧道要多,然而用户观察几乎是好的禁止在隧道内超车在纵向梯度,斜坡陡度应当适中,这就需要设计一个额外的通道为慢车。

        强烈的反对改变交通方向为缓解每日交通高峰。

        双向隧道在高速公路隧道施工阶段可能比较经济,经济角度考虑双向交通运行是首选的。单向隧道是第二选择。然而,为了解决交通人流峰(夏天或冬天的节假日),单向隧道的设计要求的条款具有双向隧道的的交通要求和足够的宽度。即使这个安排从安全的角度可以接受,但从市区隧道角度考虑必须禁止。

6.3.6 立体交叉

        在地下的立体交叉(内外连接路)可能致使事故发生。这样它们需要正确设计。路线设备应当以驾驶人员面对的奇点和构型挑战为重点。设计理念必须给驾驶者视觉感。

        在隧道里面,交通出口必须距隧道洞门有一定的距离,许多数量的事故,大部分受伤事故发生在隧道分路口处,就隧道空间条件限制而言,应当考虑在隧道内部设计一条额外的出口分路。

6.4. 行车道的几何特征

Fig. 6.4-1 : 截面实例

Fig. 6.4-1 : 截面实例

        特将术语定义如下:

  • 车道,包括区域在最外层的车道标号的内在边缘里面;
  • 非车道,在计划包括那些区域在车道之外,包括边缘车道标号,清除、紧急情况的车道、边路和停机拦截网。较多的信息参照图表报告05.11.B第2章的术语。

        为了帮助良好地管理道路,根据功能作用进行等级分类,最高的分类公路网是跨境连接,例如跨欧洲公路网络或在美国的州际公路连接。全国网络包括连接都市地区和全国经济中心的公路。区域网提供地方城镇之间的连接。向不同的功能或道路网络的功能要求,如速度,拥挤程度,路口之间的距离。

        大部分国家有自己关于行车道几何特征的规范和准则。在第5章“通行车道和行车道”的报告 05.11.中给出了国际规范的对照。

FIG. 6.4-2 : 比较国际规范(节选至报告05.11.B中的表5.1)

国家或来源名称

设计时速或参考

速度 (km/h)

通行车道的宽(m)

通行车道

宽度标志(m)

行车道宽度(m)

奥地利 80 - 100 3,50 0,15 7,00
丹麦(实践) 90 - 120 3,60 0,10 7,20
法国 80 - 100 3,50 ? 7,00
德国 100 (26 T, 26 Tr) 3,50 0,15 7,00
德国RAS-Q 70 (26 t) 3,50 0,15 7,00
德国RABT 94 110 (29,5 T) 3,75 0,15 7,50
 日本 80 - 120 3,50   7,00
日本公路建设法规 60 3,25   6,50
 

        这是建议,在隧道内行车线的宽度与设计速度100公里/小时,不得小于3.50米。允许对隧道内的车速限制(80甚至60公里/小时)的道路(即在建成区噪无法避免急转弯声降低,必要的能力有限,成本降低)的行车线的宽度限制(例如3.25米),可以帮助司机降低车速,从而充当限速心理支持。这一般要频繁执行控制和高额罚款。在一些城市隧道,只有轻型车辆是允许的,更窄的车道被接受;在曲线的关注上,必须考虑路面结构弯曲上对宽度的的影响。

        更多的信息可详见第5章“通行车道和车行道”的报告 05.11.B和第7章的第7.1-7.5节"横断面的几何特征"的报告05.12.B。

6.5. 竖向净空

        行车道上的最小净空要大于等于载重车辆(HGV) 的最大设计高度,以留出必须的空间避免由于路面的不规则和车辆的不正常行驶造成的危害。额外的空间相当于行车道的宽度和车辆的宽度之间的不同。

        最小空间依赖于重型车的最大高度,并且不同的国家之间的标准是不同的。在大多数欧洲国家,重型车的最大高度是4米;某些国家允许更高(英国、美国):详见第7章"保持净空"的报告05.11.B。

        尽管日内瓦公约要求重型车的最大高度为4.3米,但是在欧盟最大高度为4米。如果重型车的最大高度再额外增加0.2米,为了满足重型车的垂直运动,其最小高度要求为4.2米(4.5米)。

        为了使重型车司机感到舒适,这个额外的最小空间是必须的。这个舒适的边缘等价于物体之间的距离。最小高度加上舒适的边缘为维持净空。如果这个舒适的距离或物体间的距离维持净空高度为4.5米(日内瓦公约4.80米、英国5.35英米,美国4.90自由的方式,其他高速公路4.30米)。

        通过有如松散的防水布要预留额外的宽裕度,保护车道上安装的设备免受破坏。

        最后,允许施工时为不精确而预留的空间,拱顶的弯曲和可能的层叠,详见第7章"保持净空"的报告05.11.B和第7.8节"竖向净空"的报告05.12.B。

        减小城市隧道高度的几何设计的具体事例被单独对待,正常的保留小汽车和轻型增值网限制类型:

        法国全面研究表明具体情况由于现行的主要汽车提供在文章"减小城市隧道高度的几何构型"中(路线/公路288-1995)

  • 坡度:可能高度限制:§ I.3, p 40
  • 交汇处的间距:§ II.1, p 41
  • 高度的定义:§ II.3, pp 43-44
  • 水平向和侧向线路:§ III.1, pp 45-46
  • 横断面:§ III.2, pp 46-50

6.6.紧急停车道,非行车道的几何特征和特殊部件

        为了使通讯便利和明晰并便于对照,有必要定义一个关于行车道和非行车道的最低限度的条款。该工作小组发表的技术报告05.11.B决定采用下列术语:

  • 行车道,由最外面的车道标志的内边缘内的区域组成;
  • 非行车道,由行车道之外的平面区域组成,包括车行道边线,间隙、紧急停车道、人行道和防撞栏:详见图表第2章的报告:术语 05.11.B。

        在出现关于行车道的使用和尺寸的总协定时这种区分是合理的,但是非行车道的尺寸和必要的要素在不同国家间有极大的不同。紧急停车道被定义是"在紧急情况下在硬路肩上停车的区域"。

        在露天的机动车道路上通常有设置一条紧急停车道。由于经济的原因在隧道中硬路肩常常受到限制。这种限制可能使得抛锚的汽车能够停在与行车道比邻的硬路肩而不占据行车道的区域和不扰乱交通流几乎是不可能的。

        非行车道几何特征不同的国家之间是变化的,即不能给出统一的规范和图表。在许多国家,由于成本,硬路肩的宽度太小以至于不能停放下一辆车。因此应在一个适当的距离需设置一个停车带。然而根据挪威和西班牙经验仅有40%抛锚的汽车能够到达使用这些停车带。这证明了这种停车带不能完全取代紧急停车道:详见第3章的第8-10节"故障"的报告 05.04.B。

        在行车道外面的硬路肩应该使能停放一辆标准汽车成为可能。因此,从车道边线标志的外边的宽度应该至少有一辆轿车的宽度(1.75m)加上0.5m的宽度使驾驶员能够从车子里走出来,最终一个硬路肩的宽度应是2.45m。

        假如重型卡车也要在行车道外面停车,那么这个宽度要求是(2.50 + 0.50 + 0.20 =) 3.2m。在第6章"非行车道"的报告 05.11.B中有详细介绍。

Figure 6.6-1 : 关闭车道安全壁垒的例子

Figure 6.6-1 : 关闭车道安全壁垒的例子

        防撞栏通常被称为"大规模建设用来引导车辆与隧道壁碰撞后安全返回到通行方向的设施"。它不同于护栏,这是一种灵活的和易折的梁式的施工杆支撑,以防止车辆与隧道壁碰撞。

        在隧道里这种情况下,无论目标的距离是由车道边线标志的里边和人行道的路缘石,还是防撞栏或防护栏,或是隧道壁之间的距离决定,这些都是值得商榷的。人们普遍同意在人行道处于低水平使用时采用到隧道壁的距离是一个好的措施。当没有人行道存在时采用到基础或是到防撞栏的顶部的距离是被考虑的。

尤其是在隧道里,当视线固定在一个目标上使,由于眼睛角度的微小运动,司机更喜欢到墙壁(或者人行道,防护栏或防撞栏)的一个确定的距离。经验表明,在隧道里的目标的距离比相邻车道上的驾驶员改变路线来保持到隧道墙壁的距离要小:详见第6章"非行车道"的报告 05.11.B。

        如果车辆穿过车道边线标记而不能得到及时的限制,那么与隧道墙壁碰撞产生的后果必须使之最小化。这能够通过防撞栏或是防护栏的方式来实现。防撞栏要求的空间比防护栏要少。当车辆与防撞栏以小角度(锐角)碰撞时,车辆能够被引导回到通行方向,同时有一个机会防止一个重大事故的发生。当车辆与防撞栏以大角度(钝角)碰撞时后果可能就会严重得多。防护栏在纠正和重新定向失控车辆的效果不如防撞栏有效。然而,当车辆以一个大角度碰撞时防护栏能够产生较小的损坏。这就是为什么在狭窄的硬路肩的情况下防撞栏被优先使用,而防护栏多用在宽阔硬路肩的情况下。

        由于防护栏需要弯曲的空间,这将意味着需要额外的隧道宽度,从经济角度来看这在很多情况下是不适宜的。尤其是在限速段时,防撞栏表现良好。此外,防撞栏只需较少的材料。

 

 

7.营运与安全结构设施

除了满足交通运行而具有的基本断面形式和线形几何要求外,大部分隧道为了满足隧道内特殊的运营和安全条件,还设置了一些特殊设施。

紧急出口能让用户在隧道内发生紧急事件时撤离到安全场所,除短隧道外,这种紧急通道应在所有隧道中均设置,供行人撤离的不同类型的紧急通道在第7.1节介绍,其中包括隧道间的横通道、紧急情况时的避难场所、平行隧道修建的安全走廊或是在行车道底部设置的连通到地面的安全通道。

第7.2节介绍了为车辆设置的设施。包括紧急停车带、转弯港、车行横洞。这些设施在车辆抛锚、掉头或转向到相邻隧道时运行,这些功能对于隧道的运行维护,事故中的紧急服务、以及之后的交通管理是非常有用的。

第7.3节介绍了安全撤离通道的几何特征,这些通道在隧道内按照固定的长度进行设置。使运行抛锚车辆的用户使离行车道,将被后继车辆撞击的风险降低到最低程度。

排水系统对于最小化车辆在隧道中行驶时泄露的液体和隧道日常清洁时产生的水的聚集非常有用。如果溢出的是可燃液体,排水系统可以有效控制可能产生的火灾的规模,第7.4节介绍了隧道中可以采用的不同类型的排水系统。

第7.5节介绍了在隧道洞口或洞内设置的一些其他附属设施。

撰稿人

本章由 Robin Hall(英国)编写。

7.1. 紧急通道

        紧急撤离通道能够使用户在隧道内发生紧急事件时撤离到安全的场所,这种紧急通道在除短隧道外所有隧道中均应该设置。在短隧道中,洞门能够胜任紧急通道的角色。大部分隧道,都需要设置附加的紧急撤离通道,限定用户达到紧急避难场所的距离。

        紧急撤离通道可以通过以下的方式进行设置:

  • 隧道间的横通道(可以同时作为车行或人行横洞)。一些盖挖法修建的隧道,横通道可能仅仅由一个门一样的通道组成。钻爆法施工的隧道,两洞之间距离可能较远,需要通过一定长度的横洞来通行;
  • 紧急出口可以连通至紧急情况时可以避难的场所,但是为了保证第二阶段的撤离在消防队的控制之下,这些避难逃生场所必须直接或通过逃生通道连接地面。避难所应该有可以提供新鲜空气的设备和应急电话,另外应提供一些其他的附属急救设施。避难所的设计和使用程序应该考虑使用者的心理因素影响。(见报告2008R17"人员的因素以及与用户有关的隧道安全");
  • 安全通道与隧道平行或是在行车道的底部设置,并可以直接连通道地表或其他安全的地方;
  • 逃生通道是可以直接连接紧急出口与地表或其他安全地方的通道。这种通道的设置方式对于浅埋隧道是可行的(譬如采用盖挖法施工的隧道)。

Fig. 7.1-1 : 显示了纵向通风模式的单向通车隧道典型的避难模式

Fig. 7.1-1 : 显示了纵向通风模式的单向通车隧道典型的避难模式

        紧急通道口之间的设置间隔需要考虑以下因素:

  • 使用隧道的车辆的类型,即可能发生事故的类型;
  • 交通流量及需要使用紧急通道的用户的数量;
  • 通风系统在紧急疏散阶段维持隧道基本工作状态的能力;
  • 事故探测及报警系统;
  • 除紧急通道外其它被保护通道的特征(包括通道的几何特征及明显的坡度和阶梯台阶);
  • 人的行为。

        两个紧急撤离通道之间的距离一般应在100~500m之间。

Fig. 7.1-2 : 紧急撤离通道的方案之一

Fig. 7.1-2 : 紧急撤离通道的方案之一

        以下的设计原则非常重要:

  • 紧急通道必须被明显的标示出来,以便与进入其他机房的通道区分。推荐采用的门的颜色(通常"紧急通道"的颜色是绿色)必须考虑到与隧道照明的模式相适应;
  • 门和通道的尺寸应该足够在短时间内能够通过大量人群以及救援工作者的装备;
  • 紧急通道能够直接或是可识别的标志在隧道中的任何位置被发现;
  • 地板和门阶的亮度以及紧急通道背后的舱室都应该是"吸引人的",另外还应设计成防止跌倒和绊倒;
  • 路边照明/标记不应成为行人的障碍;
  • 紧急撤离通道门不能关闭。

        在技术报告1999 05.05.B"隧道中的火灾和烟雾控制"和更新的技术报告2007 05.16.B"公路隧道中控制烟雾的系统和设备"更加详细的讨论了紧急通道的相关内容。

        在技术报告1999 05.05.B"隧道中的火灾和烟雾控制"和更新的技术报告2007 05.16.B"公路隧道中控制烟雾的系统和设备"更加详细的讨论了紧急通道的相关内容。

7.2. 车用设施

        有很多的公路隧道没有设置紧急停车道,这造成了通行强度过高、汽车抛锚或者其他的原因造成司机停车,都有极高塞车的可能性。按照德国和法国的一些统计,在没有设置紧急停车道的隧道内要危险得多。(见技术报告2008R17“人的因素和公路隧道的安全用户”)。

        在隧道内的紧急停车带允许汽车停车而不阻挡车道。这就降低了交通中断和车辆碰撞的风险。在停车带内司机也能更容易和安全的走出汽车,比如出去使用紧急电话。这种交通庇护方式也非常实用于残疾司机。紧急停车带对隧道维护也是十分重要,它保障了养护车辆的安全泊车。

        不同隧道内停车带的间距是变化的。在一些国家的规范中,停车带的长度取决于公路隧道的等级,技术报告“隧道中的道路安全性”1995 05.04.B 中指出紧急停车带的使用率一般是较低的。在有紧急停车带的隧道中,仅有20%抛锚的汽车停在紧急停车带内。所以给出了一些建议改善这类状况。

Fig. 7.2-1 : 隧道廊道的实例

Fig. 7.2-1 : 隧道廊道的实例

        在长大隧道中,也可能提供一些设施允许汽车掉头或通向一个相邻的隧道。这些对养护、事故中调遣紧急车辆和事故后的交通管制也是非常有用的。更具体的,一些国家的隧道为汽车提供了转向港湾。这是因为,虽然小汽车和小货车在标准的紧急停车带上能够很容易的调头,但是大型货车和巴士需要更大的空间。这些转向港湾的通常尺寸为4×17m,甚至更大(详见技术报告“隧道中的火和烟的控制”1999 05.05.B),这类转向港湾通常是每1-2千米设置一个。

7.3. 安全洞室

        大部分隧道内在纵向按照一定距离设置紧急站点,紧急站点内一般都设置了紧急电话、便携式灭火器(有时是灭火水龙头),便于用户在车辆出现抛锚或事故时使用。

        隧道内紧急站点位置和形式可能差别很大,可能是一个嵌在隧道侧壁上的箱子,也可能是一个撤离室或房屋(可能有门也可能没有门)。撤离室使抛锚车辆离开行车道,从而降低被车辆撞到的风险。

        为了降低用户在封闭的紧急安全站内的恐惧感,建议使用特别的玻璃门。另外一个选择是不使用门,同时使用噪音隔离技术保证通讯时声音的清晰。

        技术报告“人的因素和公路隧道的安全用户”2008R17 阐述了相关设施设计中与人有关的因素,这些设施应通过清晰的标识以达到便于识别和定位的效果,便于用户识别。

       紧急站点使用的设备在第8章阐述。

7.4. 隧道排水

Fig. 7.4-1: 隧道中部排水沟管道

Fig. 7.4-1: 隧道中部排水沟管道

        隧道建设有排水系统以处理洞口来水和通过衬砌渗入的地下水,同时也可以收集隧道清洁废水、公路上车辆溢水和消防车的喷洒。

        如果隧道允许危险载有危险品的车辆通行,可燃或有毒液体的排放是一个重要的问题。排水设施可以很快减小公路上罐车溢出液体的面积。如果溢出液体是可燃液体,排水系统对于控制溢出液体产生火灾的规模可以起到非常大的作用。

        排水系统由沟、管、管道、坑、泵和油水分离器组成,对路面散布的液体进行收集、储存、分离和处理,一些政府要求使用沟槽排水管以加大排水系统作用。集水坑和水泵一般在隧道洞口的低处使用。

        隧道运营和建设阶段的水的影响在第5.3节有详细的讨论。

7.5. 其它设施

  • 7.5.1. 安全洞室
  • 7.5.2. 隧道内设备房
  • 7.5.3. 分风墙

        在隧道洞内或洞口段设置的其它结构如下。

7.5.1. 安全洞室

Fig. 7.5.1-1 : 预留消防洞室

Fig. 7.5.1-1 : 预留消防洞室

        隧道内的消防预留洞室中有救火水源、水龙头及水带,有时还会配备特别的消防员专用设备。这些预留的洞室在隧道内按照一定的长度间隔设置。

        在预留洞室附近还会设置有紧急电话、便携式灭火器,在第7.3节中已经有讨论

7.5.2. 隧道内设备房

Fig. 7.5.2-1 : 隧道内厂房照片

Fig. 7.5.2-1 : 隧道内厂房照片

        许多隧道中,变压器以及机械、电力、通讯和控制设备都安装在隧道内的设备房中。

        地下设备间的布局和尺寸都遵循常规设备房间的准则。例如,应该预留足够的空间打开柜门、松紧齿轮。另外应该考虑到电缆的铺设和弯曲半径,这是很重要的问题,因为相对于外部结构,隧道内施工存在诸多限制。

        对隧道内设备房的安全进出也应该予以考虑,这仅在隧道关闭期间是可能的。在一些隧道可以在邻近设备房处设置停车带允许维护车辆安全的停车,而不关闭隧道。

7.5.3. 分风墙

在两个临近隧道的出口与进口之间,可能存在大量的空气再流通的现象,这种循环与隧道洞口间地形特征和风向有关。这种现象在半横向通风隧道的出口与空气吸入口也存在。

对于能够充分利用自然通风的短隧道,这不是一个问题,但是对于长大隧道,必须考虑在内。根据自然环境在隧道洞口20-40m的地方设置分风墙可以有效的减少再流通的现象。详细的讨论在报告1995 05.02.B“再流通现象”的第6.2.3节中有详细的讨论。

8.设备与系统

隧道长度如果超过几百米,就要根据正常和紧急情况下提高用户安全条件的要求,安装制定的设备。

为了降低事故风险和控制可能的灾害,并且为用户提供一个舒适的服务水平就需要安装大量的各种设备。 第7章的报告05.06.B“降低公路隧道的运营成本”中讨论了公路隧道的设备以及第3章的报告2008R15 “城市道路隧道”详细介绍了设备的安装设计和翻新。

隧道内的设备需要大量的电能,电力供应系统(第8.1节)必须要在正常和紧急情况下提供足够的电能。也就是说在即使发生停电,系统也必须能够工作,来保证必要的设备进行工作。且相关设备的技术状态也必须进行实时监控,所以必要的监控传输设备(第8.2节)也是需要的。

第一种需要的是通讯及警报系统(第8.3节)。他们包括了定期检查设备及让运营者发现危险或事故的报警系统,以及隧道监视及控制系统(第8.8节)。可能安装的一些监测系统,包括自动的烟雾探测系统。这些信息同时也可能直接来自事故现场人员通过紧急按钮和紧急电话发送,而电话可以让运营者和洞内人员的直接通讯。这样可以方便控制人员了解事故地点、人员等状况,并且可以向洞内人员传递信息。这类的设备同时也有警示洞内用户、协调救援服务人员的作用。扬声器、无线电公共广播系统可以用来实现上述目的。

开阔的视野和污染物浓度的降低,可以保证用户的舒适性,并减小事故发生的风险。为了达到上述目的,需要良好的照明系统(第8.4节)和通风系统(第8.5节)。通风设备在紧急情况下是至关重要的,因为它影响到火势的蔓延和烟雾的扩散。通风设备的工作形式可能仅是利用自然条件的,也可能仅是机械的,或者二者相结合(正常工作时自然通风,紧急情况下机械通风),具体形式的选取依赖于运输量和隧道的长度。另外一个重要的措施是通过标志系统来控制风险(第8.9节),这有助于显示障碍和危险,以及帮助用户发现灭火器、紧急通道和警报按钮。

一旦发生事故,灭火设备就是必要的。包括可以为用户和紧急服务人员提供的灭火设备(第8.6节),以及可以自动干预的固定灭火器(第8.7节)。在这种情况下,路障(第8.10节)对于防止发生事故后用户继续进入隧道也很重要。

撰稿人

本章是由C4委员会(2008—2011)第1工作小组和第4工作小组完成:

  • 安东尼奥·瓦伦特(意大利)负责协调工作
  • 克洛德·马丁先生(法国)写了8.0、8.1和8.2节的内容
  • 亚瑟诈欺(第四工作组,比利时)和编写了8.3节里除去8.3.4以外的内容。8.3.5里面的自动事件检测、火灾和烟雾检测的目的是由亚瑟诈欺(第4工作组,比利时)编写的
  • 克洛德•马丁(法国)撰写8.4节的内容
  • 8.5节通风设备由安托万·莫斯(第4工作组,法国)编写
  • 艺术•本德利厄斯(第4工作组,美国),撰写8.6节——消防设备
  • 阿诺德•迪克斯(第4工作组,澳大利亚)和法特希•独木舟(第4工作组,英国)撰写8.7节——固定消防系统
  • 克洛德·马丁先生(法国)写了8.8、8.9和8.10节的内容
  • 法特希•独木舟(英国)和伊格纳西奥·德尔·雷伊(西班牙)协调和检查了第4工作小组的成果
  • 克洛德·马丁先生(法国)协调和检查了第一工作小组的成果
  • 法特希•独木舟(英国)检查了英文版本的内容。

8.1. 电力供应

        大部分的隧道设备和系统都需要电力来运营,因此给隧道输送电能的设备都需要安装,且必须能够满足以下两方面的主要需求:

  • 提供足够的、安全的电力供给满足所有的设备运转;
  • 满足不同工况下的需要(正常情况、严重情况和危急情况)。

        隧道电力供应量直接由隧道内设备的类型和数量决定。确定设备的功率后(千瓦),可以采用高压或低压的方式进行供给。

        对于隧道和特定的电力传输网络,每个国家都有相应的规定。所以隧道特征相同的情况下,不同国家的建筑可能相差很大。但是,都遵循了相同的规则:

  • 设有备用的电力供给设备(双源供给、柴油发电机等);
  • 完全停电情况下设置起弥补作用的设备,这种系统(不间断电力供给设备UPS,柴油发电机)可以在紧急情况下给相关安全设备提供电力。

8.2. 监督控制及数据传输系统

        路隧道中设备对用户的安全起着至关重要的作用。因此,运营者需要连续监控设备的运营状态(处于工作还是故障状态)或者工作模式(自动、手动或停止)。

        许多设备是通过传感器伺服控制,根据预先设置的门槛值,然后自动运行设备(照明、通风等)。其余设备的启动与关闭是根据运营环境进行决定的。进行远程控制对运营者是非常有用的(信号系统、不同的信息显示、通行杆、通风、照明、风机)。

        最近,由于设备可以在不同的模式下进行运营(连续运转、间或运转或很少运转),但是在一定的运营间隔向运营者提供每一个设备的运营信息也是必要的。

        监督控制和数据采集系统(SCADA)是可以完成监视、控制-命令和数据分类的一整套系统。

        一些监督控制和数据采集系统在世界各地都可以获得,且其性能也一直在不断提升。相同的设备安装在类似的隧道中,即使相同的操作者进行操作,设备的性能也不可能完全相同。即使这样,建立一些规则是很普遍的:

  • 利用网络收集信息;
  • 在仪器附近安装智能设备(特别是可逻辑编程的智能设备);
  • 网络分离:采集、传输和监控;
  • 特定的零件或零件组合的适度冗余以提高其独立性。

8.3. 通讯和警报系统

  • 8.3.1. 紧急电话
  • 8.3.2. 警报按钮
  • 8.3.3. 户使用紧急设备时的自动警报
  • 8.3.4. 自动灾害探测器
  • 8.3.5. 烟雾探测:烟雾探测的目的
  • 8.3.6. 利用(FM)收音机的运营和紧急救援服务频道广播传输
  • 8.3.7. 扬声器

        隧道运营人员能与用户之间通讯非常重要,而且这种通讯是要双向性的,在任何的运营状况下都可以正常进行,包括:一般、性能降低和紧急情况。

        一些设备的使用保证了通讯功能的实施(警报也被视为特殊形式的通讯)。他们并非都提供相同的功能,一些设备可以让用户向运营人员传递信息(警报按钮、使用紧急撤离系统时自动的警报系统),另一些设备可以让运营人员向用户传递信息(低频信息广播系统、高声喇叭),只有一种设备可以兼备双向功能-紧急电话。

8.3.1. 紧急电话

        紧急电话能让用户和隧道内事故人员与隧道控制室联系,通过建立口头对话,使用户报告他的具体位置。

        紧急电话安装在隧道内固定间隔的盒子或是不同的紧急站点中。不同的国家对于紧急电话间的距离的设定,都有不同的相关标准规定。

        这种设备的构造很简单,隧道里的紧急电话连接到控制室,使其可以接收来自隧道内的电话。通常这个控制室设在隧道监控中心或是隧道所属的警务室。

8.3.2. 警报按钮

        当隧道发生事故时用户可以向控制-监控中心发出警告,这种按钮在隧道内每隔一段固定距离安装,花费也不会太高。

        一定程度上,这种警报按钮并未广泛采用,因为其功能基本与紧急电话重合,而且无法提供用户和控制室之间的双向对话。

8.3.3. 用户使用紧急设备时的自动警报

        如上文所述,用户能够接触到多种设备仪器,特别是在紧急情况下:可以使用紧急电话,或是紧急按钮。同样他能够获得灭火器,大部分隧道还需要能进入紧急通道。

        当用户在使用紧急救援的设备时,业主有必要尽早获知,以便采取适当的行动。当用户使用安装的紧急电话和紧急按钮时,控制中心会接到警报信息,这并不困难。但是当预警电话安装的末端连通的不是控制室中心,必须建立相关的程序,确保接收的的预警信息马上传输到控制中心。

        可以通过设置数据采集传输监控系统,来监测灭火器和紧急出口的状态,一旦设备和设施被启用,可以立即传输信息到控制中心。

        当在紧急情况下移走灭火器和打开设备门的时候,或者是紧急出口打开和有人经过时,都会将信息传递至监控中心。

8.3.4. 自动灾害探测器

        隧道如果安装了录像监视系统(参见第8.8节),隧道内的图片及影像将会在监控室的屏幕上显示。但是,在几个小时的工作时间,工作人员很难同时关注多个显示器而一直保持注意力不变。

        为了弥补这个不足,运营者正在增加探测事故自动系统。甚至在一些国家,这些设备对于隧道是必不可少的。

        自动灾害探测器的类型和功能

        事故自动探测系统通常是基于录像的图片,摄像机产生的数据流,利用计算机进行分析交通。通常,以下的事故可以用一些计算方法探测:

  • 车辆抛锚
  • 车辆行驶方向错误
  • 速度降低
  • 低速车辆
  • 行人
  • 隧道内杂物或垃圾
  • 烟雾
  • 火焰
  • 进入限制区域

        因为严重的火灾都是发生在交通拥堵后,如车祸后,因此停车警示信息会比其他的温度或烟雾探测设备发出的信号要早。这个较早的信号可以为运营者提供时间,确认火灾的位置、特征,并进行有效的处治措施。这些措施包括选择合适的通风措施,避免运营过程中二次事故的发生,尽快对来车方向的车辆发出预警信息。同时也可以联系紧急救护服务,关闭隧道、信息牌,利用无线电台发出信息、与抛锚车辆直接联系、建议用户离开隧道等。

        烟雾的录像探测系统在第6.3.3节中"现行的方法"的报告2006 05.16.B中有阐述。

        基于录像的事故探测系统(AID)能够提供实时交通、流量和速度。他们可以从事故开始即拍摄图片,并与其他诸如监控控制和数据采集(SCADA)等系统互动。基于图像的事故探测系统一般包括摄像头、处理图片的处理系统、将图像传输到显示器的网络协议图像加密与解密器。另外,还需要一个录像管理系统(这个系统由一个或两个冗余的用于提供录像或其他功能的服务器组成),网络设备和通信线。

        自动事故探测系统的设计与安装。

        隧道内自动事故探测系统设计时应考虑以下因素:

  • 所探测事故的类型
  • 探测的精度(事故探测中错误的最小化)
  • 错误警示的最小化
  • 隧道内已有摄像头的定位
  • 隧道的几何特征
  • 养护技术人员可及时接触设备
  • 洞口附近太阳光的漂泊作用
  • 隧道洞口段的阳光光线移动
  • 隧道内车辆通过引起的变化(高大车辆引起的光线闭塞效应)
  • 隧道内灯光的变化(灯光的关闭与打开)
  • 隧道内的反射
  • 隧道内自动事故探测系统集成集成网络协议(IP)录像流时,应该确保网络的带宽足够对已有网络协议(IP)的录像进行检查

        2009年公路中论文“公路隧道中火灾探测系统-国际研究项目中获得的经验”总结到"处理障碍物,大多数监控探测器领域的厂商们推荐使用两台探测器从不同的角度覆盖同一片区域,例如从隧道内两个方向"。出于冗余用途可能要求安装多台摄像机,例如在摄像机失效的情况下。最具典型的是,监控的摄像区域需要重叠设计,这样任何一台摄像机失效时能够通过相邻摄像机的影像来补偿。

        第4章的2.1节“交通事故探测设备”的技术报告05.15.B 2004 中建议,如果采用自动事故探测,摄像头的位置间距可以为30~150m。

        自动事故探测系统的性能很大程度依赖于使用前成功的安装和校正工作,经验表明,使用前的安装和校正的相关工作可能需要几个月的时间。

8.3.5. 烟雾探测:烟雾探测的目的

        烟雾探测器是由传感器、警示触发器、传输导线、评估单元组成等组成的封闭控制的集成体,将上述原件或单元的集成称为的火灾警示系统。

        隧道内的烟雾警示系统设计的主要目的是,在发生火灾时尽快探测到烟雾,并及时无误的启动救援设备和程序,这些主要的目的包括:

  • 在最早的阶段通知隧道用户,使他们可以组织起来发挥自救和组织紧急救援;
  • 将所有的火灾参数尽可能的传给隧道运营成员,使他们能够根据紧急救援程序(即所谓的火灾模式),改变目前正在运营设备(交通控制和通风系统)的技术参数,并能够通知救援服务队、医疗服务队、消防队、警察等;
  • 准确定位火灾或事故的位置,为救援车主等紧急救援服务指定位置。

        a.火灾探测的原则

        通常火灾探测的基本原则是基于火灾场景探测到的特征参数来进行的,譬如热、烟雾、辐射及产生的特别化学物质。根据以上所述,火灾探测传感器可以分类为:

  • 热探测器:热探测器的材料对热能的非常敏感,也就是说传感器对温度的升高很敏感。譬如传感器测量到的温度与参考温度的差别,或温升率的变化,如玻璃纤维线的光传播特性是温度的函数,装在线圈里的传感线等。
  • 火焰探测器是基于他们对红外或紫外线波谱的敏感性制成的。
  • 烟雾探测传感器是基于红外光柱穿过CO、CO2电离的区域的熄灭特征。
  • 由不同类型传感器组成的综合传感器。

        以上不同类型的传感器各有制定的应用领域,这些应用领域与其相应时间、稳健性和可靠性等是相关的。

        最近图像自动事故探测系统在火灾中表明其探测效率非常高、速度特别快,实际上,一旦系统发现事故、物体或车辆与正常交通情况下数据流不同,摄像头自动转向事故场景,这样可以让运营技术人员在火灾早期阶段就发现。

        烟雾探测系统在第6.3节"火灾探测"技术报告2006.05.16.B中有介绍。

         b.火灾探测系统的要求

        总体来讲,隧道内火灾探测器需要适应以下的环境条件:空气速度高达10m/s、由发动机尾气、路面与轮胎摩擦产生的灰尘、长时间或短时间不定浓度的污染物(一氧化碳、二氧化碳、氮化物和碳水化合物)、密度变化的前车灯、发动机尾气中的热烈和油气、电磁感应、不同类型的车辆交通(小车、小火车、重货车、集装箱车辆或巴士),所有的这些都会导致隧道断面不同程度的堵塞。

        应该非常重视的是,这些设备应该具有高度的失效保护操作功能和尽量准确的定位火灾的位置。且最好这些设备应具备一定的智能功能,以防止发生误报预警现象。因为误报现象可能需要花费高昂的费用进行纠正,最可怕的是,误报可能导致业主会漠视后继的警报。

        另外,烟雾探测和警报系统必须有合理的安装费用、较低的运营和合理的养护费用,参见第6.3节"火灾探测"技术报告2006.05.16.B。

        c.由规范和标准确定的参数

        下面的这些参数是一些国家或国际规范对火灾自动探测的要求参数:最长火灾探测及火场定位时间、最小火灾探测规模、允许的探测方法、火灾警报集合点、隧道自动火灾预警系统应该安装的细节(例如隧道长度、机械通风、无人监视隧道、交通流量大的短隧道)。

        在技术报告2006 05.16.B的第10节“附录”中列出了规范中要求的火灾探测设备的一系列参数。

        d.当前应用的烟雾探测器

        火灾探测器的效率主要依靠设备的类型(温度型、光柱熄灭型、离子化性),同时也与设备使用的方式有关,其中包括传感器的类型、数量及隧道需要监视的灵敏性水平。

        事故自动探测系统,包括了图像分析、闭路电视观察、譬如灭火器及紧急电话等当取下时能提供预警信息的设备,都是很好的预警工具。

        许多探测器是基于热量和温升率进行预报的,当相关参数设定后,这种类型的系统很少产生误报,但是反应的速度较慢;而基于烟雾的模糊效应制造的探测器的探测速度很快,但是会产生更多的误报:因为洞内的柴油机尾气同样影响视线,参见技术报告1999 05.05.B的第6.3.1节“火灾探测”。

        2009年路线/公路中论文“公路隧道中火灾探测系统-国际研究项目中获得的经验”涉及到隧道内的烟火探测系统,包括直接探测热量、烟雾的可视特征、同过录像的图像探测、探测空气样品的热量和烟雾等系统,综合考虑总体性能、误报现象、养护与火灾探测、反映时间、准确定位和监视火灾环境方面性能,空气样本系统均有较好表现。该文中提供的信息可以用来为隧道防火系统做出合适的选择。

8.3.6. 利用(FM)收音机的运营和紧急救援服务频道广播传输

        隧道是封闭的区域,无法传播洞外的无线电波,如果需要重建电波的传播,就需要新安装设备,根据需要的频率进行传输。以下几种服务可以用于传输:

  • 救援服务(消防、警察等)
  • 营运人员(巡查、养护人员、计程车和公交车司机)
  • 公众无线电台
  • 公众数字广播
  • 手机

        无线电的频率非常多,但是并非所有的频率都得到了应用,原因是费用的原因,而不是可行性。总所周知的规则,紧急救援、公众的频率调制(FM)或数字公众广播(SAB)频率和运营者的频率都是可以找到。

        使用一个或多个频率进行无线电传播时,应先安装预先录制好的信息的设备。需要时,无线电广播将被打断,隧道内的提示信息将播放,提示用户注意,告诉他们需要他们按照运营人员提示的步骤进行操作。

        隧道内的无线电传输设备的安装包括以下内容:

  • 天线;
  • 发送接收单元,可以允许外界信息传输到隧道洞内技术室,这部分设备需要保持冷却;
  • 发送接收单元,可以允许隧道洞内传输信息到外界(不是用于公众广播,而是用于紧急救援等);
  • 隧道内的无线电单元(无线电线或天线)。

8.3.7. 扬声器

        能直接能够通知用户信息并让他们按照制定的方式进行行动的设备并不多。为了解决这个问题,一些隧道内安装了扬声器。实际上,按照扬声器的使用方式,他们可以起到不同的作用,以下几点值得特别指出:

  • 隧道内应该按照固定距离安装扬声器:可以给隧道内停在的车辆车主提供信息或发出命令;
  • 隧道内应该按照固定距离安装可以发出危险信号的扬声器(警报器);
  • 隧道内紧急通道附近应该安装扬声器(或声音指示标志),以便人员找到出口位置。

        但是,这些设备并未在目前得到广泛的应用,应该通过对设备应用的场合进行研究,确定他们是否适合被安装在制定的隧道中(交通流量特别大、隧道长度特别长等情况)。

8.4. 照明

        大多数的隧道中,自然光线的效果无法为洞内用户提供令人满意的可见度,所以有必要安装人工光源,使洞内视觉效果更加明显。

        安装的照明设备应满足以下功能:

  • 无论白天还是黑夜,均能够为隧道洞内用户提供正常的可视性;
  • 停电时,备用光源能够为洞内用户提供基本的可视性,保证用户安全驾驶车辆离开隧道。

        照明系统的设计应该遵守以下的规则:

  • 隧道路面的照度和亮度;
  • 隧道边墙的照度和亮度;
  • 不同操作区域的亮度的一致性;
  • 炫目的数值。

        隧道中可能安装几种照明方式,但是最常见的是对称照明和逆流照明,照明方式的确定需要根据隧道的特征和照明目标确定,可以在隧道的上方或顶部能安装一条或刚多条光线实现。

8.5. 通风

        通风系统有以下两个功能:

  • 正常运营情况下,高效地为隧道提供的新鲜空气,一般是通过稀释污染物的方式实现;
  • 火灾情况下,通过合适的方式控制烟雾,使隧道内环境尽量保持在安全状态下,保障用户和救援服务的安全。相关内容可参考报告05.16.B第1.6、1.7节:“通风系统在自我疏散过程中扮演的角色”和“通风系统在消防中扮演的角色”。

        从历史上来看,第一次在隧道内安装风机设备的原因是降低污染物水平。虽然过去的十多年里,通过隧道车辆排放的尾气已经迅速降低,但该作用仍然非常重要,在隧道设计阶段必须充分重视。一些情况下,充分利用车辆行驶的活塞效应可以起到自然通风的效果,满足隧道空气质量的要求。需要机械通风时,应对隧道的长度、交通类型(双向还是单向)和交通情况(是否经常堵车)进行分析。相关内容可参考技术报告2004.05.14.B公路隧道“车辆尾气排放与通风空气需求”,本报告即将被将出版的新报告取代。

        隧道紧急情况下的通风应该满足的要求包括相同的要素,同时要考虑到其他设备、设施(譬如紧急撤离通道)的存在。某些情况自然通风就足够了,但是隧道长度超过几百米就应该设置机电设备进行通风。

        隧道中可以选择不同的通风方式,火灾中的安全要求对不同的方案选择起着指导作用,隧道正常运转情况下一般适应即可。请参见报告05.05.B 199第5章“火灾中的烟火通风控制”。

        纵向通风策略即通过在隧道内产生纵向空气流,将洞内燃烧车辆产生的烟雾推到火灾的一边。如果用户正好在那一边,他们可能会受到有毒气体和可视性减弱的影响,所以,在双向通行隧道和经常发生堵车的隧道应谨慎采用此策略,成功的烟雾控制需要的最小风速取决于设计火灾规模和隧道几何形状(坡度、断面面积)。

        由于烟雾很容易聚集在隧道顶部空间,隧道横向策略充分利用烟火的这种漂浮效应,并利用机械将烟雾从顶部抽排走。通风系统的设计目的是紧急撤离阶段保持隧道空间的底部空气清净(增加可视性、降低毒性)。值得指出的是,隧道纵向气流速度应尽量保持较低,以防止隧道纵向烟雾分布不均和分层,这项策略对于任何隧道都是适用的,但是相关系统的设计、施工和运营非常困难,且费用昂贵。

        隧道通风设计阶段应包括系统最小可接受涌入和涌出能力,通风网络系统的设计和通风设备合理的选取。 报告2006 05.16.B的第4章:通风及附录12.3“风机计算程序”、12.4“烟雾阻尼”和12.6“风机的声冲击”。通风设备应该满足许多的细节要求,包括耐火性和噪音的要求。

        对于不同火灾情况,设计合适的通风控制方案是非常重要的。参见技术报告2011 R02公路隧道“通风运营策略”。这些场景实际上很简单,特别是应用纵向通风策略,或是复杂的包括大量措施和通风设备的洞内横向通风时。隧道正常运营过程中的通风控制措施优化对于节能是至关重要的,这是一个非常重要的问题,因为正常情况下通风的费用是隧道运营费用的主要部分。

        隧道的通风设计与其他要素设计的许多地方是需要互动的。比如,在横向通风中,需要的流速可能影响横断面,这样可能对建设成本产生较大影响。通风会占用隧道的电力供应,这样会受其他安全设施如火灾探测器、灭火器等设备设计的影响。请参见报告2008R07第5章“隧道安全系统框架下的固定灭火系统”。

        与通风相关的环境问题,除了能源耗费,还包括通过洞口和烟筒排出的碳化物。减少隧道对周围环境的影响是环境设计的重要的部分。参见第4.3节“隧道空气排放技术”和报告2008 R04的第4.6节“运营方面”和附录D“隧道通风设计中消散模型的审视”。

        最后,除主要隧道交通区域外,其他区域可能也需要进行通风,譬如紧急通道口,请参见报告2006 05.16.B第5.3节“撤离路线的设计”。

8.6. 用户和急救人员使用的灭火设备

  • 8.6.1. 目的
  • 8.6.2. 水源供给
  • 8.6.3. 灭火水阀
  • 8.6.4. 携带式灭火器
  • 8.6.5. 消防龙头

8.6.1. 目的

        在公路隧道中灭火装备的主要目的是在应急响应阶段提供一些灭火手段给用户和结构造成最小的影响。

        世界道路协会(PIARC)在许多论文中已经提出了在公路隧道中的灭火的系统要求。主要有已经发表的两篇论文;技术报告“隧道中火与烟的控制”05.B 1999和技术报告"隧道中火与烟控制的系统和装备"05.16.B 2007。另外,这些论文也被收录在世界道路协会在维也纳(1979)、悉尼(1983)、布鲁塞尔(1987)、马拉喀什(2001)举行的数个协会报告中。

        这套系统最关键之处就是在公路隧道中的有能力去灭火,它包括:侦测,警报,无线电通讯,紧急电话,闭路电视,扩音器,水源供给和配电箱,固定消防设施,便携式灭火器以及紧急通风设施。这套系统必须细致的规划,评估,设计和安装,通过综合管理的方法确保整套系统完成兼容,隧道火灾时的生命安全是不容妥协和假设的。

        隧道灭火系统中的许多因素在这本手册的其他章节中已经解决。这套系统的组成在其他章节介绍了侦测(第8.3.5节),固定消防设施(第8.7节),火灾警报(第8.3节),紧急电话(第8.3.1节),闭路电视( 第8.2节 )),扩音器(第8.3.7节),无线电通讯(第8.3节),紧急通风设施(第8.5节)。

        在本节中提出了通过用户(乘车的人),运营机构和消防队共同解决公路隧道灭火系统的措施。这些措施中包括了设计了通过一条灭火水管(蓄水塔)和消防栓(胶管阀)来实现水源的供给以及安装在公路隧道里面的便携式灭火器。

8.6.2. 水源供给

        供水系统包括主水管道、火灾现场设置的警察线和竖管(水塔)为隧道内火灾提供水源进行灭火,或采用固定灭火系统(第8.7节)提供水源(如果安装的话,详见1999年报告05.05.B的第6.3.3"水源供给"。灭火水源可以是来自分布式水源也或是水箱,水源系统提供的水压需要满足消防队需要。

8.6.3. 灭火水阀

        在公路隧道中消防栓(胶管阀)是必须求设置的,它为消防队连接消防水带和获得水源供给提供了一个连接点。在隧道里消防栓应该按规定的间隔安装(详见第6.3.3节"水源供给"的报告 05.05.B),消防栓的连接口必须与当地消防队的设备相兼容。

8.6.4. 携带式灭火器

        可携带式灭火器在隧道内按固定的间隔设置,以便于驾驶员和运营人员在消防队赶来之前消灭扑灭小型火灾(详见1999年报告05.05.B 第6.3.2节"灭火器")。

8.6.5. 消防龙头

        消防水龙头在有些国家的隧道有安装,但这并非广泛实行的趋势,例如一些国家允许消防队在不同的事故中携带自己的消防龙头。(见1999年报告05.05.B的第6.3.3"水源供给")。

8.7. 固定消防系统

        公路隧道技术报告2008 R07"固定防火系统评估总结了世界道路协会对固定灭火系统的意见,以及该系统利用、选择及操作的细则。

        火灾快速发展时,烟雾会很快使用户的自救行为变得困难,随着温度的快速上升,隧道内的安全系统将无法继续使用并破坏。固定灭火系统具有降低火灾发展传播的速度的能力,有助于用户在火灾中用撤离、救援人员撤离时的安全。固定灭火系统另外一个优点是可以防止火灾中更大的财产损失,以及隧道火灾后修复阶段减少路网中断。

        除在隧道规范中强制设置固定灭火系统的国家外,其他国家可参考以下方法决定是否需要安装这样的系统:

  • 可行性研究;
  • 依据欧洲规范2004/54/ECD进行风险分析;
  • 成本-利润分析。

        固定灭火系统的设置必须同时考虑其他的安全系统,譬如通风系统。快速并准确检测出火灾以便及时发挥固定防火系统作用,是实现其功能必不可少的部分。只有通过合理的工程施工、养护管理、测试和培训制度,固定灭火系统才能更好的发挥其效用。同样应该对该系统设置良好的操作管理程序和养护预算。

        到目前为止,喷水式灭火器是最常见的固定灭火系统,这种系统有低压喷水系统和高压喷水系统两种,后者喷出的水滴较小。其他喷水式的系统,包括泡沫灭火系统,同样在一些隧道中得到了应用。合适的固定灭火系统的选择需要进行成分-效益分析。

        虽然这种隧道灭火系统在一些国家得到了广泛应用,但是在整个世界范围内来看灭火系统仍然是很稀缺的。这种设备虽然可有效降低火灾发展和传播速度,但他们需要高质量的操作养护管理以保证其始终处于高效的工作状态。

8.8. 交通监视及控制系统

        隧道内车流量非常大时,一般未安装监视系统。通常使用的是基于摄像的监视系统,有时还会配备技术设备。安装监视系统可以方便业主控制隧道内的交通。在隧道运营情况变差的情况下,可以通过监视系统观察事故区域的实际情况,并快速采取应对措施。

        录像监视系统对于运营方来说也是很有用的工具,该工具一方面使他们不间断的掌握隧道内的情况,另一方面根据需要作出行动。但是,要最大程度的发挥监视系统的作用,必须保持监控中至少有一个工作人员。

        录像监视系统实际上来讲概念非常简单,在一定的间隔设置一个摄像头即可完全涵盖的隧道及周边环境,图像可以分组传输,可以到也可以不到监控中心的控制中心。收到的图像可以通过显示器进行显示。

8.9. 路标

        路标是运营者同用户通讯的可利用手段的一种。

        对于一条特定形式的道路,一个人在隧道中能够看见的路标应该如同在露天看到的一样。

  • 固定方向的路标
  • 固定警示路标(危险标志,限速和目的地)
  • 可变的路标(车道分布标志,可变的消息标志)

        用户在隧道中可供使用的不同种类的(紧急电话,灭火器,紧急出口......)需要另外专门的安全标志。

        隧道中的路标面临的主要问题就是设置的位置。实际上,地下隧道的几何特征是通常比较优化,增加横断面将导致增加超额的费用。在实际上,在标志可见性(因此,平面要足够大)和可用空间之间需要找到一个折中点。

8.10. 路障

        严重事故发生时,必须在事故发生初期就阻止后继车辆进入隧道。通过高效、快速的阻挡的工具可以阻止后继人、车进入隧道,防止事故发展成严重,有效防止后继事故的发生。

        在许多国家,经验表明,如果隧道内出现事故,仅仅在隧道洞口显示禁止信号进行交通管制的效果是不明显的,所以,禁止通行信号、禁止通行的路障与闪烁的显示封闭信息的信号并用,才可以有效的封闭隧道。

        这些关闭隧道的设备可以通过隧道中的中央控制室或自动装置来控制,而不需要进行实时监控。

        这些设备不仅仅是在紧急情况下使用,而且还可以使用在其他情况下,特别是在因进行维修计划而关闭通道时。

9.隧道防火救援

如果隧道发生火灾,用于隧道的结构和设备的材料应该既不燃烧也不产生大量有毒烟雾。此外,在火灾情况下,洞内人员和紧急服务人员仍在隧道里面时隧道结构不能崩塌,关键安全设备必须保持工作状态直到疏散和灭火操作完成。

达到这些目标一般要依赖于材料对火的反应程度和结构的和设备抗火能力:

  • 材料对火的反应正是其参加火灾的能力,包括暴露、分解燃烧,这将于9.1节讨论;
  • 结构或一些设备的抗火能力正是在火灾中继续发挥其功能的能力。9.2节将阐述结构的耐火能力,9.3节将阐述设备的耐火能力。

撰稿人

这一章是由C4(2008 - 2011)委员会第4工作小组和罗宾·霍尔完成:

  • 罗宾·霍尔(英国)协调工作和写了整章内容;
  • 法特希(英国)和伊格纳西奥·德尔·雷伊(西班牙)复核了全章内容。

9.1. 材料的耐火性

        隧道建设材料在火灾时必须具备足够的抗火性能确保火灾后撤离以及救火过程中隧道自身的完整性。

        第7.3节"材料的抗火能力"技术报告05.05.B 中“隧道的火灾与烟雾控制”章中讨论隧道材料的火灾性能,且表明材料性能参数应该包括火灾性能特征参数,且应该包括参数:

  • 低明火特性,火灾时材料自身无明火将降级火灾传播速度;
  • 低热量产出特性:指的是火灾时材料燃烧产生的热量少,可以降低火灾规模,有效提高结构和救生效果,使火灾产生的有毒物质最小化或得到有效消除。

        火灾中产生烟雾不可避免,但是风险可以通过材料选择和安全特征设计降低,例如逃跑路线,降低在火灾中的暴露。同时应该注意隧道衬砌表面材料的性能,包括瓷砖、油漆、防水或照明设备.这种材料的规格设置还应该包括它们的火灾属性需求。

        材料可能在燃烧时产生的化学腐蚀性气体或有毒气体并且可能穿透混凝土表面并导致后续腐蚀的现象必须予以考虑。 这也适用于任何其他涂料。当采用聚丙烯纤维减少剥落的风险时,由于纤维融化后融入混凝土内内容密度增加导致混凝土更易碳化或氯盐腐蚀,故混凝土火灾后的耐久性问题应予以考虑。

        路面修建时采用水泥混凝土或沥青材料,《路线与道路》中文章“隧道火灾中路面效应”一文中从安全的角度讨论了相关材料。其中 水泥混凝土是唯一不能燃烧且在隧道中使用不会产生任何疑问的材料,可是研究和实验表明实际火灾中,从人员安全的角度来看,隧道火灾过程中沥青材料不会显著增加火灾规模(即包括热量释放率和总体火势)。隧道中直接暴露沥青也是不可取的,因为燃料泄漏会在路面下堆积。

9.2. 结构的耐火能力

        结构抵抗火灾的性能通过火灾开始到结构由于不可接受的大变形或坍塌发生之间的时间来进行描述。

        第7章“结构火灾抵抗性能设计标准”在技术报告2007 05.16.B 公路隧道火灾与烟雾控制系统与设备"总结了这个目标。

  1. 隧道内人员能够自救或被救助到安全的地点(主要目的)
  2. 安全环境下救援工作才有可能进行
  3. 应该采取保护措施防止结构坍塌造成第三方财产损失。

        另外一个目的就是限制火灾后修复时交通中断的时间。

        该目标发表在第7章中“结构防火性能”的技术报告1999 05.05.B技术报告中。

        结构的防火能力用不同的火灾时间曲线来表示,表9.2-1中ISO834曲线、荷兰的RSW曲线、德国的ZTV曲线以及法国碳氢化合物增长曲线(HCinc),该曲线是在欧洲规范(第2-2部分)的基础上温度乘以1300/1100的系数。

Figure 9.2-1: ISO, HCinc, ZTV and RWS等四个标准下的温度与时间曲线(Routes/Roads No. 324)(路线与道路,第324期)

Figure 9.2-1: ISO, HCinc, ZTV and RWS等四个标准下的温度与时间曲线(Routes/Roads No. 324)(路线与道路,第324期)

        世界道路协会和世界隧道协会都就隧道火灾设计标准达成了一致,并在 《路线/道路》2004年的论文“世界道路协会公路隧道结构防火标准”一文中发表,并且成为世界道路协会的推荐标准,并在第7章"隧道结构火灾设计标准"技术报告(2007 05.16.B).有说明,防火标准及要求汇总见下表:

TABLE 9.2-2: 世界道路协会和世界隧道协会的推荐抗火标准
Traffic Type Main Structure Secondary Structures (4)
  Immersed or
Under/Inside
Superstructure
Tunnel in Unstable Ground Tunnel in Stable Ground Cut & Cover Air Ducts (5) Emergency Exits
to Open Air
Emergency Exits to
Other Tube
Shelters (6)
Cars
Vans
ISO
60 min
ISO
60 min
See note (2) See note (2) ISO
60 min
ISO
30 min
ISO
60 min
ISO
60 min
Lorries
Tankers
RWS/HCinc
120 min (1)
RWS/HCinc
120 min (1)
See note (3) See note (3) ISO
120 min
ISO
30 min
RWS/HCinc
120 min
RWS/HCinc
120 min (7)

注释:

        (1)对于重载运输可燃物货运卡车流量非常大时需要180分钟;

        (2)安全并不是一个标准,不需要任何防火(除了避免进一步崩溃)。如果考虑到目标不同,可能需要满足以下的要求:

  • ISO标准在一般情况下要求为60分钟,
  • 可能由于结构保护措施过于昂贵或火灾后保护措施无法维修(例如噪音防火措施),而根本无任何保护措施。

        (3)安全本身并不是标准也不需要任何抗火防火要求(除非发生大规模的快速坍塌)。考虑到其他的目标,可能需要满足以下要求:

  • 如果财产(譬如隧道设在大型建筑物下面)或大型路网需要,则需要满足RWS/HCinc 120分钟的防火标准,
  • ISO一般情况下要求120分钟,这样可以在费用不高的情况下限制财产损失,
  • 无保护功能,可能是由于费用会大幅增加或不利于火灾后修复工作(譬如施作了薄层噪音保护装置)。

        (4)其他附属结构:应该针对具体工程制订保护细则;

        (5)存在横向通风的情况;

        (6)救生所应该连接到外界开阔地;

        (7)如果有大量装载可燃货物的重型卡车流且120分钟内无法到达救生场所时,应适当加长该时间。

        隧道结构失效引起的后果对不同类型隧道而言是不同的,也将影响隧道的防火要求。比如深埋隧道的局部坍塌可能导致隧道内产生严重的涌水,而盖挖法修建的隧道的局部垮塌则影响有限。一个基本的要求就是必须防止隧道结构连续垮塌的发生,同时防止重要的纵向系统被割断,比如电力支架和通信线缆。

        隧道结构材料防火涉及到不同的预防要求,第8.3节“材料的火灾响应”中报告中1999 05-05-B 中“隧道火灾及烟雾控制”中讨论了钢筋混凝土防火特点,大型火灾中产生的大量热量会导致钢筋混凝土失效,这时防火隔热层的防火作用主要起到防止钢筋混凝土结构早期破坏的作用。整体结构(钢筋混凝土类型和程度/预应力、其他措施等)的防火是需要考虑的。

        火灾中由于温度和伸缩分布不同会发生混凝土剥落,并对容易暴露在高温中的加固结构造成危险。总体来说混凝土脱落不会对撤离人员造成危险,但是对于消防员可能构成危险。尽管不同类型的防火措施可以降低火灾脱落危险,但是由于火灾过程中的高温引起的脱落围岩仍然不可能完全避免。

        必须注意通风系统,确保不会因为火灾失效而导致功能下降,所以很有必要检查活在中通道局部范围发生坍塌造成的后果。

        逃生通道仅在火灾的最初阶段会被逃生人员所利用,通道必须能够确保30分钟内能够被使用。如果该通道可能会被后继的救援人员所使用,该时间段应该更长。

        为了避免火灾传播到临近的隧道或逃生通道,紧急防护门、紧急通道及两条隧道处的其他设备应该在指定的时间段内可以保持完好。整座紧急门包括周围构筑物,包括门框,在火灾中抗火时间应该大于30分钟。对于两条交通隧道之间的门,需要防火时间更长,需要1-2小时。

9.3. 设备的耐火能力

        就抗灾火能力而言,隧道设备和线缆可以分为不同可抗火等级和不抗火两类。

        被保护的设备与线缆具有不同程度可以抵抗火灾的能力,例如:

  • 防火线缆应可以承受950°C三个小时;
  • 线缆在250°C下应可承受三个小时;
  • 通风扇在250°C下应可承受1-2小时。

        无保护的设备譬如交通指示灯、摄像头、播音喇叭的工作最高温度大约50°C,很低的温度下就无法继续工作。材料包括:

  • 照明设备- 层状玻璃(荧光或发光)或硬化玻璃,铝合金、钢外壳(硬化玻 璃的照明设备的典型工作温度为120°C);
  • 交通标志-聚碳酸酯屏幕,不锈钢框;
  • 相机镜头、铝框架;
  • 公众播音喇叭:玻璃加强多聚物。

        无保护构建常用材料的临界温度指标汇总如下:

  • 多聚物组分材料:聚碳酸酯材料在150°C会熔化,在300-400°C范围内开始燃烧;
  • 二氧化硅密封材料:工作温度最高可达200-250°C;
  • 玻璃强化玻璃的工作温度在最高可达250-300°C,在超过600°C后玻璃或产生裂缝;
  • 铝合金400°C开始软化,600°C熔化。

        固定设备的所有配件应该考虑到其火灾中的行为。


原始链接: https://tunnels.piarc.org/zh/operational-safety-requirements