蔡 鑫

（深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

隧道長度的增加使得隧道火災(zāi)安全也成為一個重要的課題[1]。相比于一般山嶺隧道，水下隧道地質(zhì)及水文條件復(fù)雜，地層加固及開挖風(fēng)險(xiǎn)較大，橫向疏散通道、豎井較少，致使乘客逃生距離長，疏散難度大，加之火災(zāi)發(fā)展的不可預(yù)見性，極易造成嚴(yán)重的傷亡后果，并使隧道結(jié)構(gòu)遭受破壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，研究水下道路隧道火災(zāi)事故主要致災(zāi)因素，結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)對危險(xiǎn)因素提早預(yù)防，對隧道運(yùn)營有重要指導(dǎo)意義。

隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析是通過超前的預(yù)測分析來提前建立火災(zāi)安全策略，包括火災(zāi)產(chǎn)生、報(bào)警與消防、疏散與排煙控制、防災(zāi)救援組織與管理等[3，4]。以定量分析為主，包括事故樹分析法和模糊綜合評價(jià)法。事故樹分析法是采用演繹方法分析火災(zāi)事故的因果關(guān)系，找出隧道中人-車-路多要素潛在危險(xiǎn)因素分析，展開針對火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的定性和定量分析[5，6]。

國外針對隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的分析大都是基于事故樹的概率風(fēng)險(xiǎn)分析，如國際道路協(xié)會、歐洲公路網(wǎng)隧道工程的安全評估等。OndrejNyvlt[7]根據(jù)火災(zāi)報(bào)警及煙流控制提出了火災(zāi)事故樹，對捷克Strahov隧道的火災(zāi)探測和煙流控制措施的風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行了評估，提出了火災(zāi)探測和煙流控制安全改進(jìn)措施，但研究并不系統(tǒng)。國內(nèi)基于事故樹的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)方法在工業(yè)和高層建筑火災(zāi)領(lǐng)域評估用得較為普遍[8]，但在道路隧道火災(zāi)應(yīng)用方面并不多，主要集中在應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)、層次分析法等手段對隧道火災(zāi)安全進(jìn)行定性或半定量分析[9-11]，確定了發(fā)生火災(zāi)的相對危險(xiǎn)性，提出了火災(zāi)的發(fā)生頻率和后果，但評價(jià)結(jié)果一定程度上受限于參加評估的專業(yè)人員的主觀傾向。

本論文采用事件樹與事故樹相結(jié)合的方法，從隧道內(nèi)起火后這一時間節(jié)點(diǎn)開始研究，分別從火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警、火災(zāi)控制以及人員疏散三個方面建立事故樹評價(jià)模型，以此來進(jìn)行隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估。同時，引進(jìn)重要度分析方法分析各個基本事件對火災(zāi)造成人員傷亡的影響程度，依此為運(yùn)營管理提供指導(dǎo)。

1 水下道路隧道火災(zāi)的頻率

目前，國內(nèi)尚沒有關(guān)于道路隧道火災(zāi)發(fā)生頻率的可靠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。在20世紀(jì)末期，PIARC與一些國家和地區(qū)曾做過相關(guān)的調(diào)研工作，并給出了相應(yīng)的調(diào)查結(jié)論。

PIARC[12]在1999年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，公路隧道火災(zāi)的頻率不超過25次/（億公里·輛）。日本吉田幸信[13]統(tǒng)計(jì)的公路隧道火災(zāi)頻率為0.5次/（億公里·輛），英國的通風(fēng)專家阿列克斯·西特[14]統(tǒng)計(jì)的公路隧道火災(zāi)頻率為2次/（億公里·輛）。

本文擬研究特長跨海疏港水下隧道的火災(zāi)概率，取國內(nèi)長度3 000 m以上的水下道路隧道作為參照對象，對國內(nèi)12條水下道路隧道的火災(zāi)事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 國內(nèi)特長水下隧道火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)

隧道火災(zāi)頻率[15]可以按以下公式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算：

從表1可以看出，12條隧道的火災(zāi)頻率均小于1次/（億公里·輛），平均火災(zāi)頻率為0.14次/（億公里·輛），最高火災(zāi)頻率為0.8次/（億公里·輛），最低火災(zāi)頻率為0.07次/（億公里·輛）。論文分析中水下特長道路隧道的火災(zāi)頻率為統(tǒng)計(jì)中最大值0.8次/（億公里·輛）。

2 媽灣隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析評估

2.1 媽灣隧道概況

媽灣跨海隧道段長度約5 700 m，前海段和大鏟灣明挖段分別長572 m和3 146 m，盾構(gòu)段2 110 m，盾構(gòu)隧道外徑15 m，是國內(nèi)最大規(guī)模的城市快速跨海疏港道路隧道。根據(jù)交通預(yù)測分析，2030年媽灣海底隧道所承擔(dān)的單向最大交通量為4 078 pcu/h，高峰時期貨車流量占總車流量的61.8%，貨車比例很高。

媽灣隧道明挖斷采用縱向排煙，盾構(gòu)段采用重點(diǎn)排煙。盾構(gòu)段每88 m設(shè)置豎向疏散樓梯一個，左、右線隧道各設(shè)置疏散樓梯23處；發(fā)生火災(zāi)時需借助疏散樓梯進(jìn)入下部救援通道，經(jīng)由救援通道從兩端豎井撤離隧道。

2.2 隧道火災(zāi)的事件樹分析

為明確媽灣跨海隧道火災(zāi)事件的關(guān)鍵因素，采用事件樹對媽灣隧道發(fā)生火災(zāi)時可能會發(fā)生的情況進(jìn)行分析。通過主邏輯圖法鑒別時間序列的初始事件，由于隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)不可避免，因此確定隧道內(nèi)起火為系統(tǒng)的初始事件，而相關(guān)的要素主要有隧道火災(zāi)監(jiān)控探測及火災(zāi)報(bào)警、隧道內(nèi)自動滅火設(shè)施及消防人員對火災(zāi)的控制，以及隧道內(nèi)的人員疏散。圖1為隧道火災(zāi)事件樹。

圖1 隧道火災(zāi)事件樹

設(shè)定火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警失效的概率為Pj，火災(zāi)控制失敗的概率為Pk，火災(zāi)疏散失敗的概率為Ps，水下道路隧道火災(zāi)造成人員傷亡的概率P。利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)地推理算法——桶排除方法，進(jìn)行正向推理，將所有的基本事件作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，得到系統(tǒng)的失效概率和各基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性。

2.3 隧道火災(zāi)事故樹分析

建立事故樹模型的基本原理是把所研究的系統(tǒng)中最不愿意發(fā)生的事件作為基本出發(fā)點(diǎn)，在系統(tǒng)中尋找直接導(dǎo)致這一事件發(fā)生的所有因素[17]。

由圖1中媽灣隧道火災(zāi)事件樹可以看出，影響隧道火災(zāi)失控的主要因素有3個：火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警、火災(zāi)控制、疏散。本文采用事件樹和事故樹相結(jié)合的方式，建立火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警失效、火災(zāi)控制失敗、疏散失敗3個事故樹，進(jìn)行媽灣隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.3.1 火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警失效事故樹

媽灣隧道火災(zāi)監(jiān)控探測報(bào)警系統(tǒng)失效主要可分為自動報(bào)警設(shè)備失效及手動報(bào)警設(shè)備失效兩部分。隧道的自動報(bào)警系統(tǒng)由隧道的監(jiān)控探測報(bào)警設(shè)備故障、報(bào)警系統(tǒng)故障和電源故障組成。手動報(bào)警失效主要有兩方面：一是隧道內(nèi)手動報(bào)警設(shè)施故障；二是駕駛員未及時報(bào)警或監(jiān)控中心的工作人員未能及時發(fā)現(xiàn)火情或未在收到報(bào)警信號后及時采取正確措施。火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警失效事故樹模型如圖2所示。

根據(jù)火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警失效事故樹可知，頂上事件（火災(zāi)監(jiān)控探測及報(bào)警失效）的概率為：

圖2 火災(zāi)探測及報(bào)警失效事故樹

2.3.2 火災(zāi)控制失敗事故樹

媽灣隧道火災(zāi)控制失敗主要與隧道內(nèi)的消防滅火系統(tǒng)故障及人為失誤有關(guān)。隧道的消防滅火系統(tǒng)主要由消防系統(tǒng)和防排煙系統(tǒng)兩部分組成。消防系統(tǒng)主要有泡沫水噴霧滅火系統(tǒng)、消火栓、滅火器等消防工具；防排煙系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備及電源三部分組成。人為失誤主要包括：監(jiān)控中心的工作人員未能及時確認(rèn)火情或未能按照操作手冊進(jìn)行火災(zāi)預(yù)案操作；由于目前駕駛員不熟悉隧道內(nèi)消防工具的位置，或不會使用消防工具，因此不考慮駕駛員滅火的情況。火災(zāi)控制失敗事故樹如圖3所示。

根據(jù)火災(zāi)控制失效事故樹可知，頂上事件（火災(zāi)控制失?。┑母怕蕿椋?/p>

2.3.3 疏散失敗事故樹

媽灣隧道火災(zāi)疏散失敗主要與逃生出口故障和人員的失誤有關(guān)。逃生出口故障包括機(jī)械設(shè)備故障和結(jié)構(gòu)故障兩部分。機(jī)械設(shè)備故障主要是緊急通道內(nèi)防排煙系統(tǒng)、照明系統(tǒng)及電源系統(tǒng)發(fā)生故障；結(jié)構(gòu)故障包括逃生出口樓梯蓋板不易開啟和隧道內(nèi)誘導(dǎo)標(biāo)志故障。人員的失誤有兩方面：一是監(jiān)控中心工作人員未及時通過廣播、情報(bào)板等信息設(shè)備引導(dǎo)人員逃生；二是逃生人員未正確選擇逃生路徑。疏散失效事故樹如圖4所示。

圖4 疏散失敗事故樹

根據(jù)疏散失敗事故樹可知，頂上事件（疏散失效）的概率為：

2.4 媽灣隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估

2.4.1 機(jī)電設(shè)施故障率

采用事件樹和事故樹相結(jié)合的方式需要明確各機(jī)電設(shè)施的故障率和人員的失誤率。隧道的供配電設(shè)施、照明設(shè)施、通風(fēng)設(shè)施、消防設(shè)施、監(jiān)控與通信設(shè)施的可靠性可以按照設(shè)備完好率來進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H12-2015）機(jī)電設(shè)施分項(xiàng)技術(shù)狀況評定表（見表2）中各分項(xiàng)狀況值，確定各個設(shè)施在不同狀況值下的設(shè)備完好率，以此確定設(shè)備故障率。

表2 機(jī)電設(shè)施分項(xiàng)技術(shù)狀況評定表

2.4.2 人員失誤率

國內(nèi)隧道管理中心的工作人員都經(jīng)過規(guī)范的培訓(xùn)。工作人員通過監(jiān)視器對隧道內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時觀察，對于各種突發(fā)情況有一系列的應(yīng)對措施。根據(jù)筆者在武水路管理中心的調(diào)研情況來看，工作人員能夠很好地處理各種問題。參考《Probabilistic risk assessment of highway tunnels》，人員的失誤率取為0.1。

2.4.3 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估

由于隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的技術(shù)狀況值為3時將進(jìn)行專項(xiàng)維護(hù)，并采取交通管制措施，因此，對于正常運(yùn)營的隧道，其機(jī)電設(shè)備的技術(shù)狀況值可認(rèn)為均小于3。本文分別選取機(jī)電設(shè)施分項(xiàng)技術(shù)狀況值為0、1、2時，設(shè)備處在各等級狀況值下設(shè)備完好率最小的情況考慮故障率。按上述頂上事件公式和表2，對媽灣水下道路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 媽灣水下道路隧道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)概率結(jié)果

2.4.4 重要度分析

在建立好的事故樹模型的基礎(chǔ)上使用最小割集進(jìn)行重要度分析，建立重要度排序表，可以將隧道中風(fēng)險(xiǎn)與基本事件的關(guān)系轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)來分析和表達(dá)。本文主要針對概率重要度中的Fussel-Vesely重要度進(jìn)行分析。

Fussel-Vesely重要度，又稱最大貢獻(xiàn)重要度法，體現(xiàn)了包含總系統(tǒng)的基本事件xi的各個割集對頂上事件的貢獻(xiàn)。F-V重要度計(jì)算公式如下：

取狀況值為1時各機(jī)電設(shè)備最小設(shè)備完好率計(jì)算各個基本事件對頂上事件的F-V重要度。計(jì)算結(jié)果見表4。

將表4中各基本事件按照重要度排序進(jìn)行分析可知：

表4 各基本事件F-V重要度

（1）探測報(bào)警功能在消防系統(tǒng)中是很重要的一部分，一旦報(bào)警系統(tǒng)故障無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將會導(dǎo)致火災(zāi)不能被盡早發(fā)現(xiàn)，極易導(dǎo)致重大火災(zāi)的發(fā)生。其中，報(bào)警系統(tǒng)的正常運(yùn)行最為重要，監(jiān)控室中工作人員和駕駛?cè)藛T盡快確認(rèn)火情并上報(bào)是僅次于監(jiān)控系統(tǒng)的重要因素。

（2）火災(zāi)控制階段工作人員的應(yīng)急處理將會直接影響到火災(zāi)控制的結(jié)果，因此定期定時對工作人員進(jìn)行有關(guān)遇到緊急情況時應(yīng)急處理的培訓(xùn)是非常重要的。隧道內(nèi)排煙系統(tǒng)對火災(zāi)事故的影響程度僅次于工作人員，在日常檢修與軟件維護(hù)上應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視，隧道中的風(fēng)機(jī)組對于火災(zāi)控制也是很重要的一環(huán)。

（3）應(yīng)急通道內(nèi)的防排煙設(shè)備是影響人員疏散結(jié)果的重要因素，在日常維護(hù)時一定要保證防排煙設(shè)備的正常運(yùn)行；逃生通道樓梯蓋板、通道內(nèi)誘導(dǎo)逃生標(biāo)識是僅次于防排煙設(shè)施的重要風(fēng)險(xiǎn)源；乘客恐慌和工作人員逃生組織不力、消防技能不合格都會成為火災(zāi)發(fā)生之后逃生疏散階段較為重要的風(fēng)險(xiǎn)源。

3 結(jié)論

通過引入概率風(fēng)險(xiǎn)分析，將水下道路隧道發(fā)生火災(zāi)并造成人員死亡這一事件拆分為三部分用事件樹的方式聯(lián)系起來，對影響火災(zāi)發(fā)展的各個要素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)的國內(nèi)12條特長水下道路隧道火災(zāi)事故情況，考慮到駕駛員安全意識提升，工作人員在隧道運(yùn)營管理方面的加強(qiáng)和重視，確定特長水下道路隧道的火災(zāi)發(fā)生頻率為 0.07～0.8 次 /(億公里·輛)。

（2）引入重要度分析，從人、環(huán)境、設(shè)施、管理4個維度以定量分析的手段得出了在火災(zāi)發(fā)生之后探測報(bào)警、火災(zāi)控制、人員疏散3個階段中的各個基本事件對火災(zāi)結(jié)果的影響程度，通過對基本事件進(jìn)行排序，可以在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制時首先抓住較為重要的因素處理，相對來說更加經(jīng)濟(jì)有效，實(shí)際操作性更強(qiáng)。

（3）通過事件樹與事故樹結(jié)合找出水下道路隧道火災(zāi)造成人員傷亡的關(guān)鍵因素：隧道火災(zāi)監(jiān)控探測及火災(zāi)報(bào)警、火災(zāi)控制和人員疏散。根據(jù)事件樹找出的關(guān)鍵因素，建立隧道火災(zāi)監(jiān)控探測及火災(zāi)報(bào)警事故樹、火災(zāi)控制事故樹、人員疏散事故樹。

（4）機(jī)電設(shè)施狀況的降低將會對隧道發(fā)生火災(zāi)時的安全性能產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)苯訉?dǎo)致隧道在火災(zāi)中發(fā)生嚴(yán)重?fù)p毀，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。對隧道的維護(hù)管理應(yīng)當(dāng)格外注意隧道各個部分機(jī)電設(shè)施的運(yùn)營狀況。