蔡 鑫

（深圳市交通公用设施建设中心，广东 深圳 518000）

0 引言

隧道长度的增加使得隧道火灾安全也成为一个重要的课题[1]。相比于一般山岭隧道，水下隧道地质及水文条件复杂，地层加固及开挖风险较大，横向疏散通道、竖井较少，致使乘客逃生距离长，疏散难度大，加之火灾发展的不可预见性，极易造成严重的伤亡后果，并使隧道结构遭受破坏，造成重大经济损失[2]。因此，研究水下道路隧道火灾事故主要致灾因素，结合工程经济对危险因素提早预防，对隧道运营有重要指导意义。

隧道火灾风险分析是通过超前的预测分析来提前建立火灾安全策略，包括火灾产生、报警与消防、疏散与排烟控制、防灾救援组织与管理等[3，4]。以定量分析为主，包括事故树分析法和模糊综合评价法。事故树分析法是采用演绎方法分析火灾事故的因果关系，找出隧道中人-车-路多要素潜在危险因素分析，展开针对火灾风险的定性和定量分析[5，6]。

国外针对隧道火灾风险的分析大都是基于事故树的概率风险分析，如国际道路协会、欧洲公路网隧道工程的安全评估等。OndrejNyvlt[7]根据火灾报警及烟流控制提出了火灾事故树，对捷克Strahov隧道的火灾探测和烟流控制措施的风险概率进行了评估，提出了火灾探测和烟流控制安全改进措施，但研究并不系统。国内基于事故树的风险评价方法在工业和高层建筑火灾领域评估用得较为普遍[8]，但在道路隧道火灾应用方面并不多，主要集中在应用模糊数学、层次分析法等手段对隧道火灾安全进行定性或半定量分析[9-11]，确定了发生火灾的相对危险性，提出了火灾的发生频率和后果，但评价结果一定程度上受限于参加评估的专业人员的主观倾向。

本论文采用事件树与事故树相结合的方法，从隧道内起火后这一时间节点开始研究，分别从火灾监控探测及报警、火灾控制以及人员疏散三个方面建立事故树评价模型，以此来进行隧道火灾风险评估。同时，引进重要度分析方法分析各个基本事件对火灾造成人员伤亡的影响程度，依此为运营管理提供指导。

1 水下道路隧道火灾的频率

目前，国内尚没有关于道路隧道火灾发生频率的可靠的统计数据。在20世纪末期，PIARC与一些国家和地区曾做过相关的调研工作，并给出了相应的调查结论。

PIARC[12]在1999年的统计数据显示，公路隧道火灾的频率不超过25次/（亿公里·辆）。日本吉田幸信[13]统计的公路隧道火灾频率为0.5次/（亿公里·辆），英国的通风专家阿列克斯·西特[14]统计的公路隧道火灾频率为2次/（亿公里·辆）。

本文拟研究特长跨海疏港水下隧道的火灾概率，取国内长度3 000 m以上的水下道路隧道作为参照对象，对国内12条水下道路隧道的火灾事故进行统计。统计结果见表1。

表1 国内特长水下隧道火灾事故统计

隧道火灾频率[15]可以按以下公式进行统计计算：

从表1可以看出，12条隧道的火灾频率均小于1次/（亿公里·辆），平均火灾频率为0.14次/（亿公里·辆），最高火灾频率为0.8次/（亿公里·辆），最低火灾频率为0.07次/（亿公里·辆）。论文分析中水下特长道路隧道的火灾频率为统计中最大值0.8次/（亿公里·辆）。

2 妈湾隧道火灾风险分析评估

2.1 妈湾隧道概况

妈湾跨海隧道段长度约5 700 m，前海段和大铲湾明挖段分别长572 m和3 146 m，盾构段2 110 m，盾构隧道外径15 m，是国内最大规模的城市快速跨海疏港道路隧道。根据交通预测分析，2030年妈湾海底隧道所承担的单向最大交通量为4 078 pcu/h，高峰时期货车流量占总车流量的61.8%，货车比例很高。

妈湾隧道明挖断采用纵向排烟，盾构段采用重点排烟。盾构段每88 m设置竖向疏散楼梯一个，左、右线隧道各设置疏散楼梯23处；发生火灾时需借助疏散楼梯进入下部救援通道，经由救援通道从两端竖井撤离隧道。

2.2 隧道火灾的事件树分析

为明确妈湾跨海隧道火灾事件的关键因素，采用事件树对妈湾隧道发生火灾时可能会发生的情况进行分析。通过主逻辑图法鉴别时间序列的初始事件，由于隧道内发生火灾不可避免，因此确定隧道内起火为系统的初始事件，而相关的要素主要有隧道火灾监控探测及火灾报警、隧道内自动灭火设施及消防人员对火灾的控制，以及隧道内的人员疏散。图1为隧道火灾事件树。

图1 隧道火灾事件树

设定火灾监控探测及报警失效的概率为Pj，火灾控制失败的概率为Pk，火灾疏散失败的概率为Ps，水下道路隧道火灾造成人员伤亡的概率P。利用贝叶斯网络精准地推理算法——桶排除方法，进行正向推理，将所有的基本事件作为贝叶斯网络的输入变量，得到系统的失效概率和各基础设施的可靠性。

2.3 隧道火灾事故树分析

建立事故树模型的基本原理是把所研究的系统中最不愿意发生的事件作为基本出发点，在系统中寻找直接导致这一事件发生的所有因素[17]。

由图1中妈湾隧道火灾事件树可以看出，影响隧道火灾失控的主要因素有3个：火灾监控探测及报警、火灾控制、疏散。本文采用事件树和事故树相结合的方式，建立火灾监控探测及报警失效、火灾控制失败、疏散失败3个事故树，进行妈湾隧道火灾风险分析。

2.3.1 火灾监控探测及报警失效事故树

妈湾隧道火灾监控探测报警系统失效主要可分为自动报警设备失效及手动报警设备失效两部分。隧道的自动报警系统由隧道的监控探测报警设备故障、报警系统故障和电源故障组成。手动报警失效主要有两方面：一是隧道内手动报警设施故障；二是驾驶员未及时报警或监控中心的工作人员未能及时发现火情或未在收到报警信号后及时采取正确措施。火灾监控探测及报警失效事故树模型如图2所示。

根据火灾监控探测及报警失效事故树可知，顶上事件（火灾监控探测及报警失效）的概率为：

图2 火灾探测及报警失效事故树

2.3.2 火灾控制失败事故树

妈湾隧道火灾控制失败主要与隧道内的消防灭火系统故障及人为失误有关。隧道的消防灭火系统主要由消防系统和防排烟系统两部分组成。消防系统主要有泡沫水喷雾灭火系统、消火栓、灭火器等消防工具；防排烟系统主要由控制系统、机械设备及电源三部分组成。人为失误主要包括：监控中心的工作人员未能及时确认火情或未能按照操作手册进行火灾预案操作；由于目前驾驶员不熟悉隧道内消防工具的位置，或不会使用消防工具，因此不考虑驾驶员灭火的情况。火灾控制失败事故树如图3所示。

根据火灾控制失效事故树可知，顶上事件（火灾控制失败）的概率为：

2.3.3 疏散失败事故树

妈湾隧道火灾疏散失败主要与逃生出口故障和人员的失误有关。逃生出口故障包括机械设备故障和结构故障两部分。机械设备故障主要是紧急通道内防排烟系统、照明系统及电源系统发生故障；结构故障包括逃生出口楼梯盖板不易开启和隧道内诱导标志故障。人员的失误有两方面：一是监控中心工作人员未及时通过广播、情报板等信息设备引导人员逃生；二是逃生人员未正确选择逃生路径。疏散失效事故树如图4所示。

图4 疏散失败事故树

根据疏散失败事故树可知，顶上事件（疏散失效）的概率为：

2.4 妈湾隧道火灾风险评估

2.4.1 机电设施故障率

采用事件树和事故树相结合的方式需要明确各机电设施的故障率和人员的失误率。隧道的供配电设施、照明设施、通风设施、消防设施、监控与通信设施的可靠性可以按照设备完好率来进行评价。根据《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）机电设施分项技术状况评定表（见表2）中各分项状况值，确定各个设施在不同状况值下的设备完好率，以此确定设备故障率。

表2 机电设施分项技术状况评定表

2.4.2 人员失误率

国内隧道管理中心的工作人员都经过规范的培训。工作人员通过监视器对隧道内的情况进行实时观察，对于各种突发情况有一系列的应对措施。根据笔者在武水路管理中心的调研情况来看，工作人员能够很好地处理各种问题。参考《Probabilistic risk assessment of highway tunnels》，人员的失误率取为0.1。

2.4.3 火灾风险评估

由于隧道内机电设备的技术状况值为3时将进行专项维护，并采取交通管制措施，因此，对于正常运营的隧道，其机电设备的技术状况值可认为均小于3。本文分别选取机电设施分项技术状况值为0、1、2时，设备处在各等级状况值下设备完好率最小的情况考虑故障率。按上述顶上事件公式和表2，对妈湾水下道路隧道火灾风险概率进行计算，计算结果见表3。

表3 妈湾水下道路隧道火灾风险概率结果

2.4.4 重要度分析

在建立好的事故树模型的基础上使用最小割集进行重要度分析，建立重要度排序表，可以将隧道中风险与基本事件的关系转化成数据来分析和表达。本文主要针对概率重要度中的Fussel-Vesely重要度进行分析。

Fussel-Vesely重要度，又称最大贡献重要度法，体现了包含总系统的基本事件xi的各个割集对顶上事件的贡献。F-V重要度计算公式如下：

取状况值为1时各机电设备最小设备完好率计算各个基本事件对顶上事件的F-V重要度。计算结果见表4。

将表4中各基本事件按照重要度排序进行分析可知：

表4 各基本事件F-V重要度

（1）探测报警功能在消防系统中是很重要的一部分，一旦报警系统故障无法正常运转，将会导致火灾不能被尽早发现，极易导致重大火灾的发生。其中，报警系统的正常运行最为重要，监控室中工作人员和驾驶人员尽快确认火情并上报是仅次于监控系统的重要因素。

（2）火灾控制阶段工作人员的应急处理将会直接影响到火灾控制的结果，因此定期定时对工作人员进行有关遇到紧急情况时应急处理的培训是非常重要的。隧道内排烟系统对火灾事故的影响程度仅次于工作人员，在日常检修与软件维护上应当给予足够的重视，隧道中的风机组对于火灾控制也是很重要的一环。

（3）应急通道内的防排烟设备是影响人员疏散结果的重要因素，在日常维护时一定要保证防排烟设备的正常运行；逃生通道楼梯盖板、通道内诱导逃生标识是仅次于防排烟设施的重要风险源；乘客恐慌和工作人员逃生组织不力、消防技能不合格都会成为火灾发生之后逃生疏散阶段较为重要的风险源。

3 结论

通过引入概率风险分析，将水下道路隧道发生火灾并造成人员死亡这一事件拆分为三部分用事件树的方式联系起来，对影响火灾发展的各个要素进行分析，得出以下结论：

（1）根据以上统计数据和统计的国内12条特长水下道路隧道火灾事故情况，考虑到驾驶员安全意识提升，工作人员在隧道运营管理方面的加强和重视，确定特长水下道路隧道的火灾发生频率为 0.07～0.8 次 /(亿公里·辆)。

（2）引入重要度分析，从人、环境、设施、管理4个维度以定量分析的手段得出了在火灾发生之后探测报警、火灾控制、人员疏散3个阶段中的各个基本事件对火灾结果的影响程度，通过对基本事件进行排序，可以在进行风险控制时首先抓住较为重要的因素处理，相对来说更加经济有效，实际操作性更强。

（3）通过事件树与事故树结合找出水下道路隧道火灾造成人员伤亡的关键因素：隧道火灾监控探测及火灾报警、火灾控制和人员疏散。根据事件树找出的关键因素，建立隧道火灾监控探测及火灾报警事故树、火灾控制事故树、人员疏散事故树。

（4）机电设施状况的降低将会对隧道发生火灾时的安全性能产生较大影响，甚至会直接导致隧道在火灾中发生严重损毁，造成巨大经济损失。对隧道的维护管理应当格外注意隧道各个部分机电设施的运营状况。