基于事故樹的水下隧道火災概率風險分析

蔡 鑫

（深圳市交通公用設施建設中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

隧道長度的增加使得隧道火災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)及水文條件復雜，地層加固及開挖風險較大，橫向疏散通道、豎井較少，致使乘客逃生距離長，疏散難度大，加之火災發(fā)展的不可預見性，極易造成嚴重的傷亡后果，并使隧道結(jié)構遭受破壞，造成重大經(jīng)濟損失[2]。因此，研究水下道路隧道火災事故主要致災因素，結(jié)合工程經(jīng)濟對危險因素提早預防，對隧道運營有重要指導意義。

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

國外針對隧道火災風險的分析大都是基于事故樹的概率風險分析，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)火災報警及煙流控制提出了火災事故樹，對捷克Strahov隧道的火災探測和煙流控制措施的風險概率進行了評估，提出了火災探測和煙流控制安全改進措施，但研究并不系統(tǒng)。國內(nèi)基于事故樹的風險評價方法在工業(yè)和高層建筑火災領域評估用得較為普遍[8]，但在道路隧道火災應用方面并不多，主要集中在應用模糊數(shù)學、層次分析法等手段對隧道火災安全進行定性或半定量分析[9-11]，確定了發(fā)生火災的相對危險性，提出了火災的發(fā)生頻率和后果，但評價結(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)點開始研究，分別從火災監(jiān)控探測及報警、火災控制以及人員疏散三個方面建立事故樹評價模型，以此來進行隧道火災風險評估。同時，引進重要度分析方法分析各個基本事件對火災造成人員傷亡的影響程度，依此為運營管理提供指導。

1 水下道路隧道火災的頻率

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

PIARC[12]在1999年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，公路隧道火災的頻率不超過25次/（億公里·輛）。日本吉田幸信[13]統(tǒng)計的公路隧道火災頻率為0.5次/（億公里·輛），英國的通風專家阿列克斯·西特[14]統(tǒng)計的公路隧道火災頻率為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事故進行統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 國內(nèi)特長水下隧道火災事故統(tǒng)計

隧道火災頻率[15]可以按以下公式進行統(tǒng)計計算：

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

2 媽灣隧道火災風險分析評估

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，盾構段2 110 m，盾構隧道外徑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)交通預測分析，2030年媽灣海底隧道所承擔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，盾構段采用重點排煙。盾構段每88 m設置豎向疏散樓梯一個，左、右線隧道各設置疏散樓梯23處；發(fā)生火災時需借助疏散樓梯進入下部救援通道，經(jīng)由救援通道從兩端豎井撤離隧道。

2.2 隧道火災的事件樹分析

為明確媽灣跨海隧道火災事件的關鍵因素，采用事件樹對媽灣隧道發(fā)生火災時可能會發(fā)生的情況進行分析。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，而相關的要素主要有隧道火災監(jiān)控探測及火災報警、隧道內(nèi)自動滅火設施及消防人員對火災的控制，以及隧道內(nèi)的人員疏散。圖1為隧道火災事件樹。

圖1 隧道火災事件樹

設定火災監(jiān)控探測及報警失效的概率為Pj，火災控制失敗的概率為Pk，火災疏散失敗的概率為Ps，水下道路隧道火災造成人員傷亡的概率P。利用貝葉斯網(wǎng)絡精準地推理算法——桶排除方法，進行正向推理，將所有的基本事件作為貝葉斯網(wǎng)絡的輸入變量，得到系統(tǒng)的失效概率和各基礎設施的可靠性。

2.3 隧道火災事故樹分析

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，在系統(tǒng)中尋找直接導致這一事件發(fā)生的所有因素[17]。

由圖1中媽灣隧道火災事件樹可以看出，影響隧道火災失控的主要因素有3個：火災監(jiān)控探測及報警、火災控制、疏散。本文采用事件樹和事故樹相結(jié)合的方式，建立火災監(jiān)控探測及報警失效、火災控制失敗、疏散失敗3個事故樹，進行媽灣隧道火災風險分析。

2.3.1 火災監(jiān)控探測及報警失效事故樹

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

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

圖2 火災探測及報警失效事故樹

2.3.2 火災控制失敗事故樹

媽灣隧道火災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。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)、機械設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火情或未能按照操作手冊進行火災預案操作；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。火災控制失敗事故樹如圖3所示。

根據(jù)火災控制失效事故樹可知，頂上事件（火災控制失敗）的概率為：

2.3.3 疏散失敗事故樹

媽灣隧道火災疏散失敗主要與逃生出口故障和人員的失誤有關。逃生出口故障包括機械設備故障和結(jié)構故障兩部分。機械設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)構故障包括逃生出口樓梯蓋板不易開啟和隧道內(nèi)誘導標志故障。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、情報板等信息設備引導人員逃生；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 媽灣隧道火災風險評估

2.4.1 機電設施故障率

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

表2 機電設施分項技術狀況評定表

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。工作人員通過監(jiān)視器對隧道內(nèi)的情況進行實時觀察，對于各種突發(fā)情況有一系列的應對措施。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 火災風險評估

由于隧道內(nèi)機電設備的技術狀況值為3時將進行專項維護，并采取交通管制措施，因此，對于正常運營的隧道，其機電設備的技術狀況值可認為均小于3。本文分別選取機電設施分項技術狀況值為0、1、2時，設備處在各等級狀況值下設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風險概率進行計算，計算結(jié)果見表3。

表3 媽灣水下道路隧道火災風險概率結(jié)果

2.4.4 重要度分析

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

Fussel-Vesely重要度，又稱最大貢獻重要度法，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。F-V重要度計算公式如下：

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

將表4中各基本事件按照重要度排序進行分析可知：

表4 各基本事件F-V重要度

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

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

（3）應急通道內(nèi)的防排煙設備是影響人員疏散結(jié)果的重要因素，在日常維護時一定要保證防排煙設備的正常運行；逃生通道樓梯蓋板、通道內(nèi)誘導逃生標識是僅次于防排煙設施的重要風險源；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發(fā)生之后逃生疏散階段較為重要的風險源。

3 結(jié)論

通過引入概率風險分析，將水下道路隧道發(fā)生火災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，對影響火災發(fā)展的各個要素進行分析，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)和統(tǒng)計的國內(nèi)12條特長水下道路隧道火災事故情況，考慮到駕駛員安全意識提升，工作人員在隧道運營管理方面的加強和重視，確定特長水下道路隧道的火災發(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、設施、管理4個維度以定量分析的手段得出了在火災發(fā)生之后探測報警、火災控制、人員疏散3個階段中的各個基本事件對火災結(jié)果的影響程度，通過對基本事件進行排序，可以在進行風險控制時首先抓住較為重要的因素處理，相對來說更加經(jīng)濟有效，實際操作性更強。

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

（4）機電設施狀況的降低將會對隧道發(fā)生火災時的安全性能產(chǎn)生較大影響，甚至會直接導致隧道在火災中發(fā)生嚴重損毀，造成巨大經(jīng)濟損失。對隧道的維護管理應當格外注意隧道各個部分機電設施的運營狀況。