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1、1,城市地铁工程公共安全技术对策研究,周丰峻 院士,2010中国城市轨道工程技术论坛-重庆,2,一、研究重要性和意义,为了实现节能高效、环境友好的现代化城市发展目标，我国地铁建设正以突飞猛进的态势和规模发展。到2015年，北京、上海和广州计划建设地铁的总里程均超过500km。城市地铁交通,由于人群密集、流动性大,是人们社会生活集中的场所,它常常成为国际国内恐怖分子袭击的首选目标，造成的危害巨大。当前城市地下设施和地铁工程防恐怖爆炸、防核生化恐怖袭击研究成为国家城市地铁安全最为迫切的任务之一。公共安全已列入我国12年科技发展规划中.,3,Explosive Basics:Detonation i
2、s more deadly than fire,The ability to support a shock front makes the power output of detonation,much more effective than that from a rapid burn(deflagration).,W/cm2=J/sec cm2,爆炸危害远远超过火灾,4,Organic Peroxides-TATP&HMTDmade with H2O2,Two solid peroxides are important,not because they are suitable for
3、large bombs but because they are primary explosives:triacetone triperoxide(TATP)TATP,in 1895.If it is pure,TATP is relatively stable.Reported extreme sensitivities appear to arise from impurities.TATP has detonation velocity is 5290 m/s and TNT equivalence of 88%(Trauzl).TATP readily sublimes(1-2%pe
4、r hr)so that bomb scene residue will disappear if it is not tightly sealed.CH3C(O)CH3+H2O2+acid hexamine+H2O2,citric acid,过氧化氢双氧水可制造TATP炸药,5,World Trade Center Feb.26,1993,urea nitrate,九三年美国世贸大厦爆炸炸药为尿素,6,二、国内外隧道与地铁安全研究现状,目前，各国纷纷研究和发展公共安全检测技术，对打击恐怖分子、保障地铁运营安全起到了非常重要的作用。（1）国外检测有关技术最新发展 1）远程搜寻和透视技术 目前美
5、国已经开始使用透视技术，以检查有无携带危险物品。透过衣服发现武器用的是低能量背散射X光装置，可以替代传统的金属探侧器。目前，美国又研制一种太赫兹波检测仪，能够在远处透过衣服进行扫描的系统，以便在远处发现恐怖分子携带的武器，及早预防。,1.国际地铁公共安全检测系统研究,7,揭示100米外恐怖分子携带武器的激光遥测技术,8,Experimental Standoff Personnel Imaging Techniques,Infrared hidden objects emissivity different from clothing and bodys IR emissivity.Micro
6、wave anomalous dielectric response in a microwave field.Low resolution mm wave.Terahertz clothing largely transparent and hidden objects revealed,as well as naked body image.Higher resolution but water absorption an issue and sources are expensive.,Terahertz image reveals concealed weapon,揭示隐藏在衣服后面的
7、太赫兹波遥测技术,9,2）核生化危险品监测技术 为了防止恐怖分子发动核化袭击，美国加紧研发新的监测技术。目前使用光化电离质谱法的监测装置，可以在45秒中之内判断出沙林、氰化物等不同的毒气，效率远远高于传统的监测设备。3）人工智能探测跟踪技术 为了对付恐怖分子采用塑胶炸弹，美国政府发展了炸弹智能跟踪探测仪。它可以根据极少量的残留物追踪到炸弹的制造者、型号和编号。“911”事件后，美国政府更加重视反恐工作，加大对炸弹和可疑爆炸物品处理的支持力度和资金投入。,10,Portal Screening Air jets for collection of nonvolatile explosive pa
8、rticles for IMS analysis,Heats and vaporizesnonvolatile explosiveparticles.,入口无挥发性TNT尘粒检测,11,4）结构监测和火灾温度监测 由传统压电传感器组成的结构健康监测系统一般能实现准分布式监测变化的信号，新型光纤光栅传感器可浇筑于钢筋混凝土内部，监测包括施工中结构健康监测和运营后安全监测。长期监测中用埋入式的光纤光栅传感器。5）光纤分布式温度监测技术 光纤是用石英材料制造，不会受到电磁干扰和隧道内恶劣环境的影响，故无需维护保养。它可以直接连接到火灾报警设备上，温度传感系统为地铁隧道消防监控提供了一个崭新手段。,1
9、2,（2）国外爆炸物探测新材料新技术 目前，世界上爆炸物探测技术主要分为两大类：即微粒化学型探测技术和X射线穿越介质的能量型探测技术。1）微粒化学型爆炸物探测技术主要有：离子迁移率谱技术与气相色谱技术相结合,可分辨组成成分复杂的物质。使谱图联用，可建立起对爆炸物的二维探测平台，进一步提高了爆炸物品的探测精度。,13,UCSD,Detection of 5-generations of TNT fingerprints,A finger was contacted toa block of TNT and then successively contacted with a piece of f
10、ilter paper.after coating with a thin spray of polyDEBsilole,the black and white image wasrecorded with a CCDcamera.,Detection of TNT and picric acid on surfaces and in seawater by using photoluminescent polysiloles.H.Sohn,R.M.Calhoun,M.J.Sailor,and W.C.Trogler,Angew.Chemie,Int.Ed.,40,2104(2001).Det
11、ection of Nitroaromatic Explosives Based on Photoluminescent Polymers Containing Metalloles,H.Sohn,M.J.Sailor,D.Magde,and W.C.Trogler,J.Am.Chem.Soc.,125,3821(2003).Luminescent Oligo(tetraphenyl)silole Nanoparticles as Chemical Sensors for Aqueous TNT,S.J.Toal,D.Magde,W.C.Trogler,Chem.Commun.,5465(20
12、05).Polymer Sensors for Nitroaromatic Explosives,(feature article),S.J.Toal and W.C.Trogler,J.Mater.Chem.16,2871(2006).Visual Detection of Trace Nitroaromatic Explosive Residue Using Photoluminescent Metallole-Containing Polymers,S.J.Toal;J.C.Sanchez,R.E.Dugan,W.C.Trogler,J.Forensic Sci.,52,79-83(20
13、07).Correlation of the Electronic Structures of High Explosives with Their Detection by Fluorescence Quenching,J.C.Sanchez,A.D.DiPasquale,and W.C.Trogler,Mater.Chem.,in press.Selective Detection of Trace Nitroaromatic,Nitramine and Nitrate Ester Explosive Residues Using a Three-step Fluorimetric Sen
14、sing Process:A Tandem Turn-off,Turn-on Sensor,J.C.Sanchez,S.J.Toal,Z.Wang,R.E.Dugan,and W.C.Trogler,J.Forensic Sci.,in press.,滤纸涂层指纹检测TNT技术,14,2）能量型爆炸物探测技术主要有以下三种：双能量X射线爆炸物探测技术 这种技术可以检查鞋底暗藏的炸药，呈以红色显示出来。CT技术爆炸物探测 根据对被检测物进行全方位扫描所得到的三维数据，可探测出体积与数量较小的炸药或装置。,15,Sample X-ray Image(tsa.gov),Explosives hidd
15、en inshoes,双能量X射线检测鞋跟处炸药,16,3）微量炸药探测技术 化学试剂法 当化学试剂添加到样品上时，样品会变色。向样品里加入一系列的化学试剂,观察每一次样品颜色的变化，以确定有无炸药。质谱分析技术(MS)与二次质谱技术 质谱技术使用两层次质谱仪。这种技术可以精确测定多种炸药，检测准确率很高。,17,Flame Test is a quick method of assessing hazard on small quantity,RDX,Sugar,TATP,sugar salt AN HMX RDX TNT PETN TATP HMTD,炸药尘粒火焰检测,18,地铁作为地下交
16、通枢纽，一直是恐怖袭击的主要目标之一。（1）地铁安全脆弱性日渐突出 1987年伦敦地铁站内电梯失火，导致32人死亡；1995年阿塞拜疆首都巴库市地铁列车失火，300多人丧生；1999年6月白俄罗斯地铁站发生意外，54人被踩死。恐怖破坏活动对地铁安全的威胁越来越大。1995年3月，日本奥姆真理教在东京地铁施放沙林毒气，使12人死亡，5500多人中毒受伤；1995年7月，巴黎多个地铁站连续发生爆炸，造成8人身亡，200多人受伤；2003年2月18日，韩国大邱市地铁纵火案，造成2列列车全被烧毁，126人死亡。,2.国际地铁安全研究的重点问题,19,Fig 1 Terrorism explosion
17、accidents in Madrid of Spain,Fig 2 Looping-explosion in Egypt,西班牙马德里列车恐怖爆炸,埃及连环爆炸,20,（2）各国强化地铁安全、积极采取措施防范 首先是强化设施建设。德国提出相邻地铁车站间的行驶时间都应控制在安全时间以内，车道每300米设有紧急疏散出口。日本规定，每座车站必须附有两个安全通道。莫斯科地铁始建于20世纪30年代，以战备标准修建，站台宽阔，且上下均有2-3道快速扶梯，可提高疏散速度。其次是加强地铁反恐怖措施。美国制定了一整套包括探测、反应、通讯、决策等诸多环节的技术防范措施。一旦探测并确认发生核化恐怖事件，该系统将自
18、行启动早有预案的应变措施。,21,（3）国际地铁突发事件的应对措施研究 1）伦敦地铁突发事件 伦敦地铁爆炸事后的安检和技术问题调查表明，有三个车站均是由炸弹爆炸所引起，炸药均未被发现。伦敦地铁的结构设计不够完善。地铁出入口通道与消防人员救援通道为同一通道，当灾情发生时通道的矛盾，严重妨碍了救援工作顺利进行。,22,在美国随机安全检查仍是重要手段,23,2）英国于地铁突发事件应对措施主要集中在完善地铁结构设计方面进行了改进：增设救援专用通道。当地铁发生突发事件后，救援人员可以通过救援专用通道快速进入地铁。增设地铁与临近高层建筑物的转移通道，并设置相应的隔断门。当地铁出现突发事件后，乘客可通过联络
19、转移通道进入临近建筑物或地面。设置安全隔断门或密闭门。隔断门在发生爆炸时可以起到阻隔火焰、控制烟气流动方向的作用，为人员疏散创造条件。设立地铁安全装置包括列车监控系统和防恐怖袭击监测系统。,24,新泽西州应急排除弹药转运车和工程抢修专用车,25,三、我国开展地铁反恐研究内容和重点,1）地铁公共安全反恐怖袭击检测监测系统研究（1）建立安全高效的地铁反恐怖袭击检测系统 目前，在地铁交通枢纽和地下商场广场空间布设常规X射线、钴60铱192-射线检测系统，不符合当前国内外安全检测有关对人体健康的技术要求，必须发展基于电磁波技术、光电技术、红外技术、复合光纤技术、光纤感温火灾探测技术和有毒气体探测技术等
20、公共安全检测技术，以满足我国反恐怖爆炸的紧迫要求。,1、地铁公共安全反恐怖袭击研究内容,26,（2）建立主要核生化危险品和爆炸品特性和检测技术数据库 反恐怖爆炸所涉及的主要爆炸品包括：TNT、黑索金、硝化甘油、碳酸氢铵、黑色火药以及用过氧化氢为原料的TATP炸药等。应当建立进入我国境内恐怖分子所有可能使用的爆炸品数据库，给出爆炸品的物理化学特性和检测方法，以便在检测时能够快速、准确发现目标，通过比对加以确认，防范于未然。我国核生化危险品和爆炸物品特性研究已经有很好的基础，可以针对反恐需要建立专用数据库。,27,ANFO UK,USUN US,Palestine,PeruClO3-Indones
21、ia,JakartaTATP/HMTD Israel,UKH2O2 attempts-Karachi,UK,Germany,Jordon,Chemicals used in homemade mass-destruction bombs,Precursors:AN,nitric acid,chlorate,hydrogen peroxide,urea,nitromethane,What concentration is hazardous?Only 100%No,then what?What amount is a security risk?Any quantity?A gram?A pou
22、nd?A ton?,各国恐怖分子常用炸药种类,28,Urea Nitrate,It was used in the bombing of the World Trade Center in New York City(Feb.1993)and in many car bombings in Palestine.In 1992 use of urea nitrate became so prevalent in bombings by the Shining Path that sales of urea were outlawed in Peru.,It is reported to have
23、 a TNT equivalence of 86%.尿素作为炸药使用很容易获取，目前还缺少严格管理。,29,Bojinka Plot involved three parts:assassinating Pope John Paul II during visit to Philippines Jan 15.bombing of eleven airliners on Jan.21 believed to be NGAssembled device enroute&deplane at an intermediate stopDevice killed one Japanese passeng
24、er&injuring tenPlan would work but needed more explosivesArreste,Use of Liquid Explosive on Aircraft,NG,菲律宾航线马尼拉经塞班岛到东京发生液体炸药爆炸。,30,Use of Liquid Explosive on Aircraft,Korean Air Flight#858 Nov29,1987 Baghdad to Abu Dhabi to BangkokDevice:radio as the container 350g C-4 liquor bottle with liquid exp
25、losive-PLX or methyl nitrate esterEmplaced&left behind by a couple-a man&a womanKilled 115,韩国航空公司1987年巴格达经阿布扎比到曼谷发生液体炸药爆炸，115人遇难。,31,（3）发展具有安全穿透力成像技术的检测系统 研制双线能量X光机检测结果和爆炸品数据库储存的物理化学特性数据进行比对后，爆炸品在X光机扫描显示屏上以红色显示便于识别，可以快速发现爆炸危险品的隐藏位置。研制X射线背散射扫描仪可以提升对于有机物和塑料材料的穿透能力，在双线能量传输X射线仪发现不了危险品的情况下，背散射扫描仪都可以发现手枪和
26、液体炸药。,32,Sample X-ray Backscatter Image,Plastic explosive,Glock handgun,Liquid explosive,背散射X射线可以发现隐藏在线路板后面的液体炸药和手枪。,33,（4）太赫兹波（亚毫米电磁波）检测技术 近年来，美国快速发展的太赫兹波技术（亚毫米电磁波）已经成为检测恐怖分子携带炸药和其他危险品的有效手段，太赫兹波剂量为体检X光剂的1/1000，对人体无伤害，可以在人员穿过安全检测门时使用；太赫兹波能穿透衣服和包裹物显示隐藏的危险物品，太赫兹波还可以发现隐藏在电子设备线路板后的液体炸药，而X光对液体炸药的检查无能为力。目
27、前，我国已经形成背散射X射线研究和太赫兹波检测技术研究两个团队，背散射X射线系统完成中式试验和样机制造。,34,Microwave Imaging,ESA.int,First commercial version from Smiths Detection,太赫兹波检测可以发现隐藏在衣服后面的手枪和刀具。,35,被动式亚毫米波成像技术有两种：第一种是门式扫描仪，当接受检查的人通过入口检测时，门扫描仪可以揭示在衣服里面隐藏的武器和禁运品。第二种是远区照相机，可以检查100m距离的恐怖分子携带的禁运品和武器。操作检测仪器的人员可在进行扫描的安全距离上工作。这种仪器用来检测人体炸弹非常合适。目前我国
28、太赫兹波发生器源已经研制成功，需要集中力量进行应用研究。,36,（5）适用于结构健康监测的高强度传感光缆（复合光纤）的研制 分布式传感光纤的核心技术首先要解决传感光纤的强度问题，其次，要研究如何采用该种光缆进行分布式温度监测，又要研究应变分离测试方法，需要设计合适的光缆结构并选择适当的光缆材料。用复合光纤技术测试温度分布和应变分布，测试技术已经成熟。,37,（6）光纤拉曼散射感温和光纤光栅感温火灾探测技术 光纤拉曼散射感温火灾探测技术采用连续布线，安装在被测环境顶部，抗电磁干扰、免维护，非常适用于地铁隧道反恐火灾探测。光纤光栅传感器通过一种光纤光栅解调装置，对波长移动进行监测，即可知道温度的变
29、化情况。这种传感器具有很多优势，如本质防爆、抗电磁干扰、抗辐射、抗腐蚀、灵活方便等，针对地铁的特殊环境将其应用于反恐防灾监测。实际监测试验结果数据可信，效果良好。,38,（1）地铁工程总体公共安全对策 1）近期地铁公共安全问题。要解决交通量密度过大，车站间隔过长的问题，必须考虑车站人员的疏散通道、站间横向安全联接通道距离以及人防疏散通道对于解决地铁公共安全问题中的关键作用。2）远期地铁公共安全问题。远期地铁公共安全应当充分研究重要干线地铁深地下复线建设和增加地下多层地铁中心枢纽站的数量。根据美、欧、日本、俄罗斯的经验要发展地下3060m地铁、地下环形铁道、便捷换乘交通枢纽和地下商场，对于可持续
30、发展建设要求是非常有利的。,2、地铁工程设计和运营过程中防恐怖袭击对策研究,39,3）发展深地下大空间地下中心枢纽站很有必要。我国重庆直辖市的地质条件具备发展地下大空间地铁中心枢纽站的条件，一方面可以达到高效缓解地面交通拥堵困难，满足快速垂直换乘要求；另一方面，有利于防空隐蔽和防恐怖袭击快速疏散要求。同时，我国深地下钻岩爆破机械开挖施工跨度已达到40m，大直径盾构（16m）技术已成熟，可以保证目标的实现。,40,（2）地铁工程防恐怖袭击对策研究 1）地铁防护门和密闭门 目前，我国已有地铁车站屏蔽门的设置对于保障平时地铁运行区间站台的封闭和人员安全乘车非常有效，现已得到推广运用。为防护掩蔽人员不
31、受突发火灾、毒气和偶然爆炸的伤害，在地铁工程设计中充分利用地铁防护门和密闭门的作用，进行合理设计和布置。,41,地铁分叉过渡段适合于构建隔断门,42,单洞双线柔性接触网地铁的隔断门设置,43,2）疏散通道结构 在地铁两个车站之间的区间段要设置疏散人员安全通道，当恐怖突发事件或偶然事故出现时，能在预定的数分钟时间内，人员通过疏散通道转移到安全地点。增设救援专用通道。当地铁发生突发事件后，救援人员可以通过救援专用通道快速进入地铁。增设地铁与临近高层建筑物的联络通道，并设置相应隔断门。当地铁出现突发事件后，乘客可通过联络通道进入临近建筑物或地面。,44,（3）反恐怖袭击应急救援措施和对策 1）根据对
32、爆炸物的探测和识别的结果，提出反爆炸恐怖袭击的主要措施，并给出爆炸坍塌事故的预报和处理方法。2）对地铁运营防突发恐怖袭击的预防措施和受恐怖袭击后的处理对策。3）解决地铁工程应对反恐的装备器材，强化监控设备设施，设置车站的安全检测传感器自动化指挥系统。4）完善地铁运营、消防、反恐、应急救援共用的通信与警报系统，给出疏散路线标记和安全实施引导系统。,45,（4）防恐怖爆炸工程技术措施研究 1）研究爆炸恐怖袭击特点和危害，给出爆炸恐怖、爆炸冲击波和侵彻爆炸效应机理和参数分布规律；2）研究可承受爆炸毁伤作用的结构和防护墙，加固现有的地铁结构，提高抗爆能力；3）建立防恐怖爆炸数据库，防范新近恐怖分子常用
33、的液体炸药和利用双氧水制造的TATP炸药，从源头切断爆炸材料流通。,46,（5）防接触爆炸安全门结构 防接触爆炸安全门要解决轻质高强高韧材料、削波耗能材料选择和分层高抗力结构研究和结构设计，以提供运转灵活，并可抵御爆炸物接触爆炸破坏作用的防爆安全门，保证室内指挥人员和工作人员的安全。,47,（1）地铁公共安全研究总体思路和设计原则 通过研究使地铁平时能应对突发的化学毒气和偶然爆炸，应对危险车辆突然撞击、燃烧与爆炸事故。基本设计原则：建立防护单元概念，在地铁站间区段中以防护单元作为减少伤亡的重大防护措施，使相邻防护单元受到危险后不会被波及而导致毁伤范围扩大。并且要求以防护单元为依据建立疏散通道结构设计和人员疏散流程。,3、拟解决的关键技术问题,48,（2）拟解决的关键技术 1）提出新型防恐怖爆炸、防核生化袭击的安全检测系统，提供实时安全监测数据和快速检测毁伤效果，为地铁安全运营，应急事故救援通信警报和乘客安全疏散提供科学依据。2）通过集成研究发展疏散通道设计和人防与地铁联接通道结构以及地铁中心枢纽结构研究，提供系统的地铁工程防恐怖袭击、防运营突发事故和防空相结合的防护技术措施。3）发展工程防恐怖袭击安全防护咨询对策，提供高强高韧性纤维增强塑料和高强金属合金以及泡沫金属材料。给出爆炸侵彻及目标毁伤效应数据，提出地铁反恐怖爆炸及防核生化恐怖袭击的技术对策。,49,谢谢大家！,
