隧道火災(zāi)控制技術(shù)的探討

梅曉海

（上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，上海 200023）

隧道火災(zāi)控制技術(shù)的探討

梅曉海

（上海市建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督總站，上海 200023）

隧道的快速發(fā)展迫使火災(zāi)控制的研究迫在眉睫.本文從火災(zāi)的兩種消防技術(shù)著手，綜述了近年的研究成果，包括PPV的機(jī)理、CFD仿真、傾斜隧道火災(zāi)的煙霧溫度分布特性，以及各種消防水系統(tǒng)特性的對比，并在總結(jié)這些技術(shù)的同時(shí)針對上海隧道的特點(diǎn)提出了個(gè)人的觀點(diǎn)和建議.

PPV；水噴霧；噴淋

1 國內(nèi)外隧道火災(zāi)實(shí)例

隨著社會(huì)的發(fā)展，隧道交通也迅速發(fā)展，有穿山越嶺的鐵路、公路隧道，有穿越江河湖海的水下隧道.給人類交通生活帶來便利的同時(shí)，也由于自身狹長空間的特性，隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救十分困難，往往造成重大的人生財(cái)產(chǎn)事故后.歷史上的國內(nèi)外隧道火災(zāi)都是讓人觸目驚心.實(shí)例見表1和圖1.

2 隧道火災(zāi)救援的難點(diǎn)[2]

2.1 迅速升溫，快速蔓延.[3]隧道空間狹長，所以相比較其他類型結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生火災(zāi)，溫度驟然升高.高溫的快速擴(kuò)散[4]又會(huì)點(diǎn)燃隧道內(nèi)其他的車輛，造成惡性循環(huán).這些導(dǎo)致火災(zāi)可以在很短時(shí)間內(nèi)蔓延到全隧道.

圖1 某道路隧道火災(zāi)實(shí)景[3]

表1 近年隧道重特大事故一覽表[1][2]

2.2 煙霧密度高，毒性大.隧道的狹長管狀空間形態(tài)，以及火災(zāi)產(chǎn)生的熱壓和煙囪效應(yīng)，使得相同隧道火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧密度遠(yuǎn)大于其他類型火災(zāi)的煙霧密度.高濃度的煙霧極易造成人員中毒至死亡.而且煙霧也會(huì)導(dǎo)致低能見度，讓救援人員無法辨識(shí)方向，無法有效控制火情.

2.3 營救、疏散難度大.除卻隧道本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，隨到的運(yùn)營特性也造成人員的營救、疏散和逃生困難.相比礦井隧道等工業(yè)隧道，道路/公路/鐵路隧道de1使用者屬于普通市民，而非專業(yè)人員,沒有足夠的火災(zāi)應(yīng)對訓(xùn)練和技能.隧道運(yùn)營方往往也沒有對火災(zāi)工況做好充分的應(yīng)急預(yù)案.僅有部分歐洲隧道運(yùn)營單位提供類似火災(zāi)自救手冊的卡片.這些卡片提供了火災(zāi)時(shí)如何自救、緊急避難所的位置點(diǎn)、逃生路線、聯(lián)絡(luò)通信方法等.但是這些對于那些沒有受到過正規(guī)的消防訓(xùn)練的普通市民來所，在火災(zāi)實(shí)際發(fā)生時(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.火災(zāi)的迅速發(fā)展和驚慌失措的人群往往會(huì)導(dǎo)致重大傷亡.

2.4 社會(huì)影響大，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重.隧道作為交通的咽喉，一旦發(fā)生火災(zāi)，無論當(dāng)時(shí)的救援還是后期的修繕加固，都需要很長的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)投入，對于現(xiàn)實(shí)社會(huì)生活的影響很大.比如1971年法國克洛次隧道火災(zāi)后經(jīng)整修96天后才通車，1979年日本燒津隧道火災(zāi)單是火災(zāi)燃燒就持續(xù)了10天.

3 正壓通風(fēng)技術(shù)

隧道內(nèi)火焰和煙霧迅速發(fā)展，大大降低了能見度，給救援造成了嚴(yán)重的困難.同時(shí)隧道內(nèi)的溫度隨著火焰煙霧的發(fā)展快速上升到消防人員的防護(hù)設(shè)備難以接受的程度，從而使得消防人員無法有效的靠近著火點(diǎn)，更無法有效地滅火.最終這些因素將導(dǎo)致整個(gè)隧道很快就被煙霧、火焰和高溫密布，使得整個(gè)火情失控.

鑒于此，國外除了有針對性的提高隧道建設(shè)時(shí)期的設(shè)計(jì)和建造水平之外，還在火災(zāi)救援過程中使用了PPV（positive pressure ventilation）技術(shù)，有效地提高消防的實(shí)際效果.PPV主要原理是將大功率風(fēng)機(jī)安裝在移動(dòng)工具上（比如車輛），根據(jù)隧道截面面積和風(fēng)機(jī)的風(fēng)速流動(dòng)特性，選擇合適的距離，使得通風(fēng)氣流的有效風(fēng)速面能等于隧道截面，從而能夠“密封”住整個(gè)隧道.這樣氣流將從高壓處（風(fēng)機(jī)位置）流向低壓處（下風(fēng)口），氣流也帶動(dòng)著煙霧、火焰和高溫吹向下風(fēng)口.

上海的隧道都屬于越江隧道，不僅空間狹長，而且因?yàn)橐┰近S浦江/長江，不可避免的局部和全線都有一定的傾斜度.因此煙霧的上升運(yùn)動(dòng)，會(huì)沿著隧道上傾方向往高處蔓延，而不是均勻分布.傾斜角度越大，煙霧溫度和分布差異越大[3,10].這種隧道發(fā)生的火災(zāi)，PPV技術(shù)優(yōu)勢非常明顯：通過大功率的現(xiàn)場臨時(shí)通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的氣流和風(fēng)速，能夠快速有效的壓制住煙霧流動(dòng)方向.

一旦形成了這樣的強(qiáng)大氣流，消防救援人就能直接接近著火點(diǎn)，而且路徑可見度清晰，溫度也大大降低，從而使得消防人員能夠有效的快速的滅火.逃生人員也有了清楚地逃生途徑和新鮮的空氣，這就大大的提高了逃生的存活率.

瑞士的 Sachseln隧道[5]和 Habsburg隧道[6]，奧地利的Elsentanlerberg隧道[4]都使用了PPV技術(shù)，實(shí)踐證明取得了良好的效果.對于我國那些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高的隧道，以及由于條件限制無法充分考慮消防救援設(shè)計(jì)的隧道，這種比較新型的PPV技術(shù)在火災(zāi)現(xiàn)場應(yīng)能有效提高救援效果，降低人員死亡率.

圖2 隧道傾斜角和煙霧溫度[3]

4 消防水系統(tǒng)系列

噴水系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展迅速，常用的有噴淋系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)以及泡沫水噴霧系統(tǒng).

這些技術(shù)的主要消防機(jī)理是水滴（水霧）吸收了大量的火焰熱量，大大降低了火災(zāi)區(qū)域溫度.同時(shí)水滴的下落運(yùn)動(dòng)也“拉扯”火焰向上發(fā)展的趨勢，有效地控制火情.

針對這些消防技術(shù)，國內(nèi)外也作了相應(yīng)的試驗(yàn)來考證實(shí)際效果，如下表2.

表2 三種消防水系統(tǒng)試驗(yàn)效果匯總

圖3 消防水系統(tǒng)溫度控制[11，12]

通過CFD仿真和模型試驗(yàn)來看，消防水系統(tǒng)的溫度控制能夠有效的保證高度2米以下的空間適當(dāng)?shù)臏囟龋瑥亩岣呷藛T逃生的成功率.

從火情控制來看，三種系統(tǒng)都能夠有效地控制火情.但是從綜合效益來看，卻各有不同.

噴水系統(tǒng)產(chǎn)生的水霧大大降低了隧道的能見度，這對于現(xiàn)場人員的施救是不利的，而且噴水系統(tǒng)用水量大，運(yùn)營成本高.水噴霧系統(tǒng)的能見度雖然有所降低，但比起噴水系統(tǒng)要好很多，而且由于噴出的是細(xì)小水霧，運(yùn)營成本低，但是水噴霧噴頭一次性投入高，且容易堵塞.泡沫水噴霧系統(tǒng)系統(tǒng)效果最好，對于重型火災(zāi)（油罐、化學(xué)品）也能有效地控制火情，而且也不容易產(chǎn)生能見度降低的問題.但是主要成分泡沫價(jià)格昂貴，保質(zhì)期不長，且噴嘴要求高，所以無論一次投入還是運(yùn)營成本都很高.同時(shí)泡沫屬于化學(xué)品有一定毒性，對環(huán)境有影響.

上海的越江隧道除了外環(huán)路隧道等少數(shù)外，其他都基本分布在市區(qū)，通行的車輛也以私家車和公共汽車為主，從火災(zāi)規(guī)模來說，一般在20MW[13].從上表中可以看出，綜合消防特性和綜合效益，不一定要選用泡沫水噴霧系統(tǒng)，而可以采用相對較經(jīng)濟(jì)的水噴霧系統(tǒng)，再輔助以對重型車輛（油罐車、化學(xué)品車）的交通管制.通過技術(shù)和管理雙重手段，才能取得最佳的效果.

5 總結(jié)

PPV技術(shù)能有效地提高了隧道內(nèi)的能見度，降低了煙霧毒害性；消防水系統(tǒng)有效地控制了隧道內(nèi)的溫度，抑制了火情的發(fā)展.結(jié)隧道的自身特性，綜合技術(shù)性能和綜合效益來選擇者兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，能提高隧道火災(zāi)時(shí)人員逃生的成功率，減少損失，從而有效的保障人民財(cái)產(chǎn)安全.

〔1〕象華.歷史上的隧道火災(zāi)[J].山東消防，1999（7）.

〔2〕Duckworth I and M iclea P.,2007.Emergency Ventilation Systems Upgrade– A Journey from W ishful Thinking to Reality,Proceedings First International Tunnel Safety Forum for Road and Rail,Published by ITC Ltd,ISDN 1-901808-26-2,pages 37-46.

〔3〕W.K.Chow（1998）“On Smoke control for tunnels by longitudinal ventilation”,Tunneling and Underground Space Technology,Vol.13,NO.3.

〔4〕Juergen Bader，B-I-G,“Full Scale Tunnel Ventilation Test,Apply Positive Pressure Ventilation”,Elsentanlerbergtunnel,Klagenfurt,Kam ten,Austria，Oct 23 and 24,1995.

〔5〕Kanton Obwalden,Sarnen,Sw itzerland,“Final Report,Live Fire Training inside the A 8 High-W ay-Tunnel Sachseln（CH）”May 1997.

〔6〕Juergen Bader，B-I-G, “Test Report,Habsburgtunnel N 3,Effingen-Birrfeld,Sw itzerland”M ay 14,1996.

〔7〕Arvids,M.,”alternative fire sprinkle systems for roadway tunnels”international symposium on catastrophic tunnel fires,boros,Swden,Nov.2003.

〔8〕M inistry of Transport,Public W orks and Water M anagement of the Netherlands” Project‘Safety Test’ Report on Fire Tests” Aug.2002.

〔9〕Guigas,X,W eatheril A,and Bouteloup C“Water M ist Test for the A86 East Tunnel”The Second International Symposium on Tunnel Safety&Security,Madrid,Spain Mar 2006.

〔10〕G..T.Atkinson and Y.W u（1996）“Smoke control in sloping tunnel”，F(xiàn)ire Safety Journal,Vol.27.

〔11〕S Kumar,M Yehia:application of JASM INE to the modeling of vehicle fires in a channel tunnel shuttle wagon,in Porc.2nd international conference on the safety in road and rail tunnels,Granada Spain in 1995 p.321.

〔12〕S M iles,S Kumar,K Chong:development of a CFD methodology for predicting the combined effect of sprinkle and smoke ventilation in tunnel,in Proc.4th conference on tunnel fires,2002,Basel Sw izerland,p.329.

〔13〕National fire protection association,2008.NEPA 502,2008 edition,standard for road tunnels,bridges,and other lim ited access highways,published by the national fire protection association.

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1673-260X（2011）10-0131-03