淺談城市交通隧道建設工程消防設計及煙氣控制

司惠平　（蕪湖市消防支隊，安徽蕪湖241000）

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淺談城市交通隧道建設工程消防設計及煙氣控制

司惠平（蕪湖市消防支隊，安徽蕪湖241000）

通過研究分析城市交通隧道的火災危險性和特點，對城市交通隧道建設工程消防設計和煙氣控制進行深入探討。

城市交通隧道；消防設計；煙氣控制

1　概述

隨著我國經濟建設和社會發展，國家每年投入大量資金進行公路等基礎設施建設。近年來，隨著公路交通事業的發展，公路等級的提高，對公路線型的要求也越來越高。為了克服高程障礙、優化線路、縮短里程，修建隧道必不可少，而且數量越來越多，規模越來越大。

隧道是公路交通的咽喉要道，結構復雜，環境密閉，空間狹窄，能見度差，流動車輛多，車速快，一旦發生火災，撲救相當困難，往往造成重大的人員傷亡和財產損失，城市交通隧道的消防安全問題也越來越受到人們的關注。故在隧道設計時，應貫徹“預防為主，防消結合”的方針，采取有效的防火與滅火措施，尤其是對隧道火災煙氣危害的有效控制，才能將火災損害控制在最低限度，使隧道真正起到安全輸送人員和物資的作用。

2　城市交通隧道分類

城市交通隧道是指供汽車和行人通行的隧道，一般分為汽車專用和汽車與行人混用的隧道。隧道因設置區域、地質條件不同，按其建設規模、設計施工方法、橫斷面形式以及交通運營特點進行分類。

2.1按交通模式分類

①單孔對向交通。這種交通模式安全隱患多，一般多為交通流量小的隧道。

②雙孔、多孔內各自均為同向交通，雙孔間多設有橫向連接通道。

③多孔中有一孔或數孔可按交通需求改變交通運行方向，以適應潮流式交通需求。

2.2按建設規模分類

《建筑設計防火規范》（GB50016-2014）將單孔和雙孔隧道應按其封閉段長度及交通情況分為一、二、三、四類（見下表）。

隧道分類

3　城市交通隧道火災危險性及特點

隨著公路日益延伸，城市交通隧道隨之增加，其火災也日益增多。以日本在1986年的統計數據，其分析結果為：高速公路隧道內的火災事故比率為每1億車公里發生0.5起。這個比例與昭和40年代后半期的每1億車公路發生0.4起相比，沒有多大變動。另外，德國對漢堡連接聯邦高速公路的易北河隧道初期運營情況也進行了統計，報告表明隧道中平均每月發生一次車輛起火事故。從上述結果可以看出：隧道火災事故隨著高速公路的延伸而增多，其幾率隨著隧道長度和通行車輛的增加而增加。

另一方面看，雖說城市交通隧道發生火災次數未幾，但火災后果嚴重。我國城市交通發展較歐美國家晚以國外世紀之交數據而言：1995年4月10日奧地利Phaender隧道車禍并起火造成3人死亡，1996年3月18日意大利Palemo隧道油罐車爆炸造成5人死亡，1999年3月24日法國至意大利Montblanc隧道（單管雙車道，11.6km）一輛載重車起火造成39人死亡，1999年5月29日奧地利Tauem隧道（單管雙車道，6.4km） 撞車并起火造成12人死亡。血的教訓歷歷在目，顯然，城市交通隧道消防安全愈來愈重要。

從隧道火災致災原因、種類、火災危害和特點等方面的分析，有助于準確判斷隧道火災危險性，采取有效的有針對性的消防設計，進一步保障實施運營時的消防安全管理，具有重要的指導作用和現實意義。

3.1隧道火災的起因

統計結果表明：城市交通隧道一般遠離市區，是車輛流通的必經之道，火災的起因主要為汽車裝載物起火、汽車本身系統故障起火、汽車相撞起火、隧道電氣設備或電氣線路發生故障起火引發火災、人為縱火等。

3.2隧道火災種類

根據隧道火災的起因和物質燃燒的特性分析，隧道可能發生的火災種類大致有A、B、C、E四類。A類指汽車裝載的和汽車自身可燃固體燃燒的火災或常溫下呈半凝固狀態的重油燃燒的火災；B類指汽車裝載的可燃液體燃燒的火災或汽車自身油箱燃燒的火災；C類指汽車運載的可燃氣體燃燒的火災；E類為帶電物體燃燒的火災。其中以汽車相撞引發的A、B類火災最為常見。這些火災由于受隧道空間的限制，火焰和煙霧無法向上發展，迫使其往縱向擴散，并且很快充滿隧道。

從實際火災后果來看火災一般可分三類：第一類為汽車火災，該類火災次數最多，一般可用滅火器將其撲滅，很少釀成大火；第二類為裝載一般可燃物的貨車火災，釀成大火可能性較大；第三類為裝載易燃易爆物的貨車火災，可能性較小，但往往釀成大火。德國對易北河隧道初期運營統計表明：盡管在平時通行貨車只占15%，但卻有30%的火災是由貨車引起的，也就是說貨車比小汽車更容易引起火災。故必須加強對貨車火災的防范措施，特別是裝載易燃易爆物的貨車火災，如處理不當，會對人身和財產造成巨大的傷害和損失，常規的消防設計處理裝載易燃易爆物的貨車火災顯然不夠。

3.3隧道火災危害和特點

據德國GMT現場火災實驗表明：轎車失火后不到10min就會形成大火，隧道內從起火到猛烈燃燒的時間相當短。并且隧道內部空間狹窄，隨著火勢發展和煙氣產生，大量高溫有毒有害煙氣很快充滿隧道，溫度可達1200℃左右。從實驗和隧道火災案例中看出：火災類型多樣、發展快、溫升迅速、火點多發、跳躍式蔓延；煙霧濃度大、傳播速度快、排煙困難；人員集中、疏散困難，易造成群死群傷事故；火災撲救難度大，消防設施作用有限，靠內攻效果不佳，救援、通訊等裝備器材功能受限；經濟損失巨大、次生災害危害嚴重、社會影響、整治影響大等。

4　消防設計要點

4.1設計原則

對于城市交通隧道，社會消防隊往往不能保證及時到達現場，以上海延安東路過江隧道滅火統計數據為例，隧道通車時間5年，發生火災10多次，其中65%的火災是第一發現者（司機和乘客）撲滅的，35%的火災是第一發現者和隨后到達的隧道管理所兼職消防隊員共同撲滅的。以日本道路公社團所屬的隧道為例，1960年至1980年20年間共發生火災24次，其中15次是由第一發現者以及隧道管理所兼職消防隊員共同撲滅的。這些火場數據說明了隧道內消防設計應立足自救、方便外援的原則。

4.2設計內容

針對城市交通隧道火災的危險性和特點，隧道建設工程消防設計涉及建筑防火（隧道結構的耐火等級、縱向橫向防火分隔等）、安全疏散及避難設施、各類消防設施（消火栓系統、自動噴水滅火系統、火災自動報警及監控系統、防排煙系統、通信系統、滅火器、應急照明和疏散指示標志等）和相關安全保障設備等的設計。

通過火災自動報警、自動噴水（噴霧、水炮）滅火、視頻監控、消防遠程監控、防排煙、應急疏散和隧道交通信號系統的互相聯動、有機結合，達到早期發現、迅速滅火、及時疏散、減少人員傷亡和財產損失的效果。

4.3設計要點——防排煙

城市交通隧道建設工程消防設計最為特殊和重要的一環要屬防排煙系統的設計。城市交通隧道內部環境（包括溫度、濕度、空氣品質等）條件很差，建筑結構復雜、出口少、疏散線路長、電氣設備種類多、人員集中，一旦發生火災，產生的熱量往往很難及時地散出，且隧道內部封閉，導致燃燒多為不充分燃燒。相對于地面建筑而言，火災中產煙量更大，局部溫度更高，助長火勢的蔓延和對疏散人群的傷害，并給火災撲救和搶險救援增加難度，極易造成群死群傷的重大、特大火災事故。據統計，火災時造成的人員傷亡絕大多數是因為煙氣中毒和窒息所致，因此，科學地設置防排煙設施及事故狀態下進行合理的防排煙處置，對于減少人員傷亡和財產損失具有極為重要的意義。

4.3.1設計目標

城市交通隧道建設工程的防排煙范圍包括行車道區域、專用疏散通道區域和設備管理用房等，通常采用的防排煙模式分為縱向、橫向（半橫向）及重點模式，以及由上述基本模式產生的各種組合模式。依據隧道的種類、安全疏散方式，結合正常工況的通風模式來確定排煙模式。對于規模較大的城市交通隧道的防排煙設計應結合實際，有針對性地采取性能化消防設計。

4.3.2確定隧道的火災規模

行業標準《公路隧道通風照明設計規范》（JTJ026.1-1999）條文說明中提及了除油罐車火災外的一般隧道火災功率按20MW考慮，而地方標準《公路隧道消防技術規范》（DB43/729-2012）第4.1.1條明確了隧道火災規模大小20MW、30MW、50MW。根據隧道的車流量、行車比例構成等交通特征、隧道的幾何構造特征，推演隧道可能的火災場景，研究不同火災場景時的火災危險性及分析其發生的概率，結合國內外同類型、不同類型隧道的火災規模，綜合考慮模擬火災場景的真實性，確定合理的火災規模設計值和模型數值。

4.3.3確定排煙量

確定合理的排煙量是進行排煙系統設計的關鍵因素之一排煙量主要取決于煙氣生成速率，二煙氣生成速率取決于火源上方煙氣羽流的質量流量。依據《建筑防排煙技術規程》（DGJ08-88-2006），結合隧道工程實際和可能的火災場景，隧道排煙量的理論設計值可采用軸對稱型煙羽流的煙氣生成量與墻型煙羽流的煙氣生成量。

通過對各種工況進行數值模擬，分析火場煙氣溫度、能見度、蔓延范圍和排煙道內氣體流速、排煙口溫度，考慮漏風量后，綜合得出合理的排煙量。

4.3.4排煙口的合理位置

在相同火源功率和排煙量下，不同的排煙口設置及開啟方案也會對火災煙氣蔓延和煙控效果產生一定影響。通過數值模擬研究分析不同排煙間距、排煙口面積、排煙口開啟個數下的火災蔓延規律和煙氣控制效果，綜合考慮設定合理的排煙口設置方案（位置、面積和開啟組數）。

4.3.5抑制煙氣回流的臨界風速

當火災發生在不同坡度時，不同縱向通風速率對煙氣蔓延的控制效果也不一樣，并且通道中各區段抑制煙氣回流所需臨界風速也不同。負向坡度越大，所需的臨界風速越大；正向坡度越大，所需的臨界風速越小。對于規模較大的隧道采取縱向排煙模式時，各個區段應采取分段縱向排煙模式。

4.3.6煙氣組織模式和控制方案

當火災發生在隧道內不同位置時，采取哪種排煙組織方式（縱向模式，橫向、半橫向模式，重點或集中模式及其組合模式）、采取怎樣的排煙口開啟方案、配合多大的縱向誘導風速，最終確定合理的煙控氣流組織模式。

5　結語

總之，通過理論分析與數字模擬相結合的方法，利用火災動力學模擬軟件CFD對隧道火災的發展過程及煙氣控制過程進行模擬計算，驗證初步設計能夠達到的煙氣控制效果。通過研究隧道內的火災場景下不同通風情況下通道內的溫度場、能見度場、CO濃度場的多場分布規律，分析煙氣在隧道內的蔓延規律，探討在不同區段、不同坡度、不同通風情況下的隧道內煙氣合理控制方案。

[1]GB50016-2014，建筑設計防火規范[S].

[2]JTJ026.1-1999，公路隧道通風照明設計規范[S].

[3]DB43/729-2012，公路隧道消防技術規范[S].

[4]DGJ08-88-2006，建筑防排煙技術規程[S].

U45

B

1007-7359(2016)03-0235-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.085

司惠平（1970-），男，安徽蕪湖人，畢業于武警學院，高級工程師，主要從事建設工程消防監督管理工作。