公路隧道火災事故危險性及救援應對措施研究

熊 泰 段 偉

（畢節市消防救援支隊，貴州 畢節 551700）

0 引言

最近一段時間以來，隨著國內宏觀經濟建設水平的穩定提升，公路隧道工程的建設進入了高速增長的時期。截至2020年末，國內的公路隧道一共有19 069處，總長度為18 966.9 km。隨著隧道工程的逐年遞增，公路隧道工程相關的火險事故也相應增加，因為隧道的結構是比較狹長、封閉性較強的管狀的主體結構、出口和入口的數量比較有限，并且通風換氣的條件不佳，所以在隧道的內部出現火險事故的情況下，火勢的存續時間比較長，內部的煙霧不易輕易排放，消防滅火以及被困人員的撤離任務相對于其他形式的建筑結構更為困難。加上在相對封閉的空間內熱量會大幅度集聚，溫度最高的情況可以達到1 200 ℃以上，假如隧道內部的火勢應對不妥當或者救援工作不到位，很可能會導致被困人員出現大量的傷亡情況。為此，對于公路隧道內部的火災事故危險性進行深入分析，對這類火災的應對措施進行研究就非常有必要。

1 公路隧道內部火災事故的主要特點

1.1 環境溫度高、煙氣毒氣濃度大、人員疏散難度較大

通常來說，公路隧道內部出現火險之后，溫度較高的濃煙及毒氣將會迅速彌漫開來，有可能導致被困人員出現窒息，甚至中毒死亡，根據研究數據，人體在有毒有害氣體或是濃煙中大約持續3 min～4 min就可能出現生命危險，這種情況給被困人員的撤離工作及消防人員進行滅火和救援任務帶來非常大的威脅。例如，2018年“7·29”沈海高速公路臺州路段貓貍嶺隧道內一輛貨車的輪胎意外起火將隨車運載的貨物點燃，這次火災產生了大量有毒的濃煙，造成后面進入隧道的若干車輛以及人員被困在隧道內部，該事故一共導致4人死亡、32人受傷的嚴重后果。

1.2 隧道內通路堵塞，被困人員撤離難度較大

公路隧道通常位于城市交通干道的主要出入口處，車流量較大，并且縱深較長，交通高峰的時段，可能會滯留較多的車輛，此時如果出現事故，被困的車輛很難調頭撤離，極易引起道路的堵塞，造成為數眾多的人員被困在隧道內部，并且很難迅速撤離。

1.3 損失通常都會比較嚴重，社會負面影響較大

某些隧道的火災險情通常伴隨著燃油或者危險化學品的泄漏狀況，如果遇到火源產生爆炸、燃燒等險情，極易造成二次災害、環境的嚴重污染以及重大的人員傷亡情況。如2017年在晉濟高速公路發生的“3·3”巖后隧道的特別重大道路危險化工品燃爆的事故導致了極其重大的人員傷亡的后果以及非常負面的社會不良影響[1]。

2 相關研究模型的生成

2.1 生成隧道的相關數學模型

該文的研究綜合了《公路隧道規劃設計規范》中第4.6.7及12.3條的相關規定，并且參考了某大學的工程研究院以及中交集團第一公路工程勘察設計研究院的有關設計過程使用的參數，設計了“主干隧道+平行導洞”的終稿設計計算數學模型。該隧道的計算模型設計的長度取值為900m，軸心之間的距離取值為20 m，如圖1所示。在該計算的數學模型中一共設置了3個橫向的通路，順次是1#車輛通行橫洞、2#人行橫洞以及3#車輛通行橫洞，相鄰的橫向通道的間距取值為250 m，如圖2所示。主干隧道的主體結構的建筑界限取值為9.5 m ×5.5 m，平行的導洞的建筑界限取值為4.5 m ×5.5 m，車輛通行的橫向通路的建筑界限取值為4.5 m ×5.0 m，人行橫向通路的建筑界限取值為2.2 m ×2.55 m。在PHOENICS軟件中的計算模型如圖2所示。

2.2 火源的設定

火源部分的熱釋放效率是制約公路隧道火災的最主要的因素之一。《公路隧道規劃設計規范》中第5.5.3條說明：針對單洞類型的雙向行駛的公路隧道結構，火源的熱釋放效率取值20 MW。在進行FDS形式的數值模擬仿真過程中以及后續的相關模型是試驗進程中忽略火源的類型以及尺寸變化的影響，而是僅考慮火源的熱釋放效率的差異帶來的各種影響和變化。該文研究的過程進一步綜合了赫塞爾登提出的火源熱釋放效率的統計成果以及PIARC（國際道路會議常設會議）提出的火源熱釋放效率的相關標準數值，最后將火災現場的熱釋放效率取值為5 MW（也就是模擬小轎車進行燃燒）、20 MW（也就是模擬貨車進行燃燒）、30 MW（也就是模擬重型卡車進行燃燒）。公路隧道內部的火災的主要特性受到火源的熱釋放效率的影響很明顯，并且火源電腦熱釋放效率的數值將會直接關系到后續隧道內部的溫度場分布情況以及CO氣體的濃度場分布，最終反應顯著影響了被困人員逃生成功的概率。火源外形尺寸對于火災所導致的影響效果非常微小，火源車輛的外形尺寸按照卡車進行設定，具體尺寸是4.0 m ×1.7 m× 1.5 m=10.20m3，而公路隧道數學模型是900.15m×62.50m2=56275m3。兩者進行比較以后是10.20m3/56275m3=0.0001812，火源外形尺寸取值對計算結果的影響較小，能夠忽略不計。考慮卡車外形尺寸來統一設定火源外形尺寸，取值為5 MW、20 MW、30 MW的火源熱能釋放效率，并且統一將火源外形尺寸設定為4.15 m ×1.55 m× 1.73 m[2]。

相關消防工程技術人員在計算過程中把模擬燃燒的時間設置成15.5分鐘。參考圖1，把主干隧道入口斷面設置為笛卡爾坐標系中Z軸=0的平面，火源坐標設定在主干隧道中心位置（Z=450 m），即2#人行橫洞的區域，而且此人行橫洞處在封閉狀態。當火源進行燃燒的時候，被困人員和相關車輛將會經過1#及3#車行橫洞快速撤離主干隧道駛入至平行式導洞或者由主干隧道兩側撤離（如圖2與圖3所示）。由于該情況被困人員以及被困車輛的疏散距離最大，為最差狀態的工況，所以將主干隧道中心位置設計為火源點所在的位置。

圖1 主干隧道以及平行導洞的橫斷面

圖2 PHOENICS計算模型

圖3 火災煙氣控制示意圖

2.3 初始、邊界條件研究

主干隧道與平行導洞根據表1設定相應的初始及邊界條件。空氣的密度是制約公路隧道發生火災相關計算的關鍵因素，為了獲取與公路隧道火災發生時比較相近的空氣密度數值，綜合數值模擬仿真的計算方法，選定0.9 kg/m3～1.25 kg/m36種密度作為仿真計算的工況，算出的相同工況下公路隧道火災中心層溫度等值線圖進行比較與校核，最后計算得到當空氣密度為0.85 kg/m3時，仿真計算得到的結果和公路隧道火災真實狀況吻合程度較高。當公路隧道出現火災以后，隧道內的空氣密度為0.9 kg/m3，相關消防工程技術人員在進行公路隧道火災模擬仿真計算的過程中也選用0.9 kg/m3的空氣密度參數值，所以該處選定0.9 kg/m3作為空氣密度進行模擬仿真計算。

2.4 特征點分布

該文選定主干隧道中心線位置距離地表1.85 m高位置處作為監控特征曲線的位置，從而在火災上、下游分別選定16個特征點，距火源中心長度分別是：15 m、35 m、55 m、105 m、155 m、205 m、235 m、255 m，并且以此為基礎研究各種類型火災大小情況下的一氧化碳、溫度場、煙霧場與及能見程度的變化規律特性。

表1 初始、邊界條件表

2.5 模擬火災工況研究

該文研究了各種火災規模、主干隧道縱向通風速

度以及縱向對吹風的速度、平導式對吹風的速度，總共挑選了12種工況（見表2），研究火焰燃燒過程中的能見度、溫度場及煙霧場的發展演變特征，并且進一步把計算所得的溫度場與一氧化碳濃度狀況用在模擬仿真計算被困人員可能的安全撤離時間。該位置主干隧道縱向通風速度就是在主干隧道入口位置指定的縱向通風速度，主通道對吹風速度就是在主干隧道兩端出口及入口所指定的對吹流向的縱向通風速度，平導形式的對吹風速度就是在平行式導洞兩端出口及入口所指定的對吹流向的的縱向通風速度。

表2 隧道火災數值模擬工況（12種）表

3 公路隧道火險通風排煙技術研究

因為公路隧道主體結構的限制及制約，加上受到行駛在公路隧道內部的車輛尾氣的制約，所以公路隧道內部空氣中氧氣的含量相對于外界較低，公路隧道內部出現火情之后，將會生成大量的燃燒未完全的產物，發出濃煙將會快速進行擴散。根據相關試驗結果得出，火災現場濃煙蔓延的速度超過火焰的7倍以上，公路隧道內部出現的火情通常視為一個火源點，由于受到公路隧道空間結構的影響，因此濃煙的擴散速度較大，通常將在起火以后6 min左右進行蔓延，18 min時達到最大濃度，濃煙擴散的結果使隧道內部能見度顯著降低，并且在濃煙中的一氧化碳屬于一種無味、無色及有毒性較強的可燃性氣體，危險性較大。當公路隧道的出口處出現5 m/s自然逆向風的時候，射流式風機使用公路隧道兩側集中排布的技術方案，2臺一組，由公路隧道入口及出口距隧道洞口210 m進行排布，考慮公路隧道曲率的影響，需要間隔125 m～155 m安裝一組。在通常情況下，一氧化碳氣體的安全濃度是210 ppm，煙霧氣體安全濃度是7.15×10-3mol/L；當發生交通堵塞的狀況下，一氧化碳氣體平均濃度是350 ppm，煙霧濃度是9.85×10-3mol/L；除此以外公路隧道內部風速需要符合稀釋空氣中異味的需求風量需要的風速。公路隧道內部火災規模根據25 MW進行規劃設計，在使用縱向排煙裝置的過程中，需要公路隧道內部的風速達到5 m/s。現階段，消防部門裝備的移動式排煙裝置多數情況下是電動排煙設備及水利驅動排煙設備等，該設備是應對公路隧道內部火災險情的一把“利劍”。在公路隧道進行了大功率、冷煙及熱煙排煙車輛等移動形式排煙裝置的性能試驗，其中大功率排煙車輛及759渦噴車輛對于公路隧道內部排煙具有良好的排煙效果。

4 公路隧道火災事故救援措施

4.1 快速啟動相關預案

一旦指揮中心接到險情的報警信息，需要快速進行相關安全預案的啟動。1）公路隧道出現火災事故以后，需要快速啟動應急預案，調派消防、公安及應急等部門積極開展應急救援任務。2）消防隊指揮部必須在第一時間趕到火災現場，迅速下達增援指令。3）調配搶險救援車輛、移動式水炮車輛、高密度數泡沫及發生裝置等消防救援車輛。

4.2 施行交通管制及疏散

隧道的空間特點，決定了需要騰出足夠的救援場地，因此需要及時進行適當的交通管制措施。1）交管部門針對出現火災事故的公路隧道實施交通管制，將已經上路的車輛進行分流。2）消防救援人員抵達火災現場以后，在距火災地點600 m處開始進行警戒，安排警示人員，提醒后方來車需要減速及避讓。3）遇到有危化品泄露的情況，必須拉起警戒線，封鎖事故發生路段的交通。

4.3 排煙降溫及檢測

隧道內部是相對封閉的空間，因此對于煙氣的排除工作是事關被困人員安全的關鍵環節。1）偵測技術人員攜帶偵檢設備進入火災現場，查明火災險情的具體位置，掌握公路隧道內設施的運行狀況。2）針對火災事故進行定量及定性，查找泄露物，提出下一步解決措施。3）需要快速開啟固定式排煙風機，為隧道內部被困人員疏散逃生及滅火工作提供有力保障[3]。

5 結語

綜上所述，在公路隧道出現火災險情的時候，采用科學合理的通風模式，制定正確的行車路徑，才可以行之有效地進行救援。該文在研究公路隧道火災危險性的前提下，結合真實案例，提出了該類火災的救援措施，希望能給公路隧道火災事故中的滅火救援工作提供理論依據。