基于縱向通風隧道車廂煙氣蔓延的人員疏散策略研究

劉 喚，趙蘭英

（1.商丘工學院，河南 商丘 476000；2.齊魯理工學院，山東 濟南 250000）

隧道作為基礎設施在公共交通工具中扮演著十分重要的角色，隨著全球隧道數量的快速增長以及火災事故的不斷增加，對隧道火災的研究也在不斷增加。相關數據顯示：在火災中，由于燃料的未完全燃燒，隧道發生火災時會產生大量煙霧。高溫煙霧造成的人員傷亡約占80%[1]。煙霧會降低氧氣濃度并產生有毒氣體，如二氧化硫和硫化氫。在隧道內發生火災，產生的煙霧會比類型火災產生的煙霧更多。隧道火災具有溫度高、能見度低、蔓延速度快、滅火時間長、事故發生隨機和不可預測等特點，一旦發生火災，由于乘客密度高和車站內部距離長，有毒煙霧將極大地威脅隧道中人們的生命安全，造成較多的人員傷亡（見圖1）。基于此，本文將在分析臨界風速的影響因素的基礎上，研究縱向通風隧道中人員疏散策略。

圖1 國內外地鐵火災死亡、受傷人數統計

1 縱向通風系統（機械通風）的機理

機械通風過程包括縱向或橫截面通風系統，通過降低車輛污染物排放水平，在正常運行條件下更新隧道環境。在火災情況下，通風通過在上游或煙霧層下方的適當高度提供新鮮空氣來清除隧道中的煙霧。早期的縱向通風系統通常安裝在隧道中，以使其中的空氣循環。如今的通風系統也可用于控制和保護隧道火災過程安全的煙霧運動，縱向機械通風系統被廣泛用于防止隧道火災中的煙氣分層。PID 控制器的自動通風系統在未知火災大小情況下，可迅速判斷煙霧大小并實時防止煙氣分層，為疏散救援工作提供時間。與基于恒定通風速度的系統相比，它對未知火災大小具有良好的適應性，對于較高的火災熱釋放率，煙鋒也會比較穩定。但當增加隧道高度時，該系統則需要更長的時間來測試煙鋒的穩定，這是因為足夠高的火焰（與隧道高度相比）會導致溫度快速升高。

在縱向通風下，當火焰從隧道中部向上游（左側開口）移動時，由于隧道內部的縱向流動，火焰向下游（右側開口）傾斜。傾斜角隨著火災接近隧道開口而增加。相應地，產生的最高天花板氣體溫度的位置從火源的正上方移動到下游側，天花板氣體的最高溫度也會降低。此外，PID 系統還可以在上游和下游方向觀察到天花板氣體溫度的不對稱縱向分布。天花板氣體溫度在兩個方向上呈指數衰減，較短一側（火災與最近開口之間距離較短的一側）的衰減率較低。

縱向通風相對于橫向通風而言，造價和經營費用較低，但它最初只限用于長度不超過1km 的隧道，后放寬至2km，不適用于較長隧道。

2 縱向通風系統下影響煙氣蔓延的因素

為防止火災煙氣逆流，隧道縱向通風風速應大于一定的值，當大于該值后，煙氣將不會逆流，這個速度稱為臨界風速，臨界風速縱向通風系統設計的關鍵，也是判斷隧道火災煙氣逆流情況的重要指標，為火災后續救援和人員逃生提供重要依據。縱向通風作為隧道內常見的通風排煙形式，對其臨界風速的影響因素開展研究將具有重要的現實意義，本文重點分析環境、障礙物、隧道尺寸及其形狀和坡度幾方面對臨界風速的影響[2]。

2.1 環境因素

隧道內的環境因素主要涉及溫度、風、顆粒物等。當隧道內發生火災時，隧道內環境即可發生變化，火災前期環境溫度越高，火情惡化越早，火勢蔓延越厲害。

無風時，火源周圍的熱空氣積聚，溫度上升較快，煙氣向上移動，隧道天花板積聚大量固態顆粒，但對火源周圍影響較小；風速較小時，空氣流動加快，火災產生的熱空氣在較短時間內被帶走，熱量不能累積，火源周圍溫度上升速度降低；風速很大時，氧氣含量高，火勢蔓延加快，溫度上升速度快。

有風條件下，煙氣迅速上移并沿風速方向擴散，上部煙氣厚度較大，能見度降低，尤其是隧道內有障礙物，會大大增加疏散救援難度，不利于安全救援工作的開展。

2.2 隧道內障礙物

在正常的隧道內可能會有許多的障礙物（如列車車廂等），這些障礙物在隧道內可以在很大程度上改變縱向風到達火源附近的風速，并改變縱向風的風向，顯著的影響火源及火勢的發展。

一般來說，火災較小時，火焰不與隧道頂棚接觸，阻塞效應可使風速在火源處被局部放大，加快煙氣排出，帶走大量熱量；火災較大時，火焰與隧道頂棚相接觸，火焰區的最高溫度一般不受火源功率和隧道通風條件的影響，因而亦不受阻塞效應的影響。當煙氣蔓延方向與障礙物位于火源同側時，煙氣蔓延速度最大，無障礙物時次之，與障礙物位于火源異側時最小；當火災功率改變時，障礙物位置對頂棚煙氣最高溫升的影響也會發生變化；阻塞效應會使得煙氣向有障礙物側縱向蔓延的溫度衰減速度降低，而向無障礙物側的縱向蔓延則不受此影響[3]。

2.3 隧道尺寸及其橫斷面形狀

目前，常用的盾構標準斷面形式有單線盾構圓形隧道標準斷面、單跨矩形隧道標準斷面和設中柱的雙跨單洞雙線矩形隧道標準等，我國主要采用單線盾構圓形隧道標準斷面，這三種斷面的臨界風速與煙氣逆流層長度的變化關系幾乎呈線性關系。一般來說，單線盾構圓形隧道所對應的臨界風速最大，隧道頂部蓄煙能力較大，煙氣層下降較慢；雙跨矩形隧道著火點中心縱斷面煙氣的溫度和濃度下降速度最慢；設中柱的單洞雙跨矩形隧道所對應的臨界風速最小。

2.4 隧道坡度

無坡度的隧道內，煙氣在火源兩側基本呈對稱分布，隨著隧道坡度增加，火源上游煙氣層厚度會減小。當隧道坡度增大時，隧道上游端部的煙氣越稀薄，煙氣蔓延長度越小；隧道坡度達到一定程度時，火源上游隧道端部附近煙氣層分界中性面可能會消失，這時煙氣將不再向遠端蔓延。

相比無坡道隧道而言，坡度隧道內高溫區域的厚度變小，高溫區域范圍減小[4]。有坡度的隧道內發生火災時，煙氣受坡度限制，煙氣在火源兩側蔓延狀態不同，火源下游煙氣層分界中性面不再呈現水平狀態，與隧道頂板平行，但位于火源上游區域的煙氣層基本保持水平狀態，受坡度變化的影響作用較小。隨著坡度的增大，隧道內低能見度區域變小，煙氣層變薄，火源上游煙氣蔓延距離變小[5]。

坡度隧道內的火災煙氣蔓延會形成煙囪效應，煙氣更有利于向火源下游蔓延；若風向與坡度方向一致，煙氣層會更好控制，不易紊亂，隧道內會有較高的清晰層；反之，隧道內將需要大量空氣涌入且需加大通風速度，否則極易破壞煙氣分層，導致隧道空間內充滿煙氣，影響人員的逃生和消防救援。

3 基于煙氣蔓延的人員疏散策略研究

3.1 完善的消防聯動控制系統

消防聯動控制系統在檢測到火災信號后，能自動關閉防火閥、電動防火門、防火卷簾門，開啟排煙閥，迅速接通事故照明及疏散標志燈，并通過控制中心的控制器啟動滅火系統。隧道內的大部分人員對隧道環境并不熟悉。隧道發生火災時，傳達和獲取疏散信息是疏散人員的關鍵問題。由于隧道通常照明較低，隧道外的連接也相對較少，因此完善的消防聯動控制系統可以為隧道被困人員提供基礎的安全疏散信息，幫助并指導被困人員注意緊急情況、尋找出口和引導路徑用，方面人員快速、安全撤離。根據相關數據顯示：由設備因素引發地鐵火災事故比例最高，因此，應時常定期維護更新相關設備，不要抱僥幸心理，一旦發現問題立即更換設備，不要讓消防聯動控制系統流于形式。

3.2 在隧道設置水幕防火分隔

在隧道內設置水幕可以阻止部分煙氣擴散，冷卻煙氣，降低二氧化碳濃度和增加水簾外的氧氣濃度，同時還可以有效避免防火門、防火卷簾易損壞、壽命低的特點，降低隧道的維護成本。但高溫煙霧會使水幕氣化，產生大量水蒸氣，從而增加煙塵密度，降低能見度。

因此，在設置水幕滅火系統時應注意水幕排煙口間距和通風系統排煙速率的設置。一般來說，水幕排煙口間距12m 左右，排煙速率60m3/s 時，防火比較有效，安全疏散比較有利。

3.3 合理設置隧道坡度和橫斷面形狀

不同的隧道坡度和橫斷面形狀，煙氣蔓延長度、煙氣層、火羽流和煙氣羽流也不同，合理設置隧道坡度和橫斷面形狀可以增加疏散時間，減少人員傷亡。一般情況下，當隧道坡度大于1.3%時，人員密度對下坡方向疏散速度的影響占據了主導作用，建議盡量采用往下坡方向疏散的策略；對于坡度小于1.3%的隧道，可以同時選擇上下坡兩個出口盡早開展疏散行動。根據我國常用的盾構標準斷面形式來看，斷面越接近圓形，隧道頂部溫度越低，由于圓形隧道不僅在拱頂處集聚熱煙氣，還通過隧道兩側形成的弧形區間集聚大量熱煙，所以我國隧道橫斷面大多都接近于圓形。

4 結論

本文在縱向通風（機械通風）的基礎上，分析了影響隧道車廂內煙氣蔓延的環境因素、隧道內障礙物、隧道尺寸及其橫斷面形狀、隧道坡度等，并結合上述因素，制定了相應的人員疏散策略，旨在為相關人員提供參考。