高速公路隧道火災機電設備應急控制策略研究

摘要：高速公路隧道火災事故是影響其安全運營的主要原因之一。文章針對高速公路隧道火災事故，以長度約2000 m的隧道為例，將火災隧道進行控制區段及控制單元劃分，基于此對火災不同階段制定詳細的隧道機電設備控制策略，以控制火災規模，減少人員傷亡，為高速公路運營管理單位提供高效、準確的決策支持。

關鍵詞：高速公路隧道；火災事故；機電設備；控制策略

U453.8A451414

0 引言

近年來，我國公路交通飛速發展。截止2022年年底，高速公路里程已達17.73×104 km，公路隧道24 850處、2 678.43萬延米，其中特長隧道1 752處、795.11萬延米，長隧道6 715處、1 172.82萬延米［1］。飛速發展的公路交通事業為我國的社會經濟發展作出了巨大貢獻，同時，公路交通安全問題特別是隧道行車安全問題也給高速公路運營管理單位帶來了巨大挑戰。高速公路隧道因其地理位置、結構的特殊性，一旦發生火災，若不能快速、合理地選擇事故控制策略，啟動相應預案，將會對人員帶來巨大傷亡，對車輛及隧道帶來巨大財產損失。而長期以來，我國的高速公路運營管理現狀中“重監控、輕應急”的現象普遍存在，針對高速公路隧道火災事故的應急控制策略研究，顯得尤為重要。

現有針對公路隧道火災研究多集中于火災場景如煙霧蔓延擴散模型、宏觀的應急預案等方面。賴金星等［2］統計分析了2000—2015年國內隧道火災事故，基于統計結果為減少隧道火災的發生提出針對性建議。王澤航等［3］通過搭建縮尺寸隧道火災試驗臺，針對火災工況下的煙氣蔓延在縱向通風條件下所受的影響做了研究。王明年等［4］針對隧道火災阻塞場景，運用FDS研究動態火災規模及不同工況的下的溫度與可視度分布規律，確定動態火災規模及人員疏散方案。王少飛等［5］針對國內隧道應急預案的現有缺陷，提出高速公路隧道火災條件下的應急預案編制方法。張英［6］針對隧道單點交通事故，通過應急資源調配、應急救援及管控方案制定、隧道通風及交通誘導設施控制等系列措施，建立高速公路長大隧道交通事故應急預案控制模型。宋曉軒［7］針對高速公路特長隧道，提出了正常工況下、交通事故工況下、火災工況下以及道路施工工況下的交通監控控制措施。劉旺［8］基于九嶺山隧道，確定了九嶺山隧道火災的臨界風速，基于此制定了九嶺山隧道的交通管控預案及通風系統控制預案。

本文針對高速公路隧道火災事故，以長度約2 000 m的隧道為例，將火災隧道進行控制區段及控制單元劃分，基于此對火災不同階段制定詳細的隧道機電設備控制策略，以控制火災規模，減少人員傷亡，為高速公路運營管理單位提供高效、準確的決策支持。

1 控制區段及控制單元劃分

1.1 控制區段劃分

交通事件發生位置的部分區域定義為交通事件發生區域，根據交通流的方向定義交通事件的上游和下游。其中駛入交通事件發生區域的車輛為上游車輛，如圖1所示。

根據公路橋梁、互通立交等相關構造物的位置將隧道交通影響區域劃分為3個區段，如圖2所示。

（1）突發事件發生區域為發生區。

（2）上游鄰近第一個互通（交通流誘導分流點）到交通事件發生區域為第一區段。

（3）上游鄰近第一個互通到上游鄰近第二個互通區域為第二區域。

（4）上游鄰近第二個互通之外為第三區域。

根據交通流運行特性和管控措施的類型，進一步劃分為發生區、管控區、影響區和無影響區。因突發事件發生時，發生區和管控區內均對交通進行管控，故發生區、管控區可合并為控制區，如圖3所示。

事故現場前的過渡區域長度與其上游的車輛行駛速度成正相關。發生區域是事故發生的周邊位置，受交通事件嚴重程度的影響。根據發生事故的道路最高限速，綜合考慮事件現場區域的范圍和嚴重程度，過渡區域長度計算長度公式見式（1）：

L=0.625WV+S（1）

式中：L——發生區長度（m）；

W——事故發生位置占用的車道寬度（m）；

V——事故發生的高速公路路段的最高限速（km/h）；

S——事故發生位置現場的長度（m）。

假定突發事件導致一條車道封閉，不同設計速度下所需的過渡區段長度如表1所示。

當突發事件封閉車道在2條及以上時，其計算長度公式見式（2）：

L=0.625WV+S+（n-1）×5×V2W155+V2W155（2）

式中：L——發生區長度（m）；

W——事故發生位置占用的車道寬度（m）；

V——事故發生的高速公路路段的最高限速（km/h）；

S——事故發生位置現場的長度（m）；

n——封閉車道數。

1.1.1 控制區

管控區指公路隧道突發事件發生區域上游的第一個區段。管控區的起點是突發事件發生上游可以分流的互通立交出口處，終點是發生區的起點位置。該區段的特點是無法通過公路正常的互通立交將突發事件發生區上游的車輛分流到并行公路或地方道路上。管控區域的車輛一般都將通過突發事件發生區域行駛或等待通行，為防止二次事故發生，應重點加強車輛的管控。

1.1.2 影響區

影響區指公路隧道突發事件發生區域的第二個區段，以事故控制區相鄰的互通為界。該區域進行相應前方區段發生突發事件的安全提醒，主要特點是能將突發事件發生上游的車輛誘導離開事發公路。

1.1.3 無影響區

無影響區指控制區上游以外的路段，一般不采取交通組織措施，按照正常狀態行駛，但可根據事故嚴重程度進行相應前方區段發生突發事件的安全提醒。

1.2 控制單元劃分

控制單元指隧道內相鄰的兩個車行橫通之間的路段區域，確定事故發生所在的具體控制單元后，針對劃分的控制單元進行機電設備的控制。

以長度約2 km的隧道為例，隧道內通常存在2個車行橫通，左、右洞分別可劃分3個控制單元，隧道總計6個控制單元。劃分示意圖如圖4所示。

2 隧道火災控制基準

2.1 排煙方向

高速公路火災事故條件下的隧道內會產生大量的濃煙，并在很短的時間內擴散至整個隧道斷面，使得隧道內的能見度將至極低，嚴重影響隧道內阻滯人員的逃生與救災人員的搶險救援。

火災事故區域下游的車輛可以駛離隧道，而火災點上游的車輛會滯留于隧道，人員需棄車沿行車方向相反的方向逃生［9］，因而煙霧不能回流。

因此，縱向排煙的單向交通隧道，隧道內排煙方向應與隧道行車方向相同，煙霧應由隧道出口或就近排煙口排出［10］。

2.2 火災規模

火災規模的大小直接決定火災臨界風速的大小，通常以熱釋放率（MW）來衡量。公路隧道火災最大熱釋放率應按表2確定。

本文以長度約2 000 m的隧道發生火災事故為例，其最大熱釋放率為20 MW。

2.3 臨界風速

高速公路隧道通風系統的主要功能之一是控制火災產生的煙霧不向火災點上游蔓延，以防止煙霧對駕乘人員逃生及應急救援行動產生干擾。當隧道內存在較高的縱向風速時，可以將煙霧控制在火源的一側，但需要綜合考慮縱向風速的大小，一般采用臨界風速控制煙霧的流動，能延長煙霧在隧道頂壁的貼附時間，增加人員逃逸時間和安全性［11］。

采用縱向排煙的公路隧道，火災臨界風速宜按表3所列火災臨界風速取值。

3 隧道火災機電設備應急控制策略

高速公路隧道火災發生后，為利于隧道受困人員疏散、救援及防止二次事故的發生，應封閉雙向隧道，禁止后續車輛駛入。火災隧道火災點下游車輛應有序駛離隧道，火災點上游車輛受困人員應棄車逃生，沿行車方向相反方向從臨近人行橫洞或隧道洞口逃生；非火災隧道車輛應沿行車道有序駛離隧道。

以單向2車道/雙向4車道的隧道為例（如圖5所示），當右洞2號控制單元發生火災事故時，制定機電設備應急聯動控制策略。

將高速公路隧道火災的階段劃分為三個階段，即疏散救援階段、排煙階段、善后處置階段。疏散救援階段從事故發生開始，隧道內駕乘人員全部逃離至隧道外安全地帶結束；排煙階段從駕乘人員全部逃離至隧道外安全地帶開始，隧道內煙霧全部排出隧道且無新煙霧產生結束；善后處置階段從隧道內煙霧全部排出隧道且無新煙霧產生開始，事故處置完畢隧道可恢復正常運行結束。善后處置階段主要根據消防、交管等部門按需調整機電設備狀態，因此本文機電設備控制策略主要針對疏散救援階段及排煙階段。

3.1 疏散救援階段

疏散救援階段按照影響的范圍和程度、結合互通立交節點，將相關區域劃分為無影響區、影響區和控制區三個部分，如圖6所示。

3.1.1 無影響區

無影響區區域內的交通管控措施可按日常條件運行，無須進行額外控制。

3.1.2 影響區

針對影響區區域，不采取交通管制措施，但應采取相關的事故信息發布誘導措施，提醒駕駛員小心駕駛或繞道行駛。

該區域需要控制的機電設施為火災上游右線影響區及火災下游左線影響區的所有可變信息標志，發布內容為：“××隧道火災，請擇道行駛”“××隧道火災，請小心駕駛”等。

3.1.3 控制區

針對控制區區域，將進行隧道封閉及交通管制，以減少人員傷亡及財產損失為前提制定機電設備控制策略。

3.1.3.1 隧道照明燈具

應將隧道照明燈具全部開啟。

3.1.3.2 車道指示器

（1）火災隧道車道指示器。

右洞1單元車道指示器應變為“紅×”；右洞2單元及3單元車道指示器應保持綠箭頭，待火災點下游車輛疏散完畢之后變為“紅×”。

（2）非火災隧道車道指示器。

行車道車道指示器應保持綠箭頭，待隧道內車輛疏散完畢之后變為“紅×”；超車道車道指示器應變為“紅×”。

3.1.3.3 交通信號燈

雙向隧道洞口交通信號燈應變為紅燈，后續可根據交警相關車輛誘導策略改變狀態。

3.1.3.4 隧道洞口可變信息標志

雙向隧道洞口可變信息標志應發布內容：“隧道火災，禁止通行”。

3.1.3.5 隧道內可變信息標志

（1）右洞1單元可變信息標志應發布：“隧道火災，馬上棄車逃生”；右洞2單元及3單元可變信息標志應發布：“隧道火災，盡快駛離隧道”。

（2）左洞所有情報板應發布：“隧道火災，盡快駛離隧道，注意隧道逃生人員”。

3.1.3.6 控制區路段可變信息標志

事故隧道上游右線及下游左線情報板：“××隧道火災，禁止通行”“××隧道火災，注意阻滯車輛”等。

3.1.3.7 廣播

（1）火災隧道所有廣播應播報：“隧道火災，請盡快撤離隧道”，條件允許時，可針對火災點上下游分別播報：“隧道火災，請立即棄車逃生”“隧道火災，請有序駛離隧道”。

（2）非火災隧道所有廣播應播報：“對向隧道火災，請從行車道有序駛離隧道，注意避讓隧道內逃生人員”。

3.1.3.8 車行橫通

隧道內所有車行橫通應保持關閉狀態，避免火災隧道煙霧蔓延至非火災隧道；后續根據消防救援需要按需開啟特定車行橫通。

3.2 排煙階段

排煙階段的機電設備控制策略除風機外，其余設備應保持疏散救援階段控制狀態。

此階段隧道內阻滯人員已全部疏散，同時火災點下游車輛已全部駛離隧道，可開啟火災隧道全部風機進行排煙，風機開啟時間間隔應為30 s；非火災隧道根據隧道實時風向啟停風機，同樣保持在隧道內形成正壓。

（1）火災隧道上游應開啟距火災點150 m外的1組風機，狀態為正轉，開啟時間間隔為30 s，以防止煙霧逆流。同時應觀察隧道內風速數值及煙霧蔓延狀態，若風速＞2.5 m/s及煙霧無逆流現象發生，可關閉1臺風機；若風速＜2 m/s或煙霧有逆流現象發生，應增開1臺風機。需要注意的是，風機的啟停應根據隧道內風速的變化及煙霧蔓延的狀態，進行動態調整。

（2）非火災隧道進洞口應開啟1臺風機，正/反轉應根據非火災隧道實時風向決定，以在隧道內形成正壓，防止煙霧通過車/人行橫通進入非火災隧道。

3.3 實戰應用

在廣西某2 km隧道消防演練中實戰應用火災機電設備應急控制策略。隧道火災災情發生后，隧道事件檢測系統、火災報警系統發出報警提示，經監控中心確認事件后，迅速啟動了火災機電設備應急控制策略，并通過信息化系統在1 min內完成了機電設備的聯動控制。高速公路執法隊、救援隊、路巡隊等單位趕往事故現場進行處置。各單位按職責分工，有條不紊開展救援，高速公路執法人員首先對事故區域雙向進行了交通管制，設置好安全防護區域，指揮救援車輛迅速進入事故現場進行救援；路巡隊打開人行橫通門疏散被困人員，救援隊在確認事件后，利用隧道消防水進行了滅火，在確認火情不存在復燃的情況后拖移了事故車輛；隨后水車進場開展現場清掃；清掃完成后，監控中心通知執法大隊交通管制解除，交通恢復正常。經過各個小組的共同努力，現場應急處置歷時30 min全部完成，火災事故處置結束。

4 結語

本文在高速公路隧道火災事故條件下，將火災隧道所在路段區域劃分為發生區、控制區、影響區及無影響區，基于隧道內車行橫通將隧道劃分為不同的控制單元，通過確定火災事故的排煙方向、火災規模及臨界風速，制定隧道機電設施及路段機電設施的火災應急狀態下的控制策略。經應急演練實戰證明，該策略能為高速公路運營管理單位提供高效、準確的決策支持，提升應急處突效率。

參考文獻：

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