隧道火災(zāi)煙氣智能控制技術(shù)與實(shí)踐

摘要 保障特長(zhǎng)隧道安全通行是高速公路運(yùn)營(yíng)重要部分，特長(zhǎng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣流動(dòng)尤為復(fù)雜，嚴(yán)重威脅到隧道安全運(yùn)轉(zhuǎn)和人員生命財(cái)產(chǎn)。由于縱向排煙在雙向隧道中存在安全隱患，而集中排煙則增加運(yùn)營(yíng)和管理費(fèi)用，故當(dāng)前隧道排煙模式以采用縱向排煙模式和集中結(jié)合模型為主。針對(duì)上述問(wèn)題，文章提出一種采用多種排煙模式結(jié)合的煙氣控制技術(shù)。正常運(yùn)行時(shí)采用全射流縱向通風(fēng)方式，同時(shí)設(shè)置排煙斜井集中排煙方式作為火災(zāi)工況下的排煙措施以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道左右線的排煙。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)試分析，該方法在正常工況和火災(zāi)工況下能夠?qū)λ淼罒煔膺M(jìn)行有效疏通。

關(guān)鍵詞 特長(zhǎng)隧道；煙氣控制；排煙模式；斜井集中排煙

中圖分類號(hào) U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0022-04

0 引言

隨著國(guó)家高速公路和地方高速公路不斷向山嶺重丘區(qū)延伸，數(shù)量不斷增加、規(guī)模不斷擴(kuò)大，長(zhǎng)且大的公路隧道運(yùn)營(yíng)安全工作面臨較大壓力和挑戰(zhàn)。快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得人民生活水平得到極大提高，私家車、貨運(yùn)車等各種車輛井噴式增加，導(dǎo)致隧道車流量增大，加大了隧道發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣無(wú)法及時(shí)排到隧道外是導(dǎo)致人員傷亡的主要原因。由于隧道是半封閉環(huán)境，當(dāng)隧道內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，其高溫的煙氣會(huì)造成視野能見(jiàn)度降低，極容易造成隧道內(nèi)車輛堵塞，同時(shí)空氣中的一氧化碳含量增加，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)人員的疏散，極大威脅人員生命財(cái)產(chǎn)安全^[1]。因此，研究如何將火災(zāi)引起的煙氣及時(shí)有效排放出隧道，保障隧道安全至關(guān)重要。

目前，高速公路隧道通常使用縱向排煙和集中排煙兩種排煙模式。國(guó)內(nèi)以縱向排煙模式為主，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家以集中排煙模式為主。其中，我國(guó)采用的排煙模式存在安全隱患，如雙向隧道中，由于兩邊都存在車輛行，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣如何排放均會(huì)影響到現(xiàn)場(chǎng)人員撤離，無(wú)法滿足防災(zāi)要求。集中排煙模式排煙能力強(qiáng)，且滿足防災(zāi)要求，但其成本高^[2]。因此，鑒于長(zhǎng)度大于5 000 m的隧道數(shù)量日益增多，此類隧道通風(fēng)排煙方式問(wèn)題亟待解決。

1 排煙控制原理

火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量的有毒氣體，引起附近高溫，在隧道半封閉場(chǎng)景下，嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)人員的生命安全，合理的排煙模式能夠有效地減少火災(zāi)造成的人員傷亡，降低財(cái)產(chǎn)損失。國(guó)內(nèi)外采用的縱向排煙和集中排煙模式，其工作原理不同，排煙效果及使用范圍均有所差別。

1.1 縱向排煙模式控制原理

縱向排煙模式利用通風(fēng)設(shè)備形成的縱向氣流速度大于臨界風(fēng)速，且流動(dòng)方向與車輛行駛方向同向，阻止煙氣回流，控制煙氣往火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)下游排放。該方式可控制煙氣流動(dòng)方向，但會(huì)加快火災(zāi)蔓延速度。若對(duì)煙氣控制不合理，易造成隧道內(nèi)能見(jiàn)度下降，空氣稀薄，對(duì)車輛疏散、人員撤離甚至火災(zāi)救援均會(huì)產(chǎn)生不利影響^[3]。

此外，縱向排煙模式在特殊情況下，仍存在安全隱患：一是該模式發(fā)生火災(zāi)時(shí)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響雙向車輛正常行駛。二是火災(zāi)由前方事故引起后方車輛擁堵，導(dǎo)致二次事故并引起火災(zāi)的情況時(shí)，該火災(zāi)發(fā)生位置前后方都有車輛和人員，此時(shí)，煙氣無(wú)論如何流動(dòng)都會(huì)威脅到現(xiàn)場(chǎng)人員的生命安全。故縱向排煙模式在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，不符合隧道防災(zāi)要求。

1.2 集中排煙模式控制原理

國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家采用集中排煙模式，該模式包括全橫向和半橫向兩種通風(fēng)模式。在隧道運(yùn)營(yíng)使用階段結(jié)合全橫向或半橫向兩種模式^[3]，如半橫向送風(fēng)型，正常情況下送風(fēng)通道則用于輸送新風(fēng)。若出現(xiàn)火災(zāi)，可將軸流風(fēng)機(jī)按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，可用于排煙。同時(shí)，將除了火源附近的風(fēng)閥打開(kāi)，其他的均關(guān)閉，輔以兩側(cè)的縱向氣流防止煙氣混亂，此時(shí)排煙風(fēng)閥可排走煙氣^[3]。使用集中排煙模式，可以有效控制煙氣擴(kuò)散，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)氣體對(duì)司乘人員威脅極大降低，同時(shí)該模式下消防救援人員可在隧道兩側(cè)展開(kāi)救援，滿足防災(zāi)要求。

2 火災(zāi)排煙設(shè)計(jì)方案實(shí)踐

該方案實(shí)施于青云山隧道，隧道位于廣東省韶關(guān)市翁源縣及河源市連平縣分水嶺青云山山脈，進(jìn)口位于翁源縣李洞村，出口位于隆街鎮(zhèn)松嶺鄉(xiāng)象湖村，設(shè)計(jì)為分離式隧道，洞室凈空14.75×5 m，起訖樁號(hào)左線ZK344+710～ZK350+610，長(zhǎng)5 900 m；右線YK344+645～YK350+655，長(zhǎng)6 010 m，呈132°方向展布；進(jìn)洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高左線351.4 m、右線349.2 m，出洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高左線388.8 m、右線386.6 m；隧道最大埋深約808 m，屬特長(zhǎng)深埋隧道。

2.1 煙氣控制需求分析

隧道火災(zāi)煙氣控制即為通過(guò)開(kāi)啟一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)，控制煙氣在隧道洞口的運(yùn)動(dòng)路徑，相關(guān)控制參數(shù)包括不同火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣控制參數(shù)和不同煙氣控制目標(biāo)下的風(fēng)機(jī)控制參數(shù)兩部分。

2.1.1 不同場(chǎng)景下的煙氣控制參數(shù)

根據(jù)火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣控制需求，劃分隧道防煙分區(qū)，量化不同防煙分區(qū)的煙氣控制指標(biāo)與通風(fēng)控制指標(biāo)（包括不同防煙分區(qū)的煙氣層厚度、蔓延時(shí)間、縱向控制風(fēng)速等），為火災(zāi)工況下的人員疏散與防災(zāi)救援提供一個(gè)有利的環(huán)境。

2.1.2 不同煙氣控制目標(biāo)下的風(fēng)機(jī)控制參數(shù)

根據(jù)不同火災(zāi)場(chǎng)景及火災(zāi)發(fā)展不同階段的風(fēng)速控制需求，提出相應(yīng)的風(fēng)機(jī)開(kāi)啟預(yù)案，提出不同縱向風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)開(kāi)啟方式、開(kāi)啟數(shù)量、開(kāi)啟組合等控制參數(shù)。

2.2 火災(zāi)排煙設(shè)計(jì)方案

在《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70—2010）中規(guī)定的單向隧道設(shè)計(jì)風(fēng)速不超過(guò)10 m/s，青云山隧道左右線的近期和遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)的風(fēng)速都未超過(guò)該規(guī)定的風(fēng)速數(shù)值。因此青云山隧道采用全射流縱向通風(fēng)排煙模式，且使用排煙斜井集中排煙模式。此兩種模式結(jié)合有利于火災(zāi)情況下及時(shí)排煙。

2.2.1 正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)狀態(tài)

隧道左洞和右洞在正常運(yùn)營(yíng)情況下使用全射流縱向通風(fēng)模式，根據(jù)統(tǒng)計(jì)自然風(fēng)阻抗力與通風(fēng)阻抗力以及設(shè)計(jì)的不同速度產(chǎn)生的交通風(fēng)力控制工況，得到該控制工況所需的射流風(fēng)機(jī)的數(shù)量。射流風(fēng)機(jī)的直徑參數(shù)是Φ1 120 mm型，風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)：電機(jī)功率37 kW，出口風(fēng)速33 m/s，流量32.5 m³/s。考慮隧道斷面較大，同時(shí)為了減少射流風(fēng)機(jī)的組數(shù)和供電電纜的長(zhǎng)度，故射流風(fēng)機(jī)按照每3臺(tái)為一組進(jìn)行布置。風(fēng)機(jī)在縱向上的布置以不小于150 m為原則^[4]。

2.2.2 防災(zāi)通風(fēng)

隧道在火災(zāi)情況下的應(yīng)急防火救災(zāi)措施，第一步應(yīng)對(duì)產(chǎn)生火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行劃分，其次分析現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)地點(diǎn)的受困人員疏散和車輛撤離線路，以規(guī)劃控制風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)急策略，起到排煙滅火、人員逃生的作用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，該隧道劃分為2個(gè)防火區(qū)段，如圖1所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在A區(qū)段時(shí)，采用豎井集中式排煙；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在B區(qū)段時(shí)，采用全縱向射流排煙，并利用左右洞聯(lián)絡(luò)橫通道作為人員車輛撤離通道。

2.2.3 火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員逃生與風(fēng)機(jī)控制

（1）左線發(fā)生火災(zāi)。隧道左線發(fā)生火災(zāi)時(shí)，快速封閉隧道進(jìn)口通道，防止洞外車輛繼續(xù)駛?cè)攵磧?nèi)。上游人員棄車通過(guò)車行及人行橫洞進(jìn)入對(duì)向隧道進(jìn)行逃生。火源下游車輛快速駛出隧道。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)場(chǎng)工作人員指揮已駛?cè)胨淼儡囕v駛出洞外，同時(shí)封閉未發(fā)生火災(zāi)隧道，確保消防救援車輛可快速到達(dá)火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行救援。

迅速啟動(dòng)左線隧道內(nèi)距離火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)約150 m 以外的射流風(fēng)機(jī)，將煙霧直接從洞口排除。確保煙氣不回流，使火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的上游車輛安全駛出隧道。開(kāi)啟右線全部射流風(fēng)機(jī)保持對(duì)隧道正壓，防止煙霧進(jìn)入對(duì)向隧道^[5]。

（2）右線發(fā)生火災(zāi)。右線隧道發(fā)生火災(zāi)，立即關(guān)閉隧道進(jìn)口，阻止洞外車輛駛?cè)搿Ｉ嫌稳藛T棄車通過(guò)車行及人行橫洞進(jìn)入對(duì)向隧道進(jìn)行逃生。火源下游車輛快速駛出隧道。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)場(chǎng)工作人員指揮已駛?cè)胨淼儡囕v駛出洞外，同時(shí)封閉未發(fā)生火災(zāi)的隧道，確保消防救援車輛可快速到達(dá)火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行救援。

迅速啟動(dòng)右線隧道內(nèi)距離火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)約150 m以外的射流風(fēng)機(jī)，將煙霧直接從洞口排除。確保煙氣不回流，使火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的上游車輛安全駛出隧道。開(kāi)啟左線全部射流風(fēng)機(jī)保持對(duì)隧道正壓，防止煙霧進(jìn)入對(duì)向隧道^[5]。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)試

2.3.1 正常工況測(cè)試

（1）測(cè)試內(nèi)容：①風(fēng)機(jī)啟動(dòng)至正常運(yùn)行耗時(shí)；②開(kāi)啟不同數(shù)量射流風(fēng)機(jī)工況下的洞內(nèi)風(fēng)速。

（2）測(cè)試步驟：①測(cè)試洞內(nèi)自然風(fēng)速（盡量保證洞內(nèi)零風(fēng)速）；②啟動(dòng)1組射流風(fēng)機(jī)并記錄風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間；③風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；④第1組風(fēng)機(jī)啟動(dòng)5 min后，啟動(dòng)第2組風(fēng)機(jī)；⑤每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；⑥第2組風(fēng)機(jī)啟動(dòng)5 min后，啟動(dòng)第3組風(fēng)速；⑦每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；⑧順序啟動(dòng)射流風(fēng)機(jī)并記錄風(fēng)速數(shù)據(jù)，直至所有風(fēng)機(jī)啟動(dòng)完畢。

（3）測(cè)試數(shù)據(jù)分析。射流風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試旨在掌握射流風(fēng)機(jī)開(kāi)啟數(shù)量與洞內(nèi)縱向風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了盡可能降低自然風(fēng)對(duì)通風(fēng)測(cè)試的影響，通風(fēng)測(cè)試選擇在自然風(fēng)速相對(duì)比較小的上午時(shí)段開(kāi)展。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)數(shù)量與洞內(nèi)縱向風(fēng)速相關(guān)關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合^[6]，如圖2～3所示。

經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，隧道洞內(nèi)縱向風(fēng)速與射流風(fēng)機(jī)啟動(dòng)數(shù)量之間符合如下函數(shù)關(guān)系：

y=?0.007x₂+0.4·x （1）

式中，y——縱向風(fēng)速（m/s）；x——風(fēng)機(jī)啟動(dòng)臺(tái)數(shù)。

2.3.2 火災(zāi)工況測(cè)試

（1）工況測(cè)試1。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在左線A區(qū)段時(shí)，開(kāi)啟A區(qū)段射流風(fēng)機(jī)和斜井風(fēng)機(jī)，保持3.1 m/s的臨界風(fēng)速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，右洞保持正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)，如圖4所示。

（2）工況測(cè)試2。如圖4所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在左線C區(qū)，斜井附近（±50 m）范圍時(shí)：開(kāi)啟A區(qū)段射流風(fēng)機(jī)和斜井排風(fēng)機(jī)，煙氣從斜井和出口排出，右洞保持正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)。

（3）工況測(cè)試3。如圖4所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在B2區(qū)段，斜井排煙軸流風(fēng)機(jī)關(guān)閉，保持4.6 m/s的臨界風(fēng)速，煙氣沿著B(niǎo)區(qū)段從出口排出，右洞保持正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)。

（4）工況測(cè)試4。如圖4所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在右線A2區(qū)段時(shí)，開(kāi)啟A區(qū)段射流風(fēng)機(jī)和斜井排煙軸流風(fēng)機(jī)，保持4.6 m/s的臨界風(fēng)速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，左洞保持正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)。

（5）工況測(cè)試5。如圖4所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在右線A1區(qū)段時(shí)，開(kāi)啟A區(qū)段射流風(fēng)機(jī)和斜井排煙軸流風(fēng)機(jī)，保持3.1 m/s的臨界風(fēng)速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，左洞保持正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)。

（6）工況測(cè)試6。如圖4所示，火災(zāi)發(fā)生在右線B區(qū)段，斜井排煙軸流風(fēng)機(jī)關(guān)閉，相當(dāng)于把整個(gè)隧道作為一個(gè)防火區(qū)段的火災(zāi)工況，采用射流風(fēng)機(jī)排煙，保持4.6 m/s的臨界風(fēng)速，煙氣沿著B(niǎo)區(qū)段從出口排出，左洞保持正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)。

2.3.3 測(cè)試總結(jié)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，射流風(fēng)機(jī)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，能在60 s內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)到火災(zāi)不同階段排煙系統(tǒng)所需要的運(yùn)行工作狀態(tài)，提供的風(fēng)速滿足設(shè)計(jì)要求。排煙軸流風(fēng)機(jī)能夠提供滿足設(shè)計(jì)要求的排風(fēng)量。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速測(cè)試，排風(fēng)聯(lián)絡(luò)道內(nèi)風(fēng)速穩(wěn)定區(qū)域?yàn)?～3 m/s，火災(zāi)工況時(shí)疏散階段風(fēng)機(jī)開(kāi)啟臺(tái)數(shù)能夠滿足控?zé)熜枰?/p>

3 總結(jié)

該文設(shè)計(jì)的隧道排煙方式采用縱向排煙和斜井集中排煙兩種結(jié)合模式，在正常運(yùn)營(yíng)工況使用縱向排煙模式，火災(zāi)工況下使用斜井集中排煙模式。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)隧道測(cè)試，在正常工況下，通過(guò)開(kāi)啟不同數(shù)量射流風(fēng)機(jī)風(fēng)速保持正常速度。在模擬火災(zāi)工況下，對(duì)不同區(qū)域火災(zāi)進(jìn)行測(cè)試，隧道內(nèi)保持正常通風(fēng)。因此，該文設(shè)計(jì)的方案均能滿足風(fēng)速和排風(fēng)量的設(shè)計(jì)要求。

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收稿日期：2023-09-27

作者簡(jiǎn)介：楊樂(lè)（1981—），男，本科，工程師，研究方向：高速公路機(jī)電工程。