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(shè)工程消防設(shè)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(zāi)危險性和特點，對城市交通隧道建設(shè)工程消防設(shè)計和煙氣控制進(jìn)行深入探討。

城市交通隧道；消防設(shè)計；煙氣控制

1　概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展，國家每年投入大量資金進(jìn)行公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。近年來，隨著公路交通事業(yè)的發(fā)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(yōu)化線路、縮短里程，修建隧道必不可少，而且數(shù)量越來越多，規(guī)模越來越大。

隧道是公路交通的咽喉要道，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)境密閉，空間狹窄，能見度差，流動車輛多，車速快，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救相當(dāng)困難，往往造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)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(guān)注。故在隧道設(shè)計時，應(yīng)貫徹“預(yù)防為主，防消結(jié)合”的方針，采取有效的防火與滅火措施，尤其是對隧道火災(zāi)煙氣危害的有效控制，才能將火災(zāi)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(shè)置區(qū)域、地質(zhì)條件不同，按其建設(shè)規(guī)模、設(shè)計施工方法、橫斷面形式以及交通運(yùn)營特點進(jìn)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(nèi)各自均為同向交通，雙孔間多設(shè)有橫向連接通道。

③多孔中有一孔或數(shù)孔可按交通需求改變交通運(yùn)行方向，以適應(yīng)潮流式交通需求。

2.2按建設(shè)規(guī)模分類

《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2014）將單孔和雙孔隧道應(yīng)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(zāi)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(zāi)也日益增多。以日本在1986年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其分析結(jié)果為：高速公路隧道內(nèi)的火災(zāi)事故比率為每1億車公里發(fā)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(fā)生0.4起相比，沒有多大變動。另外，德國對漢堡連接聯(lián)邦高速公路的易北河隧道初期運(yùn)營情況也進(jìn)行了統(tǒng)計，報告表明隧道中平均每月發(fā)生一次車輛起火事故。從上述結(jié)果可以看出：隧道火災(zāi)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(fā)生火災(zāi)次數(shù)未幾，但火災(zāi)后果嚴(yán)重。我國城市交通發(fā)展較歐美國家晚以國外世紀(jì)之交數(shù)據(jù)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(xùn)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(zāi)致災(zāi)原因、種類、火災(zāi)危害和特點等方面的分析，有助于準(zhǔn)確判斷隧道火災(zāi)危險性，采取有效的有針對性的消防設(shè)計，進(jìn)一步保障實施運(yùn)營時的消防安全管理，具有重要的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實意義。

3.1隧道火災(zāi)的起因

統(tǒng)計結(jié)果表明：城市交通隧道一般遠(yuǎn)離市區(qū)，是車輛流通的必經(jīng)之道，火災(zāi)的起因主要為汽車裝載物起火、汽車本身系統(tǒng)故障起火、汽車相撞起火、隧道電氣設(shè)備或電氣線路發(fā)生故障起火引發(fā)火災(zāi)、人為縱火等。

3.2隧道火災(zāi)種類

根據(jù)隧道火災(zāi)的起因和物質(zhì)燃燒的特性分析，隧道可能發(fā)生的火災(zāi)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(zāi)或常溫下呈半凝固狀態(tài)的重油燃燒的火災(zāi)；B類指汽車裝載的可燃液體燃燒的火災(zāi)或汽車自身油箱燃燒的火災(zāi)；C類指汽車運(yùn)載的可燃?xì)怏w燃燒的火災(zāi)；E類為帶電物體燃燒的火災(zāi)。其中以汽車相撞引發(fā)的A、B類火災(zāi)最為常見。這些火災(zāi)由于受隧道空間的限制，火焰和煙霧無法向上發(fā)展，迫使其往縱向擴(kuò)散，并且很快充滿隧道。

從實際火災(zāi)后果來看火災(zāi)一般可分三類：第一類為汽車火災(zāi)，該類火災(zāi)次數(shù)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(zāi)，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(zāi)，可能性較小，但往往釀成大火。德國對易北河隧道初期運(yùn)營統(tǒng)計表明：盡管在平時通行貨車只占15%，但卻有30%的火災(zāi)是由貨車引起的，也就是說貨車比小汽車更容易引起火災(zāi)。故必須加強(qiáng)對貨車火災(zāi)的防范措施，特別是裝載易燃易爆物的貨車火災(zāi)，如處理不當(dāng)，會對人身和財產(chǎn)造成巨大的傷害和損失，常規(guī)的消防設(shè)計處理裝載易燃易爆物的貨車火災(zāi)顯然不夠。

3.3隧道火災(zāi)危害和特點

據(jù)德國GMT現(xiàn)場火災(zāi)實驗表明：轎車失火后不到10min就會形成大火，隧道內(nèi)從起火到猛烈燃燒的時間相當(dāng)短。并且隧道內(nèi)部空間狹窄，隨著火勢發(fā)展和煙氣產(chǎn)生，大量高溫有毒有害煙氣很快充滿隧道，溫度可達(dá)1200℃左右。從實驗和隧道火災(zāi)案例中看出：火災(zāi)類型多樣、發(fā)展快、溫升迅速、火點多發(fā)、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(zāi)撲救難度大，消防設(shè)施作用有限，靠內(nèi)攻效果不佳，救援、通訊等裝備器材功能受限；經(jīng)濟(jì)損失巨大、次生災(zāi)害危害嚴(yán)重、社會影響、整治影響大等。

4　消防設(shè)計要點

4.1設(shè)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(dá)現(xiàn)場，以上海延安東路過江隧道滅火統(tǒng)計數(shù)據(jù)為例，隧道通車時間5年，發(fā)生火災(zāi)10多次，其中65%的火災(zāi)是第一發(fā)現(xiàn)者（司機(jī)和乘客）撲滅的，35%的火災(zāi)是第一發(fā)現(xiàn)者和隨后到達(dá)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(tuán)所屬的隧道為例，1960年至1980年20年間共發(fā)生火災(zāi)24次，其中15次是由第一發(fā)現(xiàn)者以及隧道管理所兼職消防隊員共同撲滅的。這些火場數(shù)據(jù)說明了隧道內(nèi)消防設(shè)計應(yīng)立足自救、方便外援的原則。

4.2設(shè)計內(nèi)容

針對城市交通隧道火災(zāi)的危險性和特點，隧道建設(shè)工程消防設(shè)計涉及建筑防火（隧道結(jié)構(gòu)的耐火等級、縱向橫向防火分隔等）、安全疏散及避難設(shè)施、各類消防設(shè)施（消火栓系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警及監(jiān)控系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、滅火器、應(yīng)急照明和疏散指示標(biāo)志等）和相關(guān)安全保障設(shè)備等的設(shè)計。

通過火災(zāi)自動報警、自動噴水（噴霧、水炮）滅火、視頻監(jiān)控、消防遠(yuǎn)程監(jiān)控、防排煙、應(yīng)急疏散和隧道交通信號系統(tǒng)的互相聯(lián)動、有機(jī)結(jié)合，達(dá)到早期發(fā)現(xiàn)、迅速滅火、及時疏散、減少人員傷亡和財產(chǎn)損失的效果。

4.3設(shè)計要點——防排煙

城市交通隧道建設(shè)工程消防設(shè)計最為特殊和重要的一環(huán)要屬防排煙系統(tǒng)的設(shè)計。城市交通隧道內(nèi)部環(huán)境（包括溫度、濕度、空氣品質(zhì)等）條件很差，建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、出口少、疏散線路長、電氣設(shè)備種類多、人員集中，一旦發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的熱量往往很難及時地散出，且隧道內(nèi)部封閉，導(dǎo)致燃燒多為不充分燃燒。相對于地面建筑而言，火災(zāi)中產(chǎn)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(zāi)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(zāi)事故。據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)時造成的人員傷亡絕大多數(shù)是因為煙氣中毒和窒息所致，因此，科學(xué)地設(shè)置防排煙設(shè)施及事故狀態(tài)下進(jìn)行合理的防排煙處置，對于減少人員傷亡和財產(chǎn)損失具有極為重要的意義。

4.3.1設(shè)計目標(biāo)

城市交通隧道建設(shè)工程的防排煙范圍包括行車道區(qū)域、專用疏散通道區(qū)域和設(shè)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(chǎn)生的各種組合模式。依據(jù)隧道的種類、安全疏散方式，結(jié)合正常工況的通風(fēng)模式來確定排煙模式。對于規(guī)模較大的城市交通隧道的防排煙設(shè)計應(yīng)結(jié)合實際，有針對性地采取性能化消防設(shè)計。

4.3.2確定隧道的火災(zāi)規(guī)模

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》（JTJ026.1-1999）條文說明中提及了除油罐車火災(zāi)外的一般隧道火災(zāi)功率按20MW考慮，而地方標(biāo)準(zhǔn)《公路隧道消防技術(shù)規(guī)范》（DB43/729-2012）第4.1.1條明確了隧道火災(zāi)規(guī)模大小20MW、30MW、50MW。根據(jù)隧道的車流量、行車比例構(gòu)成等交通特征、隧道的幾何構(gòu)造特征，推演隧道可能的火災(zāi)場景，研究不同火災(zāi)場景時的火災(zāi)危險性及分析其發(fā)生的概率，結(jié)合國內(nèi)外同類型、不同類型隧道的火災(zāi)規(guī)模，綜合考慮模擬火災(zāi)場景的真實性，確定合理的火災(zāi)規(guī)模設(shè)計值和模型數(shù)值。

4.3.3確定排煙量

確定合理的排煙量是進(jìn)行排煙系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)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(zhì)量流量。依據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》（DGJ08-88-2006），結(jié)合隧道工程實際和可能的火災(zāi)場景，隧道排煙量的理論設(shè)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(jìn)行數(shù)值模擬，分析火場煙氣溫度、能見度、蔓延范圍和排煙道內(nèi)氣體流速、排煙口溫度，考慮漏風(fēng)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(shè)置及開啟方案也會對火災(zāi)煙氣蔓延和煙控效果產(chǎn)生一定影響。通過數(shù)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(shù)下的火災(zāi)蔓延規(guī)律和煙氣控制效果，綜合考慮設(shè)定合理的排煙口設(shè)置方案（位置、面積和開啟組數(shù)）。

4.3.5抑制煙氣回流的臨界風(fēng)速

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在不同坡度時，不同縱向通風(fēng)速率對煙氣蔓延的控制效果也不一樣，并且通道中各區(qū)段抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速也不同。負(fù)向坡度越大，所需的臨界風(fēng)速越大；正向坡度越大，所需的臨界風(fēng)速越小。對于規(guī)模較大的隧道采取縱向排煙模式時，各個區(qū)段應(yīng)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(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道內(nèi)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(dǎo)風(fēng)速，最終確定合理的煙控氣流組織模式。

5　結(jié)語

總之，通過理論分析與數(shù)字模擬相結(jié)合的方法，利用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件CFD對隧道火災(zāi)的發(fā)展過程及煙氣控制過程進(jìn)行模擬計算，驗證初步設(shè)計能夠達(dá)到的煙氣控制效果。通過研究隧道內(nèi)的火災(zāi)場景下不同通風(fēng)情況下通道內(nèi)的溫度場、能見度場、CO濃度場的多場分布規(guī)律，分析煙氣在隧道內(nèi)的蔓延規(guī)律，探討在不同區(qū)段、不同坡度、不同通風(fēng)情況下的隧道內(nèi)煙氣合理控制方案。

[1]GB50016-2014，建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[2]JTJ026.1-1999，公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范[S].

[3]DB43/729-2012，公路隧道消防技術(shù)規(guī)范[S].

[4]DGJ08-88-2006，建筑防排煙技術(shù)規(guī)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(yè)于武警學(xué)院，高級工程師，主要從事建設(shè)工程消防監(jiān)督管理工作。