楊 陽

(深中通道管理中心，廣東 中山 100191)

公路隧道是一個(gè)半封閉結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致重大的人員及財(cái)產(chǎn)損失。1999 年連接法國和意大利的勃朗峰隧道發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致39 人死亡。2014 年晉濟(jì)高速巖后隧道發(fā)生火災(zāi)造成40 人死亡的慘劇。國內(nèi)外隧道發(fā)生火災(zāi)造成的慘劇，給人們敲響了隧道運(yùn)營安全的警鐘。

隧道火災(zāi)熱釋放率是隧道消防救援系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，直接影響到隧道消防救援系統(tǒng)的配置和隧道防火系統(tǒng)的設(shè)置規(guī)模。火災(zāi)熱釋放率受隧道通行車輛的種類和數(shù)量等因素制約，取值十分復(fù)雜。如何根據(jù)隧道的實(shí)際情況，設(shè)置合理的隧道火災(zāi)熱釋放率是亟待解決的問題。本文對(duì)國內(nèi)外隧道火災(zāi)相關(guān)成果進(jìn)行了分析，對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行了調(diào)研和分析、給出了火災(zāi)工況下煙氣生成量的計(jì)算方法，有助于設(shè)計(jì)人員對(duì)火災(zāi)熱釋放率的理解和選取[1]。

1 國內(nèi)外隧道火災(zāi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對(duì)公路隧道火災(zāi)工況下安全性進(jìn)行了大量研究。早在1987 年，為研究在乘客與其車輛不分離的情況下，通過海峽隧道的安全性，歐洲進(jìn)行了隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程、火災(zāi)在隧道內(nèi)車輛間的傳播特性的試驗(yàn)以及足尺隧道內(nèi)的疏散試驗(yàn)。1990~1992 年期間，由德國發(fā)起了EUREKA EU 499：FIRETUN-Fires in Transport Tunnels 項(xiàng)目，共進(jìn)行了20 多次足尺火災(zāi)試驗(yàn)。2003 年，挪威利用廢棄的Runehamar 隧道進(jìn)行了大型的隧道防災(zāi)試驗(yàn)，主要研究重型貨車的火災(zāi)發(fā)展規(guī)律，采用50MW~ 200MW 的火源功率，模擬通行LPG（液化石油氣） 車輛的隧道發(fā)生火災(zāi)，研究了水噴霧系統(tǒng)對(duì)隧道火災(zāi)的影響。2006~ 2010 在德國開展的SOLIT：Safety of Life in Tunnels 項(xiàng)目建立了足尺模型隧道進(jìn)行火災(zāi)試驗(yàn)，模型長600m，斷面高8.15m，支持縱向和橫向通風(fēng)，主要研究水噴淋系統(tǒng)在隧道內(nèi)的可靠性和生命周期，并建立隧道內(nèi)水噴淋系統(tǒng)的試驗(yàn)和性能評(píng)估方法。2009 后，德國開展SOLIT2 研究項(xiàng)目，重點(diǎn)研究固定滅火系統(tǒng)在隧道中的應(yīng)用。

歐洲各國對(duì)于隧道火災(zāi)安全的研究都非常重視，成立了一系列的研究組織。在勃朗峰隧道火災(zāi)和托恩隧道火災(zāi)發(fā)生后，歐洲開展了大量的隧道防火研究項(xiàng)目，包括：

1） DARTS（2001~2004）（Durable And Reliable Tunnel Structures） 該項(xiàng)目形成了一套集成的隧道設(shè)計(jì)流程。

2） FIT（2001~2005）（Fire In Tunnels） 該項(xiàng)目目的是建立一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)咨詢數(shù)據(jù)庫作為發(fā)布和共享隧道火災(zāi)研究成果的平臺(tái)。

3） Safe Tunnel（2001~2004）（Safety in Road Tunnels） 主要目的是減少公路隧道火災(zāi)事故的數(shù)量和引起的后果。

4） SIRTAKI（2001~2004）（Safety Improvement in Road&Rail Tunnels using Advanced Information Technologies and Knowledge Intensive Decision Support Modes） 改革目前隧道安全和應(yīng)急的運(yùn)營管理理念。

5） Virtual Fires（ 2001 ~2004）（Virtual Real Time Emergency Simulator） 該項(xiàng)目的主要目的是開發(fā)可行的隧道火災(zāi)模擬系統(tǒng)。

6） UPTUN（2002~2006）（Cost-effective, Sustainable and Innovative Upgrading Methods for Fire Safety in Existing Tunnels） 針對(duì)既有隧道開發(fā)新的隧道火災(zāi)探測(cè)、監(jiān)控和減災(zāi)方法，以及發(fā)展、驗(yàn)證和完善合理的隧道火災(zāi)安全評(píng)估方法。

美國在1989 年開展了著名的（MTFVTP） 實(shí)驗(yàn)。是在一個(gè)廢棄的公路隧道進(jìn)行系列防火測(cè)試、隧道通風(fēng)系設(shè)施配置及煙氣控制技術(shù)等研究。研究成果已列入NFPA502- 2011 條款。

我國也開展了隧道火災(zāi)防控技術(shù)研究。西南交通大學(xué)以秦嶺終南山特長公路隧道為依托，對(duì)公路隧道內(nèi)火災(zāi)規(guī)律、豎井通風(fēng)技術(shù)、疏散策略進(jìn)行了研究。中南大學(xué)開展了獅子洋水下隧道綜合防災(zāi)與運(yùn)營管理技術(shù)研究；開展了蒼嶺隧道、括蒼山隧道、雙峰隧道等公路隧道排煙道模型試驗(yàn)研究及頂隔板耐火性能試驗(yàn)研究。北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究對(duì)港珠澳大橋沉管隧道進(jìn)行了火災(zāi)工況下煙霧擴(kuò)散規(guī)律以及人員疏散安全性研究。天津消防研究所開展了城市特長水底隧道防火關(guān)鍵技術(shù)研究。

目前我國對(duì)隧道火災(zāi)雖然已經(jīng)進(jìn)行了不少研究，取得了一定得成果，但由于我國隧道防火研究起步較晚，成果還不夠系統(tǒng)。我國還沒有系統(tǒng)、完善的隧道火災(zāi)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)[2-6]。

2 客車火災(zāi)熱釋放率試驗(yàn)研究

20 世紀(jì)40 年代中后期，美國便開始了系統(tǒng)的汽車火災(zāi)研究工作，美國國家防火協(xié)會(huì)（NFPA） 通過發(fā)布美國車輛火災(zāi)趨勢(shì)報(bào)告，對(duì)發(fā)生汽車火災(zāi)的傷亡損失、起火部位、起火原因等進(jìn)行分析，對(duì)汽車火災(zāi)的研究發(fā)展起到了重要的指導(dǎo)作用。

1999 年, Peacock 等對(duì)一輛小型客車作了兩次汽車火災(zāi)實(shí)驗(yàn),基于氧消耗原理,測(cè)量了熱釋放速率,并記錄了車廂內(nèi)溫度與氣體濃度的變化。2000 年，Steinert 在一個(gè)7m×5m×4.5m（長×寬×高） 的車庫中進(jìn)行了一系列的汽車火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)車數(shù)為1 到3 輛，車距為80cm。試驗(yàn)得到了汽車火災(zāi)燃燒現(xiàn)象、溫度、氣體濃度、熱流量、質(zhì)量損失率和熱釋放速率等隨時(shí)間的變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)車輛釋放的總釋放熱量和最大熱釋放速率存在某種線性關(guān)系，兩者比值介于0.55MW/GJ 和0.85MW/GJ 之間。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)于汽車火災(zāi)發(fā)生的原因、機(jī)理及火災(zāi)危害性開展了大量的研究工作。2002 年,中國礦業(yè)大學(xué)程遠(yuǎn)平教授等采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)一輛兩廂式小汽車進(jìn)行了系統(tǒng)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究。2006 年，由清華大學(xué)公共安全研究中心聯(lián)合中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所、北京市消防局對(duì)一輛三廂式小汽車進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究。2010 年孫璇等人在中國建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所實(shí)驗(yàn)場(chǎng)對(duì)一輛三廂式小汽車進(jìn)行了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)獲得了汽車火災(zāi)發(fā)生可能性、駕駛艙火災(zāi)蔓延順序及火災(zāi)中溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律等成果。公安部天津消防研究所在十二五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目研究中，開展了多次單車熱釋放率性能試驗(yàn)。

匯總國內(nèi)外有試驗(yàn)記錄的37 次單車試驗(yàn)數(shù)據(jù)，熱釋放速率峰值集中在3MW ～5MW，在這個(gè)區(qū)間的占43.2%，所有試驗(yàn)，熱釋放速率峰值小于5MW 的占81%。

同樣，對(duì)有試驗(yàn)記錄的37 次試驗(yàn)中，從有效燃燒到熱釋放速率達(dá)到峰值的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，達(dá)到熱釋放速率峰值的時(shí)間小于30min 的試驗(yàn)占83.7%，在20min 之內(nèi)的占56.7%，在10min 之內(nèi)的占24.3%[4-7]。

3 貨車火災(zāi)熱釋放率試驗(yàn)研究

表1 世界各國貨車熱釋放率的研究匯總

世界各國廣泛開展了隧道火災(zāi)的研究，重點(diǎn)針對(duì)貨車車輛的熱釋放率。表1 是各組織機(jī)構(gòu)推薦的煙氣產(chǎn)生量（m3/s） 及峰值熱釋放率（MW） 值。它們是通過大量的實(shí)驗(yàn)獲得的。

2001, 在荷蘭Benelux 隧道開展了重型卡車火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，如圖1，火災(zāi)測(cè)試峰值熱釋放率在15MW 到40MW。

2003 在挪威的Runehamar road tunnel 開展了4 次大規(guī)模火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，得出高于200 MW 的峰值熱釋放速率?；饒?chǎng)最高溫度高達(dá)1350℃[4-7]。

4 既有隧道火災(zāi)熱釋放率研究

國內(nèi)外既有隧道火災(zāi)熱釋放率如下表所示：

表2 部分水下隧道采用的火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)

可以看出，不同國家采用的隧道火災(zāi)設(shè)計(jì)火源功率差異較大。我國尚未有相關(guān)規(guī)范直接給出隧道內(nèi)不同車輛的火災(zāi)規(guī)模推薦值，在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ 026.1-1999 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[2,3,6,7,9]。

5 火災(zāi)工況下煙氣生成量研究

煙氣生成量計(jì)算模型是定量研究和分析煙氣流動(dòng)規(guī)律及進(jìn)行煙氣控制的重要手段，它受火災(zāi)規(guī)模、平均火焰高度、材料特性和建筑空間特性等諸多因素的影響。在一定的建筑空間和火災(zāi)規(guī)模條件下，煙氣生成量主要取決于煙羽流的質(zhì)量流量。

結(jié)合港珠澳大橋海底隧道工程實(shí)際及可能的火災(zāi)場(chǎng)景，軸對(duì)稱煙羽流的煙氣生成量可采用下式計(jì)算：

式中：Qc為對(duì)流熱釋放速率，Qc=0.7Q；

zl為平均火焰高度，m。zl=0.166Qc2/5。

假設(shè)燃料面為行車道路面，當(dāng)所產(chǎn)生的煙氣全部被排出時(shí)，煙氣層底部即為排煙道頂板底面，此時(shí)z即為行車道路面到排煙道頂隔板面底面的高度7.2m[2,4,5,7,8,9,10]。

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對(duì)不同車輛的火災(zāi)規(guī)模推薦值，分別取熱釋放速率值為10 MW、20 MW、30 MW、50 MW、100 MW，計(jì)算結(jié)果如下所示：

表3 不同火災(zāi)熱釋放率下的煙氣生成量

6 結(jié)語

熱釋放速率受隧道結(jié)構(gòu)、地理位置、行駛車輛類型及貨物種類、通風(fēng)條件等因素影響。熱釋放速率的確定將為煙氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)、為結(jié)構(gòu)防火的設(shè)計(jì)提供依據(jù)、為固定滅火系統(tǒng)配置提供依據(jù)，而且是性能化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[3,4]。本文介紹了公路隧道火災(zāi)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、對(duì)客車及貨車火災(zāi)試驗(yàn)進(jìn)行了介紹、對(duì)國內(nèi)外典型隧道火災(zāi)實(shí)際當(dāng)量的選取進(jìn)行調(diào)研和分析，對(duì)火災(zāi)工況下煙霧生成量計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，本文有助于設(shè)計(jì)及科研人員對(duì)公路隧道火災(zāi)熱釋放率的認(rèn)識(shí)，并為火災(zāi)熱釋放率的選取提供了借鑒。