摘要 保障特長隧道安全通行是高速公路運營重要部分，特長隧道發(fā)生火災(zāi)時，煙氣流動尤為復(fù)雜，嚴重威脅到隧道安全運轉(zhuǎn)和人員生命財產(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營和管理費用，故當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。針對上述問題，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)。正常運行時采用全射流縱向通風方式，同時設(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現(xiàn)對隧道左右線的排煙。經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試分析，該方法在正常工況和火災(zāi)工況下能夠?qū)λ淼罒煔膺M行有效疏通。

關(guān)鍵詞 特長隧道；煙氣控制；排煙模式；斜井集中排煙

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0022-04

0 引言

隨著國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)模不斷擴大，長且大的公路隧道運營安全工作面臨較大壓力和挑戰(zhàn)?？焖俚慕?jīng)濟發(fā)展使得人民生活水平得到極大提高，私家車、貨運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)的風險，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣無法及時排到隧道外是導(dǎo)致人員傷亡的主要原因。由于隧道是半封閉環(huán)境，當隧道內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)時，其高溫的煙氣會造成視野能見度降低，極容易造成隧道內(nèi)車輛堵塞，同時空氣中的一氧化碳含量增加，嚴重影響現(xiàn)場人員的疏散，極大威脅人員生命財產(chǎn)安全^[1]。因此，研究如何將火災(zāi)引起的煙氣及時有效排放出隧道，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。國內(nèi)以縱向排煙模式為主，國外發(fā)達國家以集中排煙模式為主。其中，我國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影響到現(xiàn)場人員撤離，無法滿足防災(zāi)要求。集中排煙模式排煙能力強，且滿足防災(zāi)要求，但其成本高^[2]。因此，鑒于長度大于5 000 m的隧道數(shù)量日益增多，此類隧道通風排煙方式問題亟待解決。

1 排煙控制原理

火災(zāi)會產(chǎn)生大量的有毒氣體，引起附近高溫，在隧道半封閉場景下，嚴重威脅現(xiàn)場人員的生命安全，合理的排煙模式能夠有效地減少火災(zāi)造成的人員傷亡，降低財產(chǎn)損失。國內(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設(shè)備形成的縱向氣流速度大于臨界風速，且流動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)生地點下游排放。該方式可控制煙氣流動方向，但會加快火災(zāi)蔓延速度。若對煙氣控制不合理，易造成隧道內(nèi)能見度下降，空氣稀薄，對車輛疏散、人員撤離甚至火災(zāi)救援均會產(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，嚴重時會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，該火災(zāi)發(fā)生位置前后方都有車輛和人員，此時，煙氣無論如何流動都會威脅到現(xiàn)場人員的生命安全。故縱向排煙模式在發(fā)生火災(zāi)時，不符合隧道防災(zāi)要求。

1.2 集中排煙模式控制原理

國外一些發(fā)達國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模式。在隧道運營使用階段結(jié)合全橫向或半橫向兩種模式^[3]，如半橫向送風型，正常情況下送風通道則用于輸送新風。若出現(xiàn)火災(zāi)，可將軸流風機按相反方向轉(zhuǎn)動，可用于排煙。同時，將除了火源附近的風閥打開，其他的均關(guān)閉，輔以兩側(cè)的縱向氣流防止煙氣混亂，此時排煙風閥可排走煙氣^[3]。使用集中排煙模式，可以有效控制煙氣擴散，火災(zāi)現(xiàn)場氣體對司乘人員威脅極大降低，同時該模式下消防救援人員可在隧道兩側(cè)展開救援，滿足防災(zāi)要求。

2 火災(zāi)排煙設(shè)計方案實踐

該方案實施于青云山隧道，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)計為分離式隧道，洞室凈空14.75×5 m，起訖樁號左線ZK344+710～ZK350+610，長5 900 m；右線YK344+645～YK350+655，長6 010 m，呈132°方向展布；進洞口設(shè)計標高左線351.4 m、右線349.2 m，出洞口設(shè)計標高左線388.8 m、右線386.6 m；隧道最大埋深約808 m，屬特長深埋隧道。

2.1 煙氣控制需求分析

隧道火災(zāi)煙氣控制即為通過開啟一定數(shù)量的風機，控制煙氣在隧道洞口的運動路徑，相關(guān)控制參數(shù)包括不同火災(zāi)場景下的煙氣控制參數(shù)和不同煙氣控制目標下的風機控制參數(shù)兩部分。

2.1.1 不同場景下的煙氣控制參數(shù)

根據(jù)火災(zāi)場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)的煙氣控制指標與通風控制指標（包括不同防煙分區(qū)的煙氣層厚度、蔓延時間、縱向控制風速等），為火災(zāi)工況下的人員疏散與防災(zāi)救援提供一個有利的環(huán)境。

2.1.2 不同煙氣控制目標下的風機控制參數(shù)

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

2.2 火災(zāi)排煙設(shè)計方案

在《公路隧道設(shè)計細則》（JTG/T D70—2010）中規(guī)定的單向隧道設(shè)計風速不超過10 m/s，青云山隧道左右線的近期和遠期設(shè)計的風速都未超過該規(guī)定的風速數(shù)值。因此青云山隧道采用全射流縱向通風排煙模式，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)情況下及時排煙。

2.2.1 正常運營通風狀態(tài)

隧道左洞和右洞在正常運營情況下使用全射流縱向通風模式，根據(jù)統(tǒng)計自然風阻抗力與通風阻抗力以及設(shè)計的不同速度產(chǎn)生的交通風力控制工況，得到該控制工況所需的射流風機的數(shù)量。射流風機的直徑參數(shù)是Φ1 120 mm型，風機技術(shù)參數(shù)：電機功率37 kW，出口風速33 m/s，流量32.5 m³/s?？紤]隧道斷面較大，同時為了減少射流風機的組數(shù)和供電電纜的長度，故射流風機按照每3臺為一組進行布置。風機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

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)對產(chǎn)生火災(zāi)區(qū)域進行劃分，其次分析現(xiàn)場火災(zāi)地點的受困人員疏散和車輛撤離線路，以規(guī)劃控制風機運轉(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)場情況，該隧道劃分為2個防火區(qū)段，如圖1所示，當火災(zāi)發(fā)生在A區(qū)段時，采用豎井集中式排煙；當火災(zāi)發(fā)生在B區(qū)段時，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)生時人員逃生與風機控制

（1）左線發(fā)生火災(zāi)。隧道左線發(fā)生火災(zāi)時，快速封閉隧道進口通道，防止洞外車輛繼續(xù)駛?cè)攵磧?nèi)。上游人員棄車通過車行及人行橫洞進入對向隧道進行逃生?；鹪聪掠诬囕v快速駛出隧道。

根據(jù)現(xiàn)場情況，現(xiàn)場工作人員指揮已駛?cè)胨淼儡囕v駛出洞外，同時封閉未發(fā)生火災(zāi)隧道，確保消防救援車輛可快速到達火災(zāi)發(fā)生地點進行救援。

迅速啟動左線隧道內(nèi)距離火災(zāi)發(fā)生地點約150 m 以外的射流風機，將煙霧直接從洞口排除。確保煙氣不回流，使火災(zāi)發(fā)生地點的上游車輛安全駛出隧道。開啟右線全部射流風機保持對隧道正壓，防止煙霧進入對向隧道^[5]。

（2）右線發(fā)生火災(zāi)。右線隧道發(fā)生火災(zāi)，立即關(guān)閉隧道進口，阻止洞外車輛駛?cè)?。上游人員棄車通過車行及人行橫洞進入對向隧道進行逃生?；鹪聪掠诬囕v快速駛出隧道。

根據(jù)現(xiàn)場情況，現(xiàn)場工作人員指揮已駛?cè)胨淼儡囕v駛出洞外，同時封閉未發(fā)生火災(zāi)的隧道，確保消防救援車輛可快速到達火災(zāi)發(fā)生地點進行救援。

迅速啟動右線隧道內(nèi)距離火災(zāi)發(fā)生地點約150 m以外的射流風機，將煙霧直接從洞口排除。確保煙氣不回流，使火災(zāi)發(fā)生地點的上游車輛安全駛出隧道。開啟左線全部射流風機保持對隧道正壓，防止煙霧進入對向隧道^[5]。

2.3 通風系統(tǒng)測試

2.3.1 正常工況測試

（1）測試內(nèi)容：①風機啟動至正常運行耗時；②開啟不同數(shù)量射流風機工況下的洞內(nèi)風速。

（2）測試步驟：①測試洞內(nèi)自然風速（盡量保證洞內(nèi)零風速）；②啟動1組射流風機并記錄風機啟動時間；③風機啟動后每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；④第1組風機啟動5 min后，啟動第2組風機；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組風機啟動5 min后，啟動第3組風速；⑦每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；⑧順序啟動射流風機并記錄風速數(shù)據(jù)，直至所有風機啟動完畢。

（3）測試數(shù)據(jù)分析。射流風機現(xiàn)場測試旨在掌握射流風機開啟數(shù)量與洞內(nèi)縱向風速的對應(yīng)關(guān)系。為了盡可能降低自然風對通風測試的影響，通風測試選擇在自然風速相對比較小的上午時段開展。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對風機啟動數(shù)量與洞內(nèi)縱向風速相關(guān)關(guān)系進行數(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)縱向風速與射流風機啟動數(shù)量之間符合如下函數(shù)關(guān)系：

y=?0.007x₂+0.4·x （1）

式中，y——縱向風速（m/s）；x——風機啟動臺數(shù)。

2.3.2 火災(zāi)工況測試

（1）工況測試1。當火災(zāi)發(fā)生在左線A區(qū)段時，開啟A區(qū)段射流風機和斜井風機，保持3.1 m/s的臨界風速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，右洞保持正常運營通風，如圖4所示。

（2）工況測試2。如圖4所示，當火災(zāi)發(fā)生在左線C區(qū)，斜井附近（±50 m）范圍時：開啟A區(qū)段射流風機和斜井排風機，煙氣從斜井和出口排出，右洞保持正常運營通風。

（3）工況測試3。如圖4所示，當火災(zāi)發(fā)生在B2區(qū)段，斜井排煙軸流風機關(guān)閉，保持4.6 m/s的臨界風速，煙氣沿著B區(qū)段從出口排出，右洞保持正常運營通風。

（4）工況測試4。如圖4所示，當火災(zāi)發(fā)生在右線A2區(qū)段時，開啟A區(qū)段射流風機和斜井排煙軸流風機，保持4.6 m/s的臨界風速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，左洞保持正常運營通風。

（5）工況測試5。如圖4所示，當火災(zāi)發(fā)生在右線A1區(qū)段時，開啟A區(qū)段射流風機和斜井排煙軸流風機，保持3.1 m/s的臨界風速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，左洞保持正常運營通風。

（6）工況測試6。如圖4所示，火災(zāi)發(fā)生在右線B區(qū)段，斜井排煙軸流風機關(guān)閉，相當于把整個隧道作為一個防火區(qū)段的火災(zāi)工況，采用射流風機排煙，保持4.6 m/s的臨界風速，煙氣沿著B區(qū)段從出口排出，左洞保持正常運營通風。

2.3.3 測試總結(jié)

經(jīng)過現(xiàn)場測試，射流風機在火災(zāi)發(fā)生時，能在60 s內(nèi)從靜止狀態(tài)啟動到火災(zāi)不同階段排煙系統(tǒng)所需要的運行工作狀態(tài)，提供的風速滿足設(shè)計要求。排煙軸流風機能夠提供滿足設(shè)計要求的排風量。經(jīng)現(xiàn)場風速測試，排風聯(lián)絡(luò)道內(nèi)風速穩(wěn)定區(qū)域為2～3 m/s，火災(zāi)工況時疏散階段風機開啟臺數(shù)能夠滿足控煙需要。

3 總結(jié)

該文設(shè)計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，在正常運營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。通過現(xiàn)場隧道測試，在正常工況下，通過開啟不同數(shù)量射流風機風速保持正常速度。在模擬火災(zāi)工況下，對不同區(qū)域火災(zāi)進行測試，隧道內(nèi)保持正常通風。因此，該文設(shè)計的方案均能滿足風速和排風量的設(shè)計要求。

參考文獻

[1]楊黎， 楊瑩瑩， 韋良文， 等. 公路隧道機械排煙效果影響因素研究綜述[J]. 武漢理工大學學報（信息與管理工程版）， 2019（5）： 479-484.

[2]王亞瓊， 楊少鵬， 任銳， 等. 射流風機位置對隧道火災(zāi)煙氣蔓延特性的影響[J]. 長安大學學報（自然科學版）， 2023（1）： 49-61.

[3]吳德興， 李偉平， 鄭國平. 國內(nèi)外公路隧道火災(zāi)排煙設(shè)計理念比較[J]. 公路交通技術(shù)， 2008（5）： 113-117+127.

[4]高云驥， 李智勝， 羅越揚， 等. 縱向通風與豎井自然排煙下隧道火災(zāi)煙氣特性實驗研究[J]. 消防科學與技術(shù)， 2022（2）： 185-191.

[5]王華. 秀村特長隧道通風系統(tǒng)設(shè)計計算[J]. 福建交通科技， 2014（6）： 40-44.

[6]孫繼洋. 山西太古路西山隧道通風方案研究[J]. 公路， 2011（7）： 279-286.

收稿日期：2023-09-27

作者簡介：楊樂（1981—），男，本科，工程師，研究方向：高速公路機電工程。