公路隧道火灾事故危险性及救援应对措施研究

熊 泰 段 伟

（毕节市消防救援支队，贵州 毕节 551700）

0 引言

最近一段时间以来，随着国内宏观经济建设水平的稳定提升，公路隧道工程的建设进入了高速增长的时期。截至2020年末，国内的公路隧道一共有19 069处，总长度为18 966.9 km。随着隧道工程的逐年递增，公路隧道工程相关的火险事故也相应增加，因为隧道的结构是比较狭长、封闭性较强的管状的主体结构、出口和入口的数量比较有限，并且通风换气的条件不佳，所以在隧道的内部出现火险事故的情况下，火势的存续时间比较长，内部的烟雾不易轻易排放，消防灭火以及被困人员的撤离任务相对于其他形式的建筑结构更为困难。加上在相对封闭的空间内热量会大幅度集聚，温度最高的情况可以达到1 200 ℃以上，假如隧道内部的火势应对不妥当或者救援工作不到位，很可能会导致被困人员出现大量的伤亡情况。为此，对于公路隧道内部的火灾事故危险性进行深入分析，对这类火灾的应对措施进行研究就非常有必要。

1 公路隧道内部火灾事故的主要特点

1.1 环境温度高、烟气毒气浓度大、人员疏散难度较大

通常来说，公路隧道内部出现火险之后，温度较高的浓烟及毒气将会迅速弥漫开来，有可能导致被困人员出现窒息，甚至中毒死亡，根据研究数据，人体在有毒有害气体或是浓烟中大约持续3 min～4 min就可能出现生命危险，这种情况给被困人员的撤离工作及消防人员进行灭火和救援任务带来非常大的威胁。例如，2018年“7·29”沈海高速公路台州路段猫狸岭隧道内一辆货车的轮胎意外起火将随车运载的货物点燃，这次火灾产生了大量有毒的浓烟，造成后面进入隧道的若干车辆以及人员被困在隧道内部，该事故一共导致4人死亡、32人受伤的严重后果。

1.2 隧道内通路堵塞，被困人员撤离难度较大

公路隧道通常位于城市交通干道的主要出入口处，车流量较大，并且纵深较长，交通高峰的时段，可能会滞留较多的车辆，此时如果出现事故，被困的车辆很难调头撤离，极易引起道路的堵塞，造成为数众多的人员被困在隧道内部，并且很难迅速撤离。

1.3 损失通常都会比较严重，社会负面影响较大

某些隧道的火灾险情通常伴随着燃油或者危险化学品的泄漏状况，如果遇到火源产生爆炸、燃烧等险情，极易造成二次灾害、环境的严重污染以及重大的人员伤亡情况。如2017年在晋济高速公路发生的“3·3”岩后隧道的特别重大道路危险化工品燃爆的事故导致了极其重大的人员伤亡的后果以及非常负面的社会不良影响[1]。

2 相关研究模型的生成

2.1 生成隧道的相关数学模型

该文的研究综合了《公路隧道规划设计规范》中第4.6.7及12.3条的相关规定，并且参考了某大学的工程研究院以及中交集团第一公路工程勘察设计研究院的有关设计过程使用的参数，设计了“主干隧道+平行导洞”的终稿设计计算数学模型。该隧道的计算模型设计的长度取值为900m，轴心之间的距离取值为20 m，如图1所示。在该计算的数学模型中一共设置了3个横向的通路，顺次是1#车辆通行横洞、2#人行横洞以及3#车辆通行横洞，相邻的横向通道的间距取值为250 m，如图2所示。主干隧道的主体结构的建筑界限取值为9.5 m ×5.5 m，平行的导洞的建筑界限取值为4.5 m ×5.5 m，车辆通行的横向通路的建筑界限取值为4.5 m ×5.0 m，人行横向通路的建筑界限取值为2.2 m ×2.55 m。在PHOENICS软件中的计算模型如图2所示。

2.2 火源的设定

火源部分的热释放效率是制约公路隧道火灾的最主要的因素之一。《公路隧道规划设计规范》中第5.5.3条说明：针对单洞类型的双向行驶的公路隧道结构，火源的热释放效率取值20 MW。在进行FDS形式的数值模拟仿真过程中以及后续的相关模型是试验进程中忽略火源的类型以及尺寸变化的影响，而是仅考虑火源的热释放效率的差异带来的各种影响和变化。该文研究的过程进一步综合了赫塞尔登提出的火源热释放效率的统计成果以及PIARC（国际道路会议常设会议）提出的火源热释放效率的相关标准数值，最后将火灾现场的热释放效率取值为5 MW（也就是模拟小轿车进行燃烧）、20 MW（也就是模拟货车进行燃烧）、30 MW（也就是模拟重型卡车进行燃烧）。公路隧道内部的火灾的主要特性受到火源的热释放效率的影响很明显，并且火源电脑热释放效率的数值将会直接关系到后续隧道内部的温度场分布情况以及CO气体的浓度场分布，最终反应显著影响了被困人员逃生成功的概率。火源外形尺寸对于火灾所导致的影响效果非常微小，火源车辆的外形尺寸按照卡车进行设定，具体尺寸是4.0 m ×1.7 m× 1.5 m=10.20m3，而公路隧道数学模型是900.15m×62.50m2=56275m3。两者进行比较以后是10.20m3/56275m3=0.0001812，火源外形尺寸取值对计算结果的影响较小，能够忽略不计。考虑卡车外形尺寸来统一设定火源外形尺寸，取值为5 MW、20 MW、30 MW的火源热能释放效率，并且统一将火源外形尺寸设定为4.15 m ×1.55 m× 1.73 m[2]。

相关消防工程技术人员在计算过程中把模拟燃烧的时间设置成15.5分钟。参考图1，把主干隧道入口断面设置为笛卡尔坐标系中Z轴=0的平面，火源坐标设定在主干隧道中心位置（Z=450 m），即2#人行横洞的区域，而且此人行横洞处在封闭状态。当火源进行燃烧的时候，被困人员和相关车辆将会经过1#及3#车行横洞快速撤离主干隧道驶入至平行式导洞或者由主干隧道两侧撤离（如图2与图3所示）。由于该情况被困人员以及被困车辆的疏散距离最大，为最差状态的工况，所以将主干隧道中心位置设计为火源点所在的位置。

图1 主干隧道以及平行导洞的横断面

图2 PHOENICS计算模型

图3 火灾烟气控制示意图

2.3 初始、边界条件研究

主干隧道与平行导洞根据表1设定相应的初始及边界条件。空气的密度是制约公路隧道发生火灾相关计算的关键因素，为了获取与公路隧道火灾发生时比较相近的空气密度数值，综合数值模拟仿真的计算方法，选定0.9 kg/m3～1.25 kg/m36种密度作为仿真计算的工况，算出的相同工况下公路隧道火灾中心层温度等值线图进行比较与校核，最后计算得到当空气密度为0.85 kg/m3时，仿真计算得到的结果和公路隧道火灾真实状况吻合程度较高。当公路隧道出现火灾以后，隧道内的空气密度为0.9 kg/m3，相关消防工程技术人员在进行公路隧道火灾模拟仿真计算的过程中也选用0.9 kg/m3的空气密度参数值，所以该处选定0.9 kg/m3作为空气密度进行模拟仿真计算。

2.4 特征点分布

该文选定主干隧道中心线位置距离地表1.85 m高位置处作为监控特征曲线的位置，从而在火灾上、下游分别选定16个特征点，距火源中心长度分别是：15 m、35 m、55 m、105 m、155 m、205 m、235 m、255 m，并且以此为基础研究各种类型火灾大小情况下的一氧化碳、温度场、烟雾场与及能见程度的变化规律特性。

表1 初始、边界条件表

2.5 模拟火灾工况研究

该文研究了各种火灾规模、主干隧道纵向通风速

度以及纵向对吹风的速度、平导式对吹风的速度，总共挑选了12种工况（见表2），研究火焰燃烧过程中的能见度、温度场及烟雾场的发展演变特征，并且进一步把计算所得的温度场与一氧化碳浓度状况用在模拟仿真计算被困人员可能的安全撤离时间。该位置主干隧道纵向通风速度就是在主干隧道入口位置指定的纵向通风速度，主通道对吹风速度就是在主干隧道两端出口及入口所指定的对吹流向的纵向通风速度，平导形式的对吹风速度就是在平行式导洞两端出口及入口所指定的对吹流向的的纵向通风速度。

表2 隧道火灾数值模拟工况（12种）表

3 公路隧道火险通风排烟技术研究

因为公路隧道主体结构的限制及制约，加上受到行驶在公路隧道内部的车辆尾气的制约，所以公路隧道内部空气中氧气的含量相对于外界较低，公路隧道内部出现火情之后，将会生成大量的燃烧未完全的产物，发出浓烟将会快速进行扩散。根据相关试验结果得出，火灾现场浓烟蔓延的速度超过火焰的7倍以上，公路隧道内部出现的火情通常视为一个火源点，由于受到公路隧道空间结构的影响，因此浓烟的扩散速度较大，通常将在起火以后6 min左右进行蔓延，18 min时达到最大浓度，浓烟扩散的结果使隧道内部能见度显著降低，并且在浓烟中的一氧化碳属于一种无味、无色及有毒性较强的可燃性气体，危险性较大。当公路隧道的出口处出现5 m/s自然逆向风的时候，射流式风机使用公路隧道两侧集中排布的技术方案，2台一组，由公路隧道入口及出口距隧道洞口210 m进行排布，考虑公路隧道曲率的影响，需要间隔125 m～155 m安装一组。在通常情况下，一氧化碳气体的安全浓度是210 ppm，烟雾气体安全浓度是7.15×10-3mol/L；当发生交通堵塞的状况下，一氧化碳气体平均浓度是350 ppm，烟雾浓度是9.85×10-3mol/L；除此以外公路隧道内部风速需要符合稀释空气中异味的需求风量需要的风速。公路隧道内部火灾规模根据25 MW进行规划设计，在使用纵向排烟装置的过程中，需要公路隧道内部的风速达到5 m/s。现阶段，消防部门装备的移动式排烟装置多数情况下是电动排烟设备及水利驱动排烟设备等，该设备是应对公路隧道内部火灾险情的一把“利剑”。在公路隧道进行了大功率、冷烟及热烟排烟车辆等移动形式排烟装置的性能试验，其中大功率排烟车辆及759涡喷车辆对于公路隧道内部排烟具有良好的排烟效果。

4 公路隧道火灾事故救援措施

4.1 快速启动相关预案

一旦指挥中心接到险情的报警信息，需要快速进行相关安全预案的启动。1）公路隧道出现火灾事故以后，需要快速启动应急预案，调派消防、公安及应急等部门积极开展应急救援任务。2）消防队指挥部必须在第一时间赶到火灾现场，迅速下达增援指令。3）调配抢险救援车辆、移动式水炮车辆、高密度数泡沫及发生装置等消防救援车辆。

4.2 施行交通管制及疏散

隧道的空间特点，决定了需要腾出足够的救援场地，因此需要及时进行适当的交通管制措施。1）交管部门针对出现火灾事故的公路隧道实施交通管制，将已经上路的车辆进行分流。2）消防救援人员抵达火灾现场以后，在距火灾地点600 m处开始进行警戒，安排警示人员，提醒后方来车需要减速及避让。3）遇到有危化品泄露的情况，必须拉起警戒线，封锁事故发生路段的交通。

4.3 排烟降温及检测

隧道内部是相对封闭的空间，因此对于烟气的排除工作是事关被困人员安全的关键环节。1）侦测技术人员携带侦检设备进入火灾现场，查明火灾险情的具体位置，掌握公路隧道内设施的运行状况。2）针对火灾事故进行定量及定性，查找泄露物，提出下一步解决措施。3）需要快速开启固定式排烟风机，为隧道内部被困人员疏散逃生及灭火工作提供有力保障[3]。

5 结语

综上所述，在公路隧道出现火灾险情的时候，采用科学合理的通风模式，制定正确的行车路径，才可以行之有效地进行救援。该文在研究公路隧道火灾危险性的前提下，结合真实案例，提出了该类火灾的救援措施，希望能给公路隧道火灾事故中的灭火救援工作提供理论依据。