隧道火灾烟气智能控制技术与实践
2024-01-09杨乐
摘要 保障特长隧道安全通行是高速公路运营重要部分，特长隧道发生火灾时，烟气流动尤为复杂，严重威胁到隧道安全运转和人员生命财产。由于纵向排烟在双向隧道中存在安全隐患，而集中排烟则增加运营和管理费用，故当前隧道排烟模式以采用纵向排烟模式和集中结合模型为主。针对上述问题，文章提出一种采用多种排烟模式结合的烟气控制技术。正常运行时采用全射流纵向通风方式，同时设置排烟斜井集中排烟方式作为火灾工况下的排烟措施以实现对隧道左右线的排烟。经过现场数据测试分析，该方法在正常工况和火灾工况下能够对隧道烟气进行有效疏通。
关键词 特长隧道；烟气控制；排烟模式；斜井集中排烟
中图分类号 U495文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0022-04
0 引言
随着国家高速公路和地方高速公路不断向山岭重丘区延伸，数量不断增加、规模不断扩大，长且大的公路隧道运营安全工作面临较大压力和挑战。快速的经济发展使得人民生活水平得到极大提高，私家车、货运车等各种车辆井喷式增加，导致隧道车流量增大，加大了隧道发生火灾的风险，火灾产生的烟气无法及时排到隧道外是导致人员伤亡的主要原因。由于隧道是半封闭环境，当隧道内出现火灾时，其高温的烟气会造成视野能见度降低，极容易造成隧道内车辆堵塞，同时空气中的一氧化碳含量增加，严重影响现场人员的疏散，极大威胁人员生命财产安全[1]。因此，研究如何将火灾引起的烟气及时有效排放出隧道，保障隧道安全至关重要。
目前，高速公路隧道通常使用纵向排烟和集中排烟两种排烟模式。国内以纵向排烟模式为主，国外发达国家以集中排烟模式为主。其中，我国采用的排烟模式存在安全隐患，如双向隧道中，由于两边都存在车辆行，火灾产生的烟气如何排放均会影响到现场人员撤离，无法满足防灾要求。集中排烟模式排烟能力强，且满足防灾要求，但其成本高[2]。因此，鉴于长度大于5 000 m的隧道数量日益增多，此类隧道通风排烟方式问题亟待解决。
1 排烟控制原理
火灾会产生大量的有毒气体，引起附近高温，在隧道半封闭场景下，严重威胁现场人员的生命安全，合理的排烟模式能够有效地减少火灾造成的人员伤亡，降低财产损失。国内外采用的纵向排烟和集中排烟模式，其工作原理不同，排烟效果及使用范围均有所差别。
1.1 纵向排烟模式控制原理
纵向排烟模式利用通风设备形成的纵向气流速度大于临界风速，且流动方向与车辆行驶方向同向，阻止烟气回流，控制烟气往火灾发生地点下游排放。该方式可控制烟气流动方向，但会加快火灾蔓延速度。若对烟气控制不合理，易造成隧道内能见度下降，空气稀薄，对车辆疏散、人员撤离甚至火灾救援均会产生不利影响[3]。
此外，纵向排烟模式在特殊情况下，仍存在安全隐患：一是该模式发生火灾时，严重时会影响双向车辆正常行驶。二是火灾由前方事故引起后方車辆拥堵，导致二次事故并引起火灾的情况时，该火灾发生位置前后方都有车辆和人员，此时，烟气无论如何流动都会威胁到现场人员的生命安全。故纵向排烟模式在发生火灾时，不符合隧道防灾要求。
1.2 集中排烟模式控制原理
国外一些发达国家采用集中排烟模式，该模式包括全横向和半横向两种通风模式。在隧道运营使用阶段结合全横向或半横向两种模式[3]，如半横向送风型，正常情况下送风通道则用于输送新风。若出现火灾，可将轴流风机按相反方向转动，可用于排烟。同时，将除了火源附近的风阀打开，其他的均关闭，辅以两侧的纵向气流防止烟气混乱，此时排烟风阀可排走烟气[3]。使用集中排烟模式，可以有效控制烟气扩散，火灾现场气体对司乘人员威胁极大降低，同时该模式下消防救援人员可在隧道两侧展开救援，满足防灾要求。
2 火灾排烟设计方案实践
该方案实施于青云山隧道，隧道位于广东省韶关市翁源县及河源市连平县分水岭青云山山脉，进口位于翁源县李洞村，出口位于隆街镇松岭乡象湖村，设计为分离式隧道，洞室净空14.75×5 m，起讫桩号左线ZK344+710～ZK350+610，长5 900 m；右线YK344+645～YK350+655，长6 010 m，呈132°方向展布；进洞口设计标高左线351.4 m、右线349.2 m，出洞口设计标高左线388.8 m、右线386.6 m；隧道最大埋深约808 m，属特长深埋隧道。
2.1 烟气控制需求分析
隧道火灾烟气控制即为通过开启一定数量的风机，控制烟气在隧道洞口的运动路径，相关控制参数包括不同火灾场景下的烟气控制参数和不同烟气控制目标下的风机控制参数两部分。
2.1.1 不同场景下的烟气控制参数
根据火灾场景下的烟气控制需求，划分隧道防烟分区，量化不同防烟分区的烟气控制指标与通风控制指标（包括不同防烟分区的烟气层厚度、蔓延时间、纵向控制风速等），为火灾工况下的人员疏散与防灾救援提供一个有利的环境。
2.1.2 不同烟气控制目标下的风机控制参数
根据不同火灾场景及火灾发展不同阶段的风速控制需求，提出相应的风机开启预案，提出不同纵向风速下的风机开启方式、开启数量、开启组合等控制参数。
2.2 火灾排烟设计方案
在《公路隧道设计细则》（JTG/T D70—2010）中规定的单向隧道设计风速不超过10 m/s，青云山隧道左右线的近期和远期设计的风速都未超过该规定的风速数值。因此青云山隧道采用全射流纵向通风排烟模式，且使用排烟斜井集中排烟模式。此两种模式结合有利于火灾情况下及时排烟。
2.2.1 正常运营通风状态
隧道左洞和右洞在正常运营情况下使用全射流纵向通风模式，根据统计自然风阻抗力与通风阻抗力以及设计的不同速度产生的交通风力控制工况，得到该控制工况所需的射流风机的数量。射流风机的直径参数是Φ1 120 mm型，风机技术参数：电机功率37 kW，出口风速33 m/s，流量32.5 m3/s。考虑隧道断面较大，同时为了减少射流风机的组数和供电电缆的长度，故射流风机按照每3台为一组进行布置。风机在纵向上的布置以不小于150 m为原则[4]。
2.2.2 防灾通风
隧道在火灾情况下的应急防火救灾措施，第一步应对产生火灾区域进行划分，其次分析现场火灾地点的受困人员疏散和车辆撤离线路，以规划控制风机运转的应急策略，起到排烟灭火、人员逃生的作用。根据现场情况，该隧道划分为2个防火区段，如图1所示，当火灾发生在A区段时，采用竖井集中式排烟；当火灾发生在B区段时，采用全纵向射流排烟，并利用左右洞联络横通道作为人员车辆撤离通道。
2.2.3 火灾发生时人员逃生与风机控制
（1）左线发生火灾。隧道左线发生火灾时，快速封闭隧道进口通道，防止洞外车辆继续驶入洞内。上游人员弃车通过车行及人行横洞进入对向隧道进行逃生。火源下游车辆快速驶出隧道。
根据现场情况，现场工作人员指挥已驶入隧道车辆驶出洞外，同时封闭未发生火灾隧道，确保消防救援车辆可快速到达火灾发生地点进行救援。
迅速启动左线隧道内距离火灾发生地点约150 m 以外的射流风机，将烟雾直接从洞口排除。确保烟气不回流，使火灾发生地点的上游车辆安全驶出隧道。开启右线全部射流风机保持对隧道正压，防止烟雾进入对向隧道[5]。
（2）右线发生火灾。右线隧道发生火灾，立即关闭隧道进口，阻止洞外车辆驶入。上游人员弃车通过车行及人行横洞进入对向隧道进行逃生。火源下游车辆快速驶出隧道。
根据现场情况，现场工作人员指挥已驶入隧道车辆驶出洞外，同时封闭未发生火灾的隧道，确保消防救援车辆可快速到达火灾发生地点进行救援。
迅速启动右线隧道内距离火灾发生地点约150 m以外的射流风机，将烟雾直接从洞口排除。确保烟气不回流，使火灾发生地点的上游车辆安全驶出隧道。开启左线全部射流风机保持对隧道正压，防止烟雾进入对向隧道[5]。
2.3 通风系统测试
2.3.1 正常工况测试
（1）测试内容：①风机启动至正常运行耗时；②开启不同数量射流风机工况下的洞内风速。
（2）测试步骤：①测试洞内自然风速（尽量保证洞内零风速）；②启动1组射流风机并记录风机启动时间；③风机启动后每隔30 s记录一次数据，共记录10组数据；④第1组风机启动5 min后，启动第2组风机；⑤每隔30 s记录一次数据，共记录10组数据；⑥第2组风机启动5 min后，启动第3组风速；⑦每隔30 s记录一次数据，共记录10组数据；⑧顺序启动射流风机并记录风速数据，直至所有风机启动完毕。
（3）测试数据分析。射流风机现场测试旨在掌握射流风机开启数量与洞内纵向风速的对应关系。为了尽可能降低自然风对通风测试的影响，通风测试选择在自然风速相对比较小的上午时段开展。根据实测数据，对风机启动数量与洞内纵向风速相关关系进行数据拟合[6]，如图2～3所示。
经数据拟合，隧道洞内纵向风速与射流风机启动数量之间符合如下函数关系：
y=?0.007x2+0.4·x （1）
式中，y——纵向风速（m/s）；x——風机启动台数。
2.3.2 火灾工况测试
（1）工况测试1。当火灾发生在左线A区段时，开启A区段射流风机和斜井风机，保持3.1 m/s的临界风速，烟气沿着A区段从斜井排出，右洞保持正常运营通风，如图4所示。
（2）工况测试2。如图4所示，当火灾发生在左线C区，斜井附近（±50 m）范围时：开启A区段射流风机和斜井排风机，烟气从斜井和出口排出，右洞保持正常运营通风。
（3）工况测试3。如图4所示，当火灾发生在B2区段，斜井排烟轴流风机关闭，保持4.6 m/s的临界风速，烟气沿着B区段从出口排出，右洞保持正常运营通风。
（4）工况测试4。如图4所示，当火灾发生在右线A2区段时，开启A区段射流风机和斜井排烟轴流风机，保持4.6 m/s的临界风速，烟气沿着A区段从斜井排出，左洞保持正常运营通风。
（5）工况测试5。如图4所示，当火灾发生在右线A1区段时，开启A区段射流风机和斜井排烟轴流风机，保持3.1 m/s的临界风速，烟气沿着A区段从斜井排出，左洞保持正常运营通风。
（6）工况测试6。如图4所示，火灾发生在右线B区段，斜井排烟轴流风机关闭，相当于把整个隧道作为一个防火区段的火灾工况，采用射流风机排烟，保持4.6 m/s的临界风速，烟气沿着B区段从出口排出，左洞保持正常运营通风。
2.3.3 测试总结
经过现场测试，射流风机在火灾发生时，能在60 s内从静止状态启动到火灾不同阶段排烟系统所需要的运行工作状态，提供的风速满足设计要求。排烟轴流风机能够提供满足设计要求的排风量。经现场风速测试，排风联络道内风速稳定区域为2～3 m/s，火灾工况时疏散阶段风机开启台数能够满足控烟需要。
3 总结
该文设计的隧道排烟方式采用纵向排烟和斜井集中排烟两种结合模式，在正常运营工况使用纵向排烟模式，火灾工况下使用斜井集中排烟模式。通过现场隧道测试，在正常工况下，通过开启不同数量射流风机风速保持正常速度。在模拟火灾工况下，对不同区域火灾进行测试，隧道内保持正常通风。因此，该文设计的方案均能满足风速和排风量的设计要求。
参考文献
[1]杨黎， 杨莹莹， 韦良文， 等. 公路隧道机械排烟效果影响因素研究综述[J]. 武汉理工大学学报（信息与管理工程版）， 2019（5）： 479-484.
[2]王亚琼， 杨少鹏， 任锐， 等. 射流风机位置对隧道火灾烟气蔓延特性的影响[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2023（1）： 49-61.
[3]吴德兴， 李伟平， 郑国平. 国内外公路隧道火灾排烟设计理念比较[J]. 公路交通技术， 2008（5）： 113-117+127.
[4]高云骥， 李智胜， 罗越扬， 等. 纵向通风与竖井自然排烟下隧道火灾烟气特性实验研究[J]. 消防科学与技术， 2022（2）： 185-191.
[5]王华. 秀村特长隧道通风系统设计计算[J]. 福建交通科技， 2014（6）： 40-44.
[6]孙继洋. 山西太古路西山隧道通风方案研究[J]. 公路， 2011（7）： 279-286.
收稿日期：2023-09-27
作者简介：杨乐（1981—），男，本科，工程师，研究方向：高速公路机电工程。
