浅谈城市交通隧道建设工程消防设计及烟气控制

司惠平　（芜湖市消防支队，安徽芜湖241000）



浅谈城市交通隧道建设工程消防设计及烟气控制

司惠平（芜湖市消防支队，安徽芜湖241000）

通过研究分析城市交通隧道的火灾危险性和特点，对城市交通隧道建设工程消防设计和烟气控制进行深入探讨。

城市交通隧道；消防设计；烟气控制

1　概述

随着我国经济建设和社会发展，国家每年投入大量资金进行公路等基础设施建设。近年来，随着公路交通事业的发展，公路等级的提高，对公路线型的要求也越来越高。为了克服高程障碍、优化线路、缩短里程，修建隧道必不可少，而且数量越来越多，规模越来越大。

隧道是公路交通的咽喉要道，结构复杂，环境密闭，空间狭窄，能见度差，流动车辆多，车速快，一旦发生火灾，扑救相当困难，往往造成重大的人员伤亡和财产损失，城市交通隧道的消防安全问题也越来越受到人们的关注。故在隧道设计时，应贯彻“预防为主，防消结合”的方针，采取有效的防火与灭火措施，尤其是对隧道火灾烟气危害的有效控制，才能将火灾损害控制在最低限度，使隧道真正起到安全输送人员和物资的作用。

2　城市交通隧道分类

城市交通隧道是指供汽车和行人通行的隧道，一般分为汽车专用和汽车与行人混用的隧道。隧道因设置区域、地质条件不同，按其建设规模、设计施工方法、横断面形式以及交通运营特点进行分类。

2.1按交通模式分类

①单孔对向交通。这种交通模式安全隐患多，一般多为交通流量小的隧道。

②双孔、多孔内各自均为同向交通，双孔间多设有横向连接通道。

③多孔中有一孔或数孔可按交通需求改变交通运行方向，以适应潮流式交通需求。

2.2按建设规模分类

《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）将单孔和双孔隧道应按其封闭段长度及交通情况分为一、二、三、四类（见下表）。

隧道分类

3　城市交通隧道火灾危险性及特点

随着公路日益延伸，城市交通隧道随之增加，其火灾也日益增多。以日本在1986年的统计数据，其分析结果为：高速公路隧道内的火灾事故比率为每1亿车公里发生0.5起。这个比例与昭和40年代后半期的每1亿车公路发生0.4起相比，没有多大变动。另外，德国对汉堡连接联邦高速公路的易北河隧道初期运营情况也进行了统计，报告表明隧道中平均每月发生一次车辆起火事故。从上述结果可以看出：隧道火灾事故随着高速公路的延伸而增多，其几率随着隧道长度和通行车辆的增加而增加。

另一方面看，虽说城市交通隧道发生火灾次数未几，但火灾后果严重。我国城市交通发展较欧美国家晚以国外世纪之交数据而言：1995年4月10日奥地利Phaender隧道车祸并起火造成3人死亡，1996年3月18日意大利Palemo隧道油罐车爆炸造成5人死亡，1999年3月24日法国至意大利Montblanc隧道（单管双车道，11.6km）一辆载重车起火造成39人死亡，1999年5月29日奥地利Tauem隧道（单管双车道，6.4km） 撞车并起火造成12人死亡。血的教训历历在目，显然，城市交通隧道消防安全愈来愈重要。

从隧道火灾致灾原因、种类、火灾危害和特点等方面的分析，有助于准确判断隧道火灾危险性，采取有效的有针对性的消防设计，进一步保障实施运营时的消防安全管理，具有重要的指导作用和现实意义。

3.1隧道火灾的起因

统计结果表明：城市交通隧道一般远离市区，是车辆流通的必经之道，火灾的起因主要为汽车装载物起火、汽车本身系统故障起火、汽车相撞起火、隧道电气设备或电气线路发生故障起火引发火灾、人为纵火等。

3.2隧道火灾种类

根据隧道火灾的起因和物质燃烧的特性分析，隧道可能发生的火灾种类大致有A、B、C、E四类。A类指汽车装载的和汽车自身可燃固体燃烧的火灾或常温下呈半凝固状态的重油燃烧的火灾；B类指汽车装载的可燃液体燃烧的火灾或汽车自身油箱燃烧的火灾；C类指汽车运载的可燃气体燃烧的火灾；E类为带电物体燃烧的火灾。其中以汽车相撞引发的A、B类火灾最为常见。这些火灾由于受隧道空间的限制，火焰和烟雾无法向上发展，迫使其往纵向扩散，并且很快充满隧道。

从实际火灾后果来看火灾一般可分三类：第一类为汽车火灾，该类火灾次数最多，一般可用灭火器将其扑灭，很少酿成大火；第二类为装载一般可燃物的货车火灾，酿成大火可能性较大；第三类为装载易燃易爆物的货车火灾，可能性较小，但往往酿成大火。德国对易北河隧道初期运营统计表明：尽管在平时通行货车只占15%，但却有30%的火灾是由货车引起的，也就是说货车比小汽车更容易引起火灾。故必须加强对货车火灾的防范措施，特别是装载易燃易爆物的货车火灾，如处理不当，会对人身和财产造成巨大的伤害和损失，常规的消防设计处理装载易燃易爆物的货车火灾显然不够。

3.3隧道火灾危害和特点

据德国GMT现场火灾实验表明：轿车失火后不到10min就会形成大火，隧道内从起火到猛烈燃烧的时间相当短。并且隧道内部空间狭窄，随着火势发展和烟气产生，大量高温有毒有害烟气很快充满隧道，温度可达1200℃左右。从实验和隧道火灾案例中看出：火灾类型多样、发展快、温升迅速、火点多发、跳跃式蔓延；烟雾浓度大、传播速度快、排烟困难；人员集中、疏散困难，易造成群死群伤事故；火灾扑救难度大，消防设施作用有限，靠内攻效果不佳，救援、通讯等装备器材功能受限；经济损失巨大、次生灾害危害严重、社会影响、整治影响大等。

4　消防设计要点

4.1设计原则

对于城市交通隧道，社会消防队往往不能保证及时到达现场，以上海延安东路过江隧道灭火统计数据为例，隧道通车时间5年，发生火灾10多次，其中65%的火灾是第一发现者（司机和乘客）扑灭的，35%的火灾是第一发现者和随后到达的隧道管理所兼职消防队员共同扑灭的。以日本道路公社团所属的隧道为例，1960年至1980年20年间共发生火灾24次，其中15次是由第一发现者以及隧道管理所兼职消防队员共同扑灭的。这些火场数据说明了隧道内消防设计应立足自救、方便外援的原则。

4.2设计内容

针对城市交通隧道火灾的危险性和特点，隧道建设工程消防设计涉及建筑防火（隧道结构的耐火等级、纵向横向防火分隔等）、安全疏散及避难设施、各类消防设施（消火栓系统、自动喷水灭火系统、火灾自动报警及监控系统、防排烟系统、通信系统、灭火器、应急照明和疏散指示标志等）和相关安全保障设备等的设计。

通过火灾自动报警、自动喷水（喷雾、水炮）灭火、视频监控、消防远程监控、防排烟、应急疏散和隧道交通信号系统的互相联动、有机结合，达到早期发现、迅速灭火、及时疏散、减少人员伤亡和财产损失的效果。

4.3设计要点——防排烟

城市交通隧道建设工程消防设计最为特殊和重要的一环要属防排烟系统的设计。城市交通隧道内部环境（包括温度、湿度、空气品质等）条件很差，建筑结构复杂、出口少、疏散线路长、电气设备种类多、人员集中，一旦发生火灾，产生的热量往往很难及时地散出，且隧道内部封闭，导致燃烧多为不充分燃烧。相对于地面建筑而言，火灾中产烟量更大，局部温度更高，助长火势的蔓延和对疏散人群的伤害，并给火灾扑救和抢险救援增加难度，极易造成群死群伤的重大、特大火灾事故。据统计，火灾时造成的人员伤亡绝大多数是因为烟气中毒和窒息所致，因此，科学地设置防排烟设施及事故状态下进行合理的防排烟处置，对于减少人员伤亡和财产损失具有极为重要的意义。

4.3.1设计目标

城市交通隧道建设工程的防排烟范围包括行车道区域、专用疏散通道区域和设备管理用房等，通常采用的防排烟模式分为纵向、横向（半横向）及重点模式，以及由上述基本模式产生的各种组合模式。依据隧道的种类、安全疏散方式，结合正常工况的通风模式来确定排烟模式。对于规模较大的城市交通隧道的防排烟设计应结合实际，有针对性地采取性能化消防设计。

4.3.2确定隧道的火灾规模

行业标准《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）条文说明中提及了除油罐车火灾外的一般隧道火灾功率按20MW考虑，而地方标准《公路隧道消防技术规范》（DB43/729-2012）第4.1.1条明确了隧道火灾规模大小20MW、30MW、50MW。根据隧道的车流量、行车比例构成等交通特征、隧道的几何构造特征，推演隧道可能的火灾场景，研究不同火灾场景时的火灾危险性及分析其发生的概率，结合国内外同类型、不同类型隧道的火灾规模，综合考虑模拟火灾场景的真实性，确定合理的火灾规模设计值和模型数值。

4.3.3确定排烟量

确定合理的排烟量是进行排烟系统设计的关键因素之一排烟量主要取决于烟气生成速率，二烟气生成速率取决于火源上方烟气羽流的质量流量。依据《建筑防排烟技术规程》（DGJ08-88-2006），结合隧道工程实际和可能的火灾场景，隧道排烟量的理论设计值可采用轴对称型烟羽流的烟气生成量与墙型烟羽流的烟气生成量。

通过对各种工况进行数值模拟，分析火场烟气温度、能见度、蔓延范围和排烟道内气体流速、排烟口温度，考虑漏风量后，综合得出合理的排烟量。

4.3.4排烟口的合理位置

在相同火源功率和排烟量下，不同的排烟口设置及开启方案也会对火灾烟气蔓延和烟控效果产生一定影响。通过数值模拟研究分析不同排烟间距、排烟口面积、排烟口开启个数下的火灾蔓延规律和烟气控制效果，综合考虑设定合理的排烟口设置方案（位置、面积和开启组数）。

4.3.5抑制烟气回流的临界风速

当火灾发生在不同坡度时，不同纵向通风速率对烟气蔓延的控制效果也不一样，并且通道中各区段抑制烟气回流所需临界风速也不同。负向坡度越大，所需的临界风速越大；正向坡度越大，所需的临界风速越小。对于规模较大的隧道采取纵向排烟模式时，各个区段应采取分段纵向排烟模式。

4.3.6烟气组织模式和控制方案

当火灾发生在隧道内不同位置时，采取哪种排烟组织方式（纵向模式，横向、半横向模式，重点或集中模式及其组合模式）、采取怎样的排烟口开启方案、配合多大的纵向诱导风速，最终确定合理的烟控气流组织模式。

5　结语

总之，通过理论分析与数字模拟相结合的方法，利用火灾动力学模拟软件CFD对隧道火灾的发展过程及烟气控制过程进行模拟计算，验证初步设计能够达到的烟气控制效果。通过研究隧道内的火灾场景下不同通风情况下通道内的温度场、能见度场、CO浓度场的多场分布规律，分析烟气在隧道内的蔓延规律，探讨在不同区段、不同坡度、不同通风情况下的隧道内烟气合理控制方案。

[1]GB50016-2014，建筑设计防火规范[S].

[2]JTJ026.1-1999，公路隧道通风照明设计规范[S].

[3]DB43/729-2012，公路隧道消防技术规范[S].

[4]DGJ08-88-2006，建筑防排烟技术规程[S].

U45

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1007-7359(2016)03-0235-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.085

司惠平（1970-），男，安徽芜湖人，毕业于武警学院，高级工程师，主要从事建设工程消防监督管理工作。