公路隧道火灾热释放率研究

杨 阳

(深中通道管理中心，广东 中山 100191)

公路隧道是一个半封闭结构，一旦发生火灾会导致重大的人员及财产损失。1999 年连接法国和意大利的勃朗峰隧道发生火灾导致39 人死亡。2014 年晋济高速岩后隧道发生火灾造成40 人死亡的惨剧。国内外隧道发生火灾造成的惨剧，给人们敲响了隧道运营安全的警钟。

隧道火灾热释放率是隧道消防救援系统设计的基础，直接影响到隧道消防救援系统的配置和隧道防火系统的设置规模。火灾热释放率受隧道通行车辆的种类和数量等因素制约，取值十分复杂。如何根据隧道的实际情况，设置合理的隧道火灾热释放率是亟待解决的问题。本文对国内外隧道火灾相关成果进行了分析，对试验成果进行了调研和分析、给出了火灾工况下烟气生成量的计算方法，有助于设计人员对火灾热释放率的理解和选取[1]。

1 国内外隧道火灾研究现状

国内外对公路隧道火灾工况下安全性进行了大量研究。早在1987 年，为研究在乘客与其车辆不分离的情况下，通过海峡隧道的安全性，欧洲进行了隧道内火灾发展过程、火灾在隧道内车辆间的传播特性的试验以及足尺隧道内的疏散试验。1990~1992 年期间，由德国发起了EUREKA EU 499：FIRETUN-Fires in Transport Tunnels 项目，共进行了20 多次足尺火灾试验。2003 年，挪威利用废弃的Runehamar 隧道进行了大型的隧道防灾试验，主要研究重型货车的火灾发展规律，采用50MW~ 200MW 的火源功率，模拟通行LPG（液化石油气） 车辆的隧道发生火灾，研究了水喷雾系统对隧道火灾的影响。2006~ 2010 在德国开展的SOLIT：Safety of Life in Tunnels 项目建立了足尺模型隧道进行火灾试验，模型长600m，断面高8.15m，支持纵向和横向通风，主要研究水喷淋系统在隧道内的可靠性和生命周期，并建立隧道内水喷淋系统的试验和性能评估方法。2009 后，德国开展SOLIT2 研究项目，重点研究固定灭火系统在隧道中的应用。

欧洲各国对于隧道火灾安全的研究都非常重视，成立了一系列的研究组织。在勃朗峰隧道火灾和托恩隧道火灾发生后，欧洲开展了大量的隧道防火研究项目，包括：

1） DARTS（2001~2004）（Durable And Reliable Tunnel Structures） 该项目形成了一套集成的隧道设计流程。

2） FIT（2001~2005）（Fire In Tunnels） 该项目目的是建立一个基于网络的火灾咨询数据库作为发布和共享隧道火灾研究成果的平台。

3） Safe Tunnel（2001~2004）（Safety in Road Tunnels） 主要目的是减少公路隧道火灾事故的数量和引起的后果。

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应急的运营管理理念。

5） Virtual Fires（ 2001 ~2004）（Virtual Real Time Emergency Simulator） 该项目的主要目的是开发可行的隧道火灾模拟系统。

6） UPTUN（2002~2006）（Cost-effective, Sustainable and Innovative Upgrading Methods for Fire Safety in Existing Tunnels） 针对既有隧道开发新的隧道火灾探测、监控和减灾方法，以及发展、验证和完善合理的隧道火灾安全评估方法。

美国在1989 年开展了著名的（MTFVTP） 实验。是在一个废弃的公路隧道进行系列防火测试、隧道通风系设施配置及烟气控制技术等研究。研究成果已列入NFPA502- 2011 条款。

我国也开展了隧道火灾防控技术研究。西南交通大学以秦岭终南山特长公路隧道为依托，对公路隧道内火灾规律、竖井通风技术、疏散策略进行了研究。中南大学开展了狮子洋水下隧道综合防灾与运营管理技术研究；开展了苍岭隧道、括苍山隧道、双峰隧道等公路隧道排烟道模型试验研究及顶隔板耐火性能试验研究。北京交科公路勘察设计研究对港珠澳大桥沉管隧道进行了火灾工况下烟雾扩散规律以及人员疏散安全性研究。天津消防研究所开展了城市特长水底隧道防火关键技术研究。

目前我国对隧道火灾虽然已经进行了不少研究，取得了一定得成果，但由于我国隧道防火研究起步较晚，成果还不够系统。我国还没有系统、完善的隧道火灾的规范和标准[2-6]。

2 客车火灾热释放率试验研究

20 世纪40 年代中后期，美国便开始了系统的汽车火灾研究工作，美国国家防火协会（NFPA） 通过发布美国车辆火灾趋势报告，对发生汽车火灾的伤亡损失、起火部位、起火原因等进行分析，对汽车火灾的研究发展起到了重要的指导作用。

1999 年, Peacock 等对一辆小型客车作了两次汽车火灾实验,基于氧消耗原理,测量了热释放速率,并记录了车厢内温度与气体浓度的变化。2000 年，Steinert 在一个7m×5m×4.5m（长×宽×高） 的车库中进行了一系列的汽车火灾实验，实验车数为1 到3 辆，车距为80cm。试验得到了汽车火灾燃烧现象、温度、气体浓度、热流量、质量损失率和热释放速率等随时间的变化规律。分析发现，实验车辆释放的总释放热量和最大热释放速率存在某种线性关系，两者比值介于0.55MW/GJ 和0.85MW/GJ 之间。

国内学者对于汽车火灾发生的原因、机理及火灾危害性开展了大量的研究工作。2002 年,中国矿业大学程远平教授等采用实验室实验的方法对一辆两厢式小汽车进行了系统的火灾实验研究。2006 年，由清华大学公共安全研究中心联合中国建筑科学研究院建筑防火研究所、北京市消防局对一辆三厢式小汽车进行了全尺寸火灾实验研究。2010 年孙璇等人在中国建筑科学研究院建筑防火研究所实验场对一辆三厢式小汽车进行了全尺寸火灾实验研究。通过实验获得了汽车火灾发生可能性、驾驶舱火灾蔓延顺序及火灾中温度随时间的变化规律等成果。公安部天津消防研究所在十二五科技支撑计划项目研究中，开展了多次单车热释放率性能试验。

汇总国内外有试验记录的37 次单车试验数据，热释放速率峰值集中在3MW ～5MW，在这个区间的占43.2%，所有试验，热释放速率峰值小于5MW 的占81%。

同样，对有试验记录的37 次试验中，从有效燃烧到热释放速率达到峰值的时间进行了统计，达到热释放速率峰值的时间小于30min 的试验占83.7%，在20min 之内的占56.7%，在10min 之内的占24.3%[4-7]。

3 货车火灾热释放率试验研究

表1 世界各国货车热释放率的研究汇总

世界各国广泛开展了隧道火灾的研究，重点针对货车车辆的热释放率。表1 是各组织机构推荐的烟气产生量（m3/s） 及峰值热释放率（MW） 值。它们是通过大量的实验获得的。

2001, 在荷兰Benelux 隧道开展了重型卡车火灾实验，如图1，火灾测试峰值热释放率在15MW 到40MW。

2003 在挪威的Runehamar road tunnel 开展了4 次大规模火灾实验，得出高于200 MW 的峰值热释放速率。火场最高温度高达1350℃[4-7]。

4 既有隧道火灾热释放率研究

国内外既有隧道火灾热释放率如下表所示：

表2 部分水下隧道采用的火灾标准

可以看出，不同国家采用的隧道火灾设计火源功率差异较大。我国尚未有相关规范直接给出隧道内不同车辆的火灾规模推荐值，在《公路隧道通风照明设计规范》JTJ 026.1-1999 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[2,3,6,7,9]。

5 火灾工况下烟气生成量研究

烟气生成量计算模型是定量研究和分析烟气流动规律及进行烟气控制的重要手段，它受火灾规模、平均火焰高度、材料特性和建筑空间特性等诸多因素的影响。在一定的建筑空间和火灾规模条件下，烟气生成量主要取决于烟羽流的质量流量。

结合港珠澳大桥海底隧道工程实际及可能的火灾场景，轴对称烟羽流的烟气生成量可采用下式计算：

式中：Qc为对流热释放速率，Qc=0.7Q；

zl为平均火焰高度，m。zl=0.166Qc2/5。

假设燃料面为行车道路面，当所产生的烟气全部被排出时，烟气层底部即为排烟道顶板底面，此时z即为行车道路面到排烟道顶隔板面底面的高度7.2m[2,4,5,7,8,9,10]。

根据国内外相关规范对不同车辆的火灾规模推荐值，分别取热释放速率值为10 MW、20 MW、30 MW、50 MW、100 MW，计算结果如下所示：

表3 不同火灾热释放率下的烟气生成量

6 结语

热释放速率受隧道结构、地理位置、行驶车辆类型及货物种类、通风条件等因素影响。热释放速率的确定将为烟气控制系统的设计提供依据、为结构防火的设计提供依据、为固定灭火系统配置提供依据，而且是性能化设计的重要参数[3,4]。本文介绍了公路隧道火灾国内外的研究现状、对客车及货车火灾试验进行了介绍、对国内外典型隧道火灾实际当量的选取进行调研和分析，对火灾工况下烟雾生成量计算方法进行了介绍，本文有助于设计及科研人员对公路隧道火灾热释放率的认识，并为火灾热释放率的选取提供了借鉴。