自然通风方式城市水平隧道安全距离的思考

李斯亮

摘要：自然通风隧道的安全距离设计主要考虑火灾情况下的人员逃生需要。本文将对自然通风方式城市水平隧道的安全距离计算方法进行研究，首先分析隧道火灾危害及安全距离定义，进而采取实验研究方法，根据实验结果确定自然通风水平隧道的极限长度。

关键词：自然通风方式;城市水平隧道;安全距离

前言

目前城市路面交通压力不断增加下，隧道负荷较高，需要考虑不同逃生速度下的安全距离设计需求，并采用科学的计算方法，确定安全距离理论计算值，为工程设计和建设提供指导。

1自然通风方式水平隧道火灾危害及安全距离定义方法

自然通风隧道即未设置通风系统的隧道，在发生火灾时，烟气自由扩散，在设计隧道长度时，需要充分考虑人员逃生时间，确定最大安全距离。城市水平隧道即无明显坡度的隧道，主要用于行人和汽车通行。在进行火灾中的有害气体扩散研究时，不需要考虑隧道坡度变化。而且城市水平隧道无竖井和其他与隧道垂直的排风口，只有隧道两端与外界进行通风。

在自然通风条件下，气体自由扩散速度决定了其排烟速度。发生火灾时，在未安装通风装置或通风装置失效情况下，人员逃生最长距离的2倍即自然通风式水平隧道的最大安全距离。为保证安全距离设计的合理性，首先应对隧道火灾伤害特点进行分析。

隧道火灾伤害主要包括：（l）浓烟伤害，隧道火灾产生的烟气属于物质化学变化，隧道内人员吸入浓度过高的烟气后，会对身体状态产生较大影响，进而影响其逃生速度。火灾烟气的主要成分为CO2，会引发人体的咳嗽、呼吸困难等症状。（2）高温伤害，隧道火灾会快速升高隧道内温度，其对人体的伤害为物理作用，会导致人体出现口干舌燥、肢体软弱无力等症状，高温和浓烟伤害的共同结果会导致人体出现昏迷甚至休克。

2城市自然通风方式水平隧道安全距离设计的实验研究

2.1烟气致死实验研究

根据上述隧道火灾伤害类型，分别进行烟气致死实验和高温伤害实验。在烟气致死实验研究过程中，首先对隧道火灾的烟气变化情况进行模拟。隧道中的烟气会维持在一定高度，并与正常空气出现明显分层现象。进入燃烧衰退期后，距离火源50m意外的烟气会出现明显的沉降现象。因此，离开火源50m范围可以降低烟气伤害对人员逃生的影响。在火源动力与烟气扩散作用下，隧道排烟口的排烟强度会发生波动，而且火灾发展和烟气运动趋势受外界环境温差影响较大，烟气会流向温度加高的排烟口。从人员忍受时间与温度变化关系来看，如果温度变化速度超过人员的忍受时间极限，则意味着人员无法逃生。其极限忍受时间即人员在对应温度下能够坚持的时间，因此，通常将温度与极限忍受时间曲线称为“死亡曲线”，可以根据其判断是否会发生烟气致死現象。

2.2高温伤害实验研究

参考相关研究模型，假设隧道发生火灾后，75%的隧道内人员是在接收到火灾报警信息后的15-40s时间开始向外移动。并假设隧道内人员的正常疏散速度为1.5m/s，有烟气情况下的人员疏散速度为1m/s。由于城市自然通风方式水平隧道的火灾逃生环境较为恶劣，再考虑到人员逃生反应速度的情况下，其逃生速度可能只有1m/s。根据不同条件下的人员逃生速度，分别绘制不同逃生速度下，隧道温度与人员忍受极限时间关系。具体包括逃生速度v=1m/s、v=2m/s、v=3m/s、v=4m/s、v=5m/s情况下的隧道温度与人员忍受极限时间关系。

3实验结果分析及隧道安全距离理论计算结果

3.1实验结果分析

从上述实验研究结果来看，通过取平均值，将人员逃生速度为v=3m/s确定为人员逃生速度可能值。并根据烟气浓度、隧道内温度、烟气沿隧道内扩散速度、隧道内能见度等影响因素分析结果，判断人员在不同水平隧道距离设计下的逃生可能性。根据人体工程学研究情况，普通人的人体辐射热通量不能超过2.5kW/m2，在隧道火灾模型下，烟气层的温度为180℃时，隧道内人员人体辐射热通量正好达到2.5kW/m2。换而言之，当隧道内的烟气温度超过180℃以后，烟气对人体的辐射危险将超过普通人的忍受极限，会对人体造成较为严重的伤害。而当烟气高度下降到能够与隧道内人员发生直接接触的高度时，烟气也会对人体造成严重伤害。此时温度为100℃。如果能够将隧道内的火灾燃烧时的最高温度控制在100℃以内，则其辐射热不会对人员造成致命伤害。

3.2隧道安全距离理论计算结果

根据上述分析结果，在对自然通风方式城市水平隧道的最大安全距离进行计算时，还需要考虑人员逃生时对有害气体的容忍极限。隧道内人员有害气体容忍极限除了毒气作用外，主要与能见度有关。根据相关研究结果，在隧道火灾的烟气环境下，保障人员能够以正常逃生速度快速逃离的最低可见度为7m，识别指示标记最低能见度为15m。在人员疏散和指示标记识别最低能见度条件下，有害气体浓度在隧道内人员逃生忍受极限值以内。因此，在理论计算过程中，实际上不需要考虑人体的有害气体浓度忍受极限，只需要满足疏散能见度和指示标记识别能见度最低条件即可。由此计算的隧道火灾事故发生后5min安全疏散距离为400m。

基于上述实验研究和理论计算结果，主要对自然通风方式城市水平隧道设计提出以下几点建议：（1）应充分考虑隧道火灾情景中人员逃生的综合影响因素，合理计算最大安全距离，在不采用额外通风措施的情况下，必须将隧道长度控制在安全距离以内，根据本文研究结果，不应超过400m;（2）对于隧道设计长度超过400m的情况，则应按照相关设计规范要求，配置隧道内通风和排烟系统，并设置通风竖井，改善隧道火灾情况下的逃生环境;（3）应积极采用先进的信息化技术手段，利用传感器等装置对隧道内情况进行动态监测，并连接火灾报警系统，提高火灾响应速度，为发生火灾时的隧道内人员逃生争取宝贵时间。

4结束语

综上所述，自然通风条件下的城市水平隧道发生火灾时的逃生环境较为恶劣，通过对其安全距离进行分析和确定，可以为相关隧道工程设计提供参考。通过合理设置隧道长度，并做好配套的通风和所在监测系统设计，可以有效提高城市公路隧道运行的安全性，将发生火灾时的人员伤害几率降至最低，为城市道路安全提供保障。