浅析交通类隧道危化品泄漏及燃爆理论

田德旺，陈慧珉

（石家庄铁道大学四方学院土木工程系，河北 石家庄 051132）

0 引言

危化品是指易爆、易燃、有毒的化学品，在其生命周期的不同环节中，都有发生事故的风险。西方国家便发生了多起危化品燃爆和泄漏事故，给当地居民的生命财产安全造成了严重的损害。通常来讲危化品是用储罐车运输的，当内部压力大于外部压力时，便容易发生泄漏事故，车内物质会快速地通过空气进行扩散，当满足一定条件后，便会发生燃爆事故。而在隧道这种半封闭的环境中，危化品发生爆炸的危害较为严重，隧道中大部分车辆和人员都会受到波及，因此注重对交通类隧道中危化品泄漏与燃爆理论的研究，有助于我们降低危化品泄漏、燃爆的发生几率[1]。

1 交通类隧道分类、挖法、特点及危化品事故

交通类隧道建设过程通常包括规划、勘测、设计、测量、施工等工作，是为避免大坡道或缩短距离，而从丘陵、山岭或水底等穿越而成的通道。通常根据隧道所处地理位置可分为山岭隧道、水下隧道、城市隧道三种，其中山岭隧道修建较为广泛、应用较多。在隧道挖掘层面，我国常用的交通类隧道挖掘方法主要有暗挖法与明挖法两种，明挖法通常用在城市铁路和浅埋隧道中，而常见的山岭隧道通常采用暗挖法。此外，根据挖掘位置和挖掘断面，还可以将隧道挖掘方法划分为全断面法、台阶法和分部开挖法三种。在现代技术发展的过程中，物探技术、遥感技术、航空勘测技术、计算机应用技术逐渐成为现代交通隧道主要应用的技术和方法。通过理论研究和实践探究，我们能够发现，现代交通类隧道主要拥有形状扁平、断面大，需要通风、照明及防水要求较高等基本特征和特点，其所拥有的基本特征、特点与其工程施工过程、挖掘方法及交通运输要求存在紧密的联系，但也正因为如此，才导致危化品泄漏与燃爆后的危害，相对严重。譬如2017年河北保定发生一辆罐车与八辆普通车辆相撞的事故，导致13人死亡。由于危化品燃爆空间扁平、狭小，人员来不及疏散，伤害难以得到控制。而通过分析危化品运输车辆在隧道运输中所发生事故的情况和原因，能够发现，危化品车辆通常是由于车辆密集、光线昏暗、车外气压小等原因发生碰撞和泄漏风险的。此外，如果隧道路面不够平整，还容易造成危化品内部压强加大，使危化品出现泄漏的概率加大，因此交通类隧道施工质量在某种层面上，对危化品事故发生的概率，有一定的影响[2]。

2 危化品泄漏及燃爆理论

2.1 危化品泄漏理论

首先是泄漏介质。由于我国天然气资源分布不够均匀和均衡，导致东部地区匮乏、西部储备丰富。为切实解决我国能源需求及供给问题，相关政府部门通常采用管道运输的方式对西部天然气资源进行运输。虽然这种运输方式能够解决东部地区的资源应用需求，然而造价太高，成本支出较大，所以在天然气资源运输上，比较常用的方式依旧是储罐车运输。由于液化天然气拥有高压、低温易爆易燃的特征，导致其在运输过程中经常遇到泄漏和燃爆的风险。所以在泄漏介质选择上，我们可以以天然气为主。其次是扩散模型。西方学者和专家在探究气体扩散案例的过程中，提出了唯象模型、工程模型的概念。其中唯象模型，主要指通过检测、绘制、整理“瞬时、连续”泄漏的实验数据，明确危化品泄漏和扩散的基本特征和特点。然而在实践应用中，唯象模型却难以应用在地表粗糙的环境中，不过在计算机技术的支持下，唯象模型的不足得到了更好的弥补[3]。而工程模型主要包括箱模型、浅层模型、相似模型三种，能够通过分析泄漏云团的温度、浓度及空间特点的方式，确定危化品泄漏、扩散的形式。再次是泄漏过程。危化品尤其是天然气在泄漏与扩散的过程中，会经过重力沉降、空气卷吸、云团加热等过程。其中重力沉降主要指危化品喷出后，会先向上进行运动，随后在隧道风力的影响下，向下沉降。空气卷吸指泄漏气体会在沉降的过程中，被空气所稀释。云团加热则指，危化品气体吸收周围空气热量，提升自身温度的过程。

2.2 危化品燃爆理论

首先是燃爆条件，危化品特别是天然气要想“燃爆”应具备以下三个条件。①空气与甲烷混合，并且甲烷浓度占总浓度的5%-16%；②氧气含量应达到13%以上；③要拥有足够的点火源，最小的火源应为0.41MJ。其次是燃爆形式。天然气及其他危化品燃爆形式主要包括爆轰、爆燃、定容爆炸与定压爆炸等四种。其中爆轰通常是气体爆炸的最高形式，火焰面与压力波相互重合，密度和压力变化较大。定容爆炸指混合物在刚性容器中的爆炸过程，释放的能量容易被刚性容器所吸收，压力较大、温度较高。结合交通类隧道的特点，能够发现，我国几种常见的交通类隧道，都可看作“刚性容器”。爆燃则指带有压力波的爆炸或燃烧形式，如果火焰在燃烧中遇到制约或限制，则会形成压力波，其火焰速度和冲击波的传播速度较快。定压燃烧，则指氧气和燃料在压力环境不变的情况下进行燃烧，并不会对周围事物造成加大的破坏性。再次是影响燃爆的极限因素，通常包括温度影响、压力影响、惰性气体、管径和容器等。①管径、容器：管径和容器越小、极限范围越小，当表面热量超过燃烧热量时，火焰会熄灭；②惰性气体：混合气体中的惰性气体比重较大时，爆炸极限便会越小；③压力。当压力减小后，爆炸极限也会随之减小；④温度。温度越高，爆炸范围及其极限越大，反之越小。在危化品燃烧理论与实践研究中，西方学者提出了预混燃烧模型及涡耗模型，都能对危化品燃爆限值进行深入而科学的探究。

3 交通类隧道危化品泄漏、燃爆事故防范

结合我国交通类隧道工程分类、挖法、特点及危化品爆炸，我们能够发现交通类隧道结构在某种程度上，对危化品泄漏、燃爆事故的控制，拥有明显的影响，而通过危化品燃爆与泄漏的理论分析，我们还能发现，交通类隧道风速、温度、混合气浓度是事故扩散速率和范围的重要影响因子，因此我们需要在重点分析各类影响因素的前提下，提出相应的防范策略[4]。

3.1 优化交通类隧道通风装置

通常来讲，当泄漏速率超过风速时，危化品泄漏所受到隧道风力影响较小，会出现典型的小孔射流现象，对周围环境的影响有限。但当风速加大后，泄漏气体的扩散速度会加快，最远可达235m。结合我国交通类隧道“需要通风”的特点，当隧道长度超过150m的时候，采用机械通风的方式，为隧道进行通风，通常分为压入式通风、吸出式通风、混合式通风等三种，并且通风管应满足“接头严密”“安装平顺”的基本要求。在危化品发生爆炸后，相关工作人员或者救护者应从隧道通风的角度出发，降低通风量，减小隧道中的空气流动速率，以此降低危化品泄漏扩散的速度，控制事故的影响范围。此外，在现代信息技术的支持和帮助下，相关负责人可通过PLC控制器或物联网技术，对事故数据进行及时分析和处理，并自动断开通风装置的电源，使事故预防和控制工作得到顺利、有效、全面、快速的开展。

3.2 设置制冷设施或装置

通过理论研究与相关实证研究结果，我们能够发现，当危化品泄漏环境的温度较低时，气体分子的运动速率较慢，扩散能力相对较小。然而当温度持续升高后，气体分子扩散能力加大、运动加快，譬如当隧道温度达到35摄氏度时，气体会扩散到42m左右。因此合理控制危化品附近的环境温度，拥有鲜明的现实意义和价值。在交通类隧道中，相关负责人应通过应用隧道降温系统，对隧道环境进行降温，以此控制隧道的整体温度，控制危化品气体泄漏、燃爆的风险。在隧道降温系统的研制和应用中，我国学者及专家已经申请了相关的专利，如吴志军、张鹏林、刘泉声等人在2019年申请的隧道降温系统，并指出了技术实现的相关要素，如“输送部件”“增压部件”“喷出部件”等。但在深入探究后，可知这些专利普遍被应用在交通类隧道的不同环节中，主要解决工段温度升高的问题。不过，通过对这些专利的延伸性应用，可以在某种程度上，为我国危化品事故处理与预防工作，提供技术支持。

3.3 探究综合预防举措

首先，在危化品运输层面。通过危化品泄漏、燃爆理论的研究，我们可以明确当混合气体浓度较大时，爆炸的热值会随之变大，燃烧速度也会加快。不过15%含量的危化品由于含氧量较低，因此燃烧所产生的二氧化碳会抑制燃烧。所以在危化品运输的过程中，相关负责人或者供应商，应将危化品含量控制在一定的范围内，才能降低危化品燃爆的风险。而在运输车辆的层面上，司机应做好车辆检修、保养及检查工作，通过严格遵循道路安全规则，降低危化品泄漏与燃爆事故的发生概率。其次是在道路安全上，我国交通类隧道应确保隧道道路平整、宽敞、稳定[5]。因为道路不平整，容易导致危化品运输车辆出现颠簸现象，从而致使危化品性质发生变化，引起储罐内部压力增强，进而出现泄漏风险。此外，相关部门应做好危化品泄漏、燃爆的安全防护、管理及统筹工作，通过制度制定、体系完善，使事故发生概率降低到最小。

4 结语

交通类隧道危化品泄漏、燃爆理论研究，能够帮助我国相关政府部门、管理者及负责人，明确影响“危化品泄漏、燃爆”的因素，通过科学合理地优化交通类隧道施工体系、程序、技术及内容的方式，降低危化品事故的发生概率。譬如在理论研究的过程中，我们可以确定风速、温度及浓度对危化品泄漏燃爆的影响较为显著。因此相关部门和人员，可以从制冷系统、通风装置等角度出发，提高危化品事故预防的整体质量。