摘要 保障特長隧道安全通行是高速公路運營重要部分，特長隧道發(fā)生火災時，煙氣流動尤為復雜，嚴重威脅到隧道安全運轉和人員生命財產。由于縱向排煙在雙向隧道中存在安全隱患，而集中排煙則增加運營和管理費用，故當前隧道排煙模式以采用縱向排煙模式和集中結合模型為主。針對上述問題，文章提出一種采用多種排煙模式結合的煙氣控制技術。正常運行時采用全射流縱向通風方式，同時設置排煙斜井集中排煙方式作為火災工況下的排煙措施以實現(xiàn)對隧道左右線的排煙。經過現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試分析，該方法在正常工況和火災工況下能夠對隧道煙氣進行有效疏通。

關鍵詞 特長隧道；煙氣控制；排煙模式；斜井集中排煙

中圖分類號 U495文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0022-04

0 引言

隨著國家高速公路和地方高速公路不斷向山嶺重丘區(qū)延伸，數(shù)量不斷增加、規(guī)模不斷擴大，長且大的公路隧道運營安全工作面臨較大壓力和挑戰(zhàn)。快速的經濟發(fā)展使得人民生活水平得到極大提高，私家車、貨運車等各種車輛井噴式增加，導致隧道車流量增大，加大了隧道發(fā)生火災的風險，火災產生的煙氣無法及時排到隧道外是導致人員傷亡的主要原因。由于隧道是半封閉環(huán)境，當隧道內出現(xiàn)火災時，其高溫的煙氣會造成視野能見度降低，極容易造成隧道內車輛堵塞，同時空氣中的一氧化碳含量增加，嚴重影響現(xiàn)場人員的疏散，極大威脅人員生命財產安全^[1]。因此，研究如何將火災引起的煙氣及時有效排放出隧道，保障隧道安全至關重要。

目前，高速公路隧道通常使用縱向排煙和集中排煙兩種排煙模式。國內以縱向排煙模式為主，國外發(fā)達國家以集中排煙模式為主。其中，我國采用的排煙模式存在安全隱患，如雙向隧道中，由于兩邊都存在車輛行，火災產生的煙氣如何排放均會影響到現(xiàn)場人員撤離，無法滿足防災要求。集中排煙模式排煙能力強，且滿足防災要求，但其成本高^[2]。因此，鑒于長度大于5 000 m的隧道數(shù)量日益增多，此類隧道通風排煙方式問題亟待解決。

1 排煙控制原理

火災會產生大量的有毒氣體，引起附近高溫，在隧道半封閉場景下，嚴重威脅現(xiàn)場人員的生命安全，合理的排煙模式能夠有效地減少火災造成的人員傷亡，降低財產損失。國內外采用的縱向排煙和集中排煙模式，其工作原理不同，排煙效果及使用范圍均有所差別。

1.1 縱向排煙模式控制原理

縱向排煙模式利用通風設備形成的縱向氣流速度大于臨界風速，且流動方向與車輛行駛方向同向，阻止煙氣回流，控制煙氣往火災發(fā)生地點下游排放。該方式可控制煙氣流動方向，但會加快火災蔓延速度。若對煙氣控制不合理，易造成隧道內能見度下降，空氣稀薄，對車輛疏散、人員撤離甚至火災救援均會產生不利影響^[3]。

此外，縱向排煙模式在特殊情況下，仍存在安全隱患：一是該模式發(fā)生火災時，嚴重時會影響雙向車輛正常行駛。二是火災由前方事故引起后方車輛擁堵，導致二次事故并引起火災的情況時，該火災發(fā)生位置前后方都有車輛和人員，此時，煙氣無論如何流動都會威脅到現(xiàn)場人員的生命安全。故縱向排煙模式在發(fā)生火災時，不符合隧道防災要求。

1.2 集中排煙模式控制原理

國外一些發(fā)達國家采用集中排煙模式，該模式包括全橫向和半橫向兩種通風模式。在隧道運營使用階段結合全橫向或半橫向兩種模式^[3]，如半橫向送風型，正常情況下送風通道則用于輸送新風。若出現(xiàn)火災，可將軸流風機按相反方向轉動，可用于排煙。同時，將除了火源附近的風閥打開，其他的均關閉，輔以兩側的縱向氣流防止煙氣混亂，此時排煙風閥可排走煙氣^[3]。使用集中排煙模式，可以有效控制煙氣擴散，火災現(xiàn)場氣體對司乘人員威脅極大降低，同時該模式下消防救援人員可在隧道兩側展開救援，滿足防災要求。

2 火災排煙設計方案實踐

該方案實施于青云山隧道，隧道位于廣東省韶關市翁源縣及河源市連平縣分水嶺青云山山脈，進口位于翁源縣李洞村，出口位于隆街鎮(zhèn)松嶺鄉(xiāng)象湖村，設計為分離式隧道，洞室凈空14.75×5 m，起訖樁號左線ZK344+710～ZK350+610，長5 900 m；右線YK344+645～YK350+655，長6 010 m，呈132°方向展布；進洞口設計標高左線351.4 m、右線349.2 m，出洞口設計標高左線388.8 m、右線386.6 m；隧道最大埋深約808 m，屬特長深埋隧道。

2.1 煙氣控制需求分析

隧道火災煙氣控制即為通過開啟一定數(shù)量的風機，控制煙氣在隧道洞口的運動路徑，相關控制參數(shù)包括不同火災場景下的煙氣控制參數(shù)和不同煙氣控制目標下的風機控制參數(shù)兩部分。

2.1.1 不同場景下的煙氣控制參數(shù)

根據(jù)火災場景下的煙氣控制需求，劃分隧道防煙分區(qū)，量化不同防煙分區(qū)的煙氣控制指標與通風控制指標（包括不同防煙分區(qū)的煙氣層厚度、蔓延時間、縱向控制風速等），為火災工況下的人員疏散與防災救援提供一個有利的環(huán)境。

2.1.2 不同煙氣控制目標下的風機控制參數(shù)

根據(jù)不同火災場景及火災發(fā)展不同階段的風速控制需求，提出相應的風機開啟預案，提出不同縱向風速下的風機開啟方式、開啟數(shù)量、開啟組合等控制參數(shù)。

2.2 火災排煙設計方案

在《公路隧道設計細則》（JTG/T D70—2010）中規(guī)定的單向隧道設計風速不超過10 m/s，青云山隧道左右線的近期和遠期設計的風速都未超過該規(guī)定的風速數(shù)值。因此青云山隧道采用全射流縱向通風排煙模式，且使用排煙斜井集中排煙模式。此兩種模式結合有利于火災情況下及時排煙。

2.2.1 正常運營通風狀態(tài)

隧道左洞和右洞在正常運營情況下使用全射流縱向通風模式，根據(jù)統(tǒng)計自然風阻抗力與通風阻抗力以及設計的不同速度產生的交通風力控制工況，得到該控制工況所需的射流風機的數(shù)量。射流風機的直徑參數(shù)是Φ1 120 mm型，風機技術參數(shù)：電機功率37 kW，出口風速33 m/s，流量32.5 m³/s?？紤]隧道斷面較大，同時為了減少射流風機的組數(shù)和供電電纜的長度，故射流風機按照每3臺為一組進行布置。風機在縱向上的布置以不小于150 m為原則^[4]。

2.2.2 防災通風

隧道在火災情況下的應急防火救災措施，第一步應對產生火災區(qū)域進行劃分，其次分析現(xiàn)場火災地點的受困人員疏散和車輛撤離線路，以規(guī)劃控制風機運轉的應急策略，起到排煙滅火、人員逃生的作用。根據(jù)現(xiàn)場情況，該隧道劃分為2個防火區(qū)段，如圖1所示，當火災發(fā)生在A區(qū)段時，采用豎井集中式排煙；當火災發(fā)生在B區(qū)段時，采用全縱向射流排煙，并利用左右洞聯(lián)絡橫通道作為人員車輛撤離通道。

2.2.3 火災發(fā)生時人員逃生與風機控制

（1）左線發(fā)生火災。隧道左線發(fā)生火災時，快速封閉隧道進口通道，防止洞外車輛繼續(xù)駛入洞內。上游人員棄車通過車行及人行橫洞進入對向隧道進行逃生?；鹪聪掠诬囕v快速駛出隧道。

根據(jù)現(xiàn)場情況，現(xiàn)場工作人員指揮已駛入隧道車輛駛出洞外，同時封閉未發(fā)生火災隧道，確保消防救援車輛可快速到達火災發(fā)生地點進行救援。

迅速啟動左線隧道內距離火災發(fā)生地點約150 m 以外的射流風機，將煙霧直接從洞口排除。確保煙氣不回流，使火災發(fā)生地點的上游車輛安全駛出隧道。開啟右線全部射流風機保持對隧道正壓，防止煙霧進入對向隧道^[5]。

（2）右線發(fā)生火災。右線隧道發(fā)生火災，立即關閉隧道進口，阻止洞外車輛駛入。上游人員棄車通過車行及人行橫洞進入對向隧道進行逃生。火源下游車輛快速駛出隧道。

根據(jù)現(xiàn)場情況，現(xiàn)場工作人員指揮已駛入隧道車輛駛出洞外，同時封閉未發(fā)生火災的隧道，確保消防救援車輛可快速到達火災發(fā)生地點進行救援。

迅速啟動右線隧道內距離火災發(fā)生地點約150 m以外的射流風機，將煙霧直接從洞口排除。確保煙氣不回流，使火災發(fā)生地點的上游車輛安全駛出隧道。開啟左線全部射流風機保持對隧道正壓，防止煙霧進入對向隧道^[5]。

2.3 通風系統(tǒng)測試

2.3.1 正常工況測試

（1）測試內容：①風機啟動至正常運行耗時；②開啟不同數(shù)量射流風機工況下的洞內風速。

（2）測試步驟：①測試洞內自然風速（盡量保證洞內零風速）；②啟動1組射流風機并記錄風機啟動時間；③風機啟動后每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；④第1組風機啟動5 min后，啟動第2組風機；⑤每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；⑥第2組風機啟動5 min后，啟動第3組風速；⑦每隔30 s記錄一次數(shù)據(jù)，共記錄10組數(shù)據(jù)；⑧順序啟動射流風機并記錄風速數(shù)據(jù)，直至所有風機啟動完畢。

（3）測試數(shù)據(jù)分析。射流風機現(xiàn)場測試旨在掌握射流風機開啟數(shù)量與洞內縱向風速的對應關系。為了盡可能降低自然風對通風測試的影響，通風測試選擇在自然風速相對比較小的上午時段開展。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，對風機啟動數(shù)量與洞內縱向風速相關關系進行數(shù)據(jù)擬合^[6]，如圖2～3所示。

經數(shù)據(jù)擬合，隧道洞內縱向風速與射流風機啟動數(shù)量之間符合如下函數(shù)關系：

y=?0.007x₂+0.4·x （1）

式中，y——縱向風速（m/s）；x——風機啟動臺數(shù)。

2.3.2 火災工況測試

（1）工況測試1。當火災發(fā)生在左線A區(qū)段時，開啟A區(qū)段射流風機和斜井風機，保持3.1 m/s的臨界風速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，右洞保持正常運營通風，如圖4所示。

（2）工況測試2。如圖4所示，當火災發(fā)生在左線C區(qū)，斜井附近（±50 m）范圍時：開啟A區(qū)段射流風機和斜井排風機，煙氣從斜井和出口排出，右洞保持正常運營通風。

（3）工況測試3。如圖4所示，當火災發(fā)生在B2區(qū)段，斜井排煙軸流風機關閉，保持4.6 m/s的臨界風速，煙氣沿著B區(qū)段從出口排出，右洞保持正常運營通風。

（4）工況測試4。如圖4所示，當火災發(fā)生在右線A2區(qū)段時，開啟A區(qū)段射流風機和斜井排煙軸流風機，保持4.6 m/s的臨界風速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，左洞保持正常運營通風。

（5）工況測試5。如圖4所示，當火災發(fā)生在右線A1區(qū)段時，開啟A區(qū)段射流風機和斜井排煙軸流風機，保持3.1 m/s的臨界風速，煙氣沿著A區(qū)段從斜井排出，左洞保持正常運營通風。

（6）工況測試6。如圖4所示，火災發(fā)生在右線B區(qū)段，斜井排煙軸流風機關閉，相當于把整個隧道作為一個防火區(qū)段的火災工況，采用射流風機排煙，保持4.6 m/s的臨界風速，煙氣沿著B區(qū)段從出口排出，左洞保持正常運營通風。

2.3.3 測試總結

經過現(xiàn)場測試，射流風機在火災發(fā)生時，能在60 s內從靜止狀態(tài)啟動到火災不同階段排煙系統(tǒng)所需要的運行工作狀態(tài)，提供的風速滿足設計要求。排煙軸流風機能夠提供滿足設計要求的排風量。經現(xiàn)場風速測試，排風聯(lián)絡道內風速穩(wěn)定區(qū)域為2～3 m/s，火災工況時疏散階段風機開啟臺數(shù)能夠滿足控煙需要。

3 總結

該文設計的隧道排煙方式采用縱向排煙和斜井集中排煙兩種結合模式，在正常運營工況使用縱向排煙模式，火災工況下使用斜井集中排煙模式。通過現(xiàn)場隧道測試，在正常工況下，通過開啟不同數(shù)量射流風機風速保持正常速度。在模擬火災工況下，對不同區(qū)域火災進行測試，隧道內保持正常通風。因此，該文設計的方案均能滿足風速和排風量的設計要求。

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收稿日期：2023-09-27

作者簡介：楊樂（1981—），男，本科，工程師，研究方向：高速公路機電工程。