金华山特长隧道互补通风模式下的安全防控研究

喻江春 方勇刚

中国公路工程咨询集团有限公司 浙江交投高速公路建设管理有限公司

摘 要：特长公路隧道采用互补式通风的新模式是实现低碳节能的新思路，由于互补风道的存在，也衍生出新的消防安全隐患。如何快速切断烟流，防止烟雾串流至相邻隧道，这是一个重要的安全议题。结合金华山特长公路隧道互补通风模式下的安全研究，提出了安全防控措施。可以为类似工程进一步提升互补式通风的火灾安全性，更好地指导隧道火灾性能化设计，制定高效的火灾救援疏散方案，提供借鉴和参考。

关键词：特长公路隧道;互补通风;火灾安全防控;火灾疏散;应急联动;

随着我国在建和拟建超过5 km的特长公路隧道数量的增长，特长隧道通风运营节能减排和防火减灾问题日益凸显。特长公路隧道通风系统存在系统庞大、设备闲置、资源浪费等缺点，采用互补式通风的新模式是实现特长隧道公路低碳节能的新思路[1,2,3,4]。但也会衍生出新的消防安全隐患，即互补式通风所需设置的连接上下行隧道的联络风道破坏了原本相互独立的两个防火分区，火灾烟气有从本隧道串流至相邻隧道的可能性。因此，如何快速切断烟流、防止烟流串流至相邻隧道是一个重要的消防议题，也是目前研究的空白[5]。同时，境内对于公路隧道的防灾疏散救援缺乏定量化标准的支撑，在采用互补式通风的新模式下，如何确定临界风速、通风排烟设备配置、疏散方式及疏散口密度、大小等参数，更多的是凭经验和工程类比，依据不足、精细化程度不高，存在一定的安全隐患。因此，本文结合工程实践，对设置互补通风的高速公路隧道的火灾安全性、设防规模、安全防控、疏散安全评价标准等开展系统研究。

1 项目概况

G25建金高速金华山特长隧道为双洞双向交通隧道，隧道右线设计长度7 398 m, 左线设计长度7 378 m。隧道内设计最大行车速度100 km/h, 隧道区域夏季平均温度32.5℃。隧道衬砌内轮廓净宽11.6 m, 隧道拱顶高7.41 m。隧道内空断面积为70.53 m2,左线纵坡0.85%的长度2 771 m, 坡度-1.1%的长度4 607 m; 右线坡度0.85%的长度2 788 m, 坡度-1.1%的长度4 611 m。通过经济、节能、技术等方面的比较并综合考虑地形及地质条件，最终确定单竖井送排结合纵向分段互补式通风方案作为金华山隧道的通风方案。

2 互补通风设计

2.1隧道设计需风量

依据工可文件中对近几年交通量和车型的预测，结合隧道的内空断面积、纵坡、海拔高度、车辆构成以及行车速度，分别计算隧道在设计年限内各种运营工况下，稀释CO所需的新鲜空气和稀释烟雾达到允许浓度的新鲜空气，并考虑交通阻塞(v=30 km/h),隧道换气次数和火灾事故状态时的工况，确定隧道的通风需风量。

根据规范计算[6]:金华山隧道右线需风量取447.95 m/s, 近远期一致；左线需风量近期取447.46 m/s, 远期取605.65 m/s。

左线隧道，当火灾发生在上坡段时(-1.1%),临界风速为3 m/s, 对应排烟风量为212 m3/s; 当火灾发生在下坡段时(0.8%),临界风速为3 m/s, 对应排烟风量为212 m3/s。

右线隧道，当火灾发生在上坡段时(0.8%),临界风速为3 m/s, 对应排烟风量为212 m3/s; 当火灾发生在下坡段时(-1.1%),临界风速为3 m/s, 对应排烟风量为212 m3/s。

2.2金华山隧道通风方式

从需风量结果来看，金华山隧道由于纵坡较小，且为人字坡，因此，总体而言，需风量不大。隧道右线采用单竖井送排+互补通风+射流风机纵向排风+竖井分段纵向排烟的通风排烟方式；隧道左线采用互补通风+射流风机纵向通风+竖井分段纵向排烟的通风排烟方式。见图1。

图1 竖井送排结合互补式通风示意 下载原图

在既定通风模式的框架下，针对初期、近期、远期的每一个可能出现的工况制定了相应的通风系统运营模式。模式1为纯射流纵向通风；模式2为竖井送排+互补式通风。模式2作为日常主要的通风模式，具有良好的节能效果。

在YK2467+365处，设置了一座地下风机房，风机房由排风兼排烟机房及送风机房组成，结合地下机房设置通风竖井一座，竖井直径7 m, 分成送风道与排风兼排烟道两部分。金华山隧道采用分段纵向排烟，事故工况时，当火灾发生在竖井排烟口前段时，开启地下风机房的轴流排风兼排烟风机，利用竖井排风道将烟气排出隧道；当火灾发生在竖井排烟口后段时，开启射流风机，直接将烟气吹出洞外；着火点前的人员驾车驶离隧道，事故点后的人员从车通或人通逃至反向隧道疏散。

3 互补式通风模式火灾安全性研究

鉴于互补式通风连通了原本两个独立的防火分区，有天然的烟气串流通道，带来了火灾安全隐患[7,8,9]。在金华山隧道中首次对互补式通风模式下火灾烟气规律进行了研究，搭建了隧道火灾模型试验平台(图2),建立了互补式通风隧道火灾分析数值模型和竖井排烟的分析模型(图3),掌握了互补式通风条件下的火灾烟气蔓延状况、能见度场、温度场等的发展规律。

图2 模型隧道实体 下载原图

图3 互补式通风模式下火灾模拟分析 下载原图

3.1烟气蔓延状况特性分析

因为隧道内固有的临界风速，所以火灾产生的烟气将蔓延至隧道下游处。在联络通道的风阀关闭之前，通过联络通道蔓延至相邻隧道的少部分烟气，因在横断面上设有较好的分层，所以只能集中在隧道路面2 m以上，即司机和乘客的平均视线高度以上，从而使安全疏散空间得到基本保证。

3.2温度场分析

就温度场而言，相邻非着火隧道尽管窜入部分烟气，但是由于纵向风速的影响，在地面以上2.0 m处的温度并没有明显变化，最高温度仅为21℃。在风阀关闭之后，各处的测点温度很快恢复至室温。

3.3能见度场分析

从能见度场来看，随着火灾烟气的继续蔓延，烟气逐渐经过联络风道到达相邻未着火隧道，未着火隧道内地面以上2.0 m位置能见度受到部分影响，短时内局部能见度降低至15 m左右，纵向长度最大时约为150 m。2.0 m高度(人眼特征高度)以下能见度几乎没有影响，对行车影响不大。

4 互补式通风模式火灾安全应对措施

由于互补风道连通了独立防火分区存在隐患，在金华山隧道中提出了几种防止烟气串流至相邻隧道的技术手段，包括水幕系统、湿式共振弦栅除尘装置和火灾防串烟装置。

4.1水幕

水幕系统可在第一时间拦截烟气，设置于吸风口，与专用的火灾探测器联动，无需隧道管理中心确认即启动。形成了水幕隔烟系统的分析方法，包括水幕喷头布置间距、喷头流量、喷头压力、流量系数、喷头流速、粒子直径等。

4.2湿式共振弦栅除尘装置

为了防止对拖挂车等驾驶舱较高车辆的行车安全造成影响，设计将采用湿式共振栅除尘装置来防止串流烟气(图4)。该装置是在风流道中设置喷雾系统、共振栅除尘系统及脱水系统，其基本原理是强迫所有的含尘气流经过3道水膜“洗涤”,烟尘被留在水中，洁净的气流排出。

图4 湿式共振栅除尘装置示意 下载原图

4.3防串烟装置

火灾防串烟装置能有效隔绝烟气进入非着火隧道，由火灾探测器、控制器、电磁释放器、闭门器构成，用以在第一时间拦截烟气。装置能够根据火灾烟气或火焰判断上风向隧道内是否发生火灾，即使在断电情况下也能够快速、自动封闭，并防止烟雾扩散至相邻的下风口隧道内。

5 隧道防灾救援联动控制策略

由于高速公路隧道内的空间相对较为封闭，火灾发生时扑灭行动难以展开，人员不能及时疏散和救援，故发生伤亡事故概率极大。因此，尽管隧道内发生火灾事故的可能性概率相对较小，但考虑到上述不利因素，所以仍应高度重视隧道内火灾的预防。应把火灾的预防放在第一位，坚持贯彻“预防为主，防消结合”的方针。

基于火灾规律分析，并通过调研隧道火灾探测时间、各设备系统的启动及联动控制时间，形成了互补式通风模式下的隧道性能及防灾救援联动控制策略，提出了联动控制方案(图5),根据探测系统，自动开启火灾通风预案，通过智慧疏散系统，有序疏散人员、引导消防救援；该联动方案火灾疏散救援有序、便捷、智能、能耗低。

火灾情况下，隧道智慧疏散系统能够根据系统配备的智慧分析模块，针对就近逃生通道和火灾位置，迅速地做出最佳指示方案以给出最优的疏散路径，即指明隧道内的应急标志灯的指示方向，协助隧道内的人群及时地选择最佳逃生路线，从而加快疏散速度，减少伤亡率。

图5 火灾疏散救援联动控制流程示意 下载原图

6 结语

(1)在对金华山特长隧道互补式通风模式火灾安全性系统研究的基础上，得出该模式有较好的火灾安全性。

(2)为提高隧道应对火灾的安全性，对火灾的安全隐患提出了相关的应对措施，可以阻止火灾情况下的烟雾串流。

(3)对隧道火灾防灾救援提出了联动控制策略，可以更好地指导隧道运营应急疏散与救援。

参考文献

[1] 杨超，王志伟.公路隧道通风技术现状及发展趋势[J].地下空间与工程学报，2011,7(4):819-824.

[2] 胡彦杰，邓敏，杨涛.双洞互补式通风在大别山隧道中的应用研究[J].交通科技，2011,(2):56-60.

[3] 王亚琼，蒋学猛，武义凯，等.公路隧道双洞互补式通风适用性分析[J].现代隧道技术，2015,52(3):14-22.

[4] 夏丰勇，王亚琼，谢永利.公路隧道双洞互补式通风的设计方法与试验[J].公路交通科技，2015,32(3):103-108.

[5] 方勇刚，王文星，郑国平.公路特长隧道互补式通风的火灾安全性研究[J].公路工程，2019,4(6):18-21.

[6] JTG/T D70/2-02—2014 公路隧道通风设计细则[S].

[7] 郑国平，方勇刚，郭洪雨.基于火灾动力学的竖井型自然通风模式烟气控制研究[J].现代隧道技术，2018,55(S2):942-955.

[8] 屈建荣.单洞双向交通公路隧道火灾人员疏散救援研究[D].长安大学，2015.

[9] 赵冬，周汝.烟囱效应作用下竖井型隧道火灾时的烟气扩散[J].消防科学与技术，2013,32(7):724-727.

[10] 曾石发，田源，唐莎，等.城市慢行隧道运营通风控制标准研究[J].公路交通科技，2019,36(12):104-109.

[11] 严涛，王明年，郭春，等.单洞对向超特长隧道通风方案优化研究[J].地下空间与工程学报，2012,8(A01):6.

[12] 李小明.高海拔特长公路隧道全射流通风方案可行性研究[C]//四川省公路学会.2014.

[13] 郭庆华.隧道火灾高温下温度分布及其衬砌结构损伤研究[D].太原理工大学，2015.

[14] 孙东旭，姚斌.特大断面公路隧道线型感温火灾探测系统适用性研究[J].火灾科学，2021,30(3):8.

[15] 闫治国，郭庆华，朱合华，等.基于水幕屏蔽作用的隧道消防灭火系统：中国，CN106523022A[P].2017.

[16] 张轩轩，万祥云，彭荣富，等.水幕与排烟系统协作下隧道火灾烟气防控研究[J].中国安全生产科学技术，2020,16(7):6.

[17] 邸英杰.联动防火门监控系统的设计与实现[D].大连理工大学，2016.

[18] 郑卫芳.基于物联网的智能火灾逃生与疏散引导系统的设计与实现[D].杭州电子科技大学，2015.

[19] 张博，蒋慧灵.一种基于疏散时间预测和火灾探测模型的智慧疏导系统和方法：中国，CN111369071A[P].2020.

[20] 陈长坤，徐志胜.长大公路隧道火灾安全疏散性能化设计与分析[J].中国工程科学，2007,9(9):78-83.

[21] 付修华，杨其新，刘化冰.对特长公路隧道火灾防灾救援安全策略的思考[J].公路交通科技，2004,21(3):5.

[22] 钟林峻.高速公路隧道火灾防范和救援预案[J].西部交通科技，2020,(10):3.

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