公路隧道火災熱釋放率研究

楊 陽

(深中通道管理中心，廣東 中山 100191)

公路隧道是一個半封閉結構，一旦發生火災會導致重大的人員及財產損失。1999 年連接法國和意大利的勃朗峰隧道發生火災導致39 人死亡。2014 年晉濟高速巖后隧道發生火災造成40 人死亡的慘劇。國內外隧道發生火災造成的慘劇，給人們敲響了隧道運營安全的警鐘。

隧道火災熱釋放率是隧道消防救援系統設計的基礎，直接影響到隧道消防救援系統的配置和隧道防火系統的設置規模。火災熱釋放率受隧道通行車輛的種類和數量等因素制約，取值十分復雜。如何根據隧道的實際情況，設置合理的隧道火災熱釋放率是亟待解決的問題。本文對國內外隧道火災相關成果進行了分析，對試驗成果進行了調研和分析、給出了火災工況下煙氣生成量的計算方法，有助于設計人員對火災熱釋放率的理解和選取[1]。

1 國內外隧道火災研究現狀

國內外對公路隧道火災工況下安全性進行了大量研究。早在1987 年，為研究在乘客與其車輛不分離的情況下，通過海峽隧道的安全性，歐洲進行了隧道內火災發展過程、火災在隧道內車輛間的傳播特性的試驗以及足尺隧道內的疏散試驗。1990~1992 年期間，由德國發起了EUREKA EU 499：FIRETUN-Fires in Transport Tunnels 項目，共進行了20 多次足尺火災試驗。2003 年，挪威利用廢棄的Runehamar 隧道進行了大型的隧道防災試驗，主要研究重型貨車的火災發展規律，采用50MW~ 200MW 的火源功率，模擬通行LPG（液化石油氣） 車輛的隧道發生火災，研究了水噴霧系統對隧道火災的影響。2006~ 2010 在德國開展的SOLIT：Safety of Life in Tunnels 項目建立了足尺模型隧道進行火災試驗，模型長600m，斷面高8.15m，支持縱向和橫向通風，主要研究水噴淋系統在隧道內的可靠性和生命周期，并建立隧道內水噴淋系統的試驗和性能評估方法。2009 后，德國開展SOLIT2 研究項目，重點研究固定滅火系統在隧道中的應用。

歐洲各國對于隧道火災安全的研究都非常重視，成立了一系列的研究組織。在勃朗峰隧道火災和托恩隧道火災發生后，歐洲開展了大量的隧道防火研究項目，包括：

1） DARTS（2001~2004）（Durable And Reliable Tunnel Structures） 該項目形成了一套集成的隧道設計流程。

2） FIT（2001~2005）（Fire In Tunnels） 該項目目的是建立一個基于網絡的火災咨詢數據庫作為發布和共享隧道火災研究成果的平臺。

3） Safe Tunnel（2001~2004）（Safety in Road Tunnels） 主要目的是減少公路隧道火災事故的數量和引起的后果。

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應急的運營管理理念。

5） Virtual Fires（ 2001 ~2004）（Virtual Real Time Emergency Simulator） 該項目的主要目的是開發可行的隧道火災模擬系統。

6） UPTUN（2002~2006）（Cost-effective, Sustainable and Innovative Upgrading Methods for Fire Safety in Existing Tunnels） 針對既有隧道開發新的隧道火災探測、監控和減災方法，以及發展、驗證和完善合理的隧道火災安全評估方法。

美國在1989 年開展了著名的（MTFVTP） 實驗。是在一個廢棄的公路隧道進行系列防火測試、隧道通風系設施配置及煙氣控制技術等研究。研究成果已列入NFPA502- 2011 條款。

我國也開展了隧道火災防控技術研究。西南交通大學以秦嶺終南山特長公路隧道為依托，對公路隧道內火災規律、豎井通風技術、疏散策略進行了研究。中南大學開展了獅子洋水下隧道綜合防災與運營管理技術研究；開展了蒼嶺隧道、括蒼山隧道、雙峰隧道等公路隧道排煙道模型試驗研究及頂隔板耐火性能試驗研究。北京交科公路勘察設計研究對港珠澳大橋沉管隧道進行了火災工況下煙霧擴散規律以及人員疏散安全性研究。天津消防研究所開展了城市特長水底隧道防火關鍵技術研究。

目前我國對隧道火災雖然已經進行了不少研究，取得了一定得成果，但由于我國隧道防火研究起步較晚，成果還不夠系統。我國還沒有系統、完善的隧道火災的規范和標準[2-6]。

2 客車火災熱釋放率試驗研究

20 世紀40 年代中后期，美國便開始了系統的汽車火災研究工作，美國國家防火協會（NFPA） 通過發布美國車輛火災趨勢報告，對發生汽車火災的傷亡損失、起火部位、起火原因等進行分析，對汽車火災的研究發展起到了重要的指導作用。

1999 年, Peacock 等對一輛小型客車作了兩次汽車火災實驗,基于氧消耗原理,測量了熱釋放速率,并記錄了車廂內溫度與氣體濃度的變化。2000 年，Steinert 在一個7m×5m×4.5m（長×寬×高） 的車庫中進行了一系列的汽車火災實驗，實驗車數為1 到3 輛，車距為80cm。試驗得到了汽車火災燃燒現象、溫度、氣體濃度、熱流量、質量損失率和熱釋放速率等隨時間的變化規律。分析發現，實驗車輛釋放的總釋放熱量和最大熱釋放速率存在某種線性關系，兩者比值介于0.55MW/GJ 和0.85MW/GJ 之間。

國內學者對于汽車火災發生的原因、機理及火災危害性開展了大量的研究工作。2002 年,中國礦業大學程遠平教授等采用實驗室實驗的方法對一輛兩廂式小汽車進行了系統的火災實驗研究。2006 年，由清華大學公共安全研究中心聯合中國建筑科學研究院建筑防火研究所、北京市消防局對一輛三廂式小汽車進行了全尺寸火災實驗研究。2010 年孫璇等人在中國建筑科學研究院建筑防火研究所實驗場對一輛三廂式小汽車進行了全尺寸火災實驗研究。通過實驗獲得了汽車火災發生可能性、駕駛艙火災蔓延順序及火災中溫度隨時間的變化規律等成果。公安部天津消防研究所在十二五科技支撐計劃項目研究中，開展了多次單車熱釋放率性能試驗。

匯總國內外有試驗記錄的37 次單車試驗數據，熱釋放速率峰值集中在3MW ～5MW，在這個區間的占43.2%，所有試驗，熱釋放速率峰值小于5MW 的占81%。

同樣，對有試驗記錄的37 次試驗中，從有效燃燒到熱釋放速率達到峰值的時間進行了統計，達到熱釋放速率峰值的時間小于30min 的試驗占83.7%，在20min 之內的占56.7%，在10min 之內的占24.3%[4-7]。

3 貨車火災熱釋放率試驗研究

表1 世界各國貨車熱釋放率的研究匯總

世界各國廣泛開展了隧道火災的研究，重點針對貨車車輛的熱釋放率。表1 是各組織機構推薦的煙氣產生量（m3/s） 及峰值熱釋放率（MW） 值。它們是通過大量的實驗獲得的。

2001, 在荷蘭Benelux 隧道開展了重型卡車火災實驗，如圖1，火災測試峰值熱釋放率在15MW 到40MW。

2003 在挪威的Runehamar road tunnel 開展了4 次大規模火災實驗，得出高于200 MW 的峰值熱釋放速率。火場最高溫度高達1350℃[4-7]。

4 既有隧道火災熱釋放率研究

國內外既有隧道火災熱釋放率如下表所示：

表2 部分水下隧道采用的火災標準

可以看出，不同國家采用的隧道火災設計火源功率差異較大。我國尚未有相關規范直接給出隧道內不同車輛的火災規模推薦值，在《公路隧道通風照明設計規范》JTJ 026.1-1999 條文說明中提及了除油罐車火災外的一般隧道火災功率按20MW 考慮[2,3,6,7,9]。

5 火災工況下煙氣生成量研究

煙氣生成量計算模型是定量研究和分析煙氣流動規律及進行煙氣控制的重要手段，它受火災規模、平均火焰高度、材料特性和建筑空間特性等諸多因素的影響。在一定的建筑空間和火災規模條件下，煙氣生成量主要取決于煙羽流的質量流量。

結合港珠澳大橋海底隧道工程實際及可能的火災場景，軸對稱煙羽流的煙氣生成量可采用下式計算：

式中：Qc為對流熱釋放速率，Qc=0.7Q；

zl為平均火焰高度，m。zl=0.166Qc2/5。

假設燃料面為行車道路面，當所產生的煙氣全部被排出時，煙氣層底部即為排煙道頂板底面，此時z即為行車道路面到排煙道頂隔板面底面的高度7.2m[2,4,5,7,8,9,10]。

根據國內外相關規范對不同車輛的火災規模推薦值，分別取熱釋放速率值為10 MW、20 MW、30 MW、50 MW、100 MW，計算結果如下所示：

表3 不同火災熱釋放率下的煙氣生成量

6 結語

熱釋放速率受隧道結構、地理位置、行駛車輛類型及貨物種類、通風條件等因素影響。熱釋放速率的確定將為煙氣控制系統的設計提供依據、為結構防火的設計提供依據、為固定滅火系統配置提供依據，而且是性能化設計的重要參數[3,4]。本文介紹了公路隧道火災國內外的研究現狀、對客車及貨車火災試驗進行了介紹、對國內外典型隧道火災實際當量的選取進行調研和分析，對火災工況下煙霧生成量計算方法進行了介紹，本文有助于設計及科研人員對公路隧道火災熱釋放率的認識，并為火災熱釋放率的選取提供了借鑒。