自然通風方式城市水平隧道安全距離的思考

李斯亮

摘要：自然通風隧道的安全距離設計主要考慮火災情況下的人員逃生需要。本文將對自然通風方式城市水平隧道的安全距離計算方法進行研究，首先分析隧道火災危害及安全距離定義，進而采取實驗研究方法，根據(jù)實驗結(jié)果確定自然通風水平隧道的極限長度。

關(guān)鍵詞：自然通風方式;城市水平隧道;安全距離

前言

目前城市路面交通壓力不斷增加下，隧道負荷較高，需要考慮不同逃生速度下的安全距離設計需求，并采用科學的計算方法，確定安全距離理論計算值，為工程設計和建設提供指導。

1自然通風方式水平隧道火災危害及安全距離定義方法

自然通風隧道即未設置通風系統(tǒng)的隧道，在發(fā)生火災時，煙氣自由擴散，在設計隧道長度時，需要充分考慮人員逃生時間，確定最大安全距離。城市水平隧道即無明顯坡度的隧道，主要用于行人和汽車通行。在進行火災中的有害氣體擴散研究時，不需要考慮隧道坡度變化。而且城市水平隧道無豎井和其他與隧道垂直的排風口，只有隧道兩端與外界進行通風。

在自然通風條件下，氣體自由擴散速度決定了其排煙速度。發(fā)生火災時，在未安裝通風裝置或通風裝置失效情況下，人員逃生最長距離的2倍即自然通風式水平隧道的最大安全距離。為保證安全距離設計的合理性，首先應對隧道火災傷害特點進行分析。

隧道火災傷害主要包括：（l）濃煙傷害，隧道火災產(chǎn)生的煙氣屬于物質(zhì)化學變化，隧道內(nèi)人員吸入濃度過高的煙氣后，會對身體狀態(tài)產(chǎn)生較大影響，進而影響其逃生速度?；馂臒煔獾闹饕煞譃镃O2，會引發(fā)人體的咳嗽、呼吸困難等癥狀。（2）高溫傷害，隧道火災會快速升高隧道內(nèi)溫度，其對人體的傷害為物理作用，會導致人體出現(xiàn)口干舌燥、肢體軟弱無力等癥狀，高溫和濃煙傷害的共同結(jié)果會導致人體出現(xiàn)昏迷甚至休克。

2城市自然通風方式水平隧道安全距離設計的實驗研究

2.1煙氣致死實驗研究

根據(jù)上述隧道火災傷害類型，分別進行煙氣致死實驗和高溫傷害實驗。在煙氣致死實驗研究過程中，首先對隧道火災的煙氣變化情況進行模擬。隧道中的煙氣會維持在一定高度，并與正常空氣出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。進入燃燒衰退期后，距離火源50m意外的煙氣會出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象。因此，離開火源50m范圍可以降低煙氣傷害對人員逃生的影響。在火源動力與煙氣擴散作用下，隧道排煙口的排煙強度會發(fā)生波動，而且火災發(fā)展和煙氣運動趨勢受外界環(huán)境溫差影響較大，煙氣會流向溫度加高的排煙口。從人員忍受時間與溫度變化關(guān)系來看，如果溫度變化速度超過人員的忍受時間極限，則意味著人員無法逃生。其極限忍受時間即人員在對應溫度下能夠堅持的時間，因此，通常將溫度與極限忍受時間曲線稱為“死亡曲線”，可以根據(jù)其判斷是否會發(fā)生煙氣致死現(xiàn)象。

2.2高溫傷害實驗研究

參考相關(guān)研究模型，假設隧道發(fā)生火災后，75%的隧道內(nèi)人員是在接收到火災報警信息后的15-40s時間開始向外移動。并假設隧道內(nèi)人員的正常疏散速度為1.5m/s，有煙氣情況下的人員疏散速度為1m/s。由于城市自然通風方式水平隧道的火災逃生環(huán)境較為惡劣，再考慮到人員逃生反應速度的情況下，其逃生速度可能只有1m/s。根據(jù)不同條件下的人員逃生速度，分別繪制不同逃生速度下，隧道溫度與人員忍受極限時間關(guān)系。具體包括逃生速度v=1m/s、v=2m/s、v=3m/s、v=4m/s、v=5m/s情況下的隧道溫度與人員忍受極限時間關(guān)系。

3實驗結(jié)果分析及隧道安全距離理論計算結(jié)果

3.1實驗結(jié)果分析

從上述實驗研究結(jié)果來看，通過取平均值，將人員逃生速度為v=3m/s確定為人員逃生速度可能值。并根據(jù)煙氣濃度、隧道內(nèi)溫度、煙氣沿隧道內(nèi)擴散速度、隧道內(nèi)能見度等影響因素分析結(jié)果，判斷人員在不同水平隧道距離設計下的逃生可能性。根據(jù)人體工程學研究情況，普通人的人體輻射熱通量不能超過2.5kW/m2，在隧道火災模型下，煙氣層的溫度為180℃時，隧道內(nèi)人員人體輻射熱通量正好達到2.5kW/m2。換而言之，當隧道內(nèi)的煙氣溫度超過180℃以后，煙氣對人體的輻射危險將超過普通人的忍受極限，會對人體造成較為嚴重的傷害。而當煙氣高度下降到能夠與隧道內(nèi)人員發(fā)生直接接觸的高度時，煙氣也會對人體造成嚴重傷害。此時溫度為100℃。如果能夠?qū)⑺淼纼?nèi)的火災燃燒時的最高溫度控制在100℃以內(nèi)，則其輻射熱不會對人員造成致命傷害。

3.2隧道安全距離理論計算結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果，在對自然通風方式城市水平隧道的最大安全距離進行計算時，還需要考慮人員逃生時對有害氣體的容忍極限。隧道內(nèi)人員有害氣體容忍極限除了毒氣作用外，主要與能見度有關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，在隧道火災的煙氣環(huán)境下，保障人員能夠以正常逃生速度快速逃離的最低可見度為7m，識別指示標記最低能見度為15m。在人員疏散和指示標記識別最低能見度條件下，有害氣體濃度在隧道內(nèi)人員逃生忍受極限值以內(nèi)。因此，在理論計算過程中，實際上不需要考慮人體的有害氣體濃度忍受極限，只需要滿足疏散能見度和指示標記識別能見度最低條件即可。由此計算的隧道火災事故發(fā)生后5min安全疏散距離為400m。

基于上述實驗研究和理論計算結(jié)果，主要對自然通風方式城市水平隧道設計提出以下幾點建議：（1）應充分考慮隧道火災情景中人員逃生的綜合影響因素，合理計算最大安全距離，在不采用額外通風措施的情況下，必須將隧道長度控制在安全距離以內(nèi)，根據(jù)本文研究結(jié)果，不應超過400m;（2）對于隧道設計長度超過400m的情況，則應按照相關(guān)設計規(guī)范要求，配置隧道內(nèi)通風和排煙系統(tǒng)，并設置通風豎井，改善隧道火災情況下的逃生環(huán)境;（3）應積極采用先進的信息化技術(shù)手段，利用傳感器等裝置對隧道內(nèi)情況進行動態(tài)監(jiān)測，并連接火災報警系統(tǒng)，提高火災響應速度，為發(fā)生火災時的隧道內(nèi)人員逃生爭取寶貴時間。

4結(jié)束語

綜上所述，自然通風條件下的城市水平隧道發(fā)生火災時的逃生環(huán)境較為惡劣，通過對其安全距離進行分析和確定，可以為相關(guān)隧道工程設計提供參考。通過合理設置隧道長度，并做好配套的通風和所在監(jiān)測系統(tǒng)設計，可以有效提高城市公路隧道運行的安全性，將發(fā)生火災時的人員傷害幾率降至最低，為城市道路安全提供保障。