高速公路隧道火災(zāi)機(jī)電設(shè)備應(yīng)急控制策略研究

摘要：高速公路隧道火災(zāi)事故是影響其安全運(yùn)營(yíng)的主要原因之一。文章針對(duì)高速公路隧道火災(zāi)事故，以長(zhǎng)度約2000 m的隧道為例，將火災(zāi)隧道進(jìn)行控制區(qū)段及控制單元?jiǎng)澐郑诖藢?duì)火災(zāi)不同階段制定詳細(xì)的隧道機(jī)電設(shè)備控制策略，以控制火災(zāi)規(guī)模，減少人員傷亡，為高速公路運(yùn)營(yíng)管理單位提供高效、準(zhǔn)確的決策支持。

關(guān)鍵詞：高速公路隧道；火災(zāi)事故；機(jī)電設(shè)備；控制策略

U453.8A451414

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)公路交通飛速發(fā)展。截止2022年年底，高速公路里程已達(dá)17.73×104 km，公路隧道24 850處、2 678.43萬(wàn)延米，其中特長(zhǎng)隧道1 752處、795.11萬(wàn)延米，長(zhǎng)隧道6 715處、1 172.82萬(wàn)延米［1］。飛速發(fā)展的公路交通事業(yè)為我國(guó)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)，公路交通安全問(wèn)題特別是隧道行車(chē)安全問(wèn)題也給高速公路運(yùn)營(yíng)管理單位帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。高速公路隧道因其地理位置、結(jié)構(gòu)的特殊性，一旦發(fā)生火災(zāi)，若不能快速、合理地選擇事故控制策略，啟動(dòng)相應(yīng)預(yù)案，將會(huì)對(duì)人員帶來(lái)巨大傷亡，對(duì)車(chē)輛及隧道帶來(lái)巨大財(cái)產(chǎn)損失。而長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的高速公路運(yùn)營(yíng)管理現(xiàn)狀中“重監(jiān)控、輕應(yīng)急”的現(xiàn)象普遍存在，針對(duì)高速公路隧道火災(zāi)事故的應(yīng)急控制策略研究，顯得尤為重要。

現(xiàn)有針對(duì)公路隧道火災(zāi)研究多集中于火災(zāi)場(chǎng)景如煙霧蔓延擴(kuò)散模型、宏觀的應(yīng)急預(yù)案等方面。賴金星等［2］統(tǒng)計(jì)分析了2000—2015年國(guó)內(nèi)隧道火災(zāi)事故，基于統(tǒng)計(jì)結(jié)果為減少隧道火災(zāi)的發(fā)生提出針對(duì)性建議。王澤航等［3］通過(guò)搭建縮尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)火災(zāi)工況下的煙氣蔓延在縱向通風(fēng)條件下所受的影響做了研究。王明年等［4］針對(duì)隧道火災(zāi)阻塞場(chǎng)景，運(yùn)用FDS研究動(dòng)態(tài)火災(zāi)規(guī)模及不同工況的下的溫度與可視度分布規(guī)律，確定動(dòng)態(tài)火災(zāi)規(guī)模及人員疏散方案。王少飛等［5］針對(duì)國(guó)內(nèi)隧道應(yīng)急預(yù)案的現(xiàn)有缺陷，提出高速公路隧道火災(zāi)條件下的應(yīng)急預(yù)案編制方法。張英［6］針對(duì)隧道單點(diǎn)交通事故，通過(guò)應(yīng)急資源調(diào)配、應(yīng)急救援及管控方案制定、隧道通風(fēng)及交通誘導(dǎo)設(shè)施控制等系列措施，建立高速公路長(zhǎng)大隧道交通事故應(yīng)急預(yù)案控制模型。宋曉軒［7］針對(duì)高速公路特長(zhǎng)隧道，提出了正常工況下、交通事故工況下、火災(zāi)工況下以及道路施工工況下的交通監(jiān)控控制措施。劉旺［8］基于九嶺山隧道，確定了九嶺山隧道火災(zāi)的臨界風(fēng)速，基于此制定了九嶺山隧道的交通管控預(yù)案及通風(fēng)系統(tǒng)控制預(yù)案。

本文針對(duì)高速公路隧道火災(zāi)事故，以長(zhǎng)度約2 000 m的隧道為例，將火災(zāi)隧道進(jìn)行控制區(qū)段及控制單元?jiǎng)澐郑诖藢?duì)火災(zāi)不同階段制定詳細(xì)的隧道機(jī)電設(shè)備控制策略，以控制火災(zāi)規(guī)模，減少人員傷亡，為高速公路運(yùn)營(yíng)管理單位提供高效、準(zhǔn)確的決策支持。

1 控制區(qū)段及控制單元?jiǎng)澐?/p>

1.1 控制區(qū)段劃分

交通事件發(fā)生位置的部分區(qū)域定義為交通事件發(fā)生區(qū)域，根據(jù)交通流的方向定義交通事件的上游和下游。其中駛?cè)虢煌ㄊ录l(fā)生區(qū)域的車(chē)輛為上游車(chē)輛，如圖1所示。

根據(jù)公路橋梁、互通立交等相關(guān)構(gòu)造物的位置將隧道交通影響區(qū)域劃分為3個(gè)區(qū)段，如圖2所示。

（1）突發(fā)事件發(fā)生區(qū)域?yàn)榘l(fā)生區(qū)。

（2）上游鄰近第一個(gè)互通（交通流誘導(dǎo)分流點(diǎn)）到交通事件發(fā)生區(qū)域?yàn)榈谝粎^(qū)段。

（3）上游鄰近第一個(gè)互通到上游鄰近第二個(gè)互通區(qū)域?yàn)榈诙^(qū)域。

（4）上游鄰近第二個(gè)互通之外為第三區(qū)域。

根據(jù)交通流運(yùn)行特性和管控措施的類(lèi)型，進(jìn)一步劃分為發(fā)生區(qū)、管控區(qū)、影響區(qū)和無(wú)影響區(qū)。因突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，發(fā)生區(qū)和管控區(qū)內(nèi)均對(duì)交通進(jìn)行管控，故發(fā)生區(qū)、管控區(qū)可合并為控制區(qū)，如圖3所示。

事故現(xiàn)場(chǎng)前的過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度與其上游的車(chē)輛行駛速度成正相關(guān)。發(fā)生區(qū)域是事故發(fā)生的周邊位置，受交通事件嚴(yán)重程度的影響。根據(jù)發(fā)生事故的道路最高限速，綜合考慮事件現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域的范圍和嚴(yán)重程度，過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)度計(jì)算長(zhǎng)度公式見(jiàn)式（1）：

L=0.625WV+S（1）

式中：L——發(fā)生區(qū)長(zhǎng)度（m）；

W——事故發(fā)生位置占用的車(chē)道寬度（m）；

V——事故發(fā)生的高速公路路段的最高限速（km/h）；

S——事故發(fā)生位置現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)度（m）。

假定突發(fā)事件導(dǎo)致一條車(chē)道封閉，不同設(shè)計(jì)速度下所需的過(guò)渡區(qū)段長(zhǎng)度如表1所示。

當(dāng)突發(fā)事件封閉車(chē)道在2條及以上時(shí)，其計(jì)算長(zhǎng)度公式見(jiàn)式（2）：

L=0.625WV+S+（n-1）×5×V2W155+V2W155（2）

式中：L——發(fā)生區(qū)長(zhǎng)度（m）；

W——事故發(fā)生位置占用的車(chē)道寬度（m）；

V——事故發(fā)生的高速公路路段的最高限速（km/h）；

S——事故發(fā)生位置現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)度（m）；

n——封閉車(chē)道數(shù)。

1.1.1 控制區(qū)

管控區(qū)指公路隧道突發(fā)事件發(fā)生區(qū)域上游的第一個(gè)區(qū)段。管控區(qū)的起點(diǎn)是突發(fā)事件發(fā)生上游可以分流的互通立交出口處，終點(diǎn)是發(fā)生區(qū)的起點(diǎn)位置。該區(qū)段的特點(diǎn)是無(wú)法通過(guò)公路正常的互通立交將突發(fā)事件發(fā)生區(qū)上游的車(chē)輛分流到并行公路或地方道路上。管控區(qū)域的車(chē)輛一般都將通過(guò)突發(fā)事件發(fā)生區(qū)域行駛或等待通行，為防止二次事故發(fā)生，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)車(chē)輛的管控。

1.1.2 影響區(qū)

影響區(qū)指公路隧道突發(fā)事件發(fā)生區(qū)域的第二個(gè)區(qū)段，以事故控制區(qū)相鄰的互通為界。該區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)前方區(qū)段發(fā)生突發(fā)事件的安全提醒，主要特點(diǎn)是能將突發(fā)事件發(fā)生上游的車(chē)輛誘導(dǎo)離開(kāi)事發(fā)公路。

1.1.3 無(wú)影響區(qū)

無(wú)影響區(qū)指控制區(qū)上游以外的路段，一般不采取交通組織措施，按照正常狀態(tài)行駛，但可根據(jù)事故嚴(yán)重程度進(jìn)行相應(yīng)前方區(qū)段發(fā)生突發(fā)事件的安全提醒。

1.2 控制單元?jiǎng)澐?/p>

控制單元指隧道內(nèi)相鄰的兩個(gè)車(chē)行橫通之間的路段區(qū)域，確定事故發(fā)生所在的具體控制單元后，針對(duì)劃分的控制單元進(jìn)行機(jī)電設(shè)備的控制。

以長(zhǎng)度約2 km的隧道為例，隧道內(nèi)通常存在2個(gè)車(chē)行橫通，左、右洞分別可劃分3個(gè)控制單元，隧道總計(jì)6個(gè)控制單元。劃分示意圖如圖4所示。

2 隧道火災(zāi)控制基準(zhǔn)

2.1 排煙方向

高速公路火災(zāi)事故條件下的隧道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙，并在很短的時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散至整個(gè)隧道斷面，使得隧道內(nèi)的能見(jiàn)度將至極低，嚴(yán)重影響隧道內(nèi)阻滯人員的逃生與救災(zāi)人員的搶險(xiǎn)救援。

火災(zāi)事故區(qū)域下游的車(chē)輛可以駛離隧道，而火災(zāi)點(diǎn)上游的車(chē)輛會(huì)滯留于隧道，人員需棄車(chē)沿行車(chē)方向相反的方向逃生［9］，因而煙霧不能回流。

因此，縱向排煙的單向交通隧道，隧道內(nèi)排煙方向應(yīng)與隧道行車(chē)方向相同，煙霧應(yīng)由隧道出口或就近排煙口排出［10］。

2.2 火災(zāi)規(guī)模

火災(zāi)規(guī)模的大小直接決定火災(zāi)臨界風(fēng)速的大小，通常以熱釋放率（MW）來(lái)衡量。公路隧道火災(zāi)最大熱釋放率應(yīng)按表2確定。

本文以長(zhǎng)度約2 000 m的隧道發(fā)生火災(zāi)事故為例，其最大熱釋放率為20 MW。

2.3 臨界風(fēng)速

高速公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)的主要功能之一是控制火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧不向火災(zāi)點(diǎn)上游蔓延，以防止煙霧對(duì)駕乘人員逃生及應(yīng)急救援行動(dòng)產(chǎn)生干擾。當(dāng)隧道內(nèi)存在較高的縱向風(fēng)速時(shí)，可以將煙霧控制在火源的一側(cè)，但需要綜合考慮縱向風(fēng)速的大小，一般采用臨界風(fēng)速控制煙霧的流動(dòng)，能延長(zhǎng)煙霧在隧道頂壁的貼附時(shí)間，增加人員逃逸時(shí)間和安全性［11］。

采用縱向排煙的公路隧道，火災(zāi)臨界風(fēng)速宜按表3所列火災(zāi)臨界風(fēng)速取值。

3 隧道火災(zāi)機(jī)電設(shè)備應(yīng)急控制策略

高速公路隧道火災(zāi)發(fā)生后，為利于隧道受困人員疏散、救援及防止二次事故的發(fā)生，應(yīng)封閉雙向隧道，禁止后續(xù)車(chē)輛駛?cè)搿；馂?zāi)隧道火災(zāi)點(diǎn)下游車(chē)輛應(yīng)有序駛離隧道，火災(zāi)點(diǎn)上游車(chē)輛受困人員應(yīng)棄車(chē)逃生，沿行車(chē)方向相反方向從臨近人行橫洞或隧道洞口逃生；非火災(zāi)隧道車(chē)輛應(yīng)沿行車(chē)道有序駛離隧道。

以單向2車(chē)道/雙向4車(chē)道的隧道為例（如圖5所示），當(dāng)右洞2號(hào)控制單元發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，制定機(jī)電設(shè)備應(yīng)急聯(lián)動(dòng)控制策略。

將高速公路隧道火災(zāi)的階段劃分為三個(gè)階段，即疏散救援階段、排煙階段、善后處置階段。疏散救援階段從事故發(fā)生開(kāi)始，隧道內(nèi)駕乘人員全部逃離至隧道外安全地帶結(jié)束；排煙階段從駕乘人員全部逃離至隧道外安全地帶開(kāi)始，隧道內(nèi)煙霧全部排出隧道且無(wú)新煙霧產(chǎn)生結(jié)束；善后處置階段從隧道內(nèi)煙霧全部排出隧道且無(wú)新煙霧產(chǎn)生開(kāi)始，事故處置完畢隧道可恢復(fù)正常運(yùn)行結(jié)束。善后處置階段主要根據(jù)消防、交管等部門(mén)按需調(diào)整機(jī)電設(shè)備狀態(tài)，因此本文機(jī)電設(shè)備控制策略主要針對(duì)疏散救援階段及排煙階段。

3.1 疏散救援階段

疏散救援階段按照影響的范圍和程度、結(jié)合互通立交節(jié)點(diǎn)，將相關(guān)區(qū)域劃分為無(wú)影響區(qū)、影響區(qū)和控制區(qū)三個(gè)部分，如圖6所示。

3.1.1 無(wú)影響區(qū)

無(wú)影響區(qū)區(qū)域內(nèi)的交通管控措施可按日常條件運(yùn)行，無(wú)須進(jìn)行額外控制。

3.1.2 影響區(qū)

針對(duì)影響區(qū)區(qū)域，不采取交通管制措施，但應(yīng)采取相關(guān)的事故信息發(fā)布誘導(dǎo)措施，提醒駕駛員小心駕駛或繞道行駛。

該區(qū)域需要控制的機(jī)電設(shè)施為火災(zāi)上游右線影響區(qū)及火災(zāi)下游左線影響區(qū)的所有可變信息標(biāo)志，發(fā)布內(nèi)容為：“××隧道火災(zāi)，請(qǐng)擇道行駛”“××隧道火災(zāi)，請(qǐng)小心駕駛”等。

3.1.3 控制區(qū)

針對(duì)控制區(qū)區(qū)域，將進(jìn)行隧道封閉及交通管制，以減少人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失為前提制定機(jī)電設(shè)備控制策略。

3.1.3.1 隧道照明燈具

應(yīng)將隧道照明燈具全部開(kāi)啟。

3.1.3.2 車(chē)道指示器

（1）火災(zāi)隧道車(chē)道指示器。

右洞1單元車(chē)道指示器應(yīng)變?yōu)椤凹t×”；右洞2單元及3單元車(chē)道指示器應(yīng)保持綠箭頭，待火災(zāi)點(diǎn)下游車(chē)輛疏散完畢之后變?yōu)椤凹t×”。

（2）非火災(zāi)隧道車(chē)道指示器。

行車(chē)道車(chē)道指示器應(yīng)保持綠箭頭，待隧道內(nèi)車(chē)輛疏散完畢之后變?yōu)椤凹t×”；超車(chē)道車(chē)道指示器應(yīng)變?yōu)椤凹t×”。

3.1.3.3 交通信號(hào)燈

雙向隧道洞口交通信號(hào)燈應(yīng)變?yōu)榧t燈，后續(xù)可根據(jù)交警相關(guān)車(chē)輛誘導(dǎo)策略改變狀態(tài)。

3.1.3.4 隧道洞口可變信息標(biāo)志

雙向隧道洞口可變信息標(biāo)志應(yīng)發(fā)布內(nèi)容：“隧道火災(zāi)，禁止通行”。

3.1.3.5 隧道內(nèi)可變信息標(biāo)志

（1）右洞1單元可變信息標(biāo)志應(yīng)發(fā)布：“隧道火災(zāi)，馬上棄車(chē)逃生”；右洞2單元及3單元可變信息標(biāo)志應(yīng)發(fā)布：“隧道火災(zāi)，盡快駛離隧道”。

（2）左洞所有情報(bào)板應(yīng)發(fā)布：“隧道火災(zāi)，盡快駛離隧道，注意隧道逃生人員”。

3.1.3.6 控制區(qū)路段可變信息標(biāo)志

事故隧道上游右線及下游左線情報(bào)板：“××隧道火災(zāi)，禁止通行”“××隧道火災(zāi)，注意阻滯車(chē)輛”等。

3.1.3.7 廣播

（1）火災(zāi)隧道所有廣播應(yīng)播報(bào)：“隧道火災(zāi)，請(qǐng)盡快撤離隧道”，條件允許時(shí)，可針對(duì)火災(zāi)點(diǎn)上下游分別播報(bào)：“隧道火災(zāi)，請(qǐng)立即棄車(chē)逃生”“隧道火災(zāi)，請(qǐng)有序駛離隧道”。

（2）非火災(zāi)隧道所有廣播應(yīng)播報(bào)：“對(duì)向隧道火災(zāi)，請(qǐng)從行車(chē)道有序駛離隧道，注意避讓隧道內(nèi)逃生人員”。

3.1.3.8 車(chē)行橫通

隧道內(nèi)所有車(chē)行橫通應(yīng)保持關(guān)閉狀態(tài)，避免火災(zāi)隧道煙霧蔓延至非火災(zāi)隧道；后續(xù)根據(jù)消防救援需要按需開(kāi)啟特定車(chē)行橫通。

3.2 排煙階段

排煙階段的機(jī)電設(shè)備控制策略除風(fēng)機(jī)外，其余設(shè)備應(yīng)保持疏散救援階段控制狀態(tài)。

此階段隧道內(nèi)阻滯人員已全部疏散，同時(shí)火災(zāi)點(diǎn)下游車(chē)輛已全部駛離隧道，可開(kāi)啟火災(zāi)隧道全部風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙，風(fēng)機(jī)開(kāi)啟時(shí)間間隔應(yīng)為30 s；非火災(zāi)隧道根據(jù)隧道實(shí)時(shí)風(fēng)向啟停風(fēng)機(jī)，同樣保持在隧道內(nèi)形成正壓。

（1）火災(zāi)隧道上游應(yīng)開(kāi)啟距火災(zāi)點(diǎn)150 m外的1組風(fēng)機(jī)，狀態(tài)為正轉(zhuǎn)，開(kāi)啟時(shí)間間隔為30 s，以防止煙霧逆流。同時(shí)應(yīng)觀察隧道內(nèi)風(fēng)速數(shù)值及煙霧蔓延狀態(tài)，若風(fēng)速＞2.5 m/s及煙霧無(wú)逆流現(xiàn)象發(fā)生，可關(guān)閉1臺(tái)風(fēng)機(jī)；若風(fēng)速＜2 m/s或煙霧有逆流現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)增開(kāi)1臺(tái)風(fēng)機(jī)。需要注意的是，風(fēng)機(jī)的啟停應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)風(fēng)速的變化及煙霧蔓延的狀態(tài)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

（2）非火災(zāi)隧道進(jìn)洞口應(yīng)開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)機(jī)，正/反轉(zhuǎn)應(yīng)根據(jù)非火災(zāi)隧道實(shí)時(shí)風(fēng)向決定，以在隧道內(nèi)形成正壓，防止煙霧通過(guò)車(chē)/人行橫通進(jìn)入非火災(zāi)隧道。

3.3 實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

在廣西某2 km隧道消防演練中實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用火災(zāi)機(jī)電設(shè)備應(yīng)急控制策略。隧道火災(zāi)災(zāi)情發(fā)生后，隧道事件檢測(cè)系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示，經(jīng)監(jiān)控中心確認(rèn)事件后，迅速啟動(dòng)了火災(zāi)機(jī)電設(shè)備應(yīng)急控制策略，并通過(guò)信息化系統(tǒng)在1 min內(nèi)完成了機(jī)電設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。高速公路執(zhí)法隊(duì)、救援隊(duì)、路巡隊(duì)等單位趕往事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置。各單位按職責(zé)分工，有條不紊開(kāi)展救援，高速公路執(zhí)法人員首先對(duì)事故區(qū)域雙向進(jìn)行了交通管制，設(shè)置好安全防護(hù)區(qū)域，指揮救援車(chē)輛迅速進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援；路巡隊(duì)打開(kāi)人行橫通門(mén)疏散被困人員，救援隊(duì)在確認(rèn)事件后，利用隧道消防水進(jìn)行了滅火，在確認(rèn)火情不存在復(fù)燃的情況后拖移了事故車(chē)輛；隨后水車(chē)進(jìn)場(chǎng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)清掃；清掃完成后，監(jiān)控中心通知執(zhí)法大隊(duì)交通管制解除，交通恢復(fù)正常。經(jīng)過(guò)各個(gè)小組的共同努力，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置歷時(shí)30 min全部完成，火災(zāi)事故處置結(jié)束。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在高速公路隧道火災(zāi)事故條件下，將火災(zāi)隧道所在路段區(qū)域劃分為發(fā)生區(qū)、控制區(qū)、影響區(qū)及無(wú)影響區(qū)，基于隧道內(nèi)車(chē)行橫通將隧道劃分為不同的控制單元，通過(guò)確定火災(zāi)事故的排煙方向、火災(zāi)規(guī)模及臨界風(fēng)速，制定隧道機(jī)電設(shè)施及路段機(jī)電設(shè)施的火災(zāi)應(yīng)急狀態(tài)下的控制策略。經(jīng)應(yīng)急演練實(shí)戰(zhàn)證明，該策略能為高速公路運(yùn)營(yíng)管理單位提供高效、準(zhǔn)確的決策支持，提升應(yīng)急處突效率。

參考文獻(xiàn)：

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