浅析高速公路隧道火灾及其应急措施
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摘要：介绍了隧道火灾发生的原因及危害性,对隧道火灾中烟气流动和火焰传播特性进行了理论分析,并且通过典型事件针对突发情况时通风、照明等各个系统的工作情况和隧道火灾的控制预案进行说明。
关键词：高速公路;隧道火灾;应急措施
1 隧道火灾的原因及隐患
1.1 隧道火灾的原因:从国内外隧道火灾事故案例可知,造成火灾事故的原因是多方面的。隧道火灾原因大致有以下几个方面。
1.1.1 车辆本身故障引发的火灾:车辆故障引发汽车火灾的主要原因有机件摩擦起火、化油器回火、电气线路短路、车辆漏油等引发火灾。
1.1.2 车辆撞击起火:由于隧道内车辆超速行驶和隧道能见度低,极易发生车辆之间、车辆与隧道及隧道设施相撞或擦挂,发生交通事故导致火灾的。
1.1.3 车辆上的货物引起火灾的:隧道内有各种车辆通过,他们所载的货物有可燃的或易燃的物品,可能会因各种原因引发火灾。
另外还有隧道内的设施、设备着火而引起的隧道火灾等。
1.2 隧道火灾的隐患:据国际消防技术委员会(CTIF)近期对多国隧道的检查中发现,当前不少隧道由于设计和管理差错,存在以下火灾隐患。
1.2.1 通风排气道少:隧道中经常运输化学物品和多种易燃易爆物品,由于隧道内通风排气道少,必然通风不畅,温度上升快,许多有害气体都滞留在隧道内,不但伤害人体健康,而且遇到高温和名火,及易发生火灾和爆炸,造成重大损失。
1.2.2 缺少紧急出口通道:当前各国隧道的外观比较优美,结构各不相同,高度和密度也各异,但都缺少紧急进出口道。不少公路只能从两端进出。有些隧道虽然有少量进出口道,但标志不醒目,一旦发生火灾,不但消防和救护车辆无法到现场,遇难者也难逃出,必然造成重大损失。
1.2.3 防火救护设备少:不少隧道内缺少灭火水源和灭火器,消火栓间隔太远,救护工具也很少。一旦发生火灾,现场人员无法及时灭火救灾。此外还有许多人们不重视或不了解的危险因素。如国际消防技术委员会多次火灾案例报告中所述,通过隧道运输的面粉、咖啡粉和牛奶粉等有机粉末与隧道中灰尘混合后,遇到高温或明火时同样会发生爆炸。隧道火灾危险性大于敞开空间火灾的危险性。
2 隧道火灾中烟气流动和火焰传播速度的特性
日本隧道火灾研究所在隧道火灾的研究中,建造了长21m、高1.6m、宽1.5m的隧道模型,研究表明,隧道内燃料的燃烧速度是敞开空间的3倍,隧道火灾中,隧道内温度可达到1000℃。当隧道发生火灾时,向隧道内送风,在一定程度的风速下,火焰的燃烧速度和敞开空间一致;如果风速减弱,火源正上方的隧道壁温度将很快升高,通过辐射热量的返回,燃烧速度将猛烈增加。隧道火灾烟气流动和火焰传播、扩散是十分复杂的现象。隧道火灾的危害主要来自于烟气和火势的蔓延,而烟气的扩散和火焰的传播速度完全被隧道气流控制。
无风隧道中烟气自由流动扩散的主要特性。其特征表现为缓慢而非稳定的流动扩散过程。火灾初期阶段烟气在隧道上部空间呈流束状的纵向延伸,同时逐渐向下部空间的空气区横向扩展。这种烟气和空气的分层作用将随着烟气扩散逐渐减弱以致消失,在一定距离处以全断面的烟气流状态继续扩散,已形成的流束状烟气也渐趋消失。其结果在隧道中形成大范围、高浓度的烟气危害区,在火灾初期阶段,利用烟雾和空气的分层现象和扩散,将对控制隧道火灾、防灾起到积极作用。但是,当自由扩散形成烟气危害区以后,将对防灾产生不利的影响。利用通风气流改变这一流动扩散形态,将对控制隧道火灾、防灾产生明显效果。在自然风控制下隧道中的烟气受限流动扩散特性表现为:在下部烟气区,燃烧生成的烟气即刻被气流裹携,并在强烈的混掺作用下很快扩散至整个流区空间。烟雾区位置和对烟雾的稀释程度,是与火灾的发生位置和强度密切相关的。在少数特定的条件下,直接利用自然风控制火灾烟雾可以获得良好的防灾效果,但大多数情况下将对防灾产生不利影响甚至严重后果。因此,利用风机对气流的调节作用,改变烟雾的扩散形态对于控制火灾是十分必要的。
利用风机改变隧道中的自然风状态(包括静止状态),这时的烟雾扩散完全被调控气流所控制,称为烟气的强制扩散。由于气流的调控不仅可以进行不同幅度的增速、减速调节,而且还能改变流动的方向。因此,被调控气流所控制的烟雾扩散浓度和扩散区域也随之变化,这种烟雾扩散特性更能适应隧道防灾的要求。从此意义上说,烟气的强制扩散是控制隧道火灾的一种主要扩散形式。通过气流的调控改变烟气和火焰传播扩散特性,不仅是必要的,而且也是可行的。
3 隧道火灾的防范
3.1 隧道的耐火等级:隧道内发生火灾时,隧道顶部的温度将会很高。而公路隧道墙体内一般埋有电缆等设施,如果墙体耐火等级太低火灾时极易将电缆烧坏,影响隧道内设备的使用。因而隧道所用的材料耐火极限应为1.5h-2h ,隧道内的拱顶和侧壁的表面应喷涂隧道防火涂料或其他措施予以保护,提高其耐火等级,使耐火极限达到2h以上,防止隧道内混凝土在火灾中迅速升温而降低强度,避免混凝土炸裂、衬内钢筋破坏失去支撑能力而导致隧道内垮塌,防止墙体内埋的电缆等设施烧坏。同时对墙体内的电缆还应用阻燃电缆或耐火电缆,各类电气线路均应穿管保护。
3.2 隧道内的消防设施:隧道是一个近似密闭状态的交通设施,为了能及时了解隧道的营运情况,应在隧道内安装电视监控系统。此外,为了使火灾或其他突法事件能及时得到解决,隧道内还应安装应急设施,主要包括报警设施(隧道内车辆多,排放的烟气多,不适合安装感烟探测器,宜采用感温探测器或火焰探测器)。在安装自动报警设施的同时还应安装手动报警装置,以便发现火情的人员能够迅速报警。另外,宜在每隔一定距离设置消防应急电话,手动报警设施和应急电话可设在消火栓箱旁。疏散设施,为了控制人员伤亡和财产损失,也为了是消防人员快速进入火灾现场扑救,必须尽可能快的疏散人员和车辆。短距离的隧道可用自然通风,如果隧道内采用纵向通风系统,火灾时烟气将会顺车道扩散,则应设置避难设施。隧道内应设置事故照明和安全疏散引导引导标志,以便火灾时指示人们的避难方向。灭火设施,在隧道内应配备必要的灭火器材,应设置消火栓系统以及便携式灭火器材。
3.3 隧道的消防管理:隧道的火灾主要是通过隧道内的车辆引起的,加强安全管理首先应从加强车辆管理入手,隧道管理部门通过监控系统对隧道内车辆进行监控,如果发生事故,隧道管理部门应立即派车进行疏散。公安交警应加强对进入隧道的车辆以及驾驶人员的检查,对酒后驾车和疲劳驾驶的驾驶员不许进入隧道。另外,隧道管理部门还应定期检查隧道内的消防设施、火灾隐患和消防安全工作等。
4 隧道火灾时各系统的控制
4.1 隧道通风系统的控制:正常交通情况:稀释隧道内汽车行驶时派出废气中以CO气体为主的有害物质和烟雾,为乘用人员、维修人员提供符合卫生标准的洞内空气环境,为安全行车提供良好的清晰视线。
火灾事故情况:通风系统具备双向排烟功能,在事故发生时能控制烟雾和热量的扩散,可根据消防及救援人员的现场要求控制和调节隧道洞内的风向和风量。火灾状态时,隧道内的风速应控制在3m/s以内。
控制的目的是保障隧道内环境指标处于标准允许范围内,即CO浓度低于标准要求的230ppm,烟雾透过率低于0.0070。
启动风机应首选累计启动时间最短的风机,以平衡各组风机的劳逸程度,延长风机寿命。
为了减缓风机启动瞬间的电流冲击,启动风机时各组风机之间要有足够的延时,如果改变送风方向,应确保先关停再启动反向运转。
启动一组风机5分钟或10分钟后,如果各项指标没有明显下降应再启动一组,直到全部风机启动。若还无法降至允许范围内,监控系统应立即向监控员发出报警信息,提示关闭隧道。
在隧道火灾时,风机启动和送风方向在火灾早期应以抑制或减缓洞内烟雾和有毒气体扩散速度和范围为目标,以确保受困人员有足够时间安全疏散。如果车行横洞没有安装防火卷帘门,可以通过横洞两侧前后两组风机互相对吹,在车行横洞内形成空气反压,来阻止火灾隧道有毒气体向另一侧扩散。
4.2 隧道的照明控制:隧道的照明控制确保车辆驾驶员在进出隧道时实现洞内外光线平稳过渡,避免因“黑洞”或“白洞”现象而影响车辆行驶安全。照明控制一般根据洞口光强检测值或人工设定的时序参数进行自动控制。但是在隧道发生火灾时,应与事件处理要求实现联动控制、为疏散人员和事件处理部门提供照明。
以上2个系统的控制在监控系统检测到火灾报警后,由监控中心下达命令,切断市电供电,由市电切换到配电柜处安装的应急电源EPS,同时熄灭隧道内的照明灯,由EPS供电,支持应急灯照明和风机的运行,在此期间,依照设计时定的方案,自动或手动控制发电机的启动,来供隧道内各个设施的用电。
4.3 可变情报板信息的发布:隧道洞内外情报板和可变限速标志信息发布主要是配合隧道内事件的发生,及时向隧道内司乘人员和救助人员提供疏散路径、隧道环境状况、交通管制等信息,以便及时掌握隧道内情况,配合应急部门处理应急事件。
4.4 隧道广播:隧道广播主要用于隧道突发事件时操作员指挥洞内受阻人员和车辆及时安全的按预定方案疏散,以及组织灭火等突发时间的处理。
4.5 交通信号控制:交通信号系统主要用于隧道正常交通指示以及隧道发生火灾、交通阻塞和事故等事件的交通控制。
5 结束语
随着社会的发展,高速公路建设越来越重要,隧道内的突发事件也同样得到越来越多的重视,可见一份火灾应急方案的制定对于高速公路的管理者来说是十分必要的。
预防和减少隧道火灾带来的损失,可以从以下几个方面考虑:
(1)首先应进行合理的设计,根据发生火灾的各种情况以及以及相应的原理,制定出最有效的安全措施;
(2)其次是设置应急设施,确保这些设施的方便性、有效性、预防性和系统性;
(3)通过信息宣传和各个部门的大力配合,使隧道司乘人员认识到自身行为的重要性
(4)针对各类事件编制周密有效的应急预案和控制预案,也是确保隧道安全的关键因素。
从各个方面采取措施,可以最大程度地降低道路隧道火灾事故的危害,为人民造福,为社会造福!
关键词：高速公路;隧道火灾;应急措施
1 隧道火灾的原因及隐患
1.1 隧道火灾的原因:从国内外隧道火灾事故案例可知,造成火灾事故的原因是多方面的。隧道火灾原因大致有以下几个方面。
1.1.1 车辆本身故障引发的火灾:车辆故障引发汽车火灾的主要原因有机件摩擦起火、化油器回火、电气线路短路、车辆漏油等引发火灾。
1.1.2 车辆撞击起火:由于隧道内车辆超速行驶和隧道能见度低,极易发生车辆之间、车辆与隧道及隧道设施相撞或擦挂,发生交通事故导致火灾的。
1.1.3 车辆上的货物引起火灾的:隧道内有各种车辆通过,他们所载的货物有可燃的或易燃的物品,可能会因各种原因引发火灾。
另外还有隧道内的设施、设备着火而引起的隧道火灾等。
1.2 隧道火灾的隐患:据国际消防技术委员会(CTIF)近期对多国隧道的检查中发现,当前不少隧道由于设计和管理差错,存在以下火灾隐患。
1.2.1 通风排气道少:隧道中经常运输化学物品和多种易燃易爆物品,由于隧道内通风排气道少,必然通风不畅,温度上升快,许多有害气体都滞留在隧道内,不但伤害人体健康,而且遇到高温和名火,及易发生火灾和爆炸,造成重大损失。
1.2.2 缺少紧急出口通道:当前各国隧道的外观比较优美,结构各不相同,高度和密度也各异,但都缺少紧急进出口道。不少公路只能从两端进出。有些隧道虽然有少量进出口道,但标志不醒目,一旦发生火灾,不但消防和救护车辆无法到现场,遇难者也难逃出,必然造成重大损失。
1.2.3 防火救护设备少:不少隧道内缺少灭火水源和灭火器,消火栓间隔太远,救护工具也很少。一旦发生火灾,现场人员无法及时灭火救灾。此外还有许多人们不重视或不了解的危险因素。如国际消防技术委员会多次火灾案例报告中所述,通过隧道运输的面粉、咖啡粉和牛奶粉等有机粉末与隧道中灰尘混合后,遇到高温或明火时同样会发生爆炸。隧道火灾危险性大于敞开空间火灾的危险性。
2 隧道火灾中烟气流动和火焰传播速度的特性
日本隧道火灾研究所在隧道火灾的研究中,建造了长21m、高1.6m、宽1.5m的隧道模型,研究表明,隧道内燃料的燃烧速度是敞开空间的3倍,隧道火灾中,隧道内温度可达到1000℃。当隧道发生火灾时,向隧道内送风,在一定程度的风速下,火焰的燃烧速度和敞开空间一致;如果风速减弱,火源正上方的隧道壁温度将很快升高,通过辐射热量的返回,燃烧速度将猛烈增加。隧道火灾烟气流动和火焰传播、扩散是十分复杂的现象。隧道火灾的危害主要来自于烟气和火势的蔓延,而烟气的扩散和火焰的传播速度完全被隧道气流控制。
无风隧道中烟气自由流动扩散的主要特性。其特征表现为缓慢而非稳定的流动扩散过程。火灾初期阶段烟气在隧道上部空间呈流束状的纵向延伸,同时逐渐向下部空间的空气区横向扩展。这种烟气和空气的分层作用将随着烟气扩散逐渐减弱以致消失,在一定距离处以全断面的烟气流状态继续扩散,已形成的流束状烟气也渐趋消失。其结果在隧道中形成大范围、高浓度的烟气危害区,在火灾初期阶段,利用烟雾和空气的分层现象和扩散,将对控制隧道火灾、防灾起到积极作用。但是,当自由扩散形成烟气危害区以后,将对防灾产生不利的影响。利用通风气流改变这一流动扩散形态,将对控制隧道火灾、防灾产生明显效果。在自然风控制下隧道中的烟气受限流动扩散特性表现为:在下部烟气区,燃烧生成的烟气即刻被气流裹携,并在强烈的混掺作用下很快扩散至整个流区空间。烟雾区位置和对烟雾的稀释程度,是与火灾的发生位置和强度密切相关的。在少数特定的条件下,直接利用自然风控制火灾烟雾可以获得良好的防灾效果,但大多数情况下将对防灾产生不利影响甚至严重后果。因此,利用风机对气流的调节作用,改变烟雾的扩散形态对于控制火灾是十分必要的。
利用风机改变隧道中的自然风状态(包括静止状态),这时的烟雾扩散完全被调控气流所控制,称为烟气的强制扩散。由于气流的调控不仅可以进行不同幅度的增速、减速调节,而且还能改变流动的方向。因此,被调控气流所控制的烟雾扩散浓度和扩散区域也随之变化,这种烟雾扩散特性更能适应隧道防灾的要求。从此意义上说,烟气的强制扩散是控制隧道火灾的一种主要扩散形式。通过气流的调控改变烟气和火焰传播扩散特性,不仅是必要的,而且也是可行的。
3 隧道火灾的防范
3.1 隧道的耐火等级:隧道内发生火灾时,隧道顶部的温度将会很高。而公路隧道墙体内一般埋有电缆等设施,如果墙体耐火等级太低火灾时极易将电缆烧坏,影响隧道内设备的使用。因而隧道所用的材料耐火极限应为1.5h-2h ,隧道内的拱顶和侧壁的表面应喷涂隧道防火涂料或其他措施予以保护,提高其耐火等级,使耐火极限达到2h以上,防止隧道内混凝土在火灾中迅速升温而降低强度,避免混凝土炸裂、衬内钢筋破坏失去支撑能力而导致隧道内垮塌,防止墙体内埋的电缆等设施烧坏。同时对墙体内的电缆还应用阻燃电缆或耐火电缆,各类电气线路均应穿管保护。
3.2 隧道内的消防设施:隧道是一个近似密闭状态的交通设施,为了能及时了解隧道的营运情况,应在隧道内安装电视监控系统。此外,为了使火灾或其他突法事件能及时得到解决,隧道内还应安装应急设施,主要包括报警设施(隧道内车辆多,排放的烟气多,不适合安装感烟探测器,宜采用感温探测器或火焰探测器)。在安装自动报警设施的同时还应安装手动报警装置,以便发现火情的人员能够迅速报警。另外,宜在每隔一定距离设置消防应急电话,手动报警设施和应急电话可设在消火栓箱旁。疏散设施,为了控制人员伤亡和财产损失,也为了是消防人员快速进入火灾现场扑救,必须尽可能快的疏散人员和车辆。短距离的隧道可用自然通风,如果隧道内采用纵向通风系统,火灾时烟气将会顺车道扩散,则应设置避难设施。隧道内应设置事故照明和安全疏散引导引导标志,以便火灾时指示人们的避难方向。灭火设施,在隧道内应配备必要的灭火器材,应设置消火栓系统以及便携式灭火器材。
3.3 隧道的消防管理:隧道的火灾主要是通过隧道内的车辆引起的,加强安全管理首先应从加强车辆管理入手,隧道管理部门通过监控系统对隧道内车辆进行监控,如果发生事故,隧道管理部门应立即派车进行疏散。公安交警应加强对进入隧道的车辆以及驾驶人员的检查,对酒后驾车和疲劳驾驶的驾驶员不许进入隧道。另外,隧道管理部门还应定期检查隧道内的消防设施、火灾隐患和消防安全工作等。
4 隧道火灾时各系统的控制
4.1 隧道通风系统的控制:正常交通情况:稀释隧道内汽车行驶时派出废气中以CO气体为主的有害物质和烟雾,为乘用人员、维修人员提供符合卫生标准的洞内空气环境,为安全行车提供良好的清晰视线。
火灾事故情况:通风系统具备双向排烟功能,在事故发生时能控制烟雾和热量的扩散,可根据消防及救援人员的现场要求控制和调节隧道洞内的风向和风量。火灾状态时,隧道内的风速应控制在3m/s以内。
控制的目的是保障隧道内环境指标处于标准允许范围内,即CO浓度低于标准要求的230ppm,烟雾透过率低于0.0070。
启动风机应首选累计启动时间最短的风机,以平衡各组风机的劳逸程度,延长风机寿命。
为了减缓风机启动瞬间的电流冲击,启动风机时各组风机之间要有足够的延时,如果改变送风方向,应确保先关停再启动反向运转。
启动一组风机5分钟或10分钟后,如果各项指标没有明显下降应再启动一组,直到全部风机启动。若还无法降至允许范围内,监控系统应立即向监控员发出报警信息,提示关闭隧道。
在隧道火灾时,风机启动和送风方向在火灾早期应以抑制或减缓洞内烟雾和有毒气体扩散速度和范围为目标,以确保受困人员有足够时间安全疏散。如果车行横洞没有安装防火卷帘门,可以通过横洞两侧前后两组风机互相对吹,在车行横洞内形成空气反压,来阻止火灾隧道有毒气体向另一侧扩散。
4.2 隧道的照明控制:隧道的照明控制确保车辆驾驶员在进出隧道时实现洞内外光线平稳过渡,避免因“黑洞”或“白洞”现象而影响车辆行驶安全。照明控制一般根据洞口光强检测值或人工设定的时序参数进行自动控制。但是在隧道发生火灾时,应与事件处理要求实现联动控制、为疏散人员和事件处理部门提供照明。
以上2个系统的控制在监控系统检测到火灾报警后,由监控中心下达命令,切断市电供电,由市电切换到配电柜处安装的应急电源EPS,同时熄灭隧道内的照明灯,由EPS供电,支持应急灯照明和风机的运行,在此期间,依照设计时定的方案,自动或手动控制发电机的启动,来供隧道内各个设施的用电。
4.3 可变情报板信息的发布:隧道洞内外情报板和可变限速标志信息发布主要是配合隧道内事件的发生,及时向隧道内司乘人员和救助人员提供疏散路径、隧道环境状况、交通管制等信息,以便及时掌握隧道内情况,配合应急部门处理应急事件。
4.4 隧道广播:隧道广播主要用于隧道突发事件时操作员指挥洞内受阻人员和车辆及时安全的按预定方案疏散,以及组织灭火等突发时间的处理。
4.5 交通信号控制:交通信号系统主要用于隧道正常交通指示以及隧道发生火灾、交通阻塞和事故等事件的交通控制。
5 结束语
随着社会的发展,高速公路建设越来越重要,隧道内的突发事件也同样得到越来越多的重视,可见一份火灾应急方案的制定对于高速公路的管理者来说是十分必要的。
预防和减少隧道火灾带来的损失,可以从以下几个方面考虑:
(1)首先应进行合理的设计,根据发生火灾的各种情况以及以及相应的原理,制定出最有效的安全措施;
(2)其次是设置应急设施,确保这些设施的方便性、有效性、预防性和系统性;
(3)通过信息宣传和各个部门的大力配合,使隧道司乘人员认识到自身行为的重要性
(4)针对各类事件编制周密有效的应急预案和控制预案,也是确保隧道安全的关键因素。
从各个方面采取措施,可以最大程度地降低道路隧道火灾事故的危害,为人民造福,为社会造福!