公路隧道消防設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

公路隧道消防設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)

2014年3月1日，山西省晉津市晉科技術(shù)院發(fā)生了一起特別大型道路事故，造成40人死亡，12人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約11078萬元。該起事故雖然為一起交通事故引發(fā)的特別重大危險(xiǎn)化學(xué)品燃爆事故,但在燃燒過程中也暴露出公路隧道抗御火災(zāi)的薄弱環(huán)節(jié)。由于現(xiàn)行消防技術(shù)規(guī)范對公路隧道的消防設(shè)計(jì)未做出統(tǒng)一規(guī)定,導(dǎo)致公路隧道的消防設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)性和針對性。筆者通過對此起事故的分析,探討公路隧道的消防設(shè)計(jì)。1巖后隧道運(yùn)煤車產(chǎn)品泄漏形成第一退火點(diǎn),引發(fā)熱輻射2014年3月1日14時(shí)43分許,一輛掛鉸接列車(半掛危險(xiǎn)品運(yùn)輸車)沿晉濟(jì)高速公路由北向南行駛,在即將進(jìn)入巖后隧道時(shí),駕駛員看到右側(cè)車道有排隊(duì)的運(yùn)煤車輛,隨即改道左側(cè)車道進(jìn)入隧道。在行駛了40余m后,停在了一輛貨車后面。14時(shí)45分許,另一輛掛絞接列車以約30km/h的速度駛?cè)霂r后隧道。進(jìn)入隧道后,駕駛員發(fā)現(xiàn)前方5~6m的地方停有一輛半掛危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車,立即采取緊急制動措施,但車輛沒能立即停住,該車的車頭撞到了前車的尾部,導(dǎo)致前車尾部的防撞設(shè)施及罐體卸料管損壞,甲醇開始泄漏。后車追尾碰撞后熄火,前面被撞車輛發(fā)現(xiàn)甲醇泄漏后,為關(guān)閉罐底大閥阻止甲醇繼續(xù)泄漏,該車?yán)^續(xù)向前移動了1m左右。此時(shí),地面泄漏的甲醇開始起火燃燒,甲醇流淌火迅速引燃了附近的6輛車,形成了第一起火點(diǎn)。此處的高溫?zé)煔庥杀毕蚰涎杆俾?在熱對流和熱輻射的作用下,距離第一起火點(diǎn)184m的5輛運(yùn)煤車也被引燃,形成了第二起火點(diǎn)。接著隧道內(nèi)的其他車輛相繼被引燃,火勢越來越大,造成了此次爆燃事故的發(fā)生。2隧道圍巖巖后隧道為左右分離式隧道,此次發(fā)生事故地點(diǎn)為巖后隧道的右洞,巖后隧道右洞長786.875m,隧道縱坡為2.2%。隧道建筑限界為凈寬9.75m,限高5.0m,隧道內(nèi)輪廓采用半徑5.29m單心圓曲墻式斷面。隧道圍巖屬二、三、四類,采用了復(fù)合式襯砌,路面鋪裝為4cm+6cm改性瀝青混凝土。該隧道依據(jù)JTGD70-2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)置一處行人橫洞,左線里程樁號為LK9+993.458,右線里程樁號為K10+000.000,長35.0m,未設(shè)置車行橫洞。巖后隧道左右洞均采用自然通風(fēng),不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,1000m以下隧道不考慮設(shè)置滅火設(shè)施。因此,巖后隧道未設(shè)置消火栓,但在隧道內(nèi)每50m設(shè)置一組消防箱,內(nèi)置4具手提式滅火器,在每組消防箱處設(shè)滅火器標(biāo)志牌。3現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證從事故的發(fā)生、發(fā)展可以看出公路隧道的煙氣、溫度的蔓延和發(fā)展規(guī)律,從人員疏散和滅火救援過程中,驗(yàn)證了已采取的防火措施有效阻止了災(zāi)害事故的進(jìn)一步發(fā)生,同時(shí)也暴露出公路隧道防火設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。通過分析這起災(zāi)害事故,筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面加強(qiáng)公路隧道的防火設(shè)計(jì)。3.1隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生裂隧道火災(zāi)不同于一般的建筑火災(zāi),發(fā)生火災(zāi)后高溫?zé)煔鈺奂欢螘r(shí)間,而且受到滅火救援條件的限制,煙霧攜帶熱量造成火災(zāi)的蔓延擴(kuò)大。由于熱量、煙氣在相對封閉的空間內(nèi)大量聚集,極易發(fā)生轟燃,轟燃前隧道溫度高達(dá)600℃,轟燃后溫度會繼續(xù)上升至800℃以上,在這樣的高溫環(huán)境下,隧道襯砌結(jié)構(gòu)會發(fā)生爆裂毀損。此次災(zāi)害事故由于隧道內(nèi)車輛狀況較為復(fù)雜,有危險(xiǎn)化學(xué)品車、煤車、小轎車,從3月1日14時(shí)50分接警到3月3日18時(shí)火勢才得到徹底遏制,整整持續(xù)燃燒了兩天半。從隧道結(jié)構(gòu)來看,發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)涂刷的防火涂料膨脹,主體襯砌結(jié)構(gòu)破壞不大,可見在隧道主體結(jié)構(gòu)噴涂一定耐火極限的防火涂料能有效提高隧道的耐火等級,并有利于火災(zāi)后隧道的修復(fù)。3.2模擬分析結(jié)果隧道內(nèi)人行、車行橫洞是火災(zāi)時(shí)人員、車輛安全疏散的臨時(shí)避難場所,合理設(shè)置橫洞的間距、數(shù)量等直接關(guān)系到人的生命安全?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定,公路隧道人行橫洞設(shè)計(jì)的設(shè)置間距可取250m,并不大于500m。在實(shí)際施工中大多數(shù)隧道橫洞的設(shè)置間距都在500m左右,從此次災(zāi)害事故中可看出,500m的設(shè)置間距不能滿足疏散要求。隧道內(nèi)散熱條件較差,起火后升溫速率較快,隧道內(nèi)的煙氣、溫度、CO濃度和CO2濃度是威脅人員生命安全的重要因素。公安部天津消防研究所建筑消防工程技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用火災(zāi)動態(tài)模擬軟件(FDS6)分析做出的《晉濟(jì)高速巖后隧道燃爆事故起火初期致災(zāi)成因模擬分析報(bào)告》顯示:起火后8min,隧道內(nèi)溫度場基本穩(wěn)定,二甲醚罐體所在位置的環(huán)境溫度為75℃。起火后約10min,距離第一起火點(diǎn)184m處的第二起火點(diǎn)發(fā)生燃燒。起火后15~20min,二甲醚罐體所在位置的環(huán)境溫度升高至120℃,見圖1所示。根據(jù)模擬分析計(jì)算結(jié)果,煙氣和能見度對人員安全的影響較為一致,溫度、CO濃度和CO2濃度對人員安全影響滯后于煙氣和能見度的影響,滯后時(shí)間約為1~1.5min,但后果更嚴(yán)重。綜合隧道內(nèi)煙氣、溫度、CO濃度、CO2濃度和能見度隨時(shí)間的變化情況,對關(guān)鍵時(shí)刻的人員安全狀況分析如下。(1)2min時(shí),火災(zāi)影響區(qū)域蔓延至距隧道入口190m附近,煙氣和能見度是威脅人員安全的主要因素,隧道安全區(qū)域?yàn)榫嗳肟?90m到出口之間的610m范圍。(2)3min時(shí),火災(zāi)影響區(qū)域蔓延至距隧道入口350m附近,煙氣和能見度是威脅人員安全的主要因素,隧道安全區(qū)域?yàn)榫嗳肟?50m到出口之間的450m范圍。(3)4min時(shí),火災(zāi)影響區(qū)域蔓延至距隧道入口550m附近,煙氣和能見度是威脅人員安全的主要因素,隧道安全區(qū)域?yàn)榫嗳肟?50m到出口之間的250m范圍。(4)5min時(shí),火災(zāi)影響區(qū)域蔓延至整條隧道,煙氣和能見度是威脅人員安全的主要因素,隧道內(nèi)無安全區(qū)域。(5)煙氣和能見度在短時(shí)間內(nèi)不會對人員構(gòu)成致命傷害,考慮溫度、CO濃度和CO2濃度的滯后影響,上述各安全臨界位置在1.5min后將變得極度危險(xiǎn)。從火勢發(fā)展蔓延情況來看,人員必須在6min之內(nèi)迅速逃生到安全區(qū)域才能得救。而人在火災(zāi)情況下,特別是在不熟悉的建筑物內(nèi),平均步行速度為0.3~0.5m/s,在6min之內(nèi)的疏散距離最遠(yuǎn)為108~180m,所以人行橫洞的設(shè)置間距可取250m,但不得大于400m。3.3防火門橫向開啟橫洞口設(shè)置的防火門、防火卷簾是防止起火隧道的煙氣侵入人行與車行橫洞和相鄰隧道,同時(shí)也供人員安全疏散使用。因此,防火門、防火卷簾的啟閉不能一概而論。人行橫洞處設(shè)置的防火門應(yīng)能雙向開啟,并具備自行關(guān)閉功能。因?yàn)榇颂幍姆阑痖T不同于建筑內(nèi)設(shè)置的防火門,只要向疏散方向開啟即可,疏散方向只有一側(cè),而隧道橫洞處設(shè)置的防火門向兩側(cè)開啟的幾率是均等的,所以應(yīng)該具備雙向開啟功能。對于車行橫洞處設(shè)置的防火卷簾,目前大多數(shù)采用的是一步降到底的做法。筆者認(rèn)為,應(yīng)該類比于疏散通道上設(shè)置的防火卷簾,應(yīng)具有手動和自動、遠(yuǎn)程監(jiān)控三種功能,平時(shí)處于開啟狀態(tài),待火災(zāi)探測器動作后,卷簾下降0.5m,在一段時(shí)間內(nèi)隧道的煙霧還是聚集在拱頂,此時(shí)下降的卷簾相當(dāng)于擋煙垂壁,既能有效阻止煙氣向橫洞擴(kuò)散,同時(shí)又能滿足汽車疏散到相鄰隧道的要求,待6min后,即達(dá)到安全疏散時(shí)間,此時(shí)煙霧開始下沉?xí)r,卷簾應(yīng)下降到底,起到阻火隔煙的作用。3.4機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),煙氣首先聚集在隧道頂部,隧道下部在一定時(shí)間內(nèi)仍然存在大量的新鮮空氣,隨著煙氣的流動和空氣的卷吸,煙氣逐漸下沉,與空氣混合而彌漫于隧道的整個(gè)斷面,形成對著火區(qū)整個(gè)的煙霧屏障,給人員疏散和滅火救援都帶來很大的威脅,而且公路隧道的排煙系統(tǒng)通常是利用營運(yùn)通風(fēng)設(shè)施兼用的,在設(shè)計(jì)營運(yùn)通風(fēng)設(shè)施時(shí),要求滿足火災(zāi)時(shí)排煙的全部技術(shù)性能。所以正確選擇排煙方式、排煙風(fēng)速、排煙的合理聯(lián)動至關(guān)重要。依據(jù)JTJ026.1-1999《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》,巖后隧道左右兩洞均采用自然通風(fēng),不設(shè)置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。從事故現(xiàn)場來看,在自然風(fēng)和煙囪效應(yīng)的共同作用下,煙氣在隧道內(nèi)迅速蔓延,5min時(shí),煙氣前鋒到達(dá)南出口,煙氣在隧道內(nèi)蔓延的平均速度為2.67m/s。2min15s時(shí),煙氣到達(dá)第二起火點(diǎn)末車車頭位置;2min45s時(shí),煙氣沒過第二起火點(diǎn)頭車車頭位置;4min時(shí),煙氣到達(dá)距隧道入口550m處;5min時(shí),煙氣到達(dá)南出口。采取自然通風(fēng)對800m的隧道作用甚小,事故發(fā)生8h后,隧道內(nèi)依然是煙霧彌漫,燃爆產(chǎn)生的CO、氰化物、硫化物等高溫有毒煙氣嚴(yán)重超標(biāo)。由于自然通風(fēng)的不穩(wěn)定因素較多,只適用于短隧道。對長度超過500m的隧道,應(yīng)采取機(jī)械排煙(通風(fēng))的方式。在機(jī)械排煙方式中,應(yīng)用最多的是縱向通風(fēng)方式,其中以射流風(fēng)機(jī)通風(fēng)方式最為常用。對于單向交通隧道,可采取射流風(fēng)機(jī)接力直接排煙的方式,在絕大多數(shù)情況下,射流風(fēng)機(jī)的排煙方向都與交通方向相同。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在洞口附近時(shí),射流風(fēng)機(jī)組應(yīng)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn),就近將煙氣排出洞口。人員疏散階段,射流風(fēng)機(jī)的風(fēng)速應(yīng)控制在2.0m/s以內(nèi),防止縱向風(fēng)速過大時(shí),煙霧和新鮮空氣之間的分層結(jié)構(gòu)被破壞,使隧道全面被煙氣彌漫。滅火救援階段,縱向排煙速度應(yīng)大于隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速,所有風(fēng)機(jī)應(yīng)全速運(yùn)行。對于雙向交通隧道,應(yīng)采取先控?zé)?、后排煙的方式。?dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí),首先啟動通風(fēng)設(shè)備向火源對吹,將煙氣控制在著火區(qū)段,為人員疏散提供安全條件,當(dāng)人員、車輛疏散完成后,所有的風(fēng)機(jī)全速運(yùn)行,將煙氣排出。對雙向交通隧道,射流風(fēng)機(jī)群的工作方式,總是從正常運(yùn)行轉(zhuǎn)為對吹控?zé)?再轉(zhuǎn)變?yōu)榕艧?。由于在對吹控?zé)煏r(shí),逆轉(zhuǎn)反向風(fēng)量約為正轉(zhuǎn)風(fēng)量的70%,對吹風(fēng)不一定是均衡的。所以,使用射流風(fēng)機(jī)組時(shí)雙向交通隧道的長度不得超過1500m左右。3.5險(xiǎn)化學(xué)品車輛通過隧道活動降低火災(zāi)發(fā)生的危險(xiǎn)此次爆燃事故中引起大量的人員傷亡,重要的原因是隧道內(nèi)可燃物多,火災(zāi)荷載大,既有危險(xiǎn)化學(xué)品車輛,也有煤車。1999年,意大利勃朗峰隧道發(fā)生火災(zāi)事故,造成41人死亡的悲劇。火災(zāi)原因?yàn)橐惠v裝載有8t人造黃油、12t面粉的卡車自燃引發(fā)火災(zāi)。危險(xiǎn)化學(xué)品車輛通過隧道有一定的危險(xiǎn)性,但一味的采取杜絕載有危險(xiǎn)化學(xué)品的車輛通過隧道會帶來其他社會問題,特別是山西地區(qū),作為煤化工基地,絕對禁止是不可取的。筆者認(rèn)為,應(yīng)該從以下幾方面加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸車輛通過隧道時(shí)的管理,達(dá)到預(yù)防和減少火災(zāi)事故的發(fā)生。一是在進(jìn)入隧道前500m及1000m處設(shè)置火災(zāi)預(yù)警顯示屏,發(fā)布火災(zāi)預(yù)警信息,防止火災(zāi)發(fā)生后后續(xù)車輛繼續(xù)進(jìn)入;二是危險(xiǎn)化學(xué)品車輛進(jìn)入隧道后要適當(dāng)減速,與前面車輛保持一定的車距,隧道內(nèi)無特殊情況不得超車;三是所有危險(xiǎn)化學(xué)品車輛應(yīng)設(shè)置緊急切斷閥,并定期進(jìn)行維修保養(yǎng),確保緊急情況下好用。同時(shí),選配適合撲滅相應(yīng)火災(zāi)種類的泡沫滅火器,如運(yùn)輸甲醇、乙醇、乙醚和丙酮等液體的車輛配備的滅火器應(yīng)采用抗溶性泡沫滅火劑,對非水溶性的液體采用普通泡沫滅火劑,以達(dá)到撲救初期火災(zāi)的目的。3.6加強(qiáng)公路隧道的消防安全管理高速公路隧道主管部門應(yīng)盡快建立快速反應(yīng)的滅火搶險(xiǎn)救援隊(duì)伍系統(tǒng),以便及時(shí)處置隧道、高速公路等災(zāi)害事故的救援任務(wù),各條高速公路重點(diǎn)隧道附近或沿線均應(yīng)建立一支反應(yīng)快速的搶險(xiǎn)救援隊(duì)伍,并配備特種牽引救援車輛和專用器材設(shè)備,開展經(jīng)常性的訓(xùn)練,提高滅火救援能力。加強(qiáng)公路隧道的消防安全管理工作,規(guī)范審核和驗(yàn)收程序,各級消防監(jiān)督部門應(yīng)將公路隧道列入消防安全重點(diǎn)單位,加強(qiáng)監(jiān)督管理,督促公路運(yùn)營管理單位制定和落實(shí)消防安全管理制度。高速公路主管部門應(yīng)切實(shí)履行高速公路的消防安全監(jiān)督管理和救援職責(zé),認(rèn)真落實(shí)各級領(lǐng)導(dǎo)消防安全責(zé)任及崗位職工的消防安全責(zé)任,隧道的運(yùn)營管理單位應(yīng)制定消防安全管理制度,并做好制度落實(shí)工作。3.7隧道保溫和保溫水和泡沫是撲救公路隧道火災(zāi)事故的主要滅火劑,然而由于公路隧道地處郊外,平均氣溫較低,消防用水及管道在寒冷季節(jié)極易結(jié)冰,因此做好消防用水管道的保溫至關(guān)重要。此外,公路隧道在設(shè)置水成膜泡沫滅火裝置的同時(shí),應(yīng)配備一定的泡沫備用量,且備用泡沫應(yīng)儲存在常溫、干燥的場所。在公路隧道中消防電源、電氣、電纜的選擇和設(shè)計(jì)、敷設(shè)也是非常重要且容易忽視的環(huán)節(jié)。除常規(guī)的消防用電設(shè)備外,隧道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)、橫洞處防火卷簾、潛水泵的補(bǔ)水設(shè)施、電伴