公路隧道消防設計的技術要點

公路隧道消防設計的技術要點

2014年3月1日，山西省晉津市晉科技術院發(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)的特別重大危險化學品燃爆事故,但在燃燒過程中也暴露出公路隧道抗御火災的薄弱環(huán)節(jié)。由于現(xiàn)行消防技術規(guī)范對公路隧道的消防設計未做出統(tǒng)一規(guī)定,導致公路隧道的消防設計缺乏科學性和針對性。筆者通過對此起事故的分析,探討公路隧道的消防設計。1巖后隧道運煤車產(chǎn)品泄漏形成第一退火點,引發(fā)熱輻射2014年3月1日14時43分許,一輛掛鉸接列車(半掛危險品運輸車)沿晉濟高速公路由北向南行駛,在即將進入巖后隧道時,駕駛員看到右側車道有排隊的運煤車輛,隨即改道左側車道進入隧道。在行駛了40余m后,停在了一輛貨車后面。14時45分許,另一輛掛絞接列車以約30km/h的速度駛入巖后隧道。進入隧道后,駕駛員發(fā)現(xiàn)前方5~6m的地方停有一輛半掛危險化學品運輸車,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,導致前車尾部的防撞設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,為關閉罐底大閥阻止甲醇繼續(xù)泄漏,該車繼續(xù)向前移動了1m左右。此時,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。此處的高溫煙氣由北向南迅速蔓延,在熱對流和熱輻射的作用下,距離第一起火點184m的5輛運煤車也被引燃,形成了第二起火點。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《公路隧道設計規(guī)范》設置一處行人橫洞,左線里程樁號為LK9+993.458,右線里程樁號為K10+000.000,長35.0m,未設置車行橫洞。巖后隧道左右洞均采用自然通風,不設置機械通風系統(tǒng)。依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》的要求,1000m以下隧道不考慮設置滅火設施。因此,巖后隧道未設置消火栓,但在隧道內(nèi)每50m設置一組消防箱,內(nèi)置4具手提式滅火器,在每組消防箱處設滅火器標志牌。3現(xiàn)場試驗驗證從事故的發(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,驗證了已采取的防火措施有效阻止了災害事故的進一步發(fā)生,同時也暴露出公路隧道防火設計的薄弱環(huán)節(jié)。通過分析這起災害事故,筆者認為應從以下幾方面加強公路隧道的防火設計。3.1隧道襯砌結構發(fā)生裂隧道火災不同于一般的建筑火災,發(fā)生火災后高溫煙氣會聚集一段時間,而且受到滅火救援條件的限制,煙霧攜帶熱量造成火災的蔓延擴大。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,隧道襯砌結構會發(fā)生爆裂毀損。此次災害事故由于隧道內(nèi)車輛狀況較為復雜,有危險化學品車、煤車、小轎車,從3月1日14時50分接警到3月3日18時火勢才得到徹底遏制,整整持續(xù)燃燒了兩天半。從隧道結構來看,發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)涂刷的防火涂料膨脹,主體襯砌結構破壞不大,可見在隧道主體結構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,并有利于火災后隧道的修復。3.2模擬分析結果隧道內(nèi)人行、車行橫洞是火災時人員、車輛安全疏散的臨時避難場所,合理設置橫洞的間距、數(shù)量等直接關系到人的生命安全?！豆匪淼涝O計規(guī)范》中明確規(guī)定,公路隧道人行橫洞設計的設置間距可取250m,并不大于500m。在實際施工中大多數(shù)隧道橫洞的設置間距都在500m左右,從此次災害事故中可看出,500m的設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公安部重點實驗室利用火災動態(tài)模擬軟件(FDS6)分析做出的《晉濟高速巖后隧道燃爆事故起火初期致災成因模擬分析報告》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184m處的第二起火點發(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)模擬分析計算結果,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,滯后時間約為1~1.5min,但后果更嚴重。綜合隧道內(nèi)煙氣、溫度、CO濃度、CO2濃度和能見度隨時間的變化情況,對關鍵時刻的人員安全狀況分析如下。(1)2min時,火災影響區(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)域為距入口190m到出口之間的610m范圍。(2)3min時,火災影響區(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)域為距入口350m到出口之間的450m范圍。(3)4min時,火災影響區(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)域為距入口550m到出口之間的250m范圍。(4)5min時,火災影響區(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間內(nèi)不會對人員構成致命傷害,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。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)的疏散距離最遠為108~180m,所以人行橫洞的設置間距可取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。人行橫洞處設置的防火門應能雙向開啟,并具備自行關閉功能。因為此處的防火門不同于建筑內(nèi)設置的防火門,只要向疏散方向開啟即可,疏散方向只有一側,而隧道橫洞處設置的防火門向兩側開啟的幾率是均等的,所以應該具備雙向開啟功能。對于車行橫洞處設置的防火卷簾,目前大多數(shù)采用的是一步降到底的做法。筆者認為,應該類比于疏散通道上設置的防火卷簾,應具有手動和自動、遠程監(jiān)控三種功能,平時處于開啟狀態(tài),待火災探測器動作后,卷簾下降0.5m,在一段時間內(nèi)隧道的煙霧還是聚集在拱頂,此時下降的卷簾相當于擋煙垂壁,既能有效阻止煙氣向橫洞擴散,同時又能滿足汽車疏散到相鄰隧道的要求,待6min后,即達到安全疏散時間,此時煙霧開始下沉時,卷簾應下降到底,起到阻火隔煙的作用。3.4機械通風系統(tǒng)隧道發(fā)生火災時,煙氣首先聚集在隧道頂部,隧道下部在一定時間內(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斷面,形成對著火區(qū)整個的煙霧屏障,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)通常是利用營運通風設施兼用的,在設計營運通風設施時,要求滿足火災時排煙的全部技術性能。所以正確選擇排煙方式、排煙風速、排煙的合理聯(lián)動至關重要。依據(jù)JTJ026.1-1999《公路隧道通風照明設計規(guī)范》,巖后隧道左右兩洞均采用自然通風,不設置機械通風系統(tǒng)。從事故現(xiàn)場來看,在自然風和煙囪效應的共同作用下,煙氣在隧道內(nèi)迅速蔓延,5min時,煙氣前鋒到達南出口,煙氣在隧道內(nèi)蔓延的平均速度為2.67m/s。2min15s時,煙氣到達第二起火點末車車頭位置;2min45s時,煙氣沒過第二起火點頭車車頭位置;4min時,煙氣到達距隧道入口550m處;5min時,煙氣到達南出口。采取自然通風對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重超標。由于自然通風的不穩(wěn)定因素較多,只適用于短隧道。對長度超過500m的隧道,應采取機械排煙(通風)的方式。在機械排煙方式中,應用最多的是縱向通風方式,其中以射流風機通風方式最為常用。對于單向交通隧道,可采取射流風機接力直接排煙的方式,在絕大多數(shù)情況下,射流風機的排煙方向都與交通方向相同。當火災發(fā)生在洞口附近時,射流風機組應實現(xiàn)反轉,就近將煙氣排出洞口。人員疏散階段,射流風機的風速應控制在2.0m/s以內(nèi),防止縱向風速過大時,煙霧和新鮮空氣之間的分層結構被破壞,使隧道全面被煙氣彌漫。滅火救援階段,縱向排煙速度應大于隧道火災臨界風速,所有風機應全速運行。對于雙向交通隧道,應采取先控煙、后排煙的方式。當發(fā)生火災時,首先啟動通風設備向火源對吹,將煙氣控制在著火區(qū)段,為人員疏散提供安全條件,當人員、車輛疏散完成后,所有的風機全速運行,將煙氣排出。對雙向交通隧道,射流風機群的工作方式,總是從正常運行轉為對吹控煙,再轉變?yōu)榕艧?。由于在對吹控煙時,逆轉反向風量約為正轉風量的70%,對吹風不一定是均衡的。所以,使用射流風機組時雙向交通隧道的長度不得超過1500m左右。3.5險化學品車輛通過隧道活動降低火災發(fā)生的危險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,火災荷載大,既有危險化學品車輛,也有煤車。1999年,意大利勃朗峰隧道發(fā)生火災事故,造成41人死亡的悲劇。火災原因為一輛裝載有8t人造黃油、12t面粉的卡車自燃引發(fā)火災。危險化學品車輛通過隧道有一定的危險性,但一味的采取杜絕載有危險化學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。筆者認為,應該從以下幾方面加強危險化學品運輸車輛通過隧道時的管理,達到預防和減少火災事故的發(fā)生。一是在進入隧道前500m及1000m處設置火災預警顯示屏,發(fā)布火災預警信息,防止火災發(fā)生后后續(xù)車輛繼續(xù)進入;二是危險化學品車輛進入隧道后要適當減速,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;三是所有危險化學品車輛應設置緊急切斷閥,并定期進行維修保養(yǎng),確保緊急情況下好用。同時,選配適合撲滅相應火災種類的泡沫滅火器,如運輸甲醇、乙醇、乙醚和丙酮等液體的車輛配備的滅火器應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,以達到撲救初期火災的目的。3.6加強公路隧道的消防安全管理高速公路隧道主管部門應盡快建立快速反應的滅火搶險救援隊伍系統(tǒng),以便及時處置隧道、高速公路等災害事故的救援任務,各條高速公路重點隧道附近或沿線均應建立一支反應快速的搶險救援隊伍,并配備特種牽引救援車輛和專用器材設備,開展經(jīng)常性的訓練,提高滅火救援能力。加強公路隧道的消防安全管理工作,規(guī)范審核和驗收程序,各級消防監(jiān)督部門應將公路隧道列入消防安全重點單位,加強監(jiān)督管理,督促公路運營管理單位制定和落實消防安全管理制度。高速公路主管部門應切實履行高速公路的消防安全監(jiān)督管理和救援職責,認真落實各級領導消防安全責任及崗位職工的消防安全責任,隧道的運營管理單位應制定消防安全管理制度,并做好制度落實工作。3.7隧道保溫和保溫水和泡沫是撲救公路隧道火災事故的主要滅火劑,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)極易結冰,因此做好消防用水管道的保溫至關重要。此外,公路隧道在設置水成膜泡沫滅火裝置的同時,應配備一定的泡沫備用量,且備用泡沫應儲存在常溫、干燥的場所。在公路隧道中消防電源、電氣、電纜的選擇和設計、敷設也是非常重要且容易忽視的環(huán)節(jié)。除常規(guī)的消防用電設備外,隧道內(nèi)射流風機、橫洞處防火卷簾、潛水泵的補水設施、電伴