高速公路隧道火災(zāi)機電設(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營的主要原因之一。文章針對高速公路隧道火災(zāi)事故，以長度約2000 m的隧道為例，將火災(zāi)隧道進行控制區(qū)段及控制單元劃分，基于此對火災(zāi)不同階段制定詳細的隧道機電設(shè)備控制策略，以控制火災(zāi)規(guī)模，減少人員傷亡，為高速公路運營管理單位提供高效、準(zhǔn)確的決策支持。

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

U453.8A451414

0 引言

近年來，我國公路交通飛速發(fā)展。截止2022年年底，高速公路里程已達17.73×104 km，公路隧道24 850處、2 678.43萬延米，其中特長隧道1 752處、795.11萬延米，長隧道6 715處、1 172.82萬延米［1］。飛速發(fā)展的公路交通事業(yè)為我國的社會經(jīng)濟發(fā)展作出了巨大貢獻，同時，公路交通安全問題特別是隧道行車安全問題也給高速公路運營管理單位帶來了巨大挑戰(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，啟動相應(yīng)預(yù)案，將會對人員帶來巨大傷亡，對車輛及隧道帶來巨大財產(chǎn)損失。而長期以來，我國的高速公路運營管理現(xiàn)狀中“重監(jiān)控、輕應(yīng)急”的現(xiàn)象普遍存在，針對高速公路隧道火災(zāi)事故的應(yīng)急控制策略研究，顯得尤為重要。

現(xiàn)有針對公路隧道火災(zāi)研究多集中于火災(zāi)場景如煙霧蔓延擴散模型、宏觀的應(yīng)急預(yù)案等方面。賴金星等［2］統(tǒng)計分析了2000—2015年國內(nèi)隧道火災(zāi)事故，基于統(tǒng)計結(jié)果為減少隧道火災(zāi)的發(fā)生提出針對性建議。王澤航等［3］通過搭建縮尺寸隧道火災(zāi)試驗臺，針對火災(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］針對隧道火災(zāi)阻塞場景，運用FDS研究動態(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，確定動態(tài)火災(zāi)規(guī)模及人員疏散方案。王少飛等［5］針對國內(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］針對隧道單點交通事故，通過應(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，建立高速公路長大隧道交通事故應(yīng)急預(yù)案控制模型。宋曉軒［7］針對高速公路特長隧道，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。

本文針對高速公路隧道火災(zāi)事故，以長度約2 000 m的隧道為例，將火災(zāi)隧道進行控制區(qū)段及控制單元劃分，基于此對火災(zāi)不同階段制定詳細的隧道機電設(shè)備控制策略，以控制火災(zāi)規(guī)模，減少人員傷亡，為高速公路運營管理單位提供高效、準(zhǔn)確的決策支持。

1 控制區(qū)段及控制單元劃分

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)域的車輛為上游車輛，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個區(qū)段，如圖2所示。

（1）突發(fā)事件發(fā)生區(qū)域為發(fā)生區(qū)。

（2）上游鄰近第一個互通（交通流誘導(dǎo)分流點）到交通事件發(fā)生區(qū)域為第一區(qū)段。

（3）上游鄰近第一個互通到上游鄰近第二個互通區(qū)域為第二區(qū)域。

（4）上游鄰近第二個互通之外為第三區(qū)域。

根據(jù)交通流運行特性和管控措施的類型，進一步劃分為發(fā)生區(qū)、管控區(qū)、影響區(qū)和無影響區(qū)。因突發(fā)事件發(fā)生時，發(fā)生區(qū)和管控區(qū)內(nèi)均對交通進行管控，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)場前的過渡區(qū)域長度與其上游的車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)場區(qū)域的范圍和嚴(yán)重程度，過渡區(qū)域長度計算長度公式見式（1）：

L=0.625WV+S（1）

式中：L——發(fā)生區(qū)長度（m）；

W——事故發(fā)生位置占用的車道寬度（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)場的長度（m）。

假定突發(fā)事件導(dǎo)致一條車道封閉，不同設(shè)計速度下所需的過渡區(qū)段長度如表1所示。

當(dāng)突發(fā)事件封閉車道在2條及以上時，其計算長度公式見式（2）：

L=0.625WV+S+（n-1）×5×V2W155+V2W155（2）

式中：L——發(fā)生區(qū)長度（m）；

W——事故發(fā)生位置占用的車道寬度（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)場的長度（m）；

n——封閉車道數(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)域上游的第一個區(qū)段。管控區(qū)的起點是突發(fā)事件發(fā)生上游可以分流的互通立交出口處，終點是發(fā)生區(qū)的起點位置。該區(qū)段的特點是無法通過公路正常的互通立交將突發(fā)事件發(fā)生區(qū)上游的車輛分流到并行公路或地方道路上。管控區(qū)域的車輛一般都將通過突發(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)重點加強車輛的管控。

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)域的第二個區(qū)段，以事故控制區(qū)相鄰的互通為界。該區(qū)域進行相應(yīng)前方區(qū)段發(fā)生突發(fā)事件的安全提醒，主要特點是能將突發(fā)事件發(fā)生上游的車輛誘導(dǎo)離開事發(fā)公路。

1.1.3 無影響區(qū)

無影響區(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 控制單元劃分

控制單元指隧道內(nèi)相鄰的兩個車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，針對劃分的控制單元進行機電設(shè)備的控制。

以長度約2 km的隧道為例，隧道內(nèi)通常存在2個車行橫通，左、右洞分別可劃分3個控制單元，隧道總計6個控制單元。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)會產(chǎn)生大量的濃煙，并在很短的時間內(nèi)擴散至整個隧道斷面，使得隧道內(nèi)的能見度將至極低，嚴(yán)重影響隧道內(nèi)阻滯人員的逃生與救災(zāi)人員的搶險救援。

火災(zāi)事故區(qū)域下游的車輛可以駛離隧道，而火災(zāi)點上游的車輛會滯留于隧道，人員需棄車沿行車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)點上游蔓延，以防止煙霧對駕乘人員逃生及應(yīng)急救援行動產(chǎn)生干擾。當(dāng)隧道內(nèi)存在較高的縱向風(fēng)速時，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，能延長煙霧在隧道頂壁的貼附時間，增加人員逃逸時間和安全性［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)車輛駛?cè)??；馂?zāi)隧道火災(zāi)點下游車輛應(yīng)有序駛離隧道，火災(zāi)點上游車輛受困人員應(yīng)棄車逃生，沿行車方向相反方向從臨近人行橫洞或隧道洞口逃生；非火災(zāi)隧道車輛應(yīng)沿行車道有序駛離隧道。

以單向2車道/雙向4車道的隧道為例（如圖5所示），當(dāng)右洞2號控制單元發(fā)生火災(zāi)事故時，制定機電設(shè)備應(yīng)急聯(lián)動控制策略。

將高速公路隧道火災(zāi)的階段劃分為三個階段，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始，隧道內(nèi)煙霧全部排出隧道且無新煙霧產(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新煙霧產(chǎn)生開始，事故處置完畢隧道可恢復(fù)正常運行結(jié)束。善后處置階段主要根據(jù)消防、交管等部門按需調(diào)整機電設(shè)備狀態(tài)，因此本文機電設(shè)備控制策略主要針對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，將相關(guān)區(qū)域劃分為無影響區(qū)、影響區(qū)和控制區(qū)三個部分，如圖6所示。

3.1.1 無影響區(qū)

無影響區(qū)區(qū)域內(nèi)的交通管控措施可按日常條件運行，無須進行額外控制。

3.1.2 影響區(qū)

針對影響區(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)，請擇道行駛”“××隧道火災(zāi)，請小心駕駛”等。

3.1.3 控制區(qū)

針對控制區(qū)區(qū)域，將進行隧道封閉及交通管制，以減少人員傷亡及財產(chǎn)損失為前提制定機電設(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啟。

3.1.3.2 車道指示器

（1）火災(zāi)隧道車道指示器。

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

（2）非火災(zāi)隧道車道指示器。

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

3.1.3.3 交通信號燈

雙向隧道洞口交通信號燈應(yīng)變?yōu)榧t燈，后續(xù)可根據(jù)交警相關(guān)車輛誘導(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板：“××隧道火災(zāi)，禁止通行”“××隧道火災(zāi)，注意阻滯車輛”等。

3.1.3.7 廣播

（1）火災(zāi)隧道所有廣播應(yīng)播報：“隧道火災(zāi)，請盡快撤離隧道”，條件允許時，可針對火災(zāi)點上下游分別播報：“隧道火災(zāi)，請立即棄車逃生”“隧道火災(zāi)，請有序駛離隧道”。

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

3.1.3.8 車行橫通

隧道內(nèi)所有車行橫通應(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啟特定車行橫通。

3.2 排煙階段

排煙階段的機電設(shè)備控制策略除風(fēng)機外，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，同時火災(zāi)點下游車輛已全部駛離隧道，可開啟火災(zāi)隧道全部風(fēng)機進行排煙，風(fēng)機開啟時間間隔應(yīng)為30 s；非火災(zāi)隧道根據(jù)隧道實時風(fēng)向啟停風(fēng)機，同樣保持在隧道內(nèi)形成正壓。

（1）火災(zāi)隧道上游應(yīng)開啟距火災(zāi)點150 m外的1組風(fēng)機，狀態(tài)為正轉(zhuǎn)，開啟時間間隔為30 s，以防止煙霧逆流。同時應(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及煙霧無逆流現(xiàn)象發(fā)生，可關(guān)閉1臺風(fēng)機；若風(fēng)速＜2 m/s或煙霧有逆流現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)增開1臺風(fēng)機。需要注意的是，風(fēng)機的啟停應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)風(fēng)速的變化及煙霧蔓延的狀態(tài)，進行動態(tài)調(diào)整。

（2）非火災(zāi)隧道進洞口應(yīng)開啟1臺風(fēng)機，正/反轉(zhuǎn)應(yīng)根據(jù)非火災(zāi)隧道實時風(fēng)向決定，以在隧道內(nèi)形成正壓，防止煙霧通過車/人行橫通進入非火災(zāi)隧道。

3.3 實戰(zhàn)應(yīng)用

在廣西某2 km隧道消防演練中實戰(zhàn)應(yīng)用火災(zāi)機電設(shè)備應(yīng)急控制策略。隧道火災(zāi)災(zāi)情發(fā)生后，隧道事件檢測系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)發(fā)出報警提示，經(jīng)監(jiān)控中心確認(rèn)事件后，迅速啟動了火災(zāi)機電設(shè)備應(yīng)急控制策略，并通過信息化系統(tǒng)在1 min內(nèi)完成了機電設(shè)備的聯(lián)動控制。高速公路執(zhí)法隊、救援隊、路巡隊等單位趕往事故現(xiàn)場進行處置。各單位按職責(zé)分工，有條不紊開展救援，高速公路執(zhí)法人員首先對事故區(qū)域雙向進行了交通管制，設(shè)置好安全防護區(qū)域，指揮救援車輛迅速進入事故現(xiàn)場進行救援；路巡隊打開人行橫通門疏散被困人員，救援隊在確認(rèn)事件后，利用隧道消防水進行了滅火，在確認(rèn)火情不存在復(fù)燃的情況后拖移了事故車輛；隨后水車進場開展現(xiàn)場清掃；清掃完成后，監(jiān)控中心通知執(zhí)法大隊交通管制解除，交通恢復(fù)正常。經(jīng)過各個小組的共同努力，現(xiàn)場應(yīng)急處置歷時30 min全部完成，火災(zāi)事故處置結(jié)束。

4 結(jié)語

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)及無影響區(qū)，基于隧道內(nèi)車行橫通將隧道劃分為不同的控制單元，通過確定火災(zāi)事故的排煙方向、火災(zāi)規(guī)模及臨界風(fēng)速，制定隧道機電設(shè)施及路段機電設(shè)施的火災(zāi)應(yīng)急狀態(tài)下的控制策略。經(jīng)應(yīng)急演練實戰(zhàn)證明，該策略能為高速公路運營管理單位提供高效、準(zhǔn)確的決策支持，提升應(yīng)急處突效率。

參考文獻：

［1］2022年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］.https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202306/t20230615_3847023.html，2023-06-15.

［2］賴金星，周 慧，程 飛，等.公路隧道火災(zāi)事故統(tǒng)計分析及防災(zāi)減災(zāi)對策［J］.隧道建設(shè)，2017（4）：29-35.

［3］王澤航，李俊梅，謝 飛，等.縱向通風(fēng)對隧道火災(zāi)煙氣擴散的影響研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2019，38（12）：1 651-1 653.

［4］王明年，胡蕭越，于 麗，等.公路隧道動態(tài)火災(zāi)規(guī)模及人員疏散研究［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（2）：203-207.

［5］王少飛，劉桂強，曾 磊，等.長大公路隧道火災(zāi)事故專項應(yīng)急預(yù)案編制［J］.消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31（2）：197-200.

［6］張 英.高速公路長大隧道交通事故應(yīng)急控制預(yù)案模型研究［D］.西安：長安大學(xué)，2015.

［7］宋曉軒.高速公路特長隧道交通監(jiān)控與控制策略分析［J］.運輸經(jīng)理世界，2022（31）：122-124.

［8］劉 旺.九嶺山隧道火災(zāi)交通管控與通風(fēng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2023.

［9］蔣曲然.高速公路隧道交通控制和防災(zāi)救援策略研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2020.

［10］JTG D70/2-2014，公路隧道設(shè)計規(guī)范·第二冊：交通工程與附屬設(shè)施［S］.

［11］陳建忠.特長公路隧道通風(fēng)物理模型試驗研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2007.