隧道火災(zāi)煙氣危害性及其火災(zāi)特性
隧道火災(zāi)中產(chǎn)生的大量煙氣威脅人員逃生、影響火災(zāi)撲救路線、阻礙救援人員對傷員的救助。
就其火災(zāi)特性來說，隧道火災(zāi)由于其狹長空間形式，致使火災(zāi)的發(fā)展和煙氣的蔓延特性不同于一般建筑。
隧道火災(zāi)中的煙氣分層、溫度分布、熱釋放速率以及其臨界風(fēng)速等，在不同送風(fēng)條件下的特性也各不相同。
一、隧道火災(zāi)煙氣危害性
01
隧道火災(zāi)煙氣對人員的危害
隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)，其火災(zāi)煙氣對人員造成的危害主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
（1）火災(zāi)煙氣具有毒害性，煙氣中所含CO等有毒氣體，對被困人員呼吸系統(tǒng)的毒害作用，危害巨大。
當(dāng)火災(zāi)燃燒到一定的階段，CO2濃度可達(dá)15%－23%，當(dāng)空氣中CO2濃度大于20%，或者CO濃度大于1%時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)可致人死亡。
隨著火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展，隧道中熱煙氣層的高度不斷降低，一旦降低至人的口鼻的高度，就會(huì)對人員的呼吸造成影響，威脅到逃生人員的生命安全。
（2）煙氣具有很強(qiáng)的減光性，煙氣的蔓延會(huì)極大降低隧道內(nèi)能見度。這一危害作用，在建筑長走廊中進(jìn)行人員疏散時(shí)，尤為危險(xiǎn)?；馂?zāi)中由于火勢的蔓延破壞，使隧道內(nèi)的照明中斷，對人員的逃生更加不利。
（3）火災(zāi)煙氣具有高溫輻射性，起火點(diǎn)附近溫度可達(dá)800－900℃，有時(shí)甚至高達(dá)1000℃以上。高溫可對人的皮膚形成熱灼傷甚至導(dǎo)致死亡，研究表明，人在空氣溫度達(dá)到150℃的環(huán)境中，只能生存5min，這對逃生人員造成巨大威脅。
02
隧道火災(zāi)煙氣對滅火作戰(zhàn)的影響
隧道屬于狹長受限空間，火災(zāi)煙氣在狹長受限空間內(nèi)的輸運(yùn)不同于一般建筑中，隧道出入口少，煙氣流動(dòng)距離長，不易排出，這更增大了內(nèi)攻滅火和救人的難度。
（1）低能見度阻礙了偵查人員發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)。
隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一旦供電設(shè)施斷電，照明不足，進(jìn)入火場內(nèi)部尋找火點(diǎn)的消防隊(duì)員就難以進(jìn)行有效偵查。若隧道內(nèi)煙氣大量蔓延擴(kuò)散，即使有應(yīng)急照明設(shè)備，照射出的燈光也難以穿透煙粒子，形成有效照明。因此，前期的偵查行動(dòng)受到火災(zāi)煙氣的阻礙，會(huì)嚴(yán)重拖延滅火行動(dòng)的開展。
（2）煙氣的蔓延阻隔了內(nèi)攻滅火通道。
隧道空間結(jié)構(gòu)狹長，出入路線單一，在滅火內(nèi)攻時(shí)，若火災(zāi)煙氣在鋪設(shè)水帶的路線上蔓延，內(nèi)攻行動(dòng)就會(huì)嚴(yán)重受阻，甚至被迫停止。因此，滅火通道上的排煙行動(dòng)必須要預(yù)先展開。
（3）煙氣的毒性影響滅火作戰(zhàn)效率。
火場中彌漫著有毒煙氣，進(jìn)入火場的無論是指揮員還是戰(zhàn)斗員，都要佩戴空氣呼吸器或者氧氣呼吸器，以免呼吸受到影響。呼吸防護(hù)裝備的佩戴，必然會(huì)對作戰(zhàn)人員的靈活性和機(jī)動(dòng)性造成一定的不良影響。
同時(shí)，消防部隊(duì)最常配備的空氣呼吸器的使用時(shí)限一般不超過30min，當(dāng)戰(zhàn)斗員在高溫、濃煙、黑暗條件下作戰(zhàn)，體能消耗增強(qiáng)，加之恐慌的心理作用，使得空氣呼吸器鋼瓶的使用時(shí)間一般按照20分鐘計(jì)算，這更是大大降低了滅火作戰(zhàn)的效率。
二、隧道火災(zāi)特性
由于空間的限制，隧道火災(zāi)中熱煙氣層反饋給內(nèi)部空間的熱量比在室外火災(zāi)中接受的熱量要大得多。
圖6.1闡明了隧道火災(zāi)與室外火災(zāi)熱反饋的不同之處，室外火災(zāi)中可燃物受到的火焰輻射很少，而隧道火災(zāi)中，可燃物周圍的高溫?zé)煔鈱ζ洚a(chǎn)生的輻射熱要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室內(nèi)火災(zāi)。
圖6.1 隧道火災(zāi)與室外火災(zāi)熱反饋
由于熱反饋較大，在室外火災(zāi)中不會(huì)被引燃的可燃物在隧道中會(huì)劇烈燃燒。
例如，與開放環(huán)境相比，隧道中的火災(zāi)熱釋放速率能增大4倍。此外，可燃物的燃燒使得氧氣不足，火災(zāi)大部分情況下屬于通風(fēng)控制，會(huì)產(chǎn)生大量煙氣和未完全燃燒產(chǎn)物。
因此，通風(fēng)是影響火災(zāi)發(fā)展的重要因素，有時(shí)會(huì)決定火勢的蔓延擴(kuò)大或窒息熄滅。這表明，正確的送風(fēng)方式和時(shí)機(jī)，對于控制火災(zāi)發(fā)展和煙氣蔓延十分關(guān)鍵。
01
煙氣分層
在燃料控制的隧道火災(zāi)中，煙氣流動(dòng)狀態(tài)和煙氣分層程度取決于隧道內(nèi)部的風(fēng)速。
為了便于描述，一般將隧道內(nèi)風(fēng)速劃分三種速度范圍：
（1）無強(qiáng)迫通風(fēng)（低速氣流）：0~1m/s;
（2）中等強(qiáng)迫通風(fēng)：1~3m/s;
（3）高速強(qiáng)迫通風(fēng)：速度大于3m/s。
低風(fēng)速范圍一般是自然通風(fēng)狀態(tài)，煙氣在火源附近形成煙氣層。煙氣在隧道內(nèi)的回流長度相對較長，火源上游和下游兩個(gè)方向的煙氣擴(kuò)散距離大致相同，當(dāng)縱向風(fēng)接近1m/s時(shí)，回流長度大概是隧道高度的17倍。
中等風(fēng)速下，火源附近的煙氣成層被縱向風(fēng)速強(qiáng)烈影響，回流長度為隧道高度的1~17倍。
強(qiáng)迫通風(fēng)所形成的縱向氣流一般速度較高，這種情況下，火源下風(fēng)方向的煙氣成層程度低。因此，利用排煙裝備形成高速氣流強(qiáng)迫通風(fēng)排煙時(shí)，必須要確認(rèn)火災(zāi)下游區(qū)域內(nèi)的人員疏散完畢。否則，煙氣的高度湍流會(huì)對下游人員造成巨大威脅。
02
溫度分布
利用移動(dòng)裝備對隧道進(jìn)行送風(fēng)排煙時(shí)，隧道頂部溫度的縱向分布與煙氣分層有一定的聯(lián)系。
Newman指出，溫度分布和氣體產(chǎn)物以及煙氣分布有一定關(guān)系；Ingason和Persson研究發(fā)現(xiàn)，火源處的煙氣密度和溫度以及氧氣濃度具有相關(guān)性。
因此可以得知溫度分布和煙氣層的分布是相關(guān)的，而溫度分布不僅與風(fēng)速有關(guān)，還與熱釋放速率和隧道高度有關(guān)。
這些參數(shù)通常可以用Froude數(shù)（表征慣性力與煙氣層的浮力之比）和Riehardson數(shù)（表示浮力和慣性力的比值）聯(lián)系起來。
在模擬煙氣流動(dòng)和傳熱問題之中，F(xiàn)roude數(shù)被廣泛應(yīng)用。Newman根據(jù)Froude數(shù)將溫度分布區(qū)域劃分為三個(gè)，見圖6.2。 
區(qū)域一，Froude數(shù)小于0.9，煙氣明顯分層，熱煙氣沿隧道頂部蔓延，而地面附近的氣體溫度接近于環(huán)境溫度。
區(qū)域二，Froude數(shù)在0.9到10之間，這個(gè)區(qū)域水平方向的流動(dòng)和浮力驅(qū)動(dòng)流動(dòng)強(qiáng)烈反應(yīng)，盡管沒有很強(qiáng)的煙氣分層，但是在豎向存在溫度梯度，也就是說，通風(fēng)氣流與火羽浮力作用之間有強(qiáng)烈的反應(yīng)。
區(qū)域三，Froude數(shù)大于10，在這個(gè)區(qū)域，豎向溫度梯度并不明顯，因此沒有明顯煙氣分層。
陽東等多名學(xué)者在長寬高尺寸為7.5m×1.5m×0.6m的通道試驗(yàn)臺內(nèi)進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，在8 kW ~18 kW的不同火源功率下，得出Froude數(shù)在1.28~2.5之間時(shí)，煙氣層出現(xiàn)不穩(wěn)定，煙氣渦旋的破碎導(dǎo)致煙氣向下部空間擴(kuò)散；當(dāng)Fr>2.5時(shí)，熱分層的穩(wěn)定性完全破壞，致使火災(zāi)煙顆粒分層狀態(tài)受到破壞，煙顆粒層在縱向厚度上明顯增加。
但是需要說明的是，他的實(shí)驗(yàn)是在縱向通風(fēng)風(fēng)速較小的條件下進(jìn)行的，對于排煙裝備制造的較大風(fēng)速條件下的適用性還有待驗(yàn)證。
在隧道內(nèi)，對于火災(zāi)下游的氣體，若由于縱向風(fēng)的作用，熱煙氣與隧道空氣充分混合，混合氣體的平均溫度、速度、濃度，作為與火源位置距離x的方程，是可以計(jì)算得到的。
03
熱釋放速率
為了控制火災(zāi)煙氣蔓延，許多隧道中都裝有縱向通風(fēng)系統(tǒng)，然而設(shè)計(jì)部門卻很少考慮通風(fēng)對于火災(zāi)的發(fā)展和傳播的影響。
尤其是當(dāng)這些固定系統(tǒng)一旦失效，利用移動(dòng)排煙裝備進(jìn)行煙氣控制，對火災(zāi)熱釋放速率的影響，亟需深入研究。
火災(zāi)熱釋放速率與諸多因素相關(guān)，包括燃料的燃燒充分程度和氧氣的供給程度。
盡管已經(jīng)有很多文獻(xiàn)研究不同通風(fēng)條件下的煙氣輸運(yùn)行為，卻少有涉及到對于火災(zāi)自身的影響，因此，送風(fēng)排煙下的火災(zāi)熱釋放速率無法明確。
例如，對于隧道火災(zāi)， Heselden(1976)估算重載車輛（HGV）火災(zāi)熱釋放速率大約20MW。然而，Grant(1997)采用風(fēng)速為3m/s的縱向通風(fēng)，在隧道中進(jìn)行的重載車輛火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，測試得的熱釋放速率超過了120MW。
隧道內(nèi)風(fēng)速增加，使火災(zāi)熱釋放速率增加，是由于火焰對可燃物給予了更多的熱量傳遞，并且有更多的氧氣運(yùn)送到火源，加強(qiáng)了氧氣與燃料的混合。
04
臨界風(fēng)速
臨界風(fēng)速為隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為了抑制火災(zāi)煙氣回流，通過火場送風(fēng)，在隧道內(nèi)形成的最小縱向送風(fēng)風(fēng)速。圖6.3為臨界風(fēng)速時(shí)煙氣沒有發(fā)生回流現(xiàn)象。
Bettis等通過進(jìn)行全尺寸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)火源較小時(shí)，臨界風(fēng)速隨熱釋放速率的1/3次冪指數(shù)而變化；當(dāng)火源較大時(shí)，臨界風(fēng)速卻隨熱釋放速率的變化而不再發(fā)生變化。
Parsons在Memorial火災(zāi)通風(fēng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，基于Froude數(shù)的臨界風(fēng)速預(yù)測模型在火源功率為50~100MW的火源熱釋放速率范圍內(nèi)，比實(shí)際臨界風(fēng)速偏高5~15%。
因此基于Froude數(shù)的預(yù)測模型對于較大的火災(zāi)是不適用的。
在進(jìn)行隧道火災(zāi)撲救時(shí)，消防員的最終目標(biāo)是疏散和救援所有被困人員，控制并熄滅火災(zāi)?；饒鏊惋L(fēng)排煙根據(jù)臨界風(fēng)速原理，可以將火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣控制在火源的下方，這會(huì)在火源上風(fēng)方向提供一個(gè)無煙的逃生路線。
然而，值得注意的一個(gè)問題是，達(dá)到臨界風(fēng)速的火場送風(fēng)，可能會(huì)加劇燃燒物的燃燒。因此，在利用排煙裝備進(jìn)行火場送風(fēng)排煙時(shí)，要合理調(diào)節(jié)排煙裝備的戰(zhàn)術(shù)參數(shù)。