高速公路隧道火灾机电设备应急控制策略研究

摘要：高速公路隧道火灾事故是影响其安全运营的主要原因之一。文章针对高速公路隧道火灾事故，以长度约2000 m的隧道为例，将火灾隧道进行控制区段及控制单元划分，基于此对火灾不同阶段制定详细的隧道机电设备控制策略，以控制火灾规模，减少人员伤亡，为高速公路运营管理单位提供高效、准确的决策支持。

关键词：高速公路隧道；火灾事故；机电设备；控制策略

U453.8A451414

0 引言

近年来，我国公路交通飞速发展。截止2022年年底，高速公路里程已达17.73×104 km，公路隧道24 850处、2 678.43万延米，其中特长隧道1 752处、795.11万延米，长隧道6 715处、1 172.82万延米［1］。飞速发展的公路交通事业为我国的社会经济发展作出了巨大贡献，同时，公路交通安全问题特别是隧道行车安全问题也给高速公路运营管理单位带来了巨大挑战。高速公路隧道因其地理位置、结构的特殊性，一旦发生火灾，若不能快速、合理地选择事故控制策略，启动相应预案，将会对人员带来巨大伤亡，对车辆及隧道带来巨大财产损失。而长期以来，我国的高速公路运营管理现状中“重监控、轻应急”的现象普遍存在，针对高速公路隧道火灾事故的应急控制策略研究，显得尤为重要。

现有针对公路隧道火灾研究多集中于火灾场景如烟雾蔓延扩散模型、宏观的应急预案等方面。赖金星等［2］统计分析了2000—2015年国内隧道火灾事故，基于统计结果为减少隧道火灾的发生提出针对性建议。王泽航等［3］通过搭建缩尺寸隧道火灾试验台，针对火灾工况下的烟气蔓延在纵向通风条件下所受的影响做了研究。王明年等［4］针对隧道火灾阻塞场景，运用FDS研究动态火灾规模及不同工况的下的温度与可视度分布规律，确定动态火灾规模及人员疏散方案。王少飞等［5］针对国内隧道应急预案的现有缺陷，提出高速公路隧道火灾条件下的应急预案编制方法。张英［6］针对隧道单点交通事故，通过应急资源调配、应急救援及管控方案制定、隧道通风及交通诱导设施控制等系列措施，建立高速公路长大隧道交通事故应急预案控制模型。宋晓轩［7］针对高速公路特长隧道，提出了正常工况下、交通事故工况下、火灾工况下以及道路施工工况下的交通监控控制措施。刘旺［8］基于九岭山隧道，确定了九岭山隧道火灾的临界风速，基于此制定了九岭山隧道的交通管控预案及通风系统控制预案。

本文针对高速公路隧道火灾事故，以长度约2 000 m的隧道为例，将火灾隧道进行控制区段及控制单元划分，基于此对火灾不同阶段制定详细的隧道机电设备控制策略，以控制火灾规模，减少人员伤亡，为高速公路运营管理单位提供高效、准确的决策支持。

1 控制区段及控制单元划分

1.1 控制区段划分

交通事件发生位置的部分区域定义为交通事件发生区域，根据交通流的方向定义交通事件的上游和下游。其中驶入交通事件发生区域的车辆为上游车辆，如图1所示。

根据公路桥梁、互通立交等相关构造物的位置将隧道交通影响区域划分为3个区段，如图2所示。

（1）突发事件发生区域为发生区。

（2）上游邻近第一个互通（交通流诱导分流点）到交通事件发生区域为第一区段。

（3）上游邻近第一个互通到上游邻近第二个互通区域为第二区域。

（4）上游邻近第二个互通之外为第三区域。

根据交通流运行特性和管控措施的类型，进一步划分为发生区、管控区、影响区和无影响区。因突发事件发生时，发生区和管控区内均对交通进行管控，故发生区、管控区可合并为控制区，如图3所示。

事故现场前的过渡区域长度与其上游的车辆行驶速度成正相关。发生区域是事故发生的周边位置，受交通事件严重程度的影响。根据发生事故的道路最高限速，综合考虑事件现场区域的范围和严重程度，过渡区域长度计算长度公式见式（1）：

L=0.625WV+S（1）

式中：L——发生区长度（m）；

W——事故发生位置占用的车道宽度（m）；

V——事故发生的高速公路路段的最高限速（km/h）；

S——事故发生位置现场的长度（m）。

假定突发事件导致一条车道封闭，不同设计速度下所需的过渡区段长度如表1所示。

当突发事件封闭车道在2条及以上时，其计算长度公式见式（2）：

L=0.625WV+S+（n-1）×5×V2W155+V2W155（2）

式中：L——发生区长度（m）；

W——事故发生位置占用的车道宽度（m）；

V——事故发生的高速公路路段的最高限速（km/h）；

S——事故发生位置现场的长度（m）；

n——封闭车道数。

1.1.1 控制区

管控区指公路隧道突发事件发生区域上游的第一个区段。管控区的起点是突发事件发生上游可以分流的互通立交出口处，终点是发生区的起点位置。该区段的特点是无法通过公路正常的互通立交将突发事件发生区上游的车辆分流到并行公路或地方道路上。管控区域的车辆一般都将通过突发事件发生区域行驶或等待通行，为防止二次事故发生，应重点加强车辆的管控。

1.1.2 影响区

影响区指公路隧道突发事件发生区域的第二个区段，以事故控制区相邻的互通为界。该区域进行相应前方区段发生突发事件的安全提醒，主要特点是能将突发事件发生上游的车辆诱导离开事发公路。

1.1.3 无影响区

无影响区指控制区上游以外的路段，一般不采取交通组织措施，按照正常状态行驶，但可根据事故严重程度进行相应前方区段发生突发事件的安全提醒。

1.2 控制单元划分

控制单元指隧道内相邻的两个车行横通之间的路段区域，确定事故发生所在的具体控制单元后，针对划分的控制单元进行机电设备的控制。

以长度约2 km的隧道为例，隧道内通常存在2个车行横通，左、右洞分别可划分3个控制单元，隧道总计6个控制单元。划分示意图如图4所示。

2 隧道火灾控制基准

2.1 排烟方向

高速公路火灾事故条件下的隧道内会产生大量的浓烟，并在很短的时间内扩散至整个隧道断面，使得隧道内的能见度将至极低，严重影响隧道内阻滞人员的逃生与救灾人员的抢险救援。

火灾事故区域下游的车辆可以驶离隧道，而火灾点上游的车辆会滞留于隧道，人员需弃车沿行车方向相反的方向逃生［9］，因而烟雾不能回流。

因此，纵向排烟的单向交通隧道，隧道内排烟方向应与隧道行车方向相同，烟雾应由隧道出口或就近排烟口排出［10］。

2.2 火灾规模

火灾规模的大小直接决定火灾临界风速的大小，通常以热释放率（MW）来衡量。公路隧道火灾最大热释放率应按表2确定。

本文以长度约2 000 m的隧道发生火灾事故为例，其最大热释放率为20 MW。

2.3 临界风速

高速公路隧道通风系统的主要功能之一是控制火灾产生的烟雾不向火灾点上游蔓延，以防止烟雾对驾乘人员逃生及应急救援行动产生干扰。当隧道内存在较高的纵向风速时，可以将烟雾控制在火源的一侧，但需要综合考虑纵向风速的大小，一般采用临界风速控制烟雾的流动，能延长烟雾在隧道顶壁的贴附时间，增加人员逃逸时间和安全性［11］。

采用纵向排烟的公路隧道，火灾临界风速宜按表3所列火灾临界风速取值。

3 隧道火灾机电设备应急控制策略

高速公路隧道火灾发生后，为利于隧道受困人员疏散、救援及防止二次事故的发生，应封闭双向隧道，禁止后续车辆驶入。火灾隧道火灾点下游车辆应有序驶离隧道，火灾点上游车辆受困人员应弃车逃生，沿行车方向相反方向从临近人行横洞或隧道洞口逃生；非火灾隧道车辆应沿行车道有序驶离隧道。

以单向2车道/双向4车道的隧道为例（如图5所示），当右洞2号控制单元发生火灾事故时，制定机电设备应急联动控制策略。

将高速公路隧道火灾的阶段划分为三个阶段，即疏散救援阶段、排烟阶段、善后处置阶段。疏散救援阶段从事故发生开始，隧道内驾乘人员全部逃离至隧道外安全地带结束；排烟阶段从驾乘人员全部逃离至隧道外安全地带开始，隧道内烟雾全部排出隧道且无新烟雾产生结束；善后处置阶段从隧道内烟雾全部排出隧道且无新烟雾产生开始，事故处置完毕隧道可恢复正常运行结束。善后处置阶段主要根据消防、交管等部门按需调整机电设备状态，因此本文机电设备控制策略主要针对疏散救援阶段及排烟阶段。

3.1 疏散救援阶段

疏散救援阶段按照影响的范围和程度、结合互通立交节点，将相关区域划分为无影响区、影响区和控制区三个部分，如图6所示。

3.1.1 无影响区

无影响区区域内的交通管控措施可按日常条件运行，无须进行额外控制。

3.1.2 影响区

针对影响区区域，不采取交通管制措施，但应采取相关的事故信息发布诱导措施，提醒驾驶员小心驾驶或绕道行驶。

该区域需要控制的机电设施为火灾上游右线影响区及火灾下游左线影响区的所有可变信息标志，发布内容为：“××隧道火灾，请择道行驶”“××隧道火灾，请小心驾驶”等。

3.1.3 控制区

针对控制区区域，将进行隧道封闭及交通管制，以减少人员伤亡及财产损失为前提制定机电设备控制策略。

3.1.3.1 隧道照明灯具

应将隧道照明灯具全部开启。

3.1.3.2 车道指示器

（1）火灾隧道车道指示器。

右洞1单元车道指示器应变为“红×”；右洞2单元及3单元车道指示器应保持绿箭头，待火灾点下游车辆疏散完毕之后变为“红×”。

（2）非火灾隧道车道指示器。

行车道车道指示器应保持绿箭头，待隧道内车辆疏散完毕之后变为“红×”；超车道车道指示器应变为“红×”。

3.1.3.3 交通信号灯

双向隧道洞口交通信号灯应变为红灯，后续可根据交警相关车辆诱导策略改变状态。

3.1.3.4 隧道洞口可变信息标志

双向隧道洞口可变信息标志应发布内容：“隧道火灾，禁止通行”。

3.1.3.5 隧道内可变信息标志

（1）右洞1单元可变信息标志应发布：“隧道火灾，马上弃车逃生”；右洞2单元及3单元可变信息标志应发布：“隧道火灾，尽快驶离隧道”。

（2）左洞所有情报板应发布：“隧道火灾，尽快驶离隧道，注意隧道逃生人员”。

3.1.3.6 控制区路段可变信息标志

事故隧道上游右线及下游左线情报板：“××隧道火灾，禁止通行”“××隧道火灾，注意阻滞车辆”等。

3.1.3.7 广播

（1）火灾隧道所有广播应播报：“隧道火灾，请尽快撤离隧道”，条件允许时，可针对火灾点上下游分别播报：“隧道火灾，请立即弃车逃生”“隧道火灾，请有序驶离隧道”。

（2）非火灾隧道所有广播应播报：“对向隧道火灾，请从行车道有序驶离隧道，注意避让隧道内逃生人员”。

3.1.3.8 车行横通

隧道内所有车行横通应保持关闭状态，避免火灾隧道烟雾蔓延至非火灾隧道；后续根据消防救援需要按需开启特定车行横通。

3.2 排烟阶段

排烟阶段的机电设备控制策略除风机外，其余设备应保持疏散救援阶段控制状态。

此阶段隧道内阻滞人员已全部疏散，同时火灾点下游车辆已全部驶离隧道，可开启火灾隧道全部风机进行排烟，风机开启时间间隔应为30 s；非火灾隧道根据隧道实时风向启停风机，同样保持在隧道内形成正压。

（1）火灾隧道上游应开启距火灾点150 m外的1组风机，状态为正转，开启时间间隔为30 s，以防止烟雾逆流。同时应观察隧道内风速数值及烟雾蔓延状态，若风速＞2.5 m/s及烟雾无逆流现象发生，可关闭1台风机；若风速＜2 m/s或烟雾有逆流现象发生，应增开1台风机。需要注意的是，风机的启停应根据隧道内风速的变化及烟雾蔓延的状态，进行动态调整。

（2）非火灾隧道进洞口应开启1台风机，正/反转应根据非火灾隧道实时风向决定，以在隧道内形成正压，防止烟雾通过车/人行横通进入非火灾隧道。

3.3 实战应用

在广西某2 km隧道消防演练中实战应用火灾机电设备应急控制策略。隧道火灾灾情发生后，隧道事件检测系统、火灾报警系统发出报警提示，经监控中心确认事件后，迅速启动了火灾机电设备应急控制策略，并通过信息化系统在1 min内完成了机电设备的联动控制。高速公路执法队、救援队、路巡队等单位赶往事故现场进行处置。各单位按职责分工，有条不紊开展救援，高速公路执法人员首先对事故区域双向进行了交通管制，设置好安全防护区域，指挥救援车辆迅速进入事故现场进行救援；路巡队打开人行横通门疏散被困人员，救援队在确认事件后，利用隧道消防水进行了灭火，在确认火情不存在复燃的情况后拖移了事故车辆；随后水车进场开展现场清扫；清扫完成后，监控中心通知执法大队交通管制解除，交通恢复正常。经过各个小组的共同努力，现场应急处置历时30 min全部完成，火灾事故处置结束。

4 结语

本文在高速公路隧道火灾事故条件下，将火灾隧道所在路段区域划分为发生区、控制区、影响区及无影响区，基于隧道内车行横通将隧道划分为不同的控制单元，通过确定火灾事故的排烟方向、火灾规模及临界风速，制定隧道机电设施及路段机电设施的火灾应急状态下的控制策略。经应急演练实战证明，该策略能为高速公路运营管理单位提供高效、准确的决策支持，提升应急处突效率。

参考文献：

［1］2022年交通运输行业发展统计公报［EB/OL］.https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202306/t20230615_3847023.html，2023-06-15.

［2］赖金星，周 慧，程 飞，等.公路隧道火灾事故统计分析及防灾减灾对策［J］.隧道建设，2017（4）：29-35.

［3］王泽航，李俊梅，谢 飞，等.纵向通风对隧道火灾烟气扩散的影响研究［J］.消防科学与技术，2019，38（12）：1 651-1 653.

［4］王明年，胡萧越，于 丽，等.公路隧道动态火灾规模及人员疏散研究［J］.消防科学与技术，2020，39（2）：203-207.

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［6］张 英.高速公路长大隧道交通事故应急控制预案模型研究［D］.西安：长安大学，2015.

［7］宋晓轩.高速公路特长隧道交通监控与控制策略分析［J］.运输经理世界，2022（31）：122-124.

［8］刘 旺.九岭山隧道火灾交通管控与通风系统协调控制技术研究［D］.重庆：重庆交通大学，2023.

［9］蒋曲然.高速公路隧道交通控制和防灾救援策略研究［D］.成都：西南交通大学，2020.

［10］JTG D70/2-2014，公路隧道设计规范·第二册：交通工程与附属设施［S］.

［11］陈建忠.特长公路隧道通风物理模型试验研究［D］.重庆：重庆交通大学，2007.