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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速等,在不同送風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,其火災(zāi)煙氣對人員造成的危害主要體現(xiàn)在以下三個方面:

 

(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。

 

當火災(zāi)燃燒到一定的階段,CO2濃度可達15%-23%,當空氣中CO2濃度大于20%,或者CO濃度大于1%時,在短時間內(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)煙氣具有很強的減光性,煙氣的蔓延會極大降低隧道內(nèi)能見度。這一危害作用,在建筑長走廊中進行人員疏散時,尤為危險?;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,起火點附近溫度可達800-900℃,有時甚至高達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)的輸運不同于一般建筑中,隧道出入口少,煙氣流動距離長,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。

隧道發(fā)生火災(zāi)時,一旦供電設(shè)施斷電,照明不足,進入火場內(nèi)部尋找火點的消防隊員就難以進行有效偵查。若隧道內(nèi)煙氣大量蔓延擴散,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,前期的偵查行動受到火災(zāi)煙氣的阻礙,會嚴重拖延滅火行動的開展。

 

(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,若火災(zāi)煙氣在鋪設(shè)水帶的路線上蔓延,內(nèi)攻行動就會嚴重受阻,甚至被迫停止。因此,滅火通道上的排煙行動必須要預(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。呼吸防護裝備的佩戴,必然會對作戰(zhàn)人員的靈活性和機動性造成一定的不良影響。

 

同時,消防部隊最常配備的空氣呼吸器的使用時限一般不超過30min,當戰(zhàn)斗員在高溫、濃煙、黑暗條件下作戰(zhàn),體能消耗增強,加之恐慌的心理作用,使得空氣呼吸器鋼瓶的使用時間一般按照20分鐘計算,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,可燃物周圍的高溫煙氣對其產(chǎn)生的輻射熱要遠遠高于室內(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)中不會被引燃的可燃物在隧道中會劇烈燃燒。

 

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控制,會產(chǎn)生大量煙氣和未完全燃燒產(chǎn)物。

 

因此,通風是影響火災(zāi)發(fā)展的重要因素,有時會決定火勢的蔓延擴大或窒息熄滅。這表明,正確的送風方式和時機,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,煙氣流動狀態(tài)和煙氣分層程度取決于隧道內(nèi)部的風速。

 

為了便于描述,一般將隧道內(nèi)風速劃分三種速度范圍:

(1)無強迫通風(低速氣流):0~1m/s;

(2)中等強迫通風:1~3m/s;

(3)高速強迫通風:速度大于3m/s。

 

低風速范圍一般是自然通風狀態(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方向的煙氣擴散距離大致相同,當縱向風接近1m/s時,回流長度大概是隧道高度的17倍。

 

中等風速下,火源附近的煙氣成層被縱向風速強烈影響,回流長度為隧道高度的1~17倍。

 

強迫通風所形成的縱向氣流一般速度較高,這種情況下,火源下風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迫通風排煙時,必須要確認火災(zāi)下游區(qū)域內(nèi)的人員疏散完畢。否則,煙氣的高度湍流會對下游人員造成巨大威脅。

 

02

溫度分布

 

利用移動裝備對隧道進行送風排煙時,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??梢杂肍roude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,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,這個區(qū)域水平方向的流動和浮力驅(qū)動流動強烈反應(yīng),盡管沒有很強的煙氣分層,但是在豎向存在溫度梯度,也就是說,通風氣流與火羽浮力作用之間有強烈的反應(yīng)。

 

區(qū)域三,Froude數(shù)大于10,在這個區(qū)域,豎向溫度梯度并不明顯,因此沒有明顯煙氣分層。

 

陽東等多名學者在長寬高尺寸為7.5m×1.5m×0.6m的通道試驗臺內(nèi)進行火災(zāi)實驗,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,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散;當Fr>2.5時,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,他的實驗是在縱向通風風速較小的條件下進行的,對于排煙裝備制造的較大風速條件下的適用性還有待驗證。

 

在隧道內(nèi),對于火災(zāi)下游的氣體,若由于縱向風的作用,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系統(tǒng),然而設(shè)計部門卻很少考慮通風對于火災(zāi)的發(fā)展和傳播的影響。

 

尤其是當這些固定系統(tǒng)一旦失效,利用移動排煙裝備進行煙氣控制,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)有很多文獻研究不同通風條件下的煙氣輸運行為,卻少有涉及到對于火災(zāi)自身的影響,因此,送風排煙下的火災(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)采用風速為3m/s的縱向通風,在隧道中進行的重載車輛火災(zāi)實驗,測試得的熱釋放速率超過了120MW。

 

隧道內(nèi)風速增加,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送到火源,加強了氧氣與燃料的混合。

 

04

臨界風速

 

臨界風速為隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,為了抑制火災(zāi)煙氣回流,通過火場送風,在隧道內(nèi)形成的最小縱向送風風速。圖6.3為臨界風速時煙氣沒有發(fā)生回流現(xiàn)象。

 

Bettis等通過進行全尺寸實驗,發(fā)現(xiàn)火源較小時,臨界風速隨熱釋放速率的1/3次冪指數(shù)而變化;當火源較大時,臨界風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)通風實驗中發(fā)現(xiàn),基于Froude數(shù)的臨界風速預(yù)測模型在火源功率為50~100MW的火源熱釋放速率范圍內(nèi),比實際臨界風速偏高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。

 

在進行隧道火災(zāi)撲救時,消防員的最終目標是疏散和救援所有被困人員,控制并熄滅火災(zāi)?;饒鏊惋L排煙根據(jù)臨界風速原理,可以將火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣控制在火源的下方,這會在火源上風方向提供一個無煙的逃生路線。

 

然而,值得注意的一個問題是,達到臨界風速的火場送風,可能會加劇燃燒物的燃燒。因此,在利用排煙裝備進行火場送風排煙時,要合理調(diào)節(jié)排煙裝備的戰(zhàn)術(shù)參數(shù)。