隧道火災煙氣危害性及其火災特性
隧道火災中產(chǎn)生的大量煙氣威脅人員逃生、影響火災撲救路線(xiàn)、阻礙救援人員對傷員的救助。
就其火災特性來(lái)說(shuō)，隧道火災由于其狹長(cháng)空間形式，致使火災的發(fā)展和煙氣的蔓延特性不同于一般建筑。
隧道火災中的煙氣分層、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、隧道火災煙氣危害性
01
隧道火災煙氣對人員的危害
隧道火災發(fā)生時(shí)，其火災煙氣對人員造成的危害主要體現在以下三個(gè)方面：
（1）火災煙氣具有毒害性，煙氣中所含CO等有毒氣體，對被困人員呼吸系統的毒害作用，危害巨大。
當火災燃燒到一定的階段，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(shí)，在短時(shí)間內可致人死亡。
隨著(zhù)火災的發(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）煙氣具有很強的減光性，煙氣的蔓延會(huì )極大降低隧道內能見(jiàn)度。這一危害作用，在建筑長(cháng)走廊中進(jìn)行人員疏散時(shí)，尤為危險?；馂闹杏捎诨饎莸穆悠茐?，使隧道內的照明中斷，對人員的逃生更加不利。
（3）火災煙氣具有高溫輻射性，起火點(diǎn)附近溫度可達800－900℃，有時(shí)甚至高達1000℃以上。高溫可對人的皮膚形成熱灼傷甚至導致死亡，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
隧道火災煙氣對滅火作戰的影響
隧道屬于狹長(cháng)受限空間，火災煙氣在狹長(cháng)受限空間內的輸運不同于一般建筑中，隧道出入口少，煙氣流動(dòng)距離長(cháng)，不易排出，這更增大了內攻滅火和救人的難度。
（1）低能見(jiàn)度阻礙了偵查人員發(fā)現火點(diǎn)。
隧道發(fā)生火災時(shí)，一旦供電設施斷電，照明不足，進(jìn)入火場(chǎng)內部尋找火點(diǎn)的消防隊員就難以進(jìn)行有效偵查。若隧道內煙氣大量蔓延擴散，即使有應急照明設備，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)受到火災煙氣的阻礙，會(huì )嚴重拖延滅火行動(dòng)的開(kāi)展。
（2）煙氣的蔓延阻隔了內攻滅火通道。
隧道空間結構狹長(cháng)，出入路線(xiàn)單一，在滅火內攻時(shí)，若火災煙氣在鋪設水帶的路線(xiàn)上蔓延，內攻行動(dòng)就會(huì )嚴重受阻，甚至被迫停止。因此，滅火通道上的排煙行動(dòng)必須要預先展開(kāi)。
（3）煙氣的毒性影響滅火作戰效率。
火場(chǎng)中彌漫著(zhù)有毒煙氣，進(jìn)入火場(chǎng)的無(wú)論是指揮員還是戰斗員，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(huì )對作戰人員的靈活性和機動(dòng)性造成一定的不良影響。
同時(shí)，消防部隊最常配備的空氣呼吸器的使用時(shí)限一般不超過(guò)30min，當戰斗員在高溫、濃煙、黑暗條件下作戰，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(shí)間一般按照20分鐘計算，這更是大大降低了滅火作戰的效率。
二、隧道火災特性
由于空間的限制，隧道火災中熱煙氣層反饋給內部空間的熱量比在室外火災中接受的熱量要大得多。
圖6.1闡明了隧道火災與室外火災熱反饋的不同之處，室外火災中可燃物受到的火焰輻射很少，而隧道火災中，可燃物周?chē)母邷責煔鈱ζ洚a(chǎn)生的輻射熱要遠遠高于室內火災。
圖6.1 隧道火災與室外火災熱反饋
由于熱反饋較大，在室外火災中不會(huì )被引燃的可燃物在隧道中會(huì )劇烈燃燒。
例如，與開(kāi)放環(huán)境相比，隧道中的火災熱釋放速率能增大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)是影響火災發(fā)展的重要因素，有時(shí)會(huì )決定火勢的蔓延擴大或窒息熄滅。這表明，正確的送風(fēng)方式和時(shí)機，對于控制火災發(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中，煙氣流動(dòng)狀態(tài)和煙氣分層程度取決于隧道內部的風(fēng)速。
為了便于描述，一般將隧道內風(fēng)速劃分三種速度范圍：
（1）無(wú)強迫通風(fēng)（低速氣流）：0~1m/s;
（2）中等強迫通風(fēng)：1~3m/s;
（3）高速強迫通風(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。煙氣在隧道內的回流長(cháng)度相對較長(cháng)，火源上游和下游兩個(gè)方向的煙氣擴散距離大致相同，當縱向風(fēng)接近1m/s時(shí)，回流長(cháng)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)速強烈影響，回流長(cháng)度為隧道高度的1~17倍。
強迫通風(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迫通風(fēng)排煙時(shí)，必須要確認火災下游區域內的人員疏散完畢。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，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)。
這些參數通?？梢杂肍roude數（表征慣性力與煙氣層的浮力之比）和Riehardson數（表示浮力和慣性力的比值）聯(lián)系起來(lái)。
在模擬煙氣流動(dòng)和傳熱問(wèn)題之中，Froude數被廣泛應用。Newman根據Froude數將溫度分布區域劃分為三個(gè)，見(jiàn)圖6.2。 
區域一，Froude數小于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。
區域二，Froude數在0.9到10之間，這個(gè)區域水平方向的流動(dòng)和浮力驅動(dòng)流動(dòng)強烈反應，盡管沒(méi)有很強的煙氣分層，但是在豎向存在溫度梯度，也就是說(shuō)，通風(fēng)氣流與火羽浮力作用之間有強烈的反應。
區域三，Froude數大于10，在這個(gè)區域，豎向溫度梯度并不明顯，因此沒(méi)有明顯煙氣分層。
陽(yáng)東等多名學(xué)者在長(cháng)寬高尺寸為7.5m×1.5m×0.6m的通道試驗臺內進(jìn)行火災實(shí)驗，在8 kW ~18 kW的不同火源功率下，得出Froude數在1.28~2.5之間時(shí)，煙氣層出現不穩定，煙氣渦旋的破碎導致煙氣向下部空間擴散；當Fr>2.5時(shí)，熱分層的穩定性完全破壞，致使火災煙顆粒分層狀態(tài)受到破壞，煙顆粒層在縱向厚度上明顯增加。
但是需要說(shuō)明的是，他的實(shí)驗是在縱向通風(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證。
在隧道內，對于火災下游的氣體，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，是可以計算得到的。
03
熱釋放速率
為了控制火災煙氣蔓延，許多隧道中都裝有縱向通風(fēng)系統，然而設計部門(mén)卻很少考慮通風(fēng)對于火災的發(fā)展和傳播的影響。
尤其是當這些固定系統一旦失效，利用移動(dòng)排煙裝備進(jìn)行煙氣控制，對火災熱釋放速率的影響，亟需深入研究。
火災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(fēng)條件下的煙氣輸運行為，卻少有涉及到對于火災自身的影響，因此，送風(fēng)排煙下的火災熱釋放速率無(wú)法明確。
例如，對于隧道火災， Heselden(1976)估算重載車(chē)輛（HGV）火災熱釋放速率大約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(chē)輛火災實(shí)驗，測試得的熱釋放速率超過(guò)了120MW。
隧道內風(fēng)速增加，使火災熱釋放速率增加，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(fēng)速
臨界風(fēng)速為隧道內發(fā)生火災時(shí)，為了抑制火災煙氣回流，通過(guò)火場(chǎng)送風(fēng)，在隧道內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(méi)有發(fā)生回流現象。
Bettis等通過(guò)進(jìn)行全尺寸實(shí)驗，發(fā)現火源較小時(shí)，臨界風(fēng)速隨熱釋放速率的1/3次冪指數而變化；當火源較大時(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火災通風(fēng)實(shí)驗中發(fā)現，基于Froude數的臨界風(fēng)速預測模型在火源功率為50~100MW的火源熱釋放速率范圍內，比實(shí)際臨界風(fēng)速偏高5~15%。
因此基于Froude數的預測模型對于較大的火災是不適用的。
在進(jìn)行隧道火災撲救時(shí)，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?；饒?chǎng)送風(fēng)排煙根據臨界風(fēng)速原理，可以將火災產(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(wú)煙的逃生路線(xiàn)。
然而，值得注意的一個(gè)問(wèn)題是，達到臨界風(fēng)速的火場(chǎng)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(chǎng)送風(fēng)排煙時(shí)，要合理調節排煙裝備的戰術(shù)參數。