分岔隧道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律及通風(fēng)控制優(yōu)化策略

摘要：分岔隧道作為隧道工程的一部分，由于具有特殊的結(jié)構(gòu)，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)導(dǎo)致煙氣蔓延的規(guī)律發(fā)生改變。因此，需要對(duì)分岔隧道的煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行研究與分析，并通過(guò)合理的通風(fēng)措施，快速排出隧道內(nèi)的煙氣，給人員疏散以及救援工作創(chuàng)造有利條件?；诖耍诜治鏊淼阑馂?zāi)煙氣成分和蔓延規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討了不同通風(fēng)模式對(duì)煙氣控制效果的影響，提出了隧道通風(fēng)控制的優(yōu)化策略，為相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：分岔隧道火災(zāi)；煙氣蔓延；通風(fēng)控制

與普通隧道相比，分岔隧道發(fā)生火災(zāi)后的煙氣流動(dòng)情況極其復(fù)雜，火源位置以及分岔角度的不同，都會(huì)對(duì)煙氣的蔓延產(chǎn)生一定影響。若采用普通隧道的救援方式開(kāi)展滅火救援行動(dòng)，可能難以有效控制火勢(shì)蔓延與煙氣擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致更為嚴(yán)重的結(jié)果。因此，需要對(duì)分岔隧道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律進(jìn)行有效分析，這樣不僅能夠針對(duì)分岔隧道火災(zāi)救援制定針對(duì)性的救援措施，提高滅火救援工作效率，盡可能減少火災(zāi)帶來(lái)的損失，還可以為分岔隧道設(shè)計(jì)以及安全運(yùn)行提供消防依據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)交通事業(yè)的健康發(fā)展。

1 隧道火災(zāi)煙氣成分與蔓延規(guī)律

1.1" 火災(zāi)煙氣的產(chǎn)生與成分

隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣產(chǎn)生速度快且過(guò)程復(fù)雜?；馂?zāi)發(fā)生后，火源處會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使周邊溫度快速上升，進(jìn)而形成火羽流。火羽流中的空氣受熱膨脹，密度降低，在浮力作用下不斷上升。上升過(guò)程中，火羽流會(huì)卷吸周邊空氣，從而使可燃物能夠更充分地與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引發(fā)劇烈燃燒。

物質(zhì)燃燒會(huì)產(chǎn)生大量煙氣，而隧道內(nèi)的物質(zhì)多樣、環(huán)境復(fù)雜，使得煙氣的成分也極為復(fù)雜。煙氣的主要成分包括水蒸氣、二氧化碳以及一氧化碳等。一氧化碳是一種有毒氣體，進(jìn)入人體后，會(huì)與血紅蛋白結(jié)合，導(dǎo)致人員出現(xiàn)缺氧甚至窒息。二氧化碳是燃燒過(guò)程中的常見(jiàn)產(chǎn)物，出現(xiàn)大量聚積時(shí)會(huì)降低空氣中的氧氣濃度，嚴(yán)重影響人員呼吸。而水蒸氣以及其他顆粒狀物質(zhì)會(huì)形成濃厚的煙霧，使隧道內(nèi)的能見(jiàn)度大大降低，給救援工作和人員逃生帶來(lái)嚴(yán)重阻礙。

1.2" 煙氣蔓延規(guī)律

分岔隧道一旦發(fā)生火災(zāi)事故，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煙氣在蔓延過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響，導(dǎo)致煙氣蔓延規(guī)律發(fā)生變化。

在無(wú)通風(fēng)條件下，煙氣會(huì)形成軸對(duì)稱煙羽流，并向火源的上下游蔓延?；馂?zāi)初期，煙氣蔓延速度較快，隨著煙氣的不斷擴(kuò)散，最終可能彌漫整個(gè)分岔隧道。

分岔隧道的結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣蔓延有著直接影響。分岔隧道的分岔位置和角度會(huì)對(duì)煙氣蔓延的方向產(chǎn)生影響。煙氣在經(jīng)過(guò)隧道的分岔處時(shí)，會(huì)因風(fēng)速以及分岔角度的不同，向不同的分岔隧道擴(kuò)散。同時(shí)，分岔隧道的坡度也會(huì)對(duì)煙氣的流動(dòng)產(chǎn)生一定影響。煙氣進(jìn)入上坡隧道時(shí)，會(huì)受到浮力和重力的作用，導(dǎo)致流動(dòng)速度減緩；而當(dāng)煙氣進(jìn)入下坡隧道時(shí)，受到重力的作用，流動(dòng)速度會(huì)加快[1]。

除此之外，分岔隧道內(nèi)的通風(fēng)條件也是影響煙氣蔓延的重要因素。通風(fēng)方式的不同，會(huì)對(duì)煙氣的蔓延與擴(kuò)散產(chǎn)生不同影響。例如，橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)，會(huì)使煙氣呈現(xiàn)不同的蔓延形式和規(guī)律。因此，對(duì)分岔隧道內(nèi)的通風(fēng)進(jìn)行合理控制，能夠形成對(duì)煙氣的有效引導(dǎo)，從而達(dá)到控制火勢(shì)的目的，為救援工作提供有利條件，提高救援效率。

2 不同通風(fēng)模式對(duì)煙氣控制效果的影響

2.1" 通風(fēng)系統(tǒng)的基本類型

隧道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)主要包括自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)以及組合通風(fēng)這3種類型。

自然通風(fēng)，是借助隧道內(nèi)外空氣之間的溫度差、車輛行駛產(chǎn)生的“活塞風(fēng)”以及氣壓差等自然因素形成的空氣流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)隧道的通風(fēng)換氣。這種通風(fēng)方式不需要額外投入設(shè)備，運(yùn)營(yíng)成本較低。然而，其通風(fēng)效果受自然因素影響較大，難以對(duì)通風(fēng)換氣過(guò)程進(jìn)行有效控制，因此，主要適用于交通流量較小、長(zhǎng)度較短的隧道。

機(jī)械通風(fēng)，是借助大量機(jī)械設(shè)備強(qiáng)制空氣流動(dòng)，從而達(dá)到通風(fēng)的目的。其中，縱向通風(fēng)指的是讓新鮮空氣沿著隧道形成縱向流動(dòng)，進(jìn)而排出隧道內(nèi)的污濁空氣。這一通風(fēng)方式可降低風(fēng)機(jī)投資和土建費(fèi)用，更適合長(zhǎng)隧道使用。橫向通風(fēng)則是將隧道分成多個(gè)通風(fēng)段，借助風(fēng)機(jī)和風(fēng)道的作用使空氣橫向流動(dòng)，進(jìn)而排出煙氣。這種通風(fēng)方式的運(yùn)行成本相對(duì)較高，需要大量設(shè)備進(jìn)行輔助，主要應(yīng)用于通風(fēng)要求較高或者超長(zhǎng)隧道中[2]。

組合通風(fēng)則是將機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，達(dá)到通風(fēng)的目的。例如，在隧道口設(shè)置風(fēng)機(jī)輔助自然通風(fēng)；或者在長(zhǎng)隧道中，以縱向通風(fēng)作為主要通風(fēng)方式，局部位置采用橫向通風(fēng)作為輔助，以滿足隧道不同結(jié)構(gòu)的通風(fēng)要求。這種通風(fēng)方式不僅能降低經(jīng)濟(jì)成本，還能滿足多元化的通風(fēng)要求，提高整體通風(fēng)效果。

2.2" 不同通風(fēng)模式下的煙氣控制效果

不同通風(fēng)模式下，隧道內(nèi)煙氣的控制效果差異顯著。以下為3種通風(fēng)方式在煙氣控制方面的具體表現(xiàn)：

在自然通風(fēng)條件下，若隧道沒(méi)有其他的通風(fēng)措施，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，大量煙氣會(huì)在隧道內(nèi)迅速積聚。若未能及時(shí)采取有效措施進(jìn)行通風(fēng)排煙，煙氣將布滿整個(gè)隧道，對(duì)救援工作和人員逃生造成嚴(yán)重影響[3]。

在縱向通風(fēng)條件下，通過(guò)對(duì)風(fēng)速的有效調(diào)節(jié)，能夠?qū)煔獾幕亓鬟M(jìn)行全面控制，進(jìn)而使煙氣順利排出隧道。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，煙氣會(huì)隨氣流方向流動(dòng)，減輕對(duì)隧道上游區(qū)域的影響。然而，風(fēng)速控制需格外謹(jǐn)慎，這是因?yàn)槿麸L(fēng)速過(guò)小，難以有效遏制煙氣回流；風(fēng)速過(guò)大，則可能加劇火勢(shì)蔓延。此外，射流通風(fēng)作為縱向通風(fēng)的一種形式，主要是通過(guò)射流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流推動(dòng)隧道內(nèi)空氣快速流動(dòng)，具有靈活、簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)，射流通風(fēng)能夠顯著提升隧道的通風(fēng)效率，加速煙氣排出。但是，在使用時(shí)，需要對(duì)射流機(jī)的位置和數(shù)量進(jìn)行合理規(guī)劃，以確保隧道的通風(fēng)排煙效果。

橫向通風(fēng)在隧道火災(zāi)排煙中具有一定的優(yōu)勢(shì)。其能將隧道內(nèi)的煙氣通過(guò)排風(fēng)道排出，有效降低隧道內(nèi)的煙氣濃度和溫度，為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的人員逃生提供重要保障。然而，橫向通風(fēng)的運(yùn)行成本相對(duì)較高，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)有一定的要求，需滿足相應(yīng)條件方可建設(shè)橫向通風(fēng)設(shè)施。

在隧道內(nèi)使用組合通風(fēng)模式，能夠充分發(fā)揮各種通風(fēng)模式的作用和優(yōu)勢(shì)，提高隧道整體通風(fēng)效果。例如，將縱向通風(fēng)和橫向通風(fēng)相結(jié)合，不僅能夠利用縱向通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)降低運(yùn)行成本，還可以借助橫向通風(fēng)的優(yōu)勢(shì)快速排出隧道內(nèi)的煙氣，提高煙氣控制效率。在隧道工程建設(shè)過(guò)程中，可以根據(jù)工程需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理設(shè)置組合通風(fēng)模式，確保隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)能快速排出煙氣，為后續(xù)救援工作創(chuàng)造有利條件[4]。

3 分岔隧道通風(fēng)控制優(yōu)化策略

3.1" 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行分岔隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，從而對(duì)通風(fēng)渠道和通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)規(guī)劃。同時(shí)，還需要考慮火源位置以及分岔角度，借助模擬分析手段，明確它們對(duì)煙氣蔓延產(chǎn)生的不同影響，從而確保通風(fēng)系統(tǒng)能夠發(fā)揮預(yù)期作用。

在分岔隧道通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，可以采取機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的組合通風(fēng)模式。具體而言，可以通過(guò)在合適位置設(shè)置風(fēng)機(jī)，輔助自然通風(fēng)，同時(shí)，借助車輛行駛產(chǎn)生的“活塞風(fēng)”，提升整體通風(fēng)效能。對(duì)于長(zhǎng)隧道，建議將縱向通風(fēng)作為主要通風(fēng)模式，同時(shí)輔以橫向通風(fēng)模式用于火災(zāi)時(shí)的排煙。這樣不僅能夠降低通風(fēng)系統(tǒng)建設(shè)成本，還可以有效提高通風(fēng)效率，為火災(zāi)救援提供有力支持。

在分岔隧道內(nèi)，還可以引入新型智能化通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用傳感器對(duì)隧道內(nèi)的溫度和空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并依據(jù)獲取的數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的有效控制。同時(shí)，在隧道分岔處設(shè)置一個(gè)可調(diào)節(jié)風(fēng)閥，以便火災(zāi)發(fā)生時(shí)根據(jù)火災(zāi)實(shí)際情況對(duì)風(fēng)流方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)煙氣的蔓延進(jìn)行全面控制，為滅火救援工作創(chuàng)造有利條件。

除此之外，還可以運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)方案進(jìn)行模擬，全面評(píng)估各方案的煙氣控制效果以及通風(fēng)能力，進(jìn)而選出最優(yōu)通風(fēng)系統(tǒng)方案，為分岔隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)依據(jù)，切實(shí)提升通風(fēng)排煙效果[5]。

3.2" 融合智能控制

利用傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分岔隧道內(nèi)的溫度、煙霧濃度、一氧化碳濃度等參數(shù)。一旦監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生，火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)迅速發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并將火災(zāi)信息傳輸至通風(fēng)控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，可準(zhǔn)確判斷火災(zāi)位置、規(guī)模以及煙氣蔓延趨勢(shì)，為通風(fēng)控制提供決策依據(jù)。例如，某分岔隧道安裝了分布式光纖溫度傳感器，能夠精確感知隧道內(nèi)各位置的溫度變化，精度可達(dá)±0.5℃。當(dāng)傳感器檢測(cè)到某區(qū)域溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，且煙霧濃度和一氧化碳濃度超過(guò)閾值時(shí)，立即觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，并將詳細(xì)數(shù)據(jù)傳輸至通風(fēng)控制系統(tǒng)，為后續(xù)通風(fēng)策略的制定提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。?

采用先進(jìn)的智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，根據(jù)火災(zāi)監(jiān)測(cè)信息自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。以模糊控制為例，將火災(zāi)規(guī)模、煙氣蔓延速度等作為輸入變量，通過(guò)模糊規(guī)則推理得出風(fēng)機(jī)的最佳運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)的智能化、精準(zhǔn)化控制，提高通風(fēng)控制效率和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，模糊控制算法可根據(jù)火災(zāi)規(guī)模的大、中、小，煙氣蔓延速度的快、中、慢等模糊狀態(tài)，快速調(diào)整風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、開(kāi)啟數(shù)量等參數(shù)。研究表明，相比傳統(tǒng)控制方式，采用模糊控制算法可使通風(fēng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間縮短30%～40%，顯著提升通風(fēng)控制效果[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，分岔隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)煙氣蔓延規(guī)律產(chǎn)生顯著影響，從而給滅火救援工作造成一定阻礙。本文在分析分岔隧道中煙氣蔓延規(guī)律的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了通風(fēng)系統(tǒng)的基本類型，對(duì)比了不同通風(fēng)模式下的煙氣控制效果，進(jìn)而從優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、融合智能控制等方面，提出了分岔隧道通風(fēng)控制優(yōu)化策略，希望能為分岔隧道火災(zāi)煙氣控制提供參考，從而降低火災(zāi)危害程度，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和隧道設(shè)施的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

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