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、阻礙救援人員對傷員的救助。
就其火災特性來說，隧道火災由于其狹長空間形式，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速等，在不同送風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，其火災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，在短時間內可致人死亡。
隨著火災的發(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。火災中由于火勢的蔓延破壞，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(zhàn)的影響
隧道屬于狹長受限空間，火災煙氣在狹長受限空間內的輸運不同于一般建筑中，隧道出入口少，煙氣流動距離長，不易排出，這更增大了內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)生火災時，一旦供電設施斷電，照明不足，進入火場內部尋找火點的消防隊員就難以進行有效偵查。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，前期的偵查行動受到火災煙氣的阻礙，會嚴重拖延滅火行動的開展。
（2）煙氣的蔓延阻隔了內攻滅火通道。
隧道空間結構狹長，出入路線單一，在滅火內攻時，若火災煙氣在鋪設水帶的路線上蔓延，內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，可燃物周圍的高溫煙氣對其產(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，對于控制火災發(fā)展和煙氣蔓延十分關鍵。
01
煙氣分層
在燃料控制的隧道火災中，煙氣流動狀態(tài)和煙氣分層程度取決于隧道內部的風速。
為了便于描述，一般將隧道內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，必須要確認火災下游區(qū)域內的人員疏散完畢。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性。
因此可以得知溫度分布和煙氣層的分布是相關的，而溫度分布不僅與風速有關，還與熱釋放速率和隧道高度有關。
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。
在模擬煙氣流動和傳熱問題之中，F(xiàn)roude數(shù)被廣泛應用。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動流動強烈反應，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。
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的通道試驗臺內進行火災實驗，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，對于火災下游的氣體，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
為了控制火災煙氣蔓延，許多隧道中都裝有縱向通風系統(tǒng)，然而設計部門卻很少考慮通風對于火災的發(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，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自身的影響，因此，送風排煙下的火災熱釋放速率無法明確。
例如，對于隧道火災， Heselden(1976)估算重載車輛（HGV）火災熱釋放速率大約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實驗，測試得的熱釋放速率超過了120MW。
隧道內風速增加，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
臨界風速
臨界風速為隧道內發(fā)生火災時，為了抑制火災煙氣回流，通過火場送風，在隧道內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火災通風實驗中發(fā)現(xiàn)，基于Froude數(shù)的臨界風速預測模型在火源功率為50~100MW的火源熱釋放速率范圍內，比實際臨界風速偏高5~15%。
因此基于Froude數(shù)的預測模型對于較大的火災是不適用的。
在進行隧道火災撲救時，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。火場送風排煙根據(jù)臨界風速原理，可以將火災產(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，要合理調節(jié)排煙裝備的戰(zhàn)術參數(shù)。