一种公路隧道火灾全封闭阻隔灭火的方法与流程

本发明属于消防领域，涉及一种公路隧道火灾全封闭阻隔灭火的方法。

背景技术：

公路隧道火灾发生率高、危害性大，一旦发生，极易造成群死群伤的大型公共性安全事故，尤其是针对长距离、特长距离公路隧道，影响极其恶劣。

目前针对公路隧道火灾的防治技术手段主要包括远程监测、报警、射流风机排烟、竖井排烟、消防队员进入隧道内实施灭火等。对于一些距离较短、发现火灾及时的公路隧道火灾而言，上述方法具有很好的效果，可以将火灾在第一时间扑灭，且不会造成人员伤亡和重大财产损失；但是，如果一旦因为各种原因，导致不能及时对火灾进行有效的监测和报警，且排烟设施运转不正常，则火灾范围会迅速扩大，高温的烟气、强烈的热辐射、热对流效应，会加剧火灾的蔓延，最终导致重大的人员伤亡和财产损失，欧洲的勃朗峰公路隧道火灾就是典型的长距离公路隧道火灾严重致灾的案例之一。为此，提出了本发明的具体思路和实现方法，并对其效果进行了验证计算和分析。

现有的公路隧道火灾主要涉及监测报警、排烟、人员疏散、扑救几大方面，其相应解决的现有技术具体有：

(1)公路隧道火灾监测报警技术。目前路隧道火灾可以通过感温传感器、感烟传感器、光纤等技术装备对长距离公路隧道内的火灾进行实时监测、分析、火情判断，信息发布。该技术主要是依托前段硬件监测、后端信息处理和分析判断几大模块。

主要是问题是，一定要保证系统的硬件能够正常监测、要经常维护，后端监控平台要稳定可靠，且在管理运制度上要合理安排，否则无法保证在第一时间检测到火灾。

(2)公路隧道排烟技术。该项技术是公路隧道火灾时期的主要治理手段之一。公路隧道的主要火源是各类汽车、燃油、其他可燃物，燃烧热值高、能量大、热释放速率快、且有毒性，产生的烟气温度也很高。据相关研究资料表示，隧道火灾发生后，可在距离火源几百米远的隧道顶部测得高达500℃以上的高温，且烟雾可见度低，危害巨大。为此，一旦发生火灾，有效的排烟措施是防止火灾快速蔓延扩大和减小人员伤亡的重要措施。目前，主要是在火灾时期及时发现火灾，并及时启动隧道顶部的排烟机，如有竖井排烟效果更好。部分区情形下，仅仅依靠隧道内部的排烟机是不够的，还需要消防队员及时赶到现场，用移动设备进行辅助排烟。但是，在公路车道狭窄、拥堵时段，该方法不适用。

主要问题是，由于公路隧道火灾的火源不定，固定功率的排烟机无法保证对所有类型的火灾烟气起到有效的排除。且很多时候火灾发生后排烟机没有启动，所以该项技术有技术和管理多方面的问题。

(3)火灾扑救。目前针对公路隧道的火灾扑救技术很少。主要是通过在隧道内部配备的消火栓和干粉灭火器进行。但是，凡是重大的公路隧道火灾均是非常规火灾，尤其是燃油类、危化品类，靠这些常规的灭火手段效果不甚理想。且火灾时期驾驶员多不能、也不会用现成设备灭火，而消防队员大概率无法第一时间到达火场，所以火灾时期的内攻灭火就无从说起。为此，目前，已有部分学者开展了细水雾、含添加剂细水雾扑灭公路隧道火灾的大尺寸、小尺寸火灾实验，通过实验的手段来验证和完善该方法的灭火有效性，该技术可以和监控系统联动控制，实现火灾时期自动喷淋，目前还在不断的完善研究中。

(4)人员疏散。仅仅考虑前面的监测、排烟、常规灭火是不够的。多数情况下，尤其是重要的交通流量大的高速公路隧道、城市长距离公路隧道火灾而言，如果不及时采取人员疏散措施，危害极大。如前所述，现有技术无法保证在火灾发生时期，能够第一时间将火灾信息发出并及时有效的把火灾扑灭并排烟。而一般人员如果拥堵在光线昏暗、充斥大量毒性烟气、缺失正常理性判断的情况下，多数人员的行为的固守待援、或者不知所措。这就会导致更多的人员最终被烟气毒死。所以，火灾时期，通过有效的指引信息，将人员在第一时间引导到隧道外侧非常重要。

主要问题是，由于火灾时期的受限空间的人员有从众心理、恐慌心理等心理隐患，无法做出正常的判断和行为。所以火灾时期，通过有效的指引信息，将人员在第一时间引导到隧道外侧非常重要。目前，该方面的研究工作和现场效果还有待考察。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种公路隧道火灾全封闭阻隔灭火的方法，在公路隧道顶部或者壁面设置折叠式的防火卷帘门，要求其耐火极限不小于3小时，同时配备喷淋水幕。在火灾时期，第一时间放下防火卷帘门并喷水水幕，对火源区域形成有效隔离。应用隔离、窒息的灭火原理，将火灾控制在有限的狭小空间内，控制火灾的发展蔓延，有效的扑灭火灾，给人员足够的疏散逃离时间，最大程度上降低公路隧道火灾的伤亡和损失。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种公路隧道火灾全封闭阻隔灭火的方法，具体包括以下步骤：

s1：发生公路隧道火灾后，火灾探测模块快速启动，通过温度、烟气传感器等火灾探测装置，对隧道内火灾发生的具体位置进行快速、精准确定；

s2：阻火模块根据定位得出准确火灾位置后，将阻火模块快速移动至火灾区域；

s3：阻火模块到达火灾区域后，阻火模块中的防火卷帘门启动并伸开，从两端将燃烧区域进行堵截封闭，且附在防火卷帘门上的水幕喷头开始喷淋作业，保证防火卷帘门的良好的隔热性和结构完整性；

s4：成功实施两端封闭隔断后，通过隧道顶部的火灾探测模块中的温度和烟气浓度传感器进行温度和烟气浓度的实时感知测量，并将感知数据发回控制中心，以此作为实时监测手段，并和提前开展的分析计算得出的相关数据进行对比分析，决定是否采取后续其他安全应急措施。

进一步，步骤s4中，所述对比分析具体包括以下步骤：

s41：建立公路隧道火灾燃烧模型，并进行分析计算；

s42：利用全尺寸隧道的实测火灾燃烧数据和模拟实验数据进行对比，同时结合实验数据和传热方程对隧道火灾燃烧模型进行修正。

进一步，步骤s41中，所述火灾燃烧模型为：

q＝kt²(1)

其中，q为火灾热释放量，k为火灾热释放率增长系数，t为火灾时间。

进一步，所述步骤s42具体包括：火灾初始阶段可将烟气流视为理想气体。根据理想气体状态方程得到：

其中，d1、d2分别为火灾时阻火模块两端移动式防火卷帘门所在位置；rd1、rd2分别为d1和d2处的理想气体常数；ρd1、ρd2分别d1和d2处的气体密度；

由于rd1＝rd2，隧道内温度：

其中，td1、td2分别为d1和d2处的烟气温度；k1，k2为实验系数；kf为逆转烟流比例系数；bo为火羽流起始浮力通量；hf为烟流高度；s为隧道断面积；vd1为d1处烟流速度；

火灾在发展的过程中，热量在传播过程中与隧道壁面接触发生传热现象，其传热模型为：

其中，cp为空气定压比热，ρ为隧道内空气密度，ta为发生火灾时隧道内的气温，tb为隧道壁面温度，va为火灾时期隧道内的气流速度，x为火灾发生位置，α为热烟气与隧道壁面的对流换热系数，l为隧道断面周长，q为火灾热释放量，r为计算温度的位置距离隧道中轴线的距离，λb为隧道壁面导热系数，ρb为隧道内烟气密度，cb为烟气定压比热；

隧道内的最高温度为：

其中，t为环境温度；

火灾发生后，隧道内气温升高，通过气态方程可得：

其中，ρa为发生火灾时隧道内的空气密度；

根据式(7)和(8)得出隧道内烟气浓度模型为：

其中，c为x处烟气的体积分数，d为紊流扩散系数，q1为烟气的排放量。

进一步，一种适用于公路隧道火灾全封闭阻隔灭火方法的系统包括公路隧道壁面、滑轨和阻火模块；所述阻火模块包括移动式防火卷帘和移动式水幕墙喷头组。

进一步，所述滑轨，安装在公路隧道顶部，距离顶部约1m的位置，避免对风机运行构成影响；

所述移动式防火卷帘，用于火灾时期对火灾区域隔离，形成封闭区；

所述移动式水幕墙喷头组，用于火灾时期对移动式防火卷帘进行喷水降温，形成水幕墙，起到更好的隔离防护作用。

进一步，根据隧道长度在隧道中设制多条移动式防火卷帘，该卷帘分别往上下两个方向伸展，实现隧道的全封闭。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用的阻火模块移动轨道在火灾期间，将阻火的防火卷帘门和水幕墙运输到火灾现场，这样可以避免在隧道中布局很多的防火卷帘门和水幕墙，减小成本和施工量；

(2)收放式阻火模块(防火卷帘门和水幕)的作用是在火灾时期完全封闭起火区域，利用物理窒息的灭火原理将火灾扑灭；同时有效控制毒性烟气的蔓延，给火场其他人员足够的逃生时间；

(3)通过本发明的实现和应用，可结合公路隧道火灾危险性的实际情况，在更低成本、更高效率的前提下，对已经发生的隧道火灾进行可靠的阻隔与封闭，最后对其进行完全控制与熄灭措施。以此防止由于火灾燃烧产生的高温热辐射和有毒烟气因防治措施不到位而造成灾害扩大，可更大程度上降低公路隧道火灾的伤亡和损失，是一种低成本、高效率、安全、可靠的公路隧道火灾治理手段。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述公路隧道封闭隔离灭火结构侧面示意图；

图2为本发明所述公路隧道封闭隔离灭火结构剖面示意图；

图3为本发明所述公路隧道火灾隔断灭火模型示意图；

图4为火灾阻隔装置在公路隧道内设置阻隔距离为10m时的温度分布图；

图5为火灾阻隔装置在公路隧道内设置阻隔距离为20m时的温度分布图；

图6为火灾阻隔装置在公路隧道内设置阻隔距离为30m时的温度分布图；

图7为火灾阻隔装置在公路隧道内设置阻隔距离为10m时的co浓度分布图；

图8为火灾阻隔装置在公路隧道内设置阻隔距离为20m时的co浓度分布图；

图9为火灾阻隔装置在公路隧道内设置阻隔距离为30m时的co浓度分布图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1、2所示，一种公路隧道火灾全封闭阻隔灭火的系统，包括公路隧道壁面、滑轨和阻火模块；所述阻火模块包括移动式防火卷帘和移动式水幕墙喷头组。

所述滑轨，安装在公路隧道顶部，距离顶部约1m的位置，避免对风机运行构成影响；

所述移动式防火卷帘，用于火灾时期对火灾区域隔离，形成封闭区；根据隧道长度在隧道中设制多条移动式防火卷帘，该卷帘分别往上下两个方向伸展，实现隧道的全封闭。

所述移动式水幕墙喷头组，用于火灾时期对移动式防火卷帘进行喷水降温，形成水幕墙，起到更好的隔离防护作用。

一种公路隧道火灾全封闭阻隔灭火的方法，具体包括以下步骤：

s1：发生公路隧道火灾后，火灾探测模块快速启动，通过温度、烟气传感器等火灾探测装置，对隧道内火灾发生的具体位置进行快速、精准确定；

s2：阻火模块根据定位得出准确火灾位置后，将阻火模块快速移动至火灾区域；

s3：阻火模块到达火灾区域后，阻火模块中的防火卷帘门启动并伸开，从两端将燃烧区域进行堵截封闭，且附在防火卷帘门上的水幕喷头开始喷淋作业，保证防火卷帘门的良好的隔热性和结构完整性；

s4：成功实施两端封闭隔断后，通过隧道顶部的火灾探测模块中的温度和烟气浓度传感器进行温度和烟气浓度的实时感知测量，并将感知数据发回控制中心，以此作为实时监测手段，并和提前开展的分析计算得出的相关数据进行对比分析，决定是否采取后续其他安全应急措施。

具体的分析计算方法和比对的数据如下：

首先，建立公路隧道火灾燃烧模型并进行计算，利用全尺寸隧道的实测火灾燃烧数据和模拟实验数据进行对比，同时结合实验数据和传热方程对隧道火灾燃烧模型进行修正，隧道公路隧道火灾隔断灭火模型，如图3所示，公路隧道发生火灾时，隧道上方距离火灾区域最近的温度探测器启动，控制隧道隔断装置落下，将起火空间封闭隔离。d1与d2之间为火灾发生区域，两侧是火灾未影响区域。根据相关文献，火灾发展为非稳态过程，所以采用t2火灾模型，表示为：

q＝kt²(1)

其中，q为火灾热释放量，k为火灾热释放率增长系数，t为火灾时间。

火灾初始阶段可将烟气流视为理想气体。根据理想气体状态方程得到：

其中，d1、d2分别为火灾时阻火模块两端移动式防火卷帘门所在位置，rd1、rd2分别为d1和d2处的理想气体常数；ρd1、ρd2分别d1和d2处的气体密度；

由于rd1＝rd2，隧道内温度：

其中，td1、td2分别为d1和d2处的烟气温度；k1，k2为实验系数；kf为逆转烟流比例系数；bo为火羽流起始浮力通量；hf为烟流高度；s为隧道断面积；vd1为d1处烟流速度；

火灾在发展的过程中，热量在传播过程中与隧道壁面接触发生传热现象，其传热模型为：

其中，cp为空气定压比热，ρ为隧道内空气密度，ta为发生火灾时隧道内的气温，tb为隧道壁面温度，va为火灾时期隧道内的气流速度，x为火灾发生位置，α为热烟气与隧道壁面的对流换热系数，l为隧道断面周长，q为火灾热释放量，r为计算温度的位置距离隧道中轴线的距离，λb为隧道壁面导热系数，ρb为隧道内烟气密度，cb为烟气定压比热；

隧道内的最高温度为：

其中，t为环境温度；

火灾发生后，隧道内气温升高，通过气态方程可得：

其中，ρa为发生火灾时隧道内的空气密度；

根据式(7)和(8)得出隧道内烟气浓度模型为：

其中，c为x处烟气的体积分数，d为紊流扩散系数，q1为烟气的排放量。

具体场景计算分析如下：

1)温度计算模块

根据调研，将隧道火灾分为小型、中型和大型三种类型，对应火源功率分别设定为5mw、30mw和50mw；根据车辆实际大小，将隧道内的火灾阻隔装置间隔设置为10m、20m、50m三种规格进行分析对比。

结合公式(3)进行了隧道内火灾时期，对起火区域进行阻隔后，火区温度的比对，和相关实验数据基本一致。

①如图4所示，阻隔距离10m时，火源功率为5mw，约40s温度达到最高的600℃左右，由于燃烧物和空间的限制，没有产生轰燃的现象；30mw和50mw的火灾在约60s时发生轰燃，温度猛烈上升到1300℃左右，约80s后温度曲线快速下降，最后稳定在30～50℃。

②如图5所示，阻隔距离20m时，火源功率为5mw，约70s温度达到600℃，由于燃烧物和空间的限制，没有产生轰燃的现象；约75s时30mw和50mw的火灾发生轰燃，进入短暂的全面燃烧，，约130s时达到1300℃左右，此后隧道内温度开始下降，最后稳定在37～49℃。

③如图6所示，阻隔距离50m时，火源功率为5mw，约80s温度达到最高的600℃左右，由于燃烧物和空间的限制，没有产生轰燃的现象；30mw和50mw的火灾在约220s时发生轰燃，温度猛烈上升到1300℃左右，约420s后温度曲线快速下降，最后稳定在40～52℃。

结论：对比上述3种情形可知，不同火源功率的隧道火灾情形下，不同长度的完全隔断对其均有相应的效果。对于低火源功率火灾而言，均可有效限制其转化为轰燃；对于高功率火灾，虽会转变为轰燃现象，但是均会在持续较短的时间后，由于窒息作用而快速熄灭，尤其是封闭隔断距离短的情形，轰燃现象十分短暂。

2)co浓度计算模块

火灾在封闭区域内的燃烧主要生成co等气体，根据相关文献得出co在浓烟区域的含量为0.02～0.1％。各火区阻隔距离下co浓度，如图7～9所示；

结论：

①对比3种不同情形，小型火灾产生co的速度相对缓慢，区间距离越大co浓度增长速度越慢，三种阻隔距离下co浓度峰值分别达到了封闭空间内气体浓度的8％、5％和3％。对于大多数公路隧道火灾而言，co浓度无法达到该浓度。但是，对于公路隧道火灾在封闭隔断情形下，co浓度达到如此大的数值是可能的。

②8％浓度的co在空气中未达到其爆炸下限，但是该浓度的co毒性很大，所以同样需要引起重视。

综上所述，基于上述模块的联动运行，通过对公路隧道火灾区域的完全封闭的方式，可将火灾和烟气有效控制在隔离区域内，并扑灭火灾，且不会导致爆炸的次生危险，是一种有效的公路隧道火灾治理和应急疏散辅助手段。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。