公路隧道火灾自然排烟模拟及人员疏散优化建议

许秦坤 邓 军 陈 健 林思雷 董智玮 张昊哲 肖 静

(1.西南科技大学环境与资源学院 四川绵阳 621010；2.西南科技大学土木与建筑工程学院 四川绵阳 621010)

目前，随着全球交通运输行业的迅速发展，国内外隧道修建越来越多。根据2016年我国交通运输部《公报》数据显示[1]，全国公路隧道为15 181处、1 403.97万m，其中特长隧道815处、362.27万m，长隧道3 520处、604.55万m。据统计[2]，2000年整个欧洲地区交通隧道网络总长就超10 000 km。隧道数量和里程的增加，一方面使得人员流动越来越快捷方便，促进了社会经济的发展，另一方面隧道内发生火灾的事故数日益增加，造成群死群伤，社会影响大。因此，如何控制隧道中的火灾，尽可能降低人员伤亡和减小火灾对隧道的破坏的研究一直是国内外火灾专家、学者研究的重点。

隧道一旦失火，为了保证隧道内人员的安全疏散，有效地排除隧道火灾烟气是优先采用的对策措施，而通风排烟方式有多种，如机械排烟和自然排烟或者是它们二者的组合排烟。对于长度不大或者埋深较浅的隧道，可以考虑自然排烟方案，既具经济合理性又具安全可靠性，但是对于隧道长度和埋深到底多少最为合适选用自然排烟，这方面缺少研究。另一方面，隧道中车辆人员疏散在自然排烟隧道中如何优化也是一个值得研究的问题。针对火灾条件下隧道火灾在自然排烟情况下如何最终选择最优方案或者说提出好的建议，是本研究的重点。

1 隧道火灾烟气控制技术

1.1 隧道火灾控制技术现状

将隧道火灾防治技术进行归类，可分为主动性对策和被动性对策两大类。直接限制隧道火灾发生和发展的技术即主动性防治对策,如排烟技术。提高隧道结构承受火灾破坏能力的技术为被动性防治对策,如防烟技术等。在隧道防火安全设计时,要综合考虑各类消防技术的应用,对火灾防治做出总体规划。

由于隧道火灾中死亡人员基本上是因烟致死的,为便于人员的安全疏散,必须在隧道内设置有效的排烟系统。在隧道火灾中,对火灾烟气的控制主要包括机械排烟和自然排烟两种方式。一般隧道中的排烟和通风合用一个系统,平时该系统为通风模式,火灾发生后,该系统转为排烟模式。隧道的通风排烟模式按车道空间的空气流动方式可分为几类，如图1所示。

图1 隧道通风排烟方式分类Fig.1 Classification of tunnel ventilation and smoke extraction

在隧道火灾中，机械排烟是一种釆用排烟风机和排烟管道进行主动排烟的方法,受外界因素影响小,但其系统布置复杂、经济投入大、维修管理比较麻烦。机械排烟系统通常由排烟口、排烟风机和防火阀等部分组成。机械排烟模式控制原理是利用通风设备产生不小于临界风速的纵向气流,方向为行车方向,以防止烟气回流,并控制烟流向火源点下游排放。这种控制方案在单向交通工况下比较有效,因为往往可以假设火灾点下游车辆已经离开隧道,即烟气流向的下游隧道内没有司乘人员。但这种排烟方式在控制烟气流向的同时,也带去了大量燃烧所需的氧气,这会加快火灾蔓延，而且如果控制不力,烟气在隧道中的流动会造成能见度降低,空气稀薄,不利于人员、车辆疏散和灭火救援。从已建成的长隧道看,均采用了通风换气与排烟兼用的纵向排烟系统。从验收模拟试验情况看,其排烟效果不理想,并且由于风机功率太大,对灭火器扑灭初期火灾影响极为不利[3]。

自然排烟是一种简单、经济、有效的排烟模式,通过建筑物的对外开口和各种竖井,利用烟气本身具有的浮力将烟气排出。在隧道中也可釆用自然排烟方式,如利用烟气在隧道顶部设置的竖井中形成的烟囱效应进行排烟。隧道内某一空间发生火灾,火场温度升高,空气膨胀,体积增大,密度减小,因而回路中火场邻近分支的冷空气与火场排烟通道上的热空气产生较大的密度差,热烟气将向上运动,此种现象称之为烟囱效应[4]。不过需要注意的是,如果竖井距离火源较远,到达竖井下方的烟气层温度会很低,烟囱效应可能不会发生,甚至进入竖井的烟气会倒灌回隧道(Tong等,2009)[5]。近十年来，竖井自然排烟方式逐渐引起国内外的关注,众多高校和研究所的学者开始对隧道中竖井自然排烟问题展开研究。如韩国仁荷大学的Yoon等[6]研究了竖井的自然通风压力,发现其与机械通风压力的比值可达29.26%,这与传统的没有竖井的自然通风方式相比会大大提高排烟效果,从而证实了竖井自然排烟方式的有效性。谢元一等[7]釆用热烟测试方法在成都地铁浅埋区间隧道开展实验,发现烟气可通过距离最近的两个通风竖井排出,所有烟气均被控制在两个通风竖井之间,自然风对排烟效果的影响较小,证明了此隧道设置的通风竖井的间距和通风面积能够满足排烟的要求。茅靳丰等[8]在小尺寸实验模型上研究了城市隧道的自然排烟效果,得到了关于风口数量和高度的设计建议。自然排烟模式因其建设和运营的经济性和实用性,正逐步受到业内人士的重视,并在国内多处城市隧道中应用。本文主要研究自然排烟模式。

1.2 自然排烟模型

自然排烟模型如图2所示。模型采用的是行车道中间用隔板隔开，隔板将上面的格栅均分，隧道顶部无挡板，两边分别为三车道的双向六车道设计。当隧道中的某一位置发生火灾，烟雾便可通过顶部的格栅口排出。

图2 自然排烟模型Fig.2 Natural smoke exhaust model

1.3 自然排烟方式的选择

根据隧道的长度和埋深来选择排烟方式，根据相关文献[9-10]，隧道的长度不大于4 km，埋深不大于15 m可以考虑选择自然排烟方式。根据朱长琳等[9]对隧道火灾自然排烟的数值分析得出，通风竖井埋深在5～15 m范围内，可以忽略竖井埋深对隧道火灾自然排烟的影响。

1.4 隧道火灾中的临界危险状态

火灾中的临界危险状态[9]是指火灾环境可对室内人员造成严重伤害的状态。火灾危险临界条件按以下情况确定：一是当烟气层界面高于人眼特征高度时，上部烟气层的温度达到180 ℃便可对人构成辐射灼烧危险；二是当烟气层高度低于人眼特征高度时，烟气温度达到 115 ℃便可对人构成直接灼烧危险。人眼特征高度通常为1.2～1.8 m，这里取距离疏散通道地面1.6 m高度处(即人眼特征高度为1.6 m)的温度作为火灾到达危险状态的一个判据指标。这个温度指标的临界值如下：人在温度超过体温的环境中，因为出汗过多，会出现脱水、疲劳和心跳加快等现象，温度超过66 ℃便难以呼吸，造成消防人员救援困难、室内人员逃生迟缓。因此，综合本文隧道模型及汽车模型参数的设置，将区间隧道内1.6 m人眼特征高度处安全温度的上限定为66 ℃。若要计算本模型1.6 m特征高度的温度值，可以根据闫治国等提出的描述隧道火灾温度场横向分布的方法[11]。

(1)线性分布：

(1)

(2)均匀分布：

Ty=TH

(2)

式中：H为隧道断面高度/m;y为断面上任意一点距路面的距离/m;Ty为断面上距路面y处的温度/℃；TH为断面拱顶温度/℃；TR为断面路面附近温度/℃。

由温度分布可知，当H=5.4 m时温度达到最高，便将5.4 m定为拱顶高度(隧道参数参考表1)，因此将y=1.6 m，Ty=66 ℃，H=5.4 m带入公式(1)，便可以得到拱顶的温度TH=151 ℃，也就是说在自然通风状态下，当某一位置的拱顶温度达到151 ℃时，那么此时这一位置下的人将处于危险状态。当对隧道进行纵向通风时，才考虑均匀分布，此处不予考虑。

2 数值模拟

本文运用FDS软件对自然排烟隧道火灾进行模拟分析。FDS是由美国国家技术标准局NIST的建筑火灾研究室研究开发的场模拟软件[12]。FDS程序是专门解决火灾动力学发展的大涡模拟通用程序，在建模过程中，需要将计算区域划分成若干个长方体一般的小单元，在模拟过程中，程序会根据计算模型获取每个小单元内部的各类相关参数，如温度参数、压力参数等，而这些参数都是关于时间的函数。

2.1 火灾场景设置

在隧道火灾中，自然排烟通过建筑物的对外开口和竖井进行。本文主要研究隧道利用格栅对外自然排烟。隧道模型采长220 m，宽11.6 m(双向六车道设置)，高5.6 m，排烟口单口面积17.28 m2(对称各2.4 m×3.6 m=8.64 m2)，具体布置如图3所示。

由于确定火灾规模时考虑因素较多，且大部分是非定量化的，因此要全面考虑、准确地预报或设定火灾规模是不容易的，对此文献[13]有较为详细的叙述。目前国内外在研究公路隧道火灾时，各种车辆火源的火灾大小可由瑞士及挪威有关部门提供的表1为参考[14]。一般来说，汽车发生火灾的可能性较大，汽车有电气设备以及油箱，汽车类型的不同油箱体积也就不同。本文综合考虑相关因素，决定分别采用约为5，10，15，20，25 MW的火源功率。

表1 车辆类型与燃烧产生的热量Table 1 Type of vehicles and heat generated by combustion

2.2 模拟参数设置

(1)网格设置：考虑热烟气的运动主要为隧道纵向，横向视为均匀，同时考虑运算时间，对该隧道网格划分为550×60×15(0.4×0.4×0.4)。

(2)火源点设置：取越野车尺寸4.8 m×1.8 m×2 m(取平均1.2 m)，本模型火源处正对隧道界壁为中点建立空间坐标系，火源位置即图3中汽车着火位置。

(3)探测点设置：距中心坐标x轴正向取(即距火源)12 m(A)，24 m(B)，36 m(C)，48 m(D),60 m(E),72 m(F),84 m(G),96 m(H),108 m(I)位置中心设置监测点监测分析火灾隧道中温度随时间变化规律以及烟气随时间的分布规律情况。

(4)边界条件设置：模型如图2所示，整个隧道处于水平，其左右端处于自然通风状态，环境温度取20 ℃，火源为热释放速率火源(5,10,15,20,25 MW)，边壁取“CONCRETE”，即热厚性边界。

图3 水平隧道结构侧视图、出风口位置断面和火源位置放大图Fig.3 Horizontal tunnel structure side view,outlet position section and fire source location enlarged view

3 模拟结果与分析

在分析之前，本文用T-X-6.2-H(温度-距火源位置-y坐标-高度)与SH-X(X为距火源位置)分别表示X监测点的温度与各点的烟气分布，其余监测点以此类推。

3.1 温度场分布

由图4可以看出，隧道水平方向上不同位置温度变化在起变点呈现一定的滞后性，这主要是由于热量沿隧道出口的输运过程需要一定的时间。越靠近火源的监测点温度变化越剧烈。距火源(火源功率为25 MW)仅12 m的A监测点，其温度波动幅度达到370 ℃左右，这主要是由于该区域处于通风口的冷空气与热烟气剧烈热量交换区。而稍远一点的B(离火源24 m)监测点尽管温度波动幅度较小，但是其总体上温度变化比较平稳且最终小于C(离火源36 m))监测点温度，这就说明离出风口较近的C点受出风口风流冷却作用较大。同时在水平隧道中，沿水平方向在不同的位置上环境温度超过临界温度所需时间呈现不同的变化趋势，也就是在火源功率固定情况下，越靠近火源的地方温度到达临界点所需时间越短，而离火源越远所需时间越长。由于每个火源功率都有9个检测点，温度随时间变化的图样就有45份，此处只列出不同火源功率不同位置下能对人造成临界危险状态(某位置拱顶最高温度超过151 ℃)的图样和表格(图4，表3)。

表3 能对人造成危险状态的不同火源功率相应参数Table 3 The corresponding parameters of different sources of dangerous fire power

火源功率在5 MW的最近检测点A(12 m位置)处，最高温度127 ℃，也就是说人处在12 m以及大于12 m外的位置并不会造成危险；而10 MW和15 MW在12 m处及以内便会对人员造成危险，大于12 m后则处于安全状态；20,25 MW时人员处于24 m位置及以内便会发生危险，大于24 m的位置人员则处于安全状态。

图4 A，B 火源功率监测点温度变化图Fig.4 Temperature variation diagram of A and B fire power monitoring points

3.2 烟气分布

3.2.1 不同火源功率下的烟气净空分布

由图5可以看出，烟气的净空值在3.6～5.0 m左右波动，也就是说不同火源功率对应的不同监测点烟气厚度始终保持在0.6～2 m范围内波动。说明在火源功率25 MW，隧道长度108 m范围内此模型设定面积的排烟口都能对烟气进行稳定有效的排烟，由于监测是采用隧道的对称性进行模拟，因此整个隧道都是安全的。

图5 5～25 MW火源功率的烟气净空分布图Fig.5 The flue gas distribution of 5-25 MW fire power

3.2.2 不同火源功率下的排烟格栅数量

在火源功率为5～25 MW的隧道火灾场景模拟时间到55 s的时候进行截图,通过图6可以看到,烟气从格栅排出,发现当火源功率为5 MW时,烟气比较稀薄,且排出烟气的格栅有16个，当火源功率为10 MW时,烟气浓度变大,排出烟气的格栅增加到17个，随着功率的变大，烟气浓度也增大，排出烟气的格栅也相应增加，但是当火源功率为20 MW和25 MW时，虽然可以感觉到25 MW的烟气浓度要大一些，但是排出烟气的格栅却相同，都是19个。这可能是火源功率越大，格栅单口排出的烟气浓度越大导致的，也有可能是隧道火灾场景模拟时间太短导致的。不过我们也可通过5～20 MW的排烟格栅数量乘以半个单口面积算出单面排烟口的总面积，这样就能求出不同火源功率与自然排烟单口面积的定量关系式。不同火源功率下排烟格栅数量及面积见表4。

图6 5～25 MW火源功率格栅排烟图Fig.6 Grille smoke extraction of 5-25 MW fire power

3.2.3 火源功率与排烟口面积的函数关系

由图7可知，在火源功率为20 MW范围内，火源功率与半排烟单口面积呈线性关系。若建立函数关系式y=kx。y表示半排烟单口面积，x表示火源功率，k为常数，可通过图7求出斜率k=1.728。因此我们便可以得到半排烟单口面积与火源功率的关系式：

y=1.728x(x≤20)

(3)

图7 火源功率-半排烟单口面积函数关系图Fig.7 Function relation of fire power and half smoke single area

4 安全疏散通道

对于火灾热辐射，人员疏散时则要尽快远离火源。那么就需要人员尽快疏散到安全区域，因此隧道中的安全疏散通道优化至关重要。欧洲发生的三起双向交通特长隧道火灾中，圣哥达隧道火灾中被困的车辆最多，但死亡人数最少。究其原因，是因为其隧道不仅设有专用避难疏散通道，并每隔250 m便设置一个避难间，事故中100多人在火灾中通过避难间和疏散通道得以生还。根据张德成等[15]对公路隧道火灾时安全疏散通道研究，公路隧道常用逃生方式有：(1)将双管道中的横通道作为逃生救援通道(图8)。隧道联络横通道的疏散能力较强，不过，开横通道对原隧道结构的受力不利，施工中已发生事故，地质条件较差的情况下应慎重选择。(2)在隧道车道板下设置逃生救援通道(图9)。随着隧道直径增大与双层隧道应用，原本受隧道直径所制约的车道板下式通道的疏散能力也得到改善，而且其施工难度低、建造成本低，逐渐被大量应用在

大直径隧道设计中。(3)将服务隧道作为逃生救援通道(图10)。总体上，采用服务隧道的通行能力最佳，不过由于工程造价高，而且多应用于硬岩地区，应用限制较大。(4)将隧道之间的管廊作为逃生救援通道(图11)。对于沉管法及明挖隧道，可事先就在隧道两孔间设置管廊，放置管线的同时用作逃生通道，疏散时可直接沿着管廊逃向地面，或通过横通道经由管廊到达邻近隧道。以上4种逃生通道有其各自特点和适用条件,各通道的人员疏散方式也各有不同。

图8 横通道Fig.8 Cross channel

图9 车道板下设置逃生通道Fig.9 Escape lane under the driveway

图10 服务隧道Fig.10 Service tunnel

图11 管廊Fig.11 Pipe rack

5 人员疏散优化方案

目前，在公路隧道火灾疏散方案设计时，依据的主要国家标准是《公路隧道设计规范》、《公路隧道交通工程设计规范》、《建筑设计防火规范》。参考相关文献[16]，本模型可以采取的疏散路线主要有以下几类:(1) 沿隧道横向，向两端出口疏散。此类疏散方式可应用于中、短隧道(封闭段长度:L<1 000 m)。(2) 通过两孔隧道间人行横通道疏散到相邻隧道。可以在模型的隔板之间设立人行横通道，通道内设置两道常闭防火密闭门。此类疏散方式一般适用于长隧道(封闭段长度:1 000 m3 000 m)。同时，疏散方式可分析火源功率对人造成的危险状态，当人员处于安全状态位置的，可考虑进行向两端出口处疏散，当人员处于危险状态位置的，则可考虑疏散方案的其他疏散方式。在国家有关规范中，对于隧道长度远远超过3 000 m的超长隧道疏散方式，并没有细分。

6 结论

本文对水平隧道汽车发生火灾进行了数值模拟分析，得到以下结论：(1)只考虑纵向温度分布的情况下，隧道中温度场分布呈现一定的规律性，如各监测点温度起变点的滞后性以及温升变化波动性等，这些与隧道具体参数及环境条件有关，如隧道自然风流的搅动效应以及冷却作用等；各个监测点到达临界温度的时间是不相同的，达到最高温度也不相同。(2)火源功率越大，临界危险温度扩散的范围越远，如5 MW时距火源12 m远处也无法达到临界危险温度，而25 MW时，距火源24 m处的温度可达到170 ℃(>151 ℃)。(3)在火源功率为20 MW范围内，本模型模拟的隧道火灾场景中火源功率与排烟单口面积呈线性关系。

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