高海拔铁路隧道救援站火灾的烟气蔓延特性

王志伟 马伟斌 韩自力 马召辉 赵鹏

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081

为提高列车运行效率、缩短铁路运行里程，我国西部地区修建了大量隧道，且很多是长大隧道和隧道群［1］。青藏高原地区海拔较高，环境具有低温、低氧、低压的特点。在该地区修建铁路隧道对隧道的防灾疏散救援工程提出了新的挑战。

根据3 000 m以上高海拔地区的环境特点以及对高海拔地区火灾特性的相关研究，与低海拔常规地区隧道相比，高海拔铁路隧道火灾的防灾疏散救援具有以下特点：①空气浮力变小，火灾燃烧特性会发生改变，隧道内火灾温度场分布、烟气分布和扩散规律不同于平原地区；②由于含氧量减少，高海拔地区较平原地区燃烧更加不充分；③高海拔隧道空气稀薄，含氧量低、气压低、气温低，人的逃生速度受到限制，平原地区防灾疏散救援原则可能不适用［2-5］。

目前关于防火的标准和规范多适用于3 000 m以下的低海拔地区的隧道，对于3 000 m以上的高海拔隧道火灾预防，即使国际范围内的相关规范也没有相应的条文。因此，开展高海拔铁路隧道火灾烟气蔓延等防灾疏散救援相关研究，具有重大意义。本文利用火灾动力学模拟软件以典型的双洞单线隧道加密横通道型紧急救援站为原型建立模型，根据0、3 000、3 500 m三个海拔下的温度、压力和氧气含量设置模拟环境参数，研究高海拔铁路隧道救援站火灾的烟气蔓延特点。

1 高海拔铁路隧道救援站火灾数值模拟方法

1.1 数值模拟软件简介

在火灾模拟研究领域计算模型主要包括区域模拟、网络模拟和场模拟三种，常用的模拟软件有PHOENICS、FDS、Fluent、Star CCM+等。FDS是由美国国家标准与技术研究院（NIST）研发的一款基于场模拟的火灾动态模拟软件，特别适用于火灾引起的烟气蔓延和热传递的数值分析［6］，基本流程如图1。模拟结果经众多实例验证可靠，是火灾安全工程领域普遍运用的模拟软件之一。其余软件各有其特色。

图1 数值模拟基本流程

1.2 建立紧急救援站火灾模型

以国内典型的双洞单线隧道加密横通道型紧急救援站为原型，隧道宽6.44 m，高7.28 m，两线隧道距离30 m。横通道净宽6 m，净高5 m，相邻横通道间距50 m，横通道数量12条。列车宽3.1 m，高3.8 m，长度为我国铁路旅客列车编组的最大长度554 m，为便于研究取救援站隧道长度600 m［7-8］。由于救援站端部火灾在隧道内烟气蔓延距离更远，更易受冷却沉降，故模拟场景选择救援站端部火灾，火源位于第二横通道处。火灾热释放速率为20 MW，燃烧长度考虑为半截列车长度，燃烧位置高度为列车高度的一半，如图2所示。考虑到实际场景中列车停止在救援站时，火灾已经充分发展，火源设置在10 s时达到设定热释放速率，模拟为不开启通风系统、防护门全开的最不利状态。数据测点布置于隧道顶部和疏散平台特征高度处，测点类型结合火灾致灾因素进行设置。

图2 铁路隧道救援站火灾模型

1.3 模拟环境参数设置

高海拔地区的环境温度、压力和氧气含量对火灾特性影响较大。随着海拔高度增加，环境温度降低，通常认为海拔每上升500 m，温度降低2.5℃。大气压力与海拔高度具有非线性关系，海平面到海拔11 km以下地区的当地大气压力P的理论值计算式（1）为

式中：P0为标准状态下的大气压力，取101.325 kPa；H为当地海拔高度，m。

海拔高度的增加引起大气压强降低，导致空气密度减小，氧气密度ρ的理论值可根据当地海拔高度和环境温度按式（2）计算［9］：

式中：t为当地环境温度，℃。

国内高海拔特长铁路隧道普遍处于海拔3 000～3 500 m［10］，故选择低海拔0、高海拔3 000 m和3 500 m进行研究。由此可得数值模拟环境参数，见表1。

表1 数值模拟参数设置

1.4 人员安全疏散警戒值

目前一般的火灾安全疏散致灾因素研究主要是针对热辐射、温度和能见度三方面的变化规律［11-13］。高海拔环境具有氧气含量低的特殊性及以CO为代表的有毒有害气体含量在低浮力环境下的分布不确定性，氧气含量和CO含量的变化规律也至关重要。通过调研《中国消防手册》［14］、《人员疏散评估指南》［15］、美国消防工程师协会SFPE手册［16］等国内外致灾因素的规范条文，火灾各致灾因素的危险极限状态设置见表2。由于热辐射不易直接测量，《人员疏散评估指南》中以隧道顶部烟气温度低于200℃等效为热辐射的危险极限状态。

表2 火灾各致灾因素的危险极限状态

2 模拟结果与分析

2.1 隧道火灾烟气蔓延速率

不同海拔高度火灾在200 s时的烟气蔓延距离如图3所示，其中烟气扩散区域为黑色。

图3 不同海拔高度火灾在200 s时的烟气蔓延距离

由图3可知：相同时间内随着海拔上升，烟气蔓延距离更远，海拔为0、3 000、3 500 m时蔓延距离分别为430、455、457 m；海拔为0、3 000、3 500 m时正线隧道上的烟气分别在420、320、310 s时进入横通道；随着海拔上升，烟气沿隧道纵向的蔓延速率加快，高海拔烟气的蔓延速率快6%左右，烟气也更早地进入横通道，提前的时间超过100 s。

2.2 隧道火灾烟气蔓延范围

不同海拔高度火灾的烟气蔓延范围如图4所示。可知：海拔为0时远端有4个横通道进入少量烟气，极少量烟气进入非火灾隧道；海拔为3 000 m时远端有6个横通道进入烟气，并有大量烟气进入非火灾隧道；海拔为3 500 m时远端有7个横通道进入烟气，并有更多烟气进入非火灾隧道。

图4 不同海拔高度火灾的烟气蔓延范围

由于火源附近的烟气具有较好的浮升力，距离火源较远的烟气受到环境冷却沉降，先从远端横通道进入。随着海拔上升，将有更多的横通道有烟气进入，进入非火灾隧道的烟气也更多。

2.3 隧道顶部温度分布规律

不同海拔高度火灾隧道顶部温度分布见图5。可知：火源附近隧道顶部温度在短时间内迅速上升，海拔为0、3 000、3 500 m时，隧道顶部最高温度分别为467、610、641℃，但超过200℃的范围均在火源两侧50 m内。

图5 不同海拔高度火灾隧道顶部温度分布

达到危险极限状态的时间较早，属于不利于人员疏散的一个重要因素。图5表明，随着海拔上升，隧道顶部温度更高，但超过危险极限状态的热辐射范围没有明显扩大。

不同海拔高度隧道疏散平台特征高度温度分布见图6。可知：海拔为0、3 000、3 500 m时，疏散平台特征高度处的最高温度分别为34、16、14℃。温度均低于危险极限状态。

图6 不同海拔高度隧道疏散平台特征高度温度分布

非直接接触性的热量传递方式主要是热对流和热辐射，其中热对流需要流动的热介质传递，而热辐射利用电磁波传递热量，不需要借助接触性介质即可传递热量。数值模拟中测量的温度为热对流所传递的热量，且隧道内热烟气密度小，主要位于隧道顶部，沉降至疏散平台的特征高度时已经受到了冷却，所以即使在火源附近疏散平台特征高度处的温度也较低。

2.4 疏散平台特征高度CO体积分数分布规律

不同海拔高度隧道疏散平台特征高度CO体积分数分布见图7。可知：海拔为0、3 000、3 500 m时，疏散平台的特征高度处CO体积分数最高分别为440×10-6、741×10-6、816×10-6，且均呈现距离火源的远端横通道附近高，火源附近低的趋势。

火灾燃烧初始时刻整个救援站内CO体积分数均较低，随着烟气的堆积和沉降，远端CO体积分数逐渐升高。随着海拔上升，疏散平台的特征高度处CO体积分数更高，海拔低于3 000 m时，CO体积分数均未达到危险极限状态；海拔为3 500 m在接近2 000 s时远端的横通道CO体积分数达到危险极限状态。

2.5 疏散平台特征高度氧气体积分数规律

不同海拔高度隧道疏散平台特征高度氧气体积分数分布见图8。

由图8可知：海拔为0、3 000、3 500 m时，疏散平台的特征高度处氧气体积分数最低分别为19.2%、12.7%、11.7%，且均呈现距离火源的远端横通道附近高，火源附近低的趋势。这表明，随着火灾持续燃烧，烟气总量逐渐增多，且在火源的远端沉降，远端氧气体积分数逐渐降低。随着海拔上升，疏散平台特征高度处氧气体积分数更低，0海拔下氧气体积分数未达到危险极限状态；海拔为3 000 m以上远端的横通道氧气体积分数达到危险极限状态。

2.6 疏散平台特征高度能见度规律

不同海拔高度隧道疏散平台特征高度能见度分布见图9。可知：海拔为0、3 000、3 500 m时，火源点燃后隧道各处能见度均迅速降至0，但在同一时间内能见度降低的范围随海拔上升有所增大。这表明，疏散平台特征高度的能见度下降迅速，在整个救援站正线隧道内能见度达到危险极限状态（小于10 m）的时间较早，属于不利于人员疏散的一个重要因素。随着海拔上升，虽然能见度的最小值没有发生明显变化，但在相同的时间内，疏散平台特征高度处能见度降低的区域明显扩大。

图9 不同海拔高度隧道疏散平台特征高度能见度分布

3 结论

1）高海拔铁路隧道救援站火灾产生的烟气具有较快的蔓延速率。与普通环境相比，高海拔隧道救援站火灾烟气的蔓延速率快6%左右，进入横通道的时间提前超过100 s，且有烟气进入的横通道从4个增加到6～7个。

2）铁路隧道救援站火灾产生的高温烟气具有较好的浮升力，在顶部沿隧道蔓延，但受周围环境冷却和沿程阻力的影响在距离火源位置较远处开始沉降，并进入远端的横通道内，再蔓延至非火灾隧道。

3）火源附近的热辐射和隧道内的能见度是达到危险极限状态最快最早的两个因素。火源附近的热辐射影响范围是50 m，能见度的影响范围是整个隧道，这两个致灾因素几乎不受海拔高度影响。

4）与普通环境的隧道救援站火灾相比，高海拔隧道救援站火灾达到危险极限状态的因素从热辐射和能见度两种上升到热辐射、能见度、CO体积分数、氧气体积分数四种。