石 峰

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

鐵路隧道的建設(shè)在最近幾年成為土木工程建設(shè)的重點，隧道長度和海拔高度屢創(chuàng)新高。截至2015年，我國已建有超過200條長度在3 km以上的長大隧道，總長度超過6 000 km。隨著隧道規(guī)模和數(shù)量的不斷增加，運營階段的安全隱患和人員安全保障問題也日益嚴峻。

火災作為隧道運營階段最大的安全隱患，一旦發(fā)生，高溫和有毒煙氣對人員安全造成巨大威脅，尤其長大隧道中，較大的隧道長度使得人員難以及時逃出隧道，這讓災后救援和疏散變得更為艱難。所以，在大規(guī)模建設(shè)長大隧道的時代背景下，進行隧道火災發(fā)生后的災情模擬和人員救援設(shè)計是有重大意義的。為此，本文主要研究了以下內(nèi)容：

(1)拱頂和隧道內(nèi)部在火災中的溫度對比情況。

(2)火區(qū)溫度隨時間和火源距離的變化規(guī)律。

(3)火區(qū)溫度隨火災規(guī)模的變化規(guī)律。

(4)人員定點救援疏散的設(shè)計。

1 長大隧道火災模型試驗

煙霧的擴散和傳播是火災發(fā)生后最明顯的特征，也是對人體最致命的因素。煙霧的危害主要體現(xiàn)在其攜帶的高溫和高濃度有毒氣體。為了保障人員的人身安全，也為了改進隧道中滅火設(shè)施的位置，本文對火災中溫度場和煙霧場的分布規(guī)律進行研究，以便了解溫度和煙氣濃度隨時間的變化，更好地制訂制定人員疏散和救援計劃。

1.1 試驗系統(tǒng)布置

1.1.1 試驗裝置

本試驗的模型隧道采用鋼筋混凝土管段模擬，混凝土強度等級取C30，模型隧道長80 m，內(nèi)徑1.5 m，壁厚10 cm。管段內(nèi)部施作混凝土涂層，以此模擬真實隧道的襯砌結(jié)構(gòu)。管段斷面接近馬蹄狀，符合實際隧道的斷面形狀。

(1)為更真實地模擬隧道中發(fā)生火災的情況，設(shè)置燃燒筒進行實驗，燃燒筒內(nèi)注有汽油和油布，通過控制燃料筒的尺寸，模擬實際火災中的不同規(guī)模。本次試驗研究以下兩種規(guī)模的火災：

①一輛小型汽車著火(70 L汽油)。

②一輛重型卡車著火(180 L汽油)。

(2)根據(jù)熱量相似，模型試驗分別通過點燃兩種規(guī)格的燃燒筒來模擬：

①A規(guī)模：40 cm×40 cm×10 cm。

②B規(guī)模：60 cm×60 cm×10 cm。

隧道內(nèi)的通風情況由上風段口的旋轉(zhuǎn)式風機提供，可提供風速范圍為0～10 m/s。

1.1.2 測點布置

試驗設(shè)置5個測試斷面，溫度測點25個，煙霧濃度測點10個?？v斷面與橫斷面測點布置圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 縱斷面測點布置

圖2 橫斷面測點布置

1.2 火災模型試驗的結(jié)果與分析

1.2.1 試驗中火焰的燃燒特性

隧道中由于通風系統(tǒng)的存在，火焰的燃燒性態(tài)與洞內(nèi)風速也呈一定的相關(guān)關(guān)系。由圖3可知，在隧道內(nèi)風速幾乎為0，也就是不通風條件下，火焰的朝向一直保持向上，燃燒過程也較為穩(wěn)定，火焰燃燒高度相對來說也更高；如圖4，隧道中的自然風風速為3 m/s，火焰被吹至傾斜，火焰頂部高度有所降低；當繼續(xù)加大風速至6 m/s時，火焰傾斜程度加大，但火勢的蔓延速度也大大提高。

圖3 不通風條件下火焰燃燒性態(tài)

圖4 風速逐漸加大時的火焰燃燒性態(tài)

1.2.2 火災區(qū)段劃分

(1)根據(jù)發(fā)生火災時隧道內(nèi)煙氣的流動狀態(tài)和明火的發(fā)展方向，將隧道劃分為三個區(qū)段：

①上風區(qū)。位于火場燃燒區(qū)域的上風方向，一般不受到火災煙氣的影響，但區(qū)內(nèi)溫度、風速和壓力等會隨著火災的發(fā)生而產(chǎn)生一定變化。

②火場區(qū)。明火燃燒的區(qū)段，這里是煙氣產(chǎn)生的源點，也是溫度最高的地段。

③下風區(qū)。位于火場燃燒區(qū)域的下風方向，由于隧道內(nèi)通風的影響，煙氣會在下風區(qū)蔓延，濃度劇烈上升，隧道內(nèi)的阻力系數(shù)發(fā)生變化。

(2)同時，隧道內(nèi)的空間較大，為了方便研究溫度場和煙氣場的發(fā)展規(guī)律，按空間位置將隧道劃分為以下兩個區(qū)段：

①拱頂段。拱頂位于整個隧道上部，是火苗接觸和煙氣上升的位置，拱頂還與外部圍巖接觸，會產(chǎn)生頻繁的熱量交換。

②隧道中部段。這里是隧道內(nèi)部空間，是人員和設(shè)備所處的部位，其溫度和煙氣濃度的變化對防災救援來說都是最重要的，所以本文主要研究中部段的溫度煙氣規(guī)律。

1.2.3 火災溫度場分布

對隧道內(nèi)不同條件火災發(fā)生時的溫度測點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，可以看出不同火災規(guī)模和通風條件下，隧道內(nèi)的溫度分布規(guī)律各不相同(圖5～圖8)。

圖5 A規(guī)模，不通風條件下的溫度分布規(guī)律

圖6 B規(guī)模，不通風條件下的溫度分布規(guī)律

圖7 A規(guī)模，通風3m/s條件下的溫度分布規(guī)律

圖8 B規(guī)模，通風6m/s條件下的溫度分布規(guī)律

從時間階段上來看，發(fā)生火災后的隧洞溫度可以分為急劇上升、保持穩(wěn)定和緩慢衰減三個階段。圖5～圖8描述了不同通風條件下，隧道內(nèi)距火源不同距離處的溫度隨時間變化的散點圖，同樣經(jīng)歷上述三個階段。

當隧道處于不通風條件下時，由圖5、圖6可以看到距火源點相同距離的上下游測點處溫度是基本相同的。這是由于隧道內(nèi)不存在通風，導致火災產(chǎn)生的煙氣向隧道兩側(cè)較為均勻地擴散，從而使得上下游的溫度隨時間的變化規(guī)律類似。

當隧道通風風速為3 m/s時，比較圖5和圖7可以看到距火源點相同距離的上下游測點溫度是不同的。這是由于通風動力使得火災煙氣向下游方向集聚，煙氣攜帶的熱量更多地傳遞給了下游方向的洞壁，使得距火源點相同距離處下游方向溫度要高于上游。隨著通風風速的增大，火源附近的溫度有所下降，而沿程方向的最高溫度和溫度上升趨勢都有所增加。如圖7所示，風速由0上升為3 m/s的過程中，火源區(qū)(下風1 m)處的最高溫度由96.1 ℃降低為84.3 ℃；沿程(下風3 m處)的最高溫度由55.2 ℃升高為62.3 ℃。這是由于通風動力帶走一部分火源區(qū)熱量，轉(zhuǎn)移聚集到下游段而導致的。

值得注意的是，當通風風速超過一定閥值時，高速流動的煙氣將阻礙熱量集聚，導致火災發(fā)生之后各點溫度都將有所降低，如圖6和圖8所示，在6 m/s風速的條件下，隧道內(nèi)各點的最高溫度都較不通風情況下更低。但此時有毒氣體將迅速蔓延至整個隧道截面，對人員逃生疏散極為不利，故必須權(quán)衡溫度上升和煙氣擴散兩個因素，選擇合適的通風速度。

隨著火災規(guī)模的增大，溫度場的縱向傳播范圍也逐漸擴大。由圖5、圖6可以看出，隨著火災規(guī)模的增大，同距離處的溫度上升變快，且各點達到的最高溫度也有所提高。所以規(guī)模的增大對于整個隧道安全的影響是十分大的，無論是溫度升高的速率，還是最高溫度，都是更為致命的。

故對隧道內(nèi)發(fā)生火災的溫度場變化規(guī)律，本文得出如下結(jié)論：

(1)同等火災規(guī)模下，隨著通風風速的增大，煙氣逐漸向下游集聚，火源區(qū)附近溫度下降，沿程溫度上升；但風速高于5 m/s時，洞內(nèi)最高溫度有所下降，但洞內(nèi)溫度的傳播和升高變得更快，這會對人員的逃生產(chǎn)生不利影響；結(jié)合以上兩點，火災發(fā)生時隧道內(nèi)最佳通風速度應為2～3 m/s。

(2)同等風速下，規(guī)模越大，溫度上升趨勢越快，最高溫度也越高。

(3)隨著通風風速的增大，火災持續(xù)的時間不斷減少。

1.2.4 火災煙霧場分布

盡管火災發(fā)生后人們最直觀的感受是高溫，但相關(guān)數(shù)據(jù)卻表明，隧道火災中致死率最高的是火災造成的高濃度煙氣。高溫煙氣夾雜著有害氣體，一旦進入人體，將使人員迅速喪失逃生能力，從而命喪火場。本文對通風速率為3 m/s，兩種規(guī)模下的煙氣隨時間和空間的分布規(guī)律進行研究，以便為人員疏散逃生提供可行意見。

煙霧濃度測點布置在人鼻一般高度處(1.6 m)，(圖9、圖10)給出了不同規(guī)模下煙氣濃度監(jiān)測值隨時間變化的沿隧道縱向分布的曲線圖。由圖可以看出，火災剛開始時，煙氣濃度在靠近火源的地方很高，但在縱向距離的影響并不大，此時較遠的地方的煙氣濃度較小，基本不構(gòu)成對人員的危害；但隨著火災過程的延續(xù)，較遠位置處的煙氣濃度開始逐漸增大。

在整個縱向方向，隧道上風段的煙氣濃度變化較小，濃度較低，但在下風段的變化則很大，這主要是通風動力造成的煙氣向下游方向集聚。

如圖9所示，當發(fā)生A規(guī)?；馂?，通風風速為3 m/s條件下時，隧道內(nèi)的煙氣在480 s時間內(nèi)蔓延至火源下風口500 m遠處。并且根據(jù)測量，在隧道上風口100 m到下風口200 m的范圍內(nèi)煙氣濃度超過400 mg/m3，這種濃度的煙氣已經(jīng)足以威脅一個人的呼吸，阻礙其逃生；在隧道上風口20 m到下風口60 m的范圍內(nèi)的煙氣濃度可以超過1 200 mg/m3，這是人體在逃生過程中可承受的最高煙氣濃度，此時隧道內(nèi)的視野逐漸喪失，逃生人員很難找到疏散之路。

根據(jù)測量結(jié)果，如果火災繼續(xù)進行，隧道內(nèi)的溫度和煙氣濃度將會進一步顯著增大。當火災規(guī)模由A增大到B時，煙氣的集聚速率將會有所提高，如圖10所示。故針對隧道火災發(fā)生中的煙氣變化分布規(guī)律，提出以下建議：

(1)當火災發(fā)生在不遠處，且具備通過火源區(qū)能力時，盡量駕車沖出火源區(qū)，進入隧道上風區(qū)段，這是最為安全的做法。

(2)不具備進入上風區(qū)段條件的時候，必須在火災發(fā)生480 s之內(nèi)疏散到遠離火源下風口60 m以外的地方。

圖9 A規(guī)模，通風風速3m/s時火災煙氣濃度分布規(guī)律

圖10 B規(guī)模，通風風速3m/s時火災煙氣濃度分布規(guī)律

2 災后定點救援設(shè)計

長大隧道因為其長度較長，故一旦發(fā)生火災，列車很難繼續(xù)開出隧道。根據(jù)《鐵路隧道防災救援設(shè)計規(guī)范》，長度在20 km以上的特長隧道必須設(shè)置定點救援通道。救援通道一般位于隧道中部，由若干條等間距的橫通道組成。當火災發(fā)生時，為保證隧道內(nèi)人員的安全，應迅速組織人員疏散往隧道內(nèi)的救援通道，等待救援人員的到來。

2.1 定點疏散的計算模型

橫通道間距是定點救援設(shè)計里最重要的參數(shù)，參考國內(nèi)外特長隧道的橫通道設(shè)置情況，擬采用：50 m、60 m、70 m和80 m這四種不同間隔來分別計算不同疏散場景下的所需時間，本文使用STEPS軟件進行場景模擬。不同間隔下的救援通道參數(shù)見表1。

表1 救援通道參數(shù)

為了分析在不同狀況下人員的定點疏散情況，本文選擇2個火災場景來進行計算模擬：

(1)煙氣濃度較大時，人員疏散到聯(lián)絡(luò)通道。

(2)煙氣濃度較小時，人員疏散到聯(lián)絡(luò)通道。

人員荷載在計算中依據(jù)滿荷載來模擬，根據(jù)鐵路列車的設(shè)計，滿荷載下的人員荷載取974人。此外，為便于對列車中乘客的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，簡化模擬，本文根據(jù)乘客年齡來分組，按老人、中青年人、小孩分成三組。不同組別人員的特性參數(shù)(表2)。

表2 人員特性參數(shù)

2.2 定點疏散的計算結(jié)果與分析

使用STEPS軟件對不同場景和聯(lián)絡(luò)通道間隔條件下的人員的疏散時間和最大人員濃度進行計算，比較曲線見圖11、圖12。由圖11，可以看出，不同聯(lián)絡(luò)通道間隔和火災場景條件下對應的人員疏散時間是不一樣的。

圖11 不同場景下橫通道間距與疏散時間關(guān)系

圖12 場景1下橫通道間距與避難點人員密度關(guān)系

在相同場景下，聯(lián)絡(luò)橫通道間隔越大，人員的疏散時間越長，每條通道內(nèi)的人員越多。經(jīng)計算，即使在情況較差的場景1中，當聯(lián)絡(luò)通道間隔為80 m時，避難點人數(shù)最多為742人，洞內(nèi)可用疏散空間為1 400 m2，故最大人員密度為0.53 人/m2。這個數(shù)值是相對安全的，不會造成人員的擁擠和滯留。同時，由圖11可以看出，兩種場景下的最長疏散時間為330 s左右，符合低于480 s的逃生標準。

計算結(jié)果表明，在50 m和60 m兩種聯(lián)絡(luò)通道間隔條件下，隧道內(nèi)人員的疏散效果較好，對應的聯(lián)絡(luò)通道數(shù)目分別為11條和9條。間隔為60 m時，聯(lián)絡(luò)通道數(shù)量相對較少，工程投入也較少，故更為經(jīng)濟；間隔為50 m時的聯(lián)絡(luò)通道數(shù)量相對較多，但更為安全。綜合考慮長大隧道內(nèi)發(fā)生火災后錯綜復雜的環(huán)境因素和施工成本問題，建議一般的特長隧道定點救援疏散采用橫通道避難形式，橫通道間距取60 m為最佳，此時定點橫通道數(shù)量為9個，定點長度取為480 m。

3 結(jié)論

本文對長大隧道內(nèi)發(fā)生火災時的火災燃燒特性，以及人員在火災發(fā)生之后的疏散時間與安全性進行了深入研究，通過研究，本文得到以下結(jié)論，并對長大隧道中的防災救援提出了自己的建議：

(1)根據(jù)測試結(jié)果，隧道內(nèi)的火災可以分為3個階段：發(fā)展階段、穩(wěn)定階段和衰減階段?；馂囊坏┻M入發(fā)展階段，人員應該迅速疏散到安全的避難場所。

(2)火災模型試驗和數(shù)值模擬的結(jié)果表明：長大隧道中火災一旦發(fā)生，在靠近火源點處的溫度和煙氣濃度都會劇烈上升，隨后高溫煙氣迅速蔓延至隧道下風區(qū)段，可視度急劇下降，人員必須在此之前盡快疏散出去。我們將8 min(480 s)作為高海拔長大隧道火災疏散中的安全上限時間。

(3)縱向風對火災溫度的傳播有重要作用。由于通風動力的存在，火源點下風段的溫度將迅速攀升，而上風段的變化較小，所以在火災發(fā)生時，如果可以，人員應當避免向下風口逃離，而是疏散往上風口。

(4)建議在一般的特長隧道中設(shè)置定點救援橫通道，通道間隔為60 m，數(shù)量9條為宜。