許秦坤 鄧 軍 陳 健 林思雷 董智瑋 張昊哲 肖 靜

(1.西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010；2.西南科技大學土木與建筑工程學院 四川綿陽 621010)

目前，隨著全球交通運輸行業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外隧道修建越來越多。根據(jù)2016年我國交通運輸部《公報》數(shù)據(jù)顯示[1]，全國公路隧道為15 181處、1 403.97萬m，其中特長隧道815處、362.27萬m，長隧道3 520處、604.55萬m。據(jù)統(tǒng)計[2]，2000年整個歐洲地區(qū)交通隧道網(wǎng)絡總長就超10 000 km。隧道數(shù)量和里程的增加，一方面使得人員流動越來越快捷方便，促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，另一方面隧道內(nèi)發(fā)生火災的事故數(shù)日益增加，造成群死群傷，社會影響大。因此，如何控制隧道中的火災，盡可能降低人員傷亡和減小火災對隧道的破壞的研究一直是國內(nèi)外火災專家、學者研究的重點。

隧道一旦失火，為了保證隧道內(nèi)人員的安全疏散，有效地排除隧道火災煙氣是優(yōu)先采用的對策措施，而通風排煙方式有多種，如機械排煙和自然排煙或者是它們二者的組合排煙。對于長度不大或者埋深較淺的隧道，可以考慮自然排煙方案，既具經(jīng)濟合理性又具安全可靠性，但是對于隧道長度和埋深到底多少最為合適選用自然排煙，這方面缺少研究。另一方面，隧道中車輛人員疏散在自然排煙隧道中如何優(yōu)化也是一個值得研究的問題。針對火災條件下隧道火災在自然排煙情況下如何最終選擇最優(yōu)方案或者說提出好的建議，是本研究的重點。

1 隧道火災煙氣控制技術

1.1 隧道火災控制技術現(xiàn)狀

將隧道火災防治技術進行歸類，可分為主動性對策和被動性對策兩大類。直接限制隧道火災發(fā)生和發(fā)展的技術即主動性防治對策,如排煙技術。提高隧道結構承受火災破壞能力的技術為被動性防治對策,如防煙技術等。在隧道防火安全設計時,要綜合考慮各類消防技術的應用,對火災防治做出總體規(guī)劃。

由于隧道火災中死亡人員基本上是因煙致死的,為便于人員的安全疏散,必須在隧道內(nèi)設置有效的排煙系統(tǒng)。在隧道火災中,對火災煙氣的控制主要包括機械排煙和自然排煙兩種方式。一般隧道中的排煙和通風合用一個系統(tǒng),平時該系統(tǒng)為通風模式,火災發(fā)生后,該系統(tǒng)轉(zhuǎn)為排煙模式。隧道的通風排煙模式按車道空間的空氣流動方式可分為幾類，如圖1所示。

圖1 隧道通風排煙方式分類Fig.1 Classification of tunnel ventilation and smoke extraction

在隧道火災中，機械排煙是一種釆用排煙風機和排煙管道進行主動排煙的方法,受外界因素影響小,但其系統(tǒng)布置復雜、經(jīng)濟投入大、維修管理比較麻煩。機械排煙系統(tǒng)通常由排煙口、排煙風機和防火閥等部分組成。機械排煙模式控制原理是利用通風設備產(chǎn)生不小于臨界風速的縱向氣流,方向為行車方向,以防止煙氣回流,并控制煙流向火源點下游排放。這種控制方案在單向交通工況下比較有效,因為往往可以假設火災點下游車輛已經(jīng)離開隧道,即煙氣流向的下游隧道內(nèi)沒有司乘人員。但這種排煙方式在控制煙氣流向的同時,也帶去了大量燃燒所需的氧氣,這會加快火災蔓延，而且如果控制不力,煙氣在隧道中的流動會造成能見度降低,空氣稀薄,不利于人員、車輛疏散和滅火救援。從已建成的長隧道看,均采用了通風換氣與排煙兼用的縱向排煙系統(tǒng)。從驗收模擬試驗情況看,其排煙效果不理想,并且由于風機功率太大,對滅火器撲滅初期火災影響極為不利[3]。

自然排煙是一種簡單、經(jīng)濟、有效的排煙模式,通過建筑物的對外開口和各種豎井,利用煙氣本身具有的浮力將煙氣排出。在隧道中也可釆用自然排煙方式,如利用煙氣在隧道頂部設置的豎井中形成的煙囪效應進行排煙。隧道內(nèi)某一空間發(fā)生火災,火場溫度升高,空氣膨脹,體積增大,密度減小,因而回路中火場鄰近分支的冷空氣與火場排煙通道上的熱空氣產(chǎn)生較大的密度差,熱煙氣將向上運動,此種現(xiàn)象稱之為煙囪效應[4]。不過需要注意的是,如果豎井距離火源較遠,到達豎井下方的煙氣層溫度會很低,煙囪效應可能不會發(fā)生,甚至進入豎井的煙氣會倒灌回隧道(Tong等,2009)[5]。近十年來，豎井自然排煙方式逐漸引起國內(nèi)外的關注,眾多高校和研究所的學者開始對隧道中豎井自然排煙問題展開研究。如韓國仁荷大學的Yoon等[6]研究了豎井的自然通風壓力,發(fā)現(xiàn)其與機械通風壓力的比值可達29.26%,這與傳統(tǒng)的沒有豎井的自然通風方式相比會大大提高排煙效果,從而證實了豎井自然排煙方式的有效性。謝元一等[7]釆用熱煙測試方法在成都地鐵淺埋區(qū)間隧道開展實驗,發(fā)現(xiàn)煙氣可通過距離最近的兩個通風豎井排出,所有煙氣均被控制在兩個通風豎井之間,自然風對排煙效果的影響較小,證明了此隧道設置的通風豎井的間距和通風面積能夠滿足排煙的要求。茅靳豐等[8]在小尺寸實驗模型上研究了城市隧道的自然排煙效果,得到了關于風口數(shù)量和高度的設計建議。自然排煙模式因其建設和運營的經(jīng)濟性和實用性,正逐步受到業(yè)內(nèi)人士的重視,并在國內(nèi)多處城市隧道中應用。本文主要研究自然排煙模式。

1.2 自然排煙模型

自然排煙模型如圖2所示。模型采用的是行車道中間用隔板隔開，隔板將上面的格柵均分，隧道頂部無擋板，兩邊分別為三車道的雙向六車道設計。當隧道中的某一位置發(fā)生火災，煙霧便可通過頂部的格柵口排出。

圖2 自然排煙模型Fig.2 Natural smoke exhaust model

1.3 自然排煙方式的選擇

根據(jù)隧道的長度和埋深來選擇排煙方式，根據(jù)相關文獻[9-10]，隧道的長度不大于4 km，埋深不大于15 m可以考慮選擇自然排煙方式。根據(jù)朱長琳等[9]對隧道火災自然排煙的數(shù)值分析得出，通風豎井埋深在5～15 m范圍內(nèi)，可以忽略豎井埋深對隧道火災自然排煙的影響。

1.4 隧道火災中的臨界危險狀態(tài)

火災中的臨界危險狀態(tài)[9]是指火災環(huán)境可對室內(nèi)人員造成嚴重傷害的狀態(tài)。火災危險臨界條件按以下情況確定：一是當煙氣層界面高于人眼特征高度時，上部煙氣層的溫度達到180 ℃便可對人構成輻射灼燒危險；二是當煙氣層高度低于人眼特征高度時，煙氣溫度達到 115 ℃便可對人構成直接灼燒危險。人眼特征高度通常為1.2～1.8 m，這里取距離疏散通道地面1.6 m高度處(即人眼特征高度為1.6 m)的溫度作為火災到達危險狀態(tài)的一個判據(jù)指標。這個溫度指標的臨界值如下：人在溫度超過體溫的環(huán)境中，因為出汗過多，會出現(xiàn)脫水、疲勞和心跳加快等現(xiàn)象，溫度超過66 ℃便難以呼吸，造成消防人員救援困難、室內(nèi)人員逃生遲緩。因此，綜合本文隧道模型及汽車模型參數(shù)的設置，將區(qū)間隧道內(nèi)1.6 m人眼特征高度處安全溫度的上限定為66 ℃。若要計算本模型1.6 m特征高度的溫度值，可以根據(jù)閆治國等提出的描述隧道火災溫度場橫向分布的方法[11]。

(1)線性分布：

(1)

(2)均勻分布：

Ty=TH

(2)

式中：H為隧道斷面高度/m;y為斷面上任意一點距路面的距離/m;Ty為斷面上距路面y處的溫度/℃；TH為斷面拱頂溫度/℃；TR為斷面路面附近溫度/℃。

由溫度分布可知，當H=5.4 m時溫度達到最高，便將5.4 m定為拱頂高度(隧道參數(shù)參考表1)，因此將y=1.6 m，Ty=66 ℃，H=5.4 m帶入公式(1)，便可以得到拱頂?shù)臏囟萒H=151 ℃，也就是說在自然通風狀態(tài)下，當某一位置的拱頂溫度達到151 ℃時，那么此時這一位置下的人將處于危險狀態(tài)。當對隧道進行縱向通風時，才考慮均勻分布，此處不予考慮。

2 數(shù)值模擬

本文運用FDS軟件對自然排煙隧道火災進行模擬分析。FDS是由美國國家技術標準局NIST的建筑火災研究室研究開發(fā)的場模擬軟件[12]。FDS程序是專門解決火災動力學發(fā)展的大渦模擬通用程序，在建模過程中，需要將計算區(qū)域劃分成若干個長方體一般的小單元，在模擬過程中，程序會根據(jù)計算模型獲取每個小單元內(nèi)部的各類相關參數(shù)，如溫度參數(shù)、壓力參數(shù)等，而這些參數(shù)都是關于時間的函數(shù)。

2.1 火災場景設置

在隧道火災中，自然排煙通過建筑物的對外開口和豎井進行。本文主要研究隧道利用格柵對外自然排煙。隧道模型采長220 m，寬11.6 m(雙向六車道設置)，高5.6 m，排煙口單口面積17.28 m2(對稱各2.4 m×3.6 m=8.64 m2)，具體布置如圖3所示。

由于確定火災規(guī)模時考慮因素較多，且大部分是非定量化的，因此要全面考慮、準確地預報或設定火災規(guī)模是不容易的，對此文獻[13]有較為詳細的敘述。目前國內(nèi)外在研究公路隧道火災時，各種車輛火源的火災大小可由瑞士及挪威有關部門提供的表1為參考[14]。一般來說，汽車發(fā)生火災的可能性較大，汽車有電氣設備以及油箱，汽車類型的不同油箱體積也就不同。本文綜合考慮相關因素，決定分別采用約為5，10，15，20，25 MW的火源功率。

表1 車輛類型與燃燒產(chǎn)生的熱量Table 1 Type of vehicles and heat generated by combustion

2.2 模擬參數(shù)設置

(1)網(wǎng)格設置：考慮熱煙氣的運動主要為隧道縱向，橫向視為均勻，同時考慮運算時間，對該隧道網(wǎng)格劃分為550×60×15(0.4×0.4×0.4)。

(2)火源點設置：取越野車尺寸4.8 m×1.8 m×2 m(取平均1.2 m)，本模型火源處正對隧道界壁為中點建立空間坐標系，火源位置即圖3中汽車著火位置。

(3)探測點設置：距中心坐標x軸正向取(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)位置中心設置監(jiān)測點監(jiān)測分析火災隧道中溫度隨時間變化規(guī)律以及煙氣隨時間的分布規(guī)律情況。

(4)邊界條件設置：模型如圖2所示，整個隧道處于水平，其左右端處于自然通風狀態(tài)，環(huán)境溫度取20 ℃，火源為熱釋放速率火源(5,10,15,20,25 MW)，邊壁取“CONCRETE”，即熱厚性邊界。

圖3 水平隧道結構側(cè)視圖、出風口位置斷面和火源位置放大圖Fig.3 Horizontal tunnel structure side view,outlet position section and fire source location enlarged view

3 模擬結果與分析

在分析之前，本文用T-X-6.2-H(溫度-距火源位置-y坐標-高度)與SH-X(X為距火源位置)分別表示X監(jiān)測點的溫度與各點的煙氣分布，其余監(jiān)測點以此類推。

3.1 溫度場分布

由圖4可以看出，隧道水平方向上不同位置溫度變化在起變點呈現(xiàn)一定的滯后性，這主要是由于熱量沿隧道出口的輸運過程需要一定的時間。越靠近火源的監(jiān)測點溫度變化越劇烈。距火源(火源功率為25 MW)僅12 m的A監(jiān)測點，其溫度波動幅度達到370 ℃左右，這主要是由于該區(qū)域處于通風口的冷空氣與熱煙氣劇烈熱量交換區(qū)。而稍遠一點的B(離火源24 m)監(jiān)測點盡管溫度波動幅度較小，但是其總體上溫度變化比較平穩(wěn)且最終小于C(離火源36 m))監(jiān)測點溫度，這就說明離出風口較近的C點受出風口風流冷卻作用較大。同時在水平隧道中，沿水平方向在不同的位置上環(huán)境溫度超過臨界溫度所需時間呈現(xiàn)不同的變化趨勢，也就是在火源功率固定情況下，越靠近火源的地方溫度到達臨界點所需時間越短，而離火源越遠所需時間越長。由于每個火源功率都有9個檢測點，溫度隨時間變化的圖樣就有45份，此處只列出不同火源功率不同位置下能對人造成臨界危險狀態(tài)(某位置拱頂最高溫度超過151 ℃)的圖樣和表格(圖4，表3)。

表3 能對人造成危險狀態(tài)的不同火源功率相應參數(shù)Table 3 The corresponding parameters of different sources of dangerous fire power

火源功率在5 MW的最近檢測點A(12 m位置)處，最高溫度127 ℃，也就是說人處在12 m以及大于12 m外的位置并不會造成危險；而10 MW和15 MW在12 m處及以內(nèi)便會對人員造成危險，大于12 m后則處于安全狀態(tài)；20,25 MW時人員處于24 m位置及以內(nèi)便會發(fā)生危險，大于24 m的位置人員則處于安全狀態(tài)。

圖4 A，B 火源功率監(jiān)測點溫度變化圖Fig.4 Temperature variation diagram of A and B fire power monitoring points

3.2 煙氣分布

3.2.1 不同火源功率下的煙氣凈空分布

由圖5可以看出，煙氣的凈空值在3.6～5.0 m左右波動，也就是說不同火源功率對應的不同監(jiān)測點煙氣厚度始終保持在0.6～2 m范圍內(nèi)波動。說明在火源功率25 MW，隧道長度108 m范圍內(nèi)此模型設定面積的排煙口都能對煙氣進行穩(wěn)定有效的排煙，由于監(jiān)測是采用隧道的對稱性進行模擬，因此整個隧道都是安全的。

圖5 5～25 MW火源功率的煙氣凈空分布圖Fig.5 The flue gas distribution of 5-25 MW fire power

3.2.2 不同火源功率下的排煙格柵數(shù)量

在火源功率為5～25 MW的隧道火災場景模擬時間到55 s的時候進行截圖,通過圖6可以看到,煙氣從格柵排出,發(fā)現(xiàn)當火源功率為5 MW時,煙氣比較稀薄,且排出煙氣的格柵有16個，當火源功率為10 MW時,煙氣濃度變大,排出煙氣的格柵增加到17個，隨著功率的變大，煙氣濃度也增大，排出煙氣的格柵也相應增加，但是當火源功率為20 MW和25 MW時，雖然可以感覺到25 MW的煙氣濃度要大一些，但是排出煙氣的格柵卻相同，都是19個。這可能是火源功率越大，格柵單口排出的煙氣濃度越大導致的，也有可能是隧道火災場景模擬時間太短導致的。不過我們也可通過5～20 MW的排煙格柵數(shù)量乘以半個單口面積算出單面排煙口的總面積，這樣就能求出不同火源功率與自然排煙單口面積的定量關系式。不同火源功率下排煙格柵數(shù)量及面積見表4。

圖6 5～25 MW火源功率格柵排煙圖Fig.6 Grille smoke extraction of 5-25 MW fire power

3.2.3 火源功率與排煙口面積的函數(shù)關系

由圖7可知，在火源功率為20 MW范圍內(nèi)，火源功率與半排煙單口面積呈線性關系。若建立函數(shù)關系式y(tǒng)=kx。y表示半排煙單口面積，x表示火源功率，k為常數(shù)，可通過圖7求出斜率k=1.728。因此我們便可以得到半排煙單口面積與火源功率的關系式：

y=1.728x(x≤20)

(3)

圖7 火源功率-半排煙單口面積函數(shù)關系圖Fig.7 Function relation of fire power and half smoke single area

4 安全疏散通道

對于火災熱輻射，人員疏散時則要盡快遠離火源。那么就需要人員盡快疏散到安全區(qū)域，因此隧道中的安全疏散通道優(yōu)化至關重要。歐洲發(fā)生的三起雙向交通特長隧道火災中，圣哥達隧道火災中被困的車輛最多，但死亡人數(shù)最少。究其原因，是因為其隧道不僅設有專用避難疏散通道，并每隔250 m便設置一個避難間，事故中100多人在火災中通過避難間和疏散通道得以生還。根據(jù)張德成等[15]對公路隧道火災時安全疏散通道研究，公路隧道常用逃生方式有：(1)將雙管道中的橫通道作為逃生救援通道(圖8)。隧道聯(lián)絡橫通道的疏散能力較強，不過，開橫通道對原隧道結構的受力不利，施工中已發(fā)生事故，地質(zhì)條件較差的情況下應慎重選擇。(2)在隧道車道板下設置逃生救援通道(圖9)。隨著隧道直徑增大與雙層隧道應用，原本受隧道直徑所制約的車道板下式通道的疏散能力也得到改善，而且其施工難度低、建造成本低，逐漸被大量應用在

大直徑隧道設計中。(3)將服務隧道作為逃生救援通道(圖10)?？傮w上，采用服務隧道的通行能力最佳，不過由于工程造價高，而且多應用于硬巖地區(qū)，應用限制較大。(4)將隧道之間的管廊作為逃生救援通道(圖11)。對于沉管法及明挖隧道，可事先就在隧道兩孔間設置管廊，放置管線的同時用作逃生通道，疏散時可直接沿著管廊逃向地面，或通過橫通道經(jīng)由管廊到達鄰近隧道。以上4種逃生通道有其各自特點和適用條件,各通道的人員疏散方式也各有不同。

圖8 橫通道Fig.8 Cross channel

圖9 車道板下設置逃生通道Fig.9 Escape lane under the driveway

圖10 服務隧道Fig.10 Service tunnel

圖11 管廊Fig.11 Pipe rack

5 人員疏散優(yōu)化方案

目前，在公路隧道火災疏散方案設計時，依據(jù)的主要國家標準是《公路隧道設計規(guī)范》、《公路隧道交通工程設計規(guī)范》、《建筑設計防火規(guī)范》。參考相關文獻[16]，本模型可以采取的疏散路線主要有以下幾類:(1) 沿隧道橫向，向兩端出口疏散。此類疏散方式可應用于中、短隧道(封閉段長度:L<1 000 m)。(2) 通過兩孔隧道間人行橫通道疏散到相鄰隧道?？梢栽谀Ｐ偷母舭逯g設立人行橫通道，通道內(nèi)設置兩道常閉防火密閉門。此類疏散方式一般適用于長隧道(封閉段長度:1 000 m3 000 m)。同時，疏散方式可分析火源功率對人造成的危險狀態(tài)，當人員處于安全狀態(tài)位置的，可考慮進行向兩端出口處疏散，當人員處于危險狀態(tài)位置的，則可考慮疏散方案的其他疏散方式。在國家有關規(guī)范中，對于隧道長度遠遠超過3 000 m的超長隧道疏散方式，并沒有細分。

6 結論

本文對水平隧道汽車發(fā)生火災進行了數(shù)值模擬分析，得到以下結論：(1)只考慮縱向溫度分布的情況下，隧道中溫度場分布呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，如各監(jiān)測點溫度起變點的滯后性以及溫升變化波動性等，這些與隧道具體參數(shù)及環(huán)境條件有關，如隧道自然風流的攪動效應以及冷卻作用等；各個監(jiān)測點到達臨界溫度的時間是不相同的，達到最高溫度也不相同。(2)火源功率越大，臨界危險溫度擴散的范圍越遠，如5 MW時距火源12 m遠處也無法達到臨界危險溫度，而25 MW時，距火源24 m處的溫度可達到170 ℃(>151 ℃)。(3)在火源功率為20 MW范圍內(nèi)，本模型模擬的隧道火災場景中火源功率與排煙單口面積呈線性關系。

[1] 交通運輸部. 2016年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[J]. 交通財會, 2017,(5):92-96.

[2] 倪照鵬，陳海云.國內(nèi)外隧道防火技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].交通世界，2003，(2)：28-31.

[3] 楊瑞新,陳雪峰.高等級公路長隧道火災特點及消防設計初探[J].消防科學與技術,2002，(5):50-52.

[4] 許傳華,任青文,李瑞.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析方法研究進展[J].金屬礦山,2003,320(2):34-37.

[5] TONG Y, SHI M H, GONG Y F, et al. Full-scale experimental study on smoke flow in natural ventilation road tunnel fires with shafts[J]. Tunnelling & Underground Space Technology, 2009, 24(6):627-633.

[6] YOON C H, KIM M S, JIN K. The evaluation of natural ventilation pressure in Korean long road tunnels with vertical shafts[J]. Tunnelling & Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research, 2006, 21(3-4):472-472.

[7] 謝元一,張曉明,胡忠日,等.成都地鐵淺埋區(qū)間隧道自然通風排煙方式的熱煙試驗研究[J].消防科學與技術，2008,27(10):739-741.

[8] 茅靳豐,蔣國政,李偉華,等.火災工況下城市隧道自然通風的研究[J].潔凈與空調(diào)技術，2008，(1): 21-24.

[9] 朱長琳，高明亮.地鐵區(qū)間隧道火災自然排煙的數(shù)值分析[J].都市快軌交通，2012，(25):56-59.

[10] 張云霞.高海拔內(nèi)燃牽引隧道自然通風界限及活塞風特性研究[J].巖石力學與工程學報，2014，33(12)：2592.

[11] 閆治國，楊其新，朱合華.火災時隧道內(nèi)煙流流動狀態(tài)實驗研究[J].土木工程學報，2006，39(4):94-98.

[12] 宋雙林, 郭江煒, 張衛(wèi)亮,等. 上行通風火災旁側(cè)支路風流逆轉(zhuǎn)FDS模擬研究[J]. 消防科學與技術, 2009,28(9):637-639.

[13] 鄧念兵. 公路隧道防火救災對策研究[D]. 陜西西安:長安大學, 2003.

[14] ALFREDHAACK, 高小云. 交通隧道中的火災安全概念[J]. 公路隧道, 2002, (2):45-48.

[15] 張德成，蒲勇，沈航，等.公路隧道火災時安全疏散通道研究[J].價值工程, 2014, (13)：89-92.

[16] 劉文勝.上海長江隧道人員疏散模擬分析及安全性評價[J].地下工程與隧道, 2011, (2):6-9,17.