焦衛(wèi)寧，王雪霽，楊 帥，楊瑞鵬

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075； 3.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

隨著西部大開發(fā)建設的持續(xù)推進，在3 500～5 500 m超高海拔地區(qū)的單洞雙向交通公路隧道逐漸增多，如G318高爾寺隧道、G317斜拉山隧道、珠角拉山隧道和S303巴朗山隧道等。隧道是相對封閉的構造物，洞內(nèi)一旦發(fā)生火災，人員逃生和救援均較困難，因此隧道火災造成的后果極為嚴重。其中最著名的勃朗峰隧道火災，由于未設疏散通道和通風井，41人在火災中喪生；奧地利山地列車隧道火災，列車僅進入隧道600 m，旅客中僅9人安全逃生， 155人喪生，18人受傷；山西晉濟高速巖后隧道(長約786 m)火災造成40人死亡；威海陶家夼隧道內(nèi)交通事故車輛起火，車內(nèi)13人，12人死亡，1人重傷。

發(fā)生火災時，最有效的逃生方法是盡快遠離火災點，進入安全區(qū)域。在超高海拔使人體機能下降和隧道長度較長的情況下，若火災煙霧和熱量擴散蔓延至正在疏散的人群，則易發(fā)生危險，此時隧道須設置平行導洞(簡稱平導)等人員逃生通道。因此，超高海拔地區(qū)的單洞雙向交通隧道須設置多長的避災疏散平行導洞，應當引起關注。

目前陳漢波[1]針對設置平導的巴朗山公路隧道火災工況進行了模擬，給出了模擬場景下的通風控制方案及相關建議；嚴濤等[2]研究了在高海拔地區(qū)隧道內(nèi)列車發(fā)生火災時保證人員疏散安全的鐵路隧道橫通道間距；屈建榮[3]引入長大單洞雙向交通隧道通風和逃生平導的模型，提出人員疏散時主隧道的控制風速及平導的控制風速，確定了單洞雙向交通公路隧道的合理橫通道間距。

上述研究著重分析了設置平導的公路、鐵路隧道防災救援及橫通道間距，本文在此基礎上，結合工程實際應用中的問題，通過數(shù)值模擬給出了超高海拔單洞雙向交通隧道須設置避災疏散平行導洞時隧道的臨界長度，以期為類似工程提供參考。

1 超高海拔隧道的平導設置情況及其隱患

在現(xiàn)行公路、鐵路隧道設計規(guī)范中，涉及平導的相關規(guī)定多是為輔助施工考慮的，如“長度在3 000 m以上或確有特殊需要的隧道，可采用平行導坑”，“長度在3 000 m以上或確有特殊需要的隧道，當不宜采用其他類型輔助通道時，可采用平行導坑”，“長度在4 000 m以上的長隧道，當不宜采用橫洞時，應優(yōu)先采用平行導坑。瓦斯隧道和特長隧道應優(yōu)先采用平行導坑”等。

在公路隧道的實際應用中，平導的設置多結合隧道長度和通風規(guī)模，以隧道長度3 000 m為界進行考慮。

超高海拔地區(qū)車輛發(fā)動機燃燒不充分，尾氣污染物排放量增加?！豆匪淼劳L設計細則》(JTG/T D7012-01—2014)規(guī)定，海拔越高，隧道計算需風量越高。例如海拔4 000 m的隧道計算需風量是海拔2 000 m同樣規(guī)模隧道需風量的1.59倍。故超高海拔地區(qū)隧道常需要布置平導，用于主隧道通風，兼作避災疏散通道。

表1為國內(nèi)部分超高海拔單洞雙向交通公路隧道的平導設置情況和運營通風方案。

表1 超高海拔單洞雙向交通隧道的平導設置

目前已建的大部分短于3 000 m的超高海拔地區(qū)隧道均沒有設平導，如長拉山隧道(長2 400 m，海拔約4 500 m)等。若隧道內(nèi)發(fā)生火災，人員只能從隧道兩端洞口逃生，加之高原上人體運動能力和器官機能下降,逃生能力會隨之下降，若不能及時離開火災點，人員面臨的風險將急劇增加。

如山西巖后隧道，雖然隧道只有786 m長，但是發(fā)生火災后，由于人員沒能及時逃離火災現(xiàn)場，導致傷亡慘重。同樣，奧地利山地列車隧道雖然布置了逃生疏散通道，但是由于缺乏指示標識，乘客無人從橫通道逃生，最終導致慘痛的后果。2017年5月28日發(fā)生的山西天河山特長隧道(長約8 500 m)火災中，司乘人員及時離開了火災點，避免了人員傷亡。

2 超高海拔隧道火災發(fā)展模擬

采用FDS軟件進行數(shù)值模擬，重點計算火災中的煙氣和熱傳遞過程，研究熱煙氣層的高度、溫度、濃度等狀態(tài)參數(shù)隨時間的變化。

FDS假定為：低速流動，馬赫數(shù)小于0.3；矩形網(wǎng)格；指定熱釋放速率，精度80%～90%；燃燒模型為混合分數(shù)模型，適用燃料控制型火災；輻射模型為采用有限容積法求解輻射方程RTE；連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

組分方程

(3)

能量方程

(4)

模型假定單個火源，即火災未發(fā)生蔓延，人群逃生取平均疏散速度，即速度不發(fā)生變化；洞內(nèi)風速為火災工況的控制風速2.5 m·s-1。

2.1 超高海拔隧道火災計算模型

以某長度為3.6 km的單洞雙向交通隧道為背景建立數(shù)值計算模型。如圖1所示，計算模型長150 m，火源點位于隧道中部。

隧道兩端為開放邊界條件，壓力設為一個標準大氣壓101 325 Pa，隧道內(nèi)與外界初始環(huán)境溫度為20 ℃。

隧道襯砌為混凝土材料，厚0.4 m，比熱為880 kJ·kg-1·K-1，熱導率為1.8 W·m-1·K-1，密度為2 300 kg·m-3，熱膨脹系數(shù)為0.1 K-1。

圖1 FDS隧道模型

依據(jù)公路隧道通風規(guī)范,火災熱釋放率取30 MW；火災模型考慮高原火災發(fā)展的實際規(guī)律,采用快速火模式，α=0.187 6，火災熱釋放率按Q=αt2變化，其中Q為火災熱釋放率(kW)，α為系數(shù)，t為火災發(fā)生的時間(s)。

洞內(nèi)風速為火災工況的控制風速2.5 m·s-1。

模擬火災時,在隧道全長布置斷面監(jiān)測點，監(jiān)測隧道內(nèi)的溫度和能見度等參數(shù)，從而分析火災發(fā)展過程以及熱量和煙霧在隧道內(nèi)擴散的情況。

2.2 超高海拔隧道火災煙霧擴散規(guī)律

通過FDS模擬得到各個時間段火災發(fā)展的煙霧擴散情況，如圖2所示。

圖2 火災后煙霧擴散分布

煙霧圖形灰度代表煙霧濃度，分析煙霧分布數(shù)據(jù)可知，煙霧擴散先慢后快[4]。前240 s煙霧較為稀薄，影響范圍較?。?40～360 s后濃煙開始蔓延；煙霧受洞內(nèi)火災風速影響，向火災點風向下游擴散，火災發(fā)生后600 s，煙霧已蔓延到距離起火點1.7 km處。

2.3 超高海拔隧道火災高溫擴散規(guī)律

隧道洞內(nèi)溫度縱向分布云圖如圖3所示。

圖3 火災后溫度縱向分布云圖

結合火災溫度分布數(shù)據(jù)分析：火源點剛燃燒時，溫度主要積聚在火源點附近；約120 s后火源點完全燃燒，火源點溫度最高達220 ℃以上；受隧道內(nèi)火災風速影響，火源點下游200～300 m區(qū)段內(nèi)溫度快速升高，火災發(fā)生600 s后，火災點下游400 m內(nèi)的溫度已高于60 ℃。

3 超高海拔隧道火災人員逃生安全距離

在4 000 m海拔地區(qū)調(diào)研多組人群(約500人)，主要為剛到高原的施工人員及部分常住居民，包括各年齡段的男性和女性，測試者無負重。基于測試和相關研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到不同年齡段男性和女性在海拔4 000 m的地區(qū)跑步的平均速度如圖4、5所示。

圖4 海拔4 000 m不同年齡段女性的跑步速度

圖5 海拔4 000 m不同年齡段男性的跑步速度

考慮到隧道發(fā)生火災事故時人員的緊張和慌亂情緒，綜合性別和年齡差異，取平均速度2.1 m·s-1進行分析。

以安全疏散耗時最長的大客車為例，人員對火災反應時間120 s和從大客車下車時間80 s，總計取200 s，即人員在火災發(fā)生后200 s開始逃生。

按照高原火災人員發(fā)生危險的條件為“公路隧道內(nèi)1.7 m高處，若滿足能見度低于10 m、溫度髙于60 ℃任一條件時，即可認為達到危險狀態(tài)”的要求，將FDS模擬的能見度和溫度分布分別與人員逃生速度進行比較，如圖6、7所示。

圖6 人員逃生距離和可見度低范圍隨時間變化

圖7 人員逃生和火災高溫隨時間變化

從曲線可以得出，超高海拔條件下大部分人員逃生距離大于600 m時，可能會發(fā)生危險(能見度降低、煙霧窒息)，即當隧道長度大于1 200 m時，宜設置平行導洞等避災通道。

同時可以得出，火災溫度擴散較慢,人員逃生速度大于熱量擴散速度，即單純從火災高溫的角度考慮，大部分人員可以安全逃生。

在應急管理措施到位、洞內(nèi)人員能夠聽從管理引導的情況下，對即將到來的危險的反應時間較短，即當火災發(fā)生便開始逃生，在不考慮人群疏散速度隨體能下降而下降的情況下，大部分人員是能夠安全逃生的[5-10]。

4 結 語

本文采用FDS軟件模擬隧道中部發(fā)生火災的情況，分析火災蔓延、人員逃生距離和時間的關系，結果表明：當逃生距離達到600 m時，大部分人員不能安全逃生；超高海拔單洞雙向交通隧道設置避災疏散用平導時，隧道其長度不宜超過1 200 m，即1 200 m是基于避災疏散要求設置平行導洞時隧道的臨界長度。

超高海拔地區(qū)隧道火災案例和相關試驗研究匱乏，完全推演超高海拔單洞雙向交通隧道火災實際發(fā)展的復雜過程難度較大，因此文中的模擬分析做了一些簡化假定，如單個火源未發(fā)生蔓延，人群逃生速度不發(fā)生變化和洞內(nèi)風速為火災工況的控制風速2.5 m·s-1。

鑒于超高海拔地區(qū)長、特長單洞雙向交通隧道逐漸增多和近年來隧道火災頻發(fā)的實際情況，基于避災疏散設置平行導洞時隧道的臨界長度問題值得關注。這需要長時間地積累大量數(shù)據(jù)和進行試驗研究，最終推動超高海拔隧道建設技術進步和規(guī)范的完善。