李建軍，姜 俊，李彩霞，金詩奇

（1.杭州市錢塘區(qū)交通運(yùn)輸發(fā)展中心，杭州 310000；2.杭州城投資產(chǎn)管理集團(tuán)有限公司，杭州 310000；3.浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，杭州 310000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，公路交通行業(yè)也在蓬勃發(fā)展，公路和城市交通隧道里程數(shù)也隨之快速增加，近年來我國已建成大量的城市公路隧道。根據(jù)隧道相關(guān)設(shè)計規(guī)范，可以將其按長度分為4 類：長度大于3 000 m 為特長隧道，長度大于1 000 m 小于3 000 m 為長隧道，長度大于500 m 小于1 000 m 為中隧道，長度小于500 m 為短隧道。截至2019 年底，我國公路總里程突破500 萬km，公路隧道總里程達(dá)1.89萬km，其中長公路隧道數(shù)量超過4 700 座，總里程達(dá)0.8 萬km，特長公路隧道數(shù)量超過1 100 座，總里程達(dá)0.5 萬km[1]。公路隧道在縮短行車?yán)锍?、提高交通效率、免除落石坍方等危害、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和節(jié)約土地等方面具有重大作用。隧道的建設(shè)為人們交通出行提供了極大的便捷，但是隧道的結(jié)構(gòu)和設(shè)施復(fù)雜、出入口少、疏散路線長、通風(fēng)排煙及照明條件相對較差，導(dǎo)致在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時存在很大的危險性。

1 背景介紹

隧道作為一個較長的封閉空間，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)境密閉，不同隧道的情況千差萬別。大型隧道的地質(zhì)條件一般都比較惡劣，城市地面主干道的交通繁忙，將給隧道帶來非常高的施工風(fēng)險及潛在的運(yùn)營期風(fēng)險。此外，隧道作為交通出行的便捷選擇，高峰時期車輛眾多，人流量極大，一旦發(fā)生火災(zāi)等緊急事故，隧道內(nèi)極易產(chǎn)生大量煙氣并且無法及時有效地排出，煙氣會對隧道內(nèi)人員的安全及心理形成極大威脅，同時對救援人員的進(jìn)入也會產(chǎn)生危害，火災(zāi)事故最終往往都會造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。在國外，隧道的建設(shè)更早，20 世紀(jì)末，瑞士、美國、日本和法國等國家均發(fā)生過嚴(yán)重的隧道火災(zāi)事故，事故造成大量人員傷亡及財產(chǎn)損失[2]，見表1。

表1 國外隧道火災(zāi)案例表

近幾十年來的國內(nèi)外公路隧道火災(zāi)造成的危害引起了各國對隧道消防安全問題的高度重視，并先后組織力量對隧道的火災(zāi)行為及火災(zāi)防護(hù)進(jìn)行了大量研究，取得了一定成果。對于道路隧道，根據(jù)其結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝情況及隧道內(nèi)交通狀況，引發(fā)火災(zāi)的原因一般有以下幾種[3]。

一是在隧道內(nèi)行駛的車輛，由于其本身的故障而引發(fā)火災(zāi)。道路隧道功能是供車輛行車，因此，隧道中的車輛是隧道內(nèi)火災(zāi)最主要的火源，絕大部分隧道火災(zāi)都是由車輛著火引起的。查看近期的機(jī)動車火災(zāi)事故報道，超過一半是車輛自燃引起的。近年來，新能源汽車發(fā)展迅猛，但同時伴生的起火事件也不斷發(fā)生。由于新能源汽車內(nèi)部管線大部分為可燃物并且鋰電池發(fā)生熱失控后會持續(xù)放熱并產(chǎn)生大量含有氫氣、甲烷、乙烷等的可燃混合氣體，起火后滅火難度較大。

二是交通事故引發(fā)火災(zāi)。隧道內(nèi)部分區(qū)域視線不佳，通風(fēng)狀況較差導(dǎo)致地面濕滑等原因，車輛容易發(fā)生交通事故，從而引發(fā)火災(zāi)。

三是易燃易爆等危險品引發(fā)火災(zāi)。運(yùn)輸易燃易爆等化學(xué)危險物品的車輛在隧道內(nèi)行駛時，因化學(xué)品存儲不當(dāng)、交通事故等各種原因引發(fā)火災(zāi)。

四是隧道內(nèi)的設(shè)施、設(shè)備在運(yùn)行過程中發(fā)生火災(zāi)。由于交通指揮、安防監(jiān)控等要求，隧道內(nèi)通常會安裝許多電氣設(shè)備及電線電纜，相關(guān)的設(shè)備及線纜由于短路或者老化等原因會引發(fā)電氣火災(zāi)，進(jìn)而導(dǎo)致隧道火災(zāi)發(fā)生。

五是人為因素引起火災(zāi)。在隧道施工過程或者維護(hù)過程中，由于人員違禁用火或者操作不當(dāng)?shù)纫伎扇嘉?，最終導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。

2 隧道排煙系統(tǒng)分析

隧道排煙系統(tǒng)一般分為自然排煙與機(jī)械排煙2 種最基本的方式。自然排煙是指將隧道頂部的洞口、通風(fēng)口或者隧道兩端的出入口作為自然排煙口，利用熱煙自身的浮力將煙氣排出隧道。自然排煙原理簡單、操作便捷，但其一般僅適用于短隧道。針對于公路長隧道，需要采用機(jī)械排煙。機(jī)械排煙主要分為縱向排煙、橫向排煙及重點(diǎn)排煙3 種方式，需根據(jù)隧道的類別、長度、通行方式和通風(fēng)系統(tǒng)等多方面因素綜合考慮確定具體的排煙方式?？v向排煙是指火災(zāi)時利用隧道風(fēng)機(jī)迫使煙氣沿著隧道方向流動的排煙方式，此時煙氣一般會彌漫在2 個風(fēng)井之間的一段區(qū)間內(nèi)，是適用于單向隧道的一種最常用的排煙方式。臨界風(fēng)速為縱向排煙時防止煙氣回流的最小速度，試驗證明，縱向排煙在大于臨界風(fēng)速的條件下控制煙氣的效果較好。但是，縱向排煙方式不適用于雙向交通的隧道，因為在此情況下采用縱向排煙方式會使火源點(diǎn)下游煙氣區(qū)中不能駛離隧道的車輛處于煙氣中。橫向排煙是指利用隧道中平時通風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行排煙，但其造價較高、運(yùn)營控制復(fù)雜，實際中在發(fā)生火災(zāi)時煙氣控制效果也較差，目前國內(nèi)基本上沒有隧道采用該種通風(fēng)排煙方式。重點(diǎn)排煙是在隧道內(nèi)設(shè)置專用排煙風(fēng)道，可以在火源附近將煙氣快速有效地排出。該排煙方式可用于雙向交通隧道，且適用于隧道內(nèi)車流量較大、隧道較長并且經(jīng)常發(fā)生阻滯的隧道。重點(diǎn)排煙的方式可以將煙氣控制在較小的范圍之內(nèi)，有利于保證隧道內(nèi)人員的安全疏散。

對于3 km 以下隧道多采用縱向排煙方式，3 km以上隧道縱向排煙和重點(diǎn)排煙均有采用。根據(jù)現(xiàn)行GB 50016—2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，長度大于3 000 m的隧道，宜采用分段縱向排煙方式或重點(diǎn)排煙方式。國內(nèi)外學(xué)者對于隧道消防安全問題，特別是隧道火災(zāi)時煙氣運(yùn)動情況及臨界風(fēng)速進(jìn)行了針對性研究，并取得了一定的研究成果，使得隧道安全性得到了較大提升。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的研究方法因其可操作性強(qiáng)、成本低、節(jié)約時間等諸多優(yōu)點(diǎn)被越來越多的學(xué)者所采用。其中，計算流體動力學(xué)（CFD）模擬應(yīng)用范圍最為廣泛。范磊等[4]采用計算流體動力學(xué)有限元軟件針對設(shè)置有排煙道的隧道火災(zāi)時煙氣蔓延情況進(jìn)行了研究，對比分析了瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)模型的不同點(diǎn)，為隧道火災(zāi)煙氣控制提供了理論依據(jù)。張進(jìn)華等[5]利用PHOENICS 軟件分析了隧道火災(zāi)時不同縱向通風(fēng)速度煙氣的運(yùn)動情況及不同區(qū)域的煙氣濃度、溫度分布情況，為控制火災(zāi)提供了參考依據(jù)及為人員安全疏散提出了優(yōu)化措施。王克拾[6]采用FDS軟件針對上海長江隧道發(fā)生汽車火災(zāi)的情形進(jìn)行了研究，獲得了汽車火災(zāi)時隧道內(nèi)水平、縱向溫度場的變化特性，對于人員疏散及通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置提出了優(yōu)化建議。

3 模擬分析

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)圖，利用FDS 建立隧道全尺寸模型，如圖1 所示。FDS 模擬軟件是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）下設(shè)的建筑和火災(zāi)研究實驗室開發(fā)的產(chǎn)品，廣泛運(yùn)用于建筑火災(zāi)煙氣蔓延計算分析，其是一個由計算流體力學(xué)分析程序開發(fā)出來的專門用于火災(zāi)煙氣傳播的場模型，通過對同一網(wǎng)格使用有限體積法來計算熱輻射及流體流動湍流現(xiàn)象，遵循連續(xù)性方程、動量方程及能量方程。FDS 模擬熱驅(qū)動流體流動，包含了燃燒模型、熱解模型、熱輻射模型等多個模型，重點(diǎn)是計算火災(zāi)時的煙氣運(yùn)動與傳熱過程，通過大渦模擬（LES）方法模擬煙氣流場的具體細(xì)節(jié)，具有較高的精度與計算效率，可以預(yù)測模擬三維空間內(nèi)火災(zāi)中溫度場分布、煙氣運(yùn)動情況及CO 等有毒氣體濃度含量變化。

圖1 隧道火災(zāi)位置示意圖

隧道內(nèi)的可燃物主要為通過隧道的客車及中小型貨車，而車輛的火災(zāi)熱釋放速率也是隧道消防安全設(shè)計時的重要參數(shù)。不同車輛的火災(zāi)熱釋放速率不盡相同，國內(nèi)外通過大量全尺寸試驗獲得了不同車輛的火災(zāi)熱釋放速率推薦值，本文模型按最危險等級考慮，設(shè)定火災(zāi)熱釋放速率峰值為30 MW，設(shè)置火源位置為隧道中部?；馂?zāi)場景參數(shù)設(shè)計：隧道火災(zāi)最大熱釋放率為30 MW，火源面積15 m2，火災(zāi)熱釋放率為2 000 kW/m2，火災(zāi)的瞬態(tài)模擬采用t2火來模擬，即火災(zāi)增長系數(shù)為0.047 kW/s2，大約在800 s 后達(dá)到30 MW。隧道內(nèi)排煙風(fēng)機(jī)設(shè)置為速度入口邊界條件，隧道兩端設(shè)置為壓力出口邊界條件。設(shè)置火災(zāi)發(fā)生位置為隧道中部，火災(zāi)發(fā)生時交通封閉，車輛只出不進(jìn)，人員可迎新風(fēng)方向向最近疏散口疏散，采用FDS 模擬軟件對隧道內(nèi)煙氣蔓延情況進(jìn)行了模擬分析。經(jīng)計算入口段縱向排煙時臨界風(fēng)速為3.5 m/s，出口段縱向排煙臨界風(fēng)速為2.8 m/s。提取400、500、1 800 s 不同時間下隧道內(nèi)火災(zāi)蔓延時的能見度分布云圖、煙氣蔓延圖及溫度分布云圖如圖2—4 所示。

圖2 能見度分布云圖

圖3 煙氣蔓延圖

圖4 溫度分布云圖

發(fā)生火災(zāi)后，煙氣到達(dá)隧道頂部后，逐步向隧道上下游蔓延，在機(jī)械排煙系統(tǒng)的作用下，煙氣被控制在局部區(qū)域內(nèi)，其中，沿行車方向，煙氣被控制在距火源780 m 內(nèi)；逆行車方向，煙氣被控制在距火源330 m 內(nèi)。

在模擬時間內(nèi)，除火源附近區(qū)域外，隧道內(nèi)有煙氣存在的區(qū)域清晰高度處的能見度最低為1 m，溫度最高為56 ℃，CO 含量最高為62 ppm，滿足人員安全疏散的要求。

4 結(jié)束語

本文采用FDS 針對公路隧道進(jìn)行了火災(zāi)模擬，分析了火災(zāi)時隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動、溫度、能見度等參數(shù)變化，得到了如下結(jié)論，并提出相關(guān)建議。

1）除火源附近區(qū)域外，隧道內(nèi)有煙氣存在的區(qū)域各項參數(shù)均滿足隧道內(nèi)人員安全疏散的要求。

2）隧道排煙系統(tǒng)可以有效控制火災(zāi)時的煙氣運(yùn)動，應(yīng)定期對于排煙系統(tǒng)等消防設(shè)施設(shè)備進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)。

3）根據(jù)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的位置，火源上游與下游應(yīng)采取不同方向的疏散指示標(biāo)志，同時通過廣播輔助隧道內(nèi)人員進(jìn)行安全疏散。