探明火災(zāi)工況下隧道內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律對(duì)于保障隧道內(nèi)人員安全疏散意義重大。依托三車(chē)道秦嶺天臺(tái)山公路隧道，考慮不同自然風(fēng)風(fēng)速等影響因素，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算對(duì)煙氣蔓延規(guī)律及可用疏散時(shí)間進(jìn)行了研究，取得如下成果：隨著自然風(fēng)風(fēng)速增加，縱向各測(cè)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，橫截面各測(cè)點(diǎn)隨自然風(fēng)風(fēng)速的增加各測(cè)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。自然風(fēng)風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)，隧道可用安全時(shí)間大大減少僅為430 s，人員逃生安全性顯著降低。研究成果可為依托工程防災(zāi)救援提供技術(shù)支撐，也可為類(lèi)似公路隧道火災(zāi)工況下人員疏散提供借鑒。

公路隧道； 火災(zāi)工況； 自然風(fēng)風(fēng)速； 可用疏散時(shí)間

U456.3+3A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2024-01-24

［基金項(xiàng)目］四川交投設(shè)計(jì)咨詢(xún)?cè)鹤粤⒖萍柬?xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KYL2022010056）；云南省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：云交科教便（2019）6號(hào)）；陜西省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2015-11K）；江蘇百盛安全科技有限公司委托項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：R110122H01055）

［作者簡(jiǎn)介］王維嘉（1985—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事高速公路設(shè)計(jì)、咨詢(xún)和研究工作。

0" 引言

隨著西部交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展以及地區(qū)間經(jīng)濟(jì)交流的不斷增強(qiáng)，對(duì)于運(yùn)量較高的三車(chē)道公路隧道需求越來(lái)越多，從而建設(shè)了眾多三車(chē)道大交通流公路隧道。伴隨著車(chē)輛交通流的增加，隧道內(nèi)出現(xiàn)危害程度最高的火災(zāi)安全事故概率顯著增加，給洞內(nèi)駕乘人員生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。特別是現(xiàn)有三車(chē)道大交通流隧道又呈現(xiàn)出里程長(zhǎng)以及洞口易受自然風(fēng)影響的特點(diǎn)，諸如剛通車(chē)的秦嶺天臺(tái)山隧道，全長(zhǎng)15.5 km，隧道位于氣象分隔帶處，洞口常見(jiàn)存在自然風(fēng)，給火災(zāi)工況下隧道運(yùn)營(yíng)防災(zāi)救援帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)。對(duì)于火災(zāi)工況隧道煙氣蔓延規(guī)律以及可用安全疏散時(shí)間，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Delichatsios M A［1］通過(guò)模型試驗(yàn)探究了火災(zāi)工況下煙霧擴(kuò)散規(guī)律，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了煙氣溫度縱橫向分布的計(jì)算表達(dá)式。W.K. Chow等［2］運(yùn)用模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的手段，考慮了坡度等影響因素，給出了煙霧的溫度及擴(kuò)散速度的計(jì)算公式。胡隆華［3］通過(guò)足尺模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，給出了火災(zāi)煙氣溫度衰減模型。王明年等［4］運(yùn)用數(shù)值計(jì)算手段探究了城市公路隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，橫通道兩側(cè)全開(kāi)和只開(kāi)一側(cè)橫通道時(shí)溫度分布規(guī)律，給出了火災(zāi)工況下的橫通道土建合理建議值。嚴(yán)濤等［5， 6］考慮了巴朗山隧道的低交通流現(xiàn)狀，展開(kāi)了火災(zāi)燃燒以及人員疏散數(shù)值計(jì)算，給出了人員疏散可用時(shí)間以及必需時(shí)間，給出了火災(zāi)工況下橫通道間距及大小的土建參數(shù)建議值。王明年等［7-10］以秦嶺終南山特長(zhǎng)公路隧道為依托工程，建立了大型的模型試驗(yàn)場(chǎng)地，該場(chǎng)地能夠模擬橫通道和斜豎井聯(lián)合作用下的各種復(fù)雜火災(zāi)工況，同時(shí)也能很好的重現(xiàn)各種組合方式下的通風(fēng)工況，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、風(fēng)速等各類(lèi)參數(shù)的實(shí)時(shí)自動(dòng)化采集，為我國(guó)公路隧道防災(zāi)救援技術(shù)做出來(lái)巨大貢獻(xiàn)。建立了秦嶺超長(zhǎng)公路隧道火災(zāi)模式下的相似比例模型，運(yùn)用該模型對(duì)不同火災(zāi)規(guī)模、不同隧道縱坡以及不同通風(fēng)風(fēng)速下的煙霧擴(kuò)散特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究成果有力的支撐了18.04 km的秦嶺公路隧道建設(shè)。上述研究主要集中在兩車(chē)道隧道考慮坡度、曲線(xiàn)半徑等方面，考慮自然風(fēng)對(duì)火災(zāi)擴(kuò)散規(guī)律的影響研究較少?；诖?，依托長(zhǎng)度為15.5 km的陜西秦嶺天臺(tái)山隧道，研究自然風(fēng)風(fēng)速對(duì)三車(chē)道隧道內(nèi)煙霧擴(kuò)散的影響規(guī)律。

1" 三車(chē)道公路隧道火災(zāi)三維模型建立

1.1" 三車(chē)道公路隧道火災(zāi)計(jì)算模型

根據(jù)JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》［11］本次計(jì)算選取自然風(fēng)影響下的洞口段計(jì)算長(zhǎng)度為1 100 m，隧道縱坡按天臺(tái)山隧道實(shí)際縱坡取值為1.7%。

隧道火災(zāi)發(fā)生具有隨機(jī)性，洞口段由于明暗適應(yīng)的影響也易發(fā)生火災(zāi)，同時(shí)洞口受外界自然風(fēng)影響，煙霧會(huì)產(chǎn)生回灌現(xiàn)象，考慮自然風(fēng)吹向洞內(nèi)為最不利工況，如圖1所示。

火災(zāi)發(fā)生在隧道洞口段時(shí)，由于要考慮自然風(fēng)，需建立隧道洞外大氣域。建立行車(chē)方向縱向X方向總長(zhǎng)1 050 m的隧道模型，火源位于X方向0 m處，火源離隧道出口位置長(zhǎng)度為50 m，Y及Z方向同隧道中間段設(shè)置。大氣域XYZ三個(gè)方向分別為50 m×50 m×50 m，洞口段三個(gè)方向邊界值如表1所示。天臺(tái)山隧道三維計(jì)算模型見(jiàn)圖2。隧道壁面材料及大氣環(huán)境數(shù)值計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

1.2" 測(cè)點(diǎn)布置

為了分析火災(zāi)時(shí)煙氣蔓延以及溫度的縱橫向分布規(guī)律，距離火源點(diǎn)較近處200 m范圍內(nèi)按照20 m一處布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高度為人眼特征高度處2 m位置，離火源點(diǎn)200 m以外按照50 m一處布置測(cè)點(diǎn)。如圖3所示。

1.3" 計(jì)算工況

本文的計(jì)算為洞口段考慮自然風(fēng)風(fēng)速對(duì)火災(zāi)蔓延規(guī)律的影響，通過(guò)在隧道洞口建立氣象站進(jìn)行為期一年的自動(dòng)氣象觀測(cè)，如圖4所示。

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別得到隧道進(jìn)口寶雞端以及出口坪坎端自然風(fēng)風(fēng)速如圖5所示。

從圖5可知，隧道進(jìn)口端自然風(fēng)風(fēng)速為0～7 m/s，出口端自然風(fēng)風(fēng)速為0～5.5 m/s，其中0～2.5 m/s出現(xiàn)的頻率最高，偶爾短時(shí)期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)超過(guò)6 m/s的風(fēng)速。根據(jù)監(jiān)測(cè)可知隧道進(jìn)口端自然風(fēng)風(fēng)向以東南向?yàn)橹鳎_(dá)到20.01%，隧道出口端自然風(fēng)風(fēng)向以東南偏南為主，達(dá)到18.04%。

自然風(fēng)并不是全部平行吹入洞內(nèi)，一般是與隧道軸線(xiàn)呈現(xiàn)一定的夾角，本文計(jì)算過(guò)程按照最不利考慮即自然風(fēng)風(fēng)向與隧道軸線(xiàn)夾角為0平行吹入隧道，計(jì)算自然風(fēng)風(fēng)速設(shè)置情況如表3所示。

鐵路與公路王維嘉： 三車(chē)道公路隧道火災(zāi)工況煙氣蔓延規(guī)律及可用疏散時(shí)間研究

2" 火災(zāi)煙霧擴(kuò)散規(guī)律及溫度分布規(guī)律

2.1" 不同自然風(fēng)風(fēng)速條件煙氣蔓延規(guī)律

0～7 m/s自然風(fēng)風(fēng)速條件下煙氣蔓延到1 000 m處的時(shí)間如圖6所示。平均蔓延速度如圖7所示。

由圖6可知，火災(zāi)煙氣蔓延的前200 m，不同自然風(fēng)風(fēng)速條件下對(duì)煙氣蔓延影響不大，超過(guò)200 m后，呈現(xiàn)顯著的不同，隨著自然風(fēng)風(fēng)速的增大，蔓延至1 000 m的時(shí)間大大降低，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速達(dá)到7 m/s時(shí)，蔓延至1 000 m的時(shí)間僅為245 s。由圖7可知自然風(fēng)風(fēng)速對(duì)煙氣蔓延速度影響較大，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s時(shí)，由于自然風(fēng)的存在，與大氣阻力以及隧道壁面摩擦阻力平衡，蔓延速度呈現(xiàn)等速的趨勢(shì)，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速小于4 m/s時(shí)，蔓延速度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速大于4 m/s時(shí)，蔓延速度呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最大可達(dá)到5.2 m/s。

2.2" 不同自然風(fēng)風(fēng)速條件溫度縱橫向分布規(guī)律

2.2.1" 縱向溫度

不同自然風(fēng)風(fēng)速條件下隧道拱頂處溫度分布規(guī)律如圖8所示。

自然風(fēng)的存在加速了高溫氣體的流動(dòng)同時(shí)會(huì)帶走部分火源點(diǎn)的高溫?zé)崃?，特別是在距離火源點(diǎn)400 m的范圍內(nèi)，煙氣呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)，隨著自然風(fēng)風(fēng)速增加，溫度呈現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，而400 m以后由于自然風(fēng)風(fēng)速帶走的熱量有所不同，隨著自然風(fēng)風(fēng)速的增加，溫度逐漸上升。

2.2.2" 橫向溫度

不同自然風(fēng)風(fēng)速條件橫截面最高溫度分布如圖9所示。

不同自然風(fēng)風(fēng)速條件下各測(cè)點(diǎn)橫截面溫度下降趨勢(shì)基本一致，距火源20 m的范圍內(nèi)，各風(fēng)速下的橫截面最高溫度下降趨勢(shì)較陡，表明該區(qū)域溫度受自然風(fēng)影響較大，隨著距離的增加，溫度下降趨勢(shì)放緩，自然風(fēng)越大，溫度下降越多，以自然風(fēng)風(fēng)速6 m/s為例，從火源至距離火源600 m處溫度由270 ℃下降到155 ℃。

3" 三車(chē)道公路隧道人員安全疏散可用時(shí)間

3.1" 判定基準(zhǔn)

隧道人員安全疏散判定標(biāo)準(zhǔn)：①特征高度2.0 m處，環(huán)境溫度不超過(guò)60 ℃；②特征高度2.0 m處，可見(jiàn)度超過(guò)10 m。人員安全疏散需同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2" 考慮自然風(fēng)風(fēng)速條件可用安全疏散時(shí)間

根據(jù)前文實(shí)測(cè)并處理數(shù)據(jù)后分析的自然風(fēng)風(fēng)速分布規(guī)律，計(jì)算選取頻率出現(xiàn)最高的3.5 m/s自然風(fēng)風(fēng)速值；實(shí)測(cè)中出現(xiàn)的較大自然風(fēng)風(fēng)速值6.5 m/s作為較不利的自然風(fēng)速值進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算工況如表4所示。

3.2.1" 自然風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s可用疏散時(shí)間

自然風(fēng)風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)各工況下人員安全疏散可用時(shí)間如圖10所示。

30MW火災(zāi)且不縱向機(jī)械通風(fēng)條件下，1 000 m處隧道人員安全疏散可用時(shí)間為430 s，隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速由1 m/s增加到3 m/s，各測(cè)點(diǎn)下可用安全時(shí)間相較未通風(fēng)時(shí)，顯著增加，人員逃生安全性也增加，機(jī)械縱向通風(fēng)的存在抵消了自然風(fēng)對(duì)煙霧擴(kuò)散的不利影響。

3.2.2" 自然風(fēng)風(fēng)速6.5 m/s可用疏散時(shí)間

自然風(fēng)風(fēng)速為6.5 m/s時(shí)各工況下人員安全疏散可用時(shí)間如圖11所示。

30MW火災(zāi)且不縱向機(jī)械通風(fēng)條件下，1 000 m處隧道人員安全疏散可用時(shí)間為220 s，對(duì)比3.5 m/s自然風(fēng)風(fēng)速下的可用安全疏散時(shí)間，其值是大大降低，證明自然風(fēng)風(fēng)速的增加將加速火災(zāi)煙氣的流動(dòng)，不利于人員安全逃生。隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速由1 m/s增加到4 m/s，各測(cè)點(diǎn)下可用安全時(shí)間相較未通風(fēng)時(shí)，顯著增加，人員逃生安全性也增加，機(jī)械縱向通風(fēng)的存在抵消了自然風(fēng)對(duì)煙霧擴(kuò)散的不利影響。綜上，在有自然風(fēng)存在的洞口需考慮其對(duì)火災(zāi)工況下煙氣流動(dòng)的影響。

4" 結(jié)論及建議

依托秦嶺天臺(tái)山三車(chē)道公路隧道，對(duì)其火災(zāi)工況下煙氣擴(kuò)散規(guī)律以及人員疏散可用安全時(shí)間進(jìn)行了研究，得到結(jié)論：

（1）不同自然風(fēng)風(fēng)速條件下隨著自然風(fēng)風(fēng)速增加，縱向各測(cè)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)了減小的趨勢(shì)，橫截面各測(cè)點(diǎn)隨自然風(fēng)風(fēng)速的增加各測(cè)點(diǎn)溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

（2）自然風(fēng)風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)，隧道可用安全時(shí)間大大減少僅為430 s，人員逃生安全性顯著降低。

（3）自然風(fēng)存在的洞口，建議考慮其對(duì)火災(zāi)工況下煙流蔓延的影響。

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