高海拔特長鐵路隧道定點(diǎn)防災(zāi)救援研究

曹正卯，楊其新，郭 春

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

隨著我國隧道工程建設(shè)的高速發(fā)展，涌現(xiàn)出越來越多的長大隧道，長大隧道投入運(yùn)營的同時，由于隧道工程的特殊性，其防災(zāi)救援研究也越來越受到重視。近年來，對于長大公路隧道、鐵路隧道的防災(zāi)救援研究取得了不少成果。國內(nèi)學(xué)者對長大隧道的防災(zāi)救援進(jìn)行了一系列的研究［1-5］，取得了許多可借鑒的成果，部分學(xué)者對長大隧道防災(zāi)救援的電氣及通信設(shè)備的研究成果，對于救援實(shí)施及工程設(shè)計具有很好的參考和借鑒作用［6－8］。但對于處于高海拔地區(qū)的特長鐵路隧道防災(zāi)救援研究較少，高海拔地區(qū)防災(zāi)救援有兩大特點(diǎn):一方面高海拔地區(qū)空氣密度小、氣壓低、溫度低，火災(zāi)燃燒特性有別于一般隧道;另一方面，由于高海拔地區(qū)含氧量低、空氣稀薄、氣候條件惡劣，在進(jìn)行人員疏散時，人的運(yùn)動能力受到很大限制，救援難度比一般隧道高。針對高海拔特長隧道的特殊性，依托西格二線新關(guān)角隧道對其防災(zāi)救援及人員疏散進(jìn)行研究。

1 工程概況

西格二線新關(guān)角隧道全長32.645 km，位于海拔3 300 m以上的青藏鐵路西寧至格爾木段，穿越青海南山，是目前為止世界上罕見的高海拔特長鐵路隧道。新關(guān)角隧道為兩座平行的單線隧道，主隧道線間距為40 m，隧道進(jìn)口段為上坡，坡度為8‰，在嶺脊以后，以9.5‰的坡度連續(xù)下坡，在隧道中部設(shè)置有緊急救援橫通道，定點(diǎn)救援橫通道中心間距70 m。隧道通過地區(qū)自然環(huán)境條件特殊，屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候區(qū)，存在諸多不同于一般隧道地區(qū)的特點(diǎn)，如高寒、缺氧、人煙稀少、風(fēng)沙大、干旱等。由于處于高原地區(qū)氧氣稀薄，發(fā)生火災(zāi)時，煙氣流動及人員運(yùn)動能力相對于平原地區(qū)有特殊性。

2 防災(zāi)救援設(shè)計基本方法

采用CFD數(shù)值模擬方法對西格二線新關(guān)角隧道進(jìn)行防災(zāi)救援設(shè)計，對隧道內(nèi)較危險的火災(zāi)場景進(jìn)行模擬計算并分析，研究各種計算工況下隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)展過程及煙氣在主隧道及救援橫通道內(nèi)的擴(kuò)散規(guī)律，由此得到火災(zāi)過程中可用安全疏散時間。利用疏散軟件對火災(zāi)期間疏散救援過程進(jìn)行模擬，可得到各火災(zāi)場景下人員疏散至安全區(qū)域所需時間，即必需疏散時間，與可用安全疏散時間進(jìn)行比較，進(jìn)一步判斷在不同火災(zāi)工況下，定點(diǎn)救援橫通道的設(shè)置是否能滿足人員高海拔條件下的疏散要求。

2.1 火災(zāi)發(fā)展特點(diǎn)

火災(zāi)發(fā)展具有其特定規(guī)律，主要表現(xiàn)在火源熱量的釋放，通常用熱釋放速率Q對火災(zāi)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行描述［9］。

式中 Q——熱釋放速率，MW;

α——火災(zāi)發(fā)展速率，MW/s2;

t——火災(zāi)的發(fā)展時間，s;

t0——臨界時間，s。

火災(zāi)發(fā)展速率與多方面因素有關(guān)，一般可將火災(zāi)發(fā)展快慢分為4種類型，對應(yīng)不同的火災(zāi)發(fā)展速率(表1)。

表1 火災(zāi)發(fā)展速率 W/s2

隧道內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率Q隨燃燒車輛的不同有明顯差異，對于高海拔特長隧道內(nèi)列車火災(zāi)，考慮最危險的火災(zāi)情況，將火災(zāi)增長類型設(shè)定為超快速增長型火災(zāi)，即取表1中火災(zāi)發(fā)展速率為0.187 6 kW/s2。

2.2 高海拔地區(qū)火災(zāi)特性

由于高海拔地區(qū)空氣稀薄，其密度比平原地區(qū)低，且含氧量少，火災(zāi)燃燒特性與平原地區(qū)有區(qū)別，相對于平原地區(qū)，高海拔地區(qū)的火災(zāi)燃燒主要有以下特點(diǎn):

(1)火災(zāi)燃燒的熱釋放速率與燃燒物質(zhì)的質(zhì)量無關(guān)，與著火面積成正比;

(2)對于相同尺寸的火源，在高海拔地區(qū)其燃燒的火焰尺寸比平原條件下高;

(3)對于同一燃燒物，不同海拔高度下熱釋放速率有差異，在高海拔條件下的熱釋放速率比在平原地區(qū)燃燒時低;

(4)對于同一燃燒物，處于高海拔地區(qū)條件下著火后的燃燒持續(xù)時間較平原地區(qū)的燃燒時間長［10］。

2.3 隧道內(nèi)火災(zāi)危險狀態(tài)判定標(biāo)準(zhǔn)

火災(zāi)中煙氣的高溫性、煙氣毒性和煙氣遮光性是致人死亡的主要因素。對于火災(zāi)危險狀態(tài)的判定，應(yīng)綜合考慮火災(zāi)過程中煙氣層高度及煙氣層以下空氣中CO濃度、能見度、煙氣輻射量及空氣溫度作為人員安全的判定標(biāo)準(zhǔn)，丁良平在《高速鐵路長大隧道列車火災(zāi)安全疏散研究》中的研究顯示，火災(zāi)中煙氣溫度達(dá)到危險狀態(tài)的時間與人眼高度處煙氣體積濃度達(dá)到危險狀態(tài)的時間基本一致［9］。本文著重對煙氣溫度達(dá)到危險狀態(tài)的時間進(jìn)行探討。

當(dāng)人處于高溫環(huán)境時，極易出現(xiàn)疲勞乏力，很快出現(xiàn)脫水狀況，當(dāng)超過人體所能承受的溫度時就會導(dǎo)致死亡。因此有必要確定火災(zāi)發(fā)展過程中人體能承受的最大溫度，即臨界溫度。

根據(jù)《建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論》，當(dāng)人體所處環(huán)境中空氣溫度超過65℃時，正常人便無法呼吸;當(dāng)空氣溫度達(dá)到100℃時，人體在這種環(huán)境中只能忍受短短幾分鐘;《火災(zāi)風(fēng)險評估方法學(xué)》中對于火災(zāi)臨界溫度值的確定，低于人眼特征高度處的火災(zāi)臨界溫度一般為110～120℃，高于人眼特征高度處的火災(zāi)臨界溫度一般為180℃。由于處于高海拔地區(qū)，人體機(jī)能有較大下降，將火災(zāi)危險臨界溫度設(shè)定為“隧道地面以上1.6 m處人眼特征高度平面的平均溫度超過80℃”。

2.4 疏散救援模式

長大鐵路隧道火災(zāi)過程中救援疏散模式主要有兩種。

(1)停車疏散模式。列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)過程中，由于列車動力系統(tǒng)無法工作或其他突發(fā)因素使得列車必須停止，人員通過隧道內(nèi)防災(zāi)救援設(shè)施以及緊急逃生通道逃生至安全區(qū)域。

(2)繼續(xù)運(yùn)行疏散模式。即列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，并不停止運(yùn)行，而是將列車以一定的速度拉出隧道外，人員在隧道外進(jìn)行逃生。若隧道太長不能及時駛出隧道時，須將列車運(yùn)行至定點(diǎn)救援站進(jìn)行人員疏散。

本文對繼續(xù)運(yùn)行疏散模式情況下，由于隧道太長無法及時將列車駛出隧道，繼續(xù)運(yùn)行至定點(diǎn)救援站進(jìn)行人員疏散。此過程中，火災(zāi)發(fā)展至列車停止期間，人員疏散至相鄰較安全車廂，待列車駛?cè)刖仍局螅藛T從車廂疏散至安全區(qū)域。

3 救援站火災(zāi)數(shù)值計算模型建立

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

通過對設(shè)計圖進(jìn)行簡化，采用直角坐標(biāo)系建立CFD計算模型。計算模型見圖1。

建立救援站模型總長度為700 m，救援橫通道長度為36 m，橫通道橫向間隔為70 m，左線隧道及右線隧道內(nèi)縱向設(shè)置溫度探測器，每個溫度探測器間隔為100 m。在每個救援橫通道中部設(shè)置1個溫度探測器。網(wǎng)格劃分為正六面體網(wǎng)格，縱向網(wǎng)格大小為1 m，橫向網(wǎng)格大小為0.5 m。網(wǎng)格劃分見圖2。溫度探測器分布見圖3。

圖1 計算模型示意

圖2 網(wǎng)格劃分示意

圖3 溫度探測器分布示意

3.2 參數(shù)設(shè)置

由于隧道處于高海拔地區(qū)，大氣壓強(qiáng)、空氣密度等參數(shù)與平原地區(qū)有較大差異，應(yīng)根據(jù)關(guān)角隧道所處地區(qū)實(shí)際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蟊O(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行初始條件設(shè)置，主要計算參數(shù)設(shè)置如下。

(1)壓力:定點(diǎn)救援站所處地區(qū)大氣壓強(qiáng)為61.3 kPa，溫度為6.7℃;

(2)空氣密度:受氣壓和溫度影響，根據(jù)ρ=0.003 84P/T計算得到海拔3 700 m地區(qū)空氣密度為0.785 kg/m3;

(3)隧道內(nèi)壁面平均粗糙度取5 mm;

(4)坡度:右線隧道處于9.5‰的上坡段，列車停車位置在救援站中部，火源處于列車中部車廂。

(5)火災(zāi)規(guī)模:定義火災(zāi)為超快速增長型火災(zāi)，取熱釋放發(fā)展速率α為0.187 6 kW/s2，對四種最大熱釋放速率進(jìn)行計算，即50、40、30、20 MW 4種火災(zāi)規(guī)模，在各種火災(zāi)規(guī)模下考慮救援橫通道數(shù)量分別為9、7、6、5時的火災(zāi)場景。

(6)通風(fēng)排煙風(fēng)速:火災(zāi)期間開啟射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)排煙，隧道內(nèi)斷面平均排煙風(fēng)速為v1=v2=v3=4 m/s，風(fēng)向如圖4所示。

4 火災(zāi)模擬計算及可用安全疏散時間確定

圖4 火災(zāi)期間列車位置及隧道內(nèi)通風(fēng)風(fēng)向示意

在火災(zāi)發(fā)展速率為0.187 6 kW/s2的情況下，分別考慮最大熱釋放速率Q為50、40、30、20 MW 4種火災(zāi)規(guī)模下不同橫通道數(shù)量時進(jìn)行數(shù)值模擬計算，圖5為火災(zāi)發(fā)展期間隧道內(nèi)煙霧分布圖。可以看出，由于機(jī)械通風(fēng)的作用，煙霧主要分布在火災(zāi)下游區(qū)段，其余區(qū)域煙霧濃度較小。

圖6為最大熱釋放速率20 MW時各測點(diǎn)溫度隨時間變化曲線。

通過不同工況下數(shù)值模擬計算，隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)展期間除4號測點(diǎn)和5號測點(diǎn)溫度超過臨界溫度80℃，其余測點(diǎn)均未超過80℃，4號測點(diǎn)距著火點(diǎn)5 m，5號測點(diǎn)距著火點(diǎn)100 m，故只對4號測點(diǎn)和5號測點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)分析。圖7為4號測點(diǎn)在各工況下到達(dá)臨界溫度時間隨熱釋放速率變化曲線。

可以看出，由于4號測點(diǎn)距火源點(diǎn)較近，由于火源的脈沖能量影響，表現(xiàn)出的規(guī)律性不是很強(qiáng)，但總體趨勢為隨著熱釋放速率的增大，測點(diǎn)溫度達(dá)到臨界溫度的時間逐漸縮短，即在進(jìn)行疏散救援時的可用安全時間(ASET)減少，在熱釋放速率為50 MW的情況下，最快達(dá)到臨界溫度的時間僅228 s。

圖5 火災(zāi)期間煙霧分布

圖6 最大熱釋放速率20 MW時各探測點(diǎn)溫度隨時間變化曲線

圖7 不同工況下4號測點(diǎn)溫度到達(dá)臨界溫度時間

圖7顯示測點(diǎn)4為火源點(diǎn)附近的溫度變化，在進(jìn)行可用安全疏散時間確定時，采用距火源點(diǎn)100 m的測點(diǎn)5進(jìn)行判定，各工況下測點(diǎn)5溫度達(dá)到臨界溫度時間見表2。

僅對可用安全時間進(jìn)行研究顯然不能準(zhǔn)確判定各火災(zāi)工況下是否滿足疏散救援要求，還必須對各工況下的必需安全疏散時間(RSET)進(jìn)行研究。

表2 不同工況下可用安全疏散時間 s

5 人員疏散模擬

5.1 必需安全疏散時間(RSET)確定

報警探測時間、人員響應(yīng)時間和人員疏散行程時間三部分構(gòu)成必需的人員安全疏散時間(RSET)，表示自起火時刻起到人員疏散到安全區(qū)域的總時間。其表達(dá)式為

式中 Talarm——報警探測時間，s;

Tresp——人員響應(yīng)時間，s;

Tmove——人員行程時間，s。

5.1.1 火災(zāi)報警探測時間

火災(zāi)報警探測時間(Talarm)為火災(zāi)開始發(fā)展到人員察覺火災(zāi)的這段時間，與火災(zāi)發(fā)展規(guī)模、列車內(nèi)火災(zāi)報警系統(tǒng)以及火源距探測器的距離等多種因素有關(guān)，其表達(dá)式

式中 Tmax——煙氣最高溫度，℃;

RTI——火災(zāi)探測器的特征響應(yīng)時間指數(shù)，m0.5s0.5;

umax——煙氣最大速度，m/s;

T0——所處環(huán)境溫度，℃;

T——探測器的響應(yīng)溫度，℃。

本次模擬列車車廂內(nèi)火災(zāi)計算中，設(shè)定火災(zāi)為超快速增長型火災(zāi)，其發(fā)展迅速，較易被發(fā)現(xiàn)。考慮到火災(zāi)發(fā)展1 min后著火點(diǎn)周圍的溫度和煙氣的濃度已非常高，取火災(zāi)報警探測時間為60 s。

5.1.2 人員響應(yīng)時間

人員響應(yīng)時間(Tresp)與人員年齡、人員的心理行為特征、人員身體狀況、人員對環(huán)境的熟悉程度、人員的集群特征以及人員的靈敏性等多種因素有關(guān)。

在海拔4 000 m左右地區(qū)，由于高海拔缺氧的影響，人體反應(yīng)較一般情況慢，根據(jù)《建筑火災(zāi)安全工程》的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)推薦值，取人員響應(yīng)時間為120 s。

5.1.3 列車運(yùn)行時間

列車?yán)^續(xù)運(yùn)行模式情況下，若列車駛?cè)胨淼谰嚯x較近時發(fā)生火災(zāi)，此時可制動逆行將列車?yán)鏊淼劳膺M(jìn)行人員疏散?？紤]最不利的情況下，即列車駛過隧道洞口與定點(diǎn)救援站中點(diǎn)時，需繼續(xù)運(yùn)行至定點(diǎn)救援站。西格二線新關(guān)角隧道總長32.645 km，定點(diǎn)救援站位于隧道中部，考慮發(fā)生火災(zāi)最不利情況下列車行駛至定點(diǎn)救援站距離為8 km。

新關(guān)角隧道設(shè)計時速為160 km，可得最不利情況下列車運(yùn)行至定點(diǎn)救援站需3 min。期間可完成火災(zāi)探測報警及人員響應(yīng)，人員疏散至相鄰較安全的車廂，等待列車駛?cè)攵c(diǎn)救援站后進(jìn)行下一步的人員疏散。

5.1.4 人員疏散運(yùn)動時間

可由現(xiàn)場實(shí)測或仿真模擬計算得到，國內(nèi)外對于高海拔地區(qū)疏散救援的實(shí)測研究極少，本次采用疏散模擬對人員疏散運(yùn)動時間進(jìn)行確定。在平原地區(qū)的疏散救援與在高海拔地區(qū)的疏散救援有差異，主要體現(xiàn)在高海拔地區(qū)人員運(yùn)動能力降低。尤其當(dāng)人員急進(jìn)高原地區(qū)時，運(yùn)動能力因?yàn)榧毙匀毖醅F(xiàn)象下降更加明顯，人體的運(yùn)動能力在海拔4 000 m左右地區(qū)，下降為平原地區(qū)的 70%［11］。

本次疏散模擬參數(shù)設(shè)置如下。

(1)列車及車廂參數(shù)設(shè)定:每節(jié)車廂長度為26.6 m，總共為20輛編組列車，車輛寬度為3.328 m，車輛高度為4.04 m，列車行駛方向?yàn)楦駹柲局廖鲗幏较?，處于坡度?.5‰的右線隧道上坡段。

(2)人員參數(shù)設(shè)定:列車內(nèi)乘客及列車內(nèi)相關(guān)工作人員共1 680人，其中男性占60%，女性占40%;人員年齡段設(shè)定為:17歲以下年齡段人員占10%，處于17～29歲年齡段占35%，處于30～50歲年齡段占35%，50歲以上年齡段人員占20%。著火點(diǎn)位置處于5號橫通道和6號橫通道之間的列車中部車廂，由火災(zāi)數(shù)值模擬計算可將安全區(qū)域確定為左線隧道處，相關(guān)設(shè)置見圖8。

圖8 人員疏散模擬計算相關(guān)設(shè)置示意

根據(jù)對不同熱釋放速率及不同橫通道數(shù)量情況下的火災(zāi)數(shù)值模擬計算，得到隧道內(nèi)各溫度探測點(diǎn)的溫度隨時間變化規(guī)律，在進(jìn)行人員疏散時，應(yīng)盡可能快地離開發(fā)生火災(zāi)的主隧道，經(jīng)由救援橫通道到達(dá)安全區(qū)域等待下一步的救援。救援橫通道不同時的疏散線路如圖9所示。

圖9 疏散線路示意

表3為利用疏散救援軟件EXODUS模擬火災(zāi)期間人員疏散過程的結(jié)果，設(shè)置5座救援橫通道時疏散救援過程耗時最長為453.2 s，隨著救援橫通道數(shù)量的增加，疏散救援所需時間逐漸減少。由疏散線路可以看出，由于本次模擬20輛編組的列車總長度約為532 m，當(dāng)救援橫通道數(shù)量≥8座時，其疏散線路是一致的。此外，根據(jù)在海拔4 000 m左右地區(qū)，人的平均運(yùn)動能力降低為平原地區(qū)的70%左右，在與可用安全時間對比時，應(yīng)將必須疏散時間按海拔高度進(jìn)行換算。

表3 人員離開火災(zāi)隧道的疏散模擬結(jié)果

5.2 可用安全疏散時間(ASET)與必需安全疏散時間(RSET)比較

從表4計算結(jié)果看出，當(dāng)救援橫通道數(shù)量為5座和6座時，由于各種火災(zāi)規(guī)模下的可用疏散時間小于必需疏散時間，即在隧道內(nèi)溫度達(dá)到臨界溫度時不能將人員全部疏散至安全區(qū)域，橫通道數(shù)量過少，不滿足防災(zāi)救援要求;當(dāng)救援橫通道數(shù)量為7座時，滿足熱釋放速率為20 MW和30 MW條件下的救援要求;當(dāng)橫通道數(shù)量為9座時，若熱釋放速率為50 MW，則不能滿足防災(zāi)救援要求。

表4 不同工況下計算結(jié)果 s

綜合以上計算結(jié)果及分析，高海拔特長隧道在進(jìn)行防災(zāi)救援設(shè)計時，救援橫通道數(shù)量建議設(shè)置為8～9 座［12］。

6 結(jié)論

通過對多種不同火災(zāi)場景下火災(zāi)發(fā)展的數(shù)值模擬計算，得到隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)展與各測點(diǎn)溫度隨時間變化的規(guī)律，由此得到人員疏散的可用安全疏散時間，將其與必需安全疏散時間進(jìn)行比較，可得到如下結(jié)論:

(1)對于火災(zāi)期間進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)排煙的雙洞隧道，發(fā)生火災(zāi)后，無火災(zāi)主隧道是相對安全的;

(2)發(fā)生火災(zāi)時，隨著熱釋放速率的增大，測點(diǎn)溫度達(dá)到臨界溫度的時間逐漸縮短，即在進(jìn)行疏散救援時的可用安全時間(ASET)減少;

(3)對于間距為70 m的定點(diǎn)救援橫通道，在高海拔特條件下，其數(shù)量為5座和6座時，不能滿足防災(zāi)救援要求;

(4)建議進(jìn)行高海拔特長鐵路隧道定點(diǎn)防災(zāi)救援設(shè)計時，緊急救援橫通道數(shù)量設(shè)置為8～9座。

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