基于Pyrosim和Pathfinder的高速公路隧道 火災(zāi)人員疏散研究

余政濤，魏珊珊，龔波，石天聰，劉雪

（1.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.武警四川省總隊機動第二支隊，四川 康定 626000）

引言

隧道是山嶺區(qū)公路的重要構(gòu)造物之一。截至2019年底，我國公路隧道數(shù)量達19067處，里程達1896.66萬米，其中特長隧道1175處、521.75萬米，長隧道4784處、826.31萬米，成為世界上公路隧道數(shù)量最多、里程最長的國家。由于隧道空間封閉、縱向狹長、逃生通道有限、排煙較困難等原因，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易引起嚴重的人員傷亡，因此，開展高速公路隧道火災(zāi)人員疏散特性研究對改進人員救援方案，提高人員生存率具有重要意義。

針對隧道火災(zāi)人員逃生問題國內(nèi)外學(xué)者做出了大量探索和研究，JUSEOG K等對不同特征的隧道火災(zāi)發(fā)展情況進行了模擬實驗，探究了不同隧道在火災(zāi)發(fā)生時最適用的通風(fēng)速度[1]；劉斌等人對某長大公路隧道建立模型，探究大曲率、變坡度復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道火災(zāi)的煙氣逆流和溫度分布情況[2]；Ciro Caliendo等對不同類型的車輛在雙向公路內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時的狀況進行了CFD模擬，著重探究了火災(zāi)對隧道結(jié)構(gòu)以及駕乘人員疏散路徑周圍環(huán)境的影響[3]；張洪杰等人通過理論分析與數(shù)值模擬結(jié)合的方式研究了不同火源功率下隧道坡度對射流風(fēng)機臨界風(fēng)速的影響[4]。

雖然國內(nèi)外研究者針對隧道火災(zāi)的研究做出了大量努力，但是對火災(zāi)發(fā)生時確定人員安全疏散時間以及判斷人員安全狀況方面依然不足，本文將根據(jù)前期對相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)利用Pyrosim建立隧道火災(zāi)模型，得到不同通風(fēng)速度下隧道各環(huán)境參數(shù)的變化規(guī)律，即通風(fēng)速度為0m/s時，在距火源20米處，231s后能見度不足10m，650s后CO濃度超過200 ppm，在距火源300m的人行橫道處，504后能見度小于10m，850s后CO濃度高于200ppm，隧道內(nèi)各處環(huán)境溫度在仿真時間內(nèi)最高達116℃。隨著通風(fēng)速度的增加，能見度、溫度、CO濃度均得到改善，當(dāng)通風(fēng)速度達2.5m/s時，煙氣逆流得到控制，隧道內(nèi)能見度可達到30m，溫度控制在20℃左右，CO濃度保持在安全范圍內(nèi)。利用Pathfinder觀察人員的逃生路徑和時間，為改進人員疏散方案提供一定依據(jù)，盡可能保證人員能夠在安全疏散時間內(nèi)轉(zhuǎn)移至安全地區(qū)。

1 逃生模型設(shè)定

隧道發(fā)生火災(zāi)時，根據(jù)各位置處在可用安全疏散時間ASET（Available Safety Egress Time）末端時的人員滯留情況，來判斷人員能否安全疏散，由于ASET（x）主要取決于火災(zāi)規(guī)模和煙氣擴散速度，并受能見度、環(huán)境溫度和CO濃度等因素的影響，因此，本文利用前期在Pyrosim軟件建立隧道火災(zāi)場景，得到的不同通風(fēng)速度下隧道內(nèi)能見度、溫度、CO濃度的變化情況，結(jié)合Pathfinder 軟件進行人員疏散情況的仿真，確定隧道人員在ASET（x）末端的滯留情況。

仿真隧道為雙洞雙向隧道，全長4073m，采用全射流縱向通風(fēng)方式，隧道內(nèi)設(shè)計車速為60km/h，車行道寬度為7.25m，檢修道左側(cè)寬度1.0m，右側(cè)寬度0.75m，路緣帶寬度0.5m，側(cè)壁厚0.4m，地面厚0.4m，不考慮隧道坡度的影響。熱傳導(dǎo)率設(shè)為1.8M/W，初始空氣溫度為20℃，環(huán)境壓強為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境中氧含量為23%，空氣的定壓比熱容為1.005kJ/（kg.K）。鑒于隧道長度超過一定值時，會每隔一段距離設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道和通風(fēng)設(shè)備，因此，本文取某一車行橫道至隧道出口700m進行研究，通風(fēng)速度分別取0m/s、1m/s、2.5m/s進行模擬，按照最不利逃生因素，設(shè)左側(cè)隧道某車行橫洞口的道路中央為起火源，此時該橫洞不能疏散車輛，隨著車輛涌入造成堵塞，右側(cè)隧道采取交通管制確保人員疏散。選取某外形尺寸為12000×2550×3600（mm）的45座客車作為火源，火災(zāi)熱釋放量設(shè)為20MW。

根據(jù)文獻[5]和隧道內(nèi)的實際交通流量統(tǒng)計結(jié)果，得到隧道內(nèi)車流量、車型和駕乘人員的參數(shù)值，如表1所示。

表1 參數(shù)值

設(shè)該隧道內(nèi)存在500m的擁堵路段，前后車輛間距1.5m，隧道上游兩車道內(nèi)車輛呈均勻分布，根據(jù)表1中個參數(shù)值可計算的隧道擁堵段內(nèi)車輛數(shù)和滯留駕乘人員，如表2所示。在此基礎(chǔ)上，綜合考慮全國人口普查情況和上下班高峰期人員分布等數(shù)據(jù)，假定滯留人員中77%為中年人，15%為老年人，8%為少年。

表2 受困車輛與駕乘人員

Pyrosim中默認逃生速度為0.95～1.55 m/s，Pathfinder默認逃生速度為1.19 m/s。

2 人員疏散情況分析

根據(jù)如圖1所示的隧道結(jié)構(gòu)和火源位置可知在火災(zāi)發(fā)生后，火源點至隧道出口車輛受火災(zāi)影響較小駕乘人員可安全駛離隧道，但在隧道入口至火源點范圍內(nèi)因交通擁堵，駕乘人員只能選擇棄車，步行通過距離上游起火點300m的人行橫洞或者500m處的車行橫向通道進入右側(cè)隧道進行逃生。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)和火源位置示意圖

由前期Pyrosim的仿真結(jié)果可知，當(dāng)隧道內(nèi)通風(fēng)速度達到2.5m/s時，隧道內(nèi)逃生環(huán)境良好，能見度、溫度和CO濃度均符合人員疏散基本要求，人員有充足時間逃生。

所以，本文重點對通風(fēng)速度為0m/s和1m/s時隧道內(nèi)人員疏散的情況進行分析。

2.1 通風(fēng)速度為0m/s時人員疏散情況

將Pyrosim能見度變化仿真結(jié)果導(dǎo)入Pathfinder，并設(shè)定受困車輛與人員、逃生速度等參數(shù)。以能見度=10m作為可以安全疏散的臨界條件，進而仿真分析在隧道上游距離火源中心不同位置處，在無機械通風(fēng)的情況下，不能滿足安全疏散條件的時刻如表3所示，人員疏散情況，如圖2所示，由此可知，504s時，仍有16人在火源中心位置和人行橫道之間，這表明在隧道發(fā)生火災(zāi)后，若不進行機械通風(fēng)，滯留人員會因逃生環(huán)境惡劣而不能全部安全逃生。

圖2 通風(fēng)速度0m/s時，不同時刻人員疏散狀況

表3 通風(fēng)速度0m/s時不同位置能見度不滿足疏散的時刻(s)

2.2 通風(fēng)速度為1m/s時人員疏散情況

在仿真分析過程中，隧道上游距離火源中心不同位置處，在機械通風(fēng)速度為1m/s時，不能滿足疏散條件的時刻如表4所示。其中，634s時的人員疏散狀態(tài)如圖3所示，由此可知，在634s時，隧道內(nèi)還有4人未能安全逃生。由此前Pyrosim的仿真結(jié)果可知，在距離火源中心120m處，煙氣蔓延就得到了抑制，各指標(biāo)均符合安全逃生的條件，在這種場景下駕乘人員應(yīng)該可以安全逃生，但在實際疏散過程中，因多種因素影響，比如人員心理狀態(tài)、周邊人員影響等，也會導(dǎo)致部分人員未能安全逃生。

圖3 通風(fēng)速度1m/s時，634s人員疏散狀態(tài)圖

表4 通風(fēng)速度1m/s時不同位置能見度不滿足疏散的時刻(s)

3 結(jié)論

1）隧道火災(zāi)中煙氣導(dǎo)致的能見度下降是影響人員疏散的主要原因，溫度和CO濃度的影響相對較小，在較短時間內(nèi)不會對駕乘人員造成嚴重傷害。

2）人員疏散過程中，在通風(fēng)速度為0m/s時，人行橫通道處在504s時能見度不能滿足人員疏散條件，此時隧道內(nèi)有16-35人未能安全疏散；當(dāng)通風(fēng)速度為1m/s時，634s時隧道內(nèi)仍有4人未能安全逃生；當(dāng)達到臨界通風(fēng)速度2.5m/s時，人員均可安全逃生。