三車道公路隧道火災(zāi)工況煙氣蔓延規(guī)律及可用疏散時間研究

探明火災(zāi)工況下隧道內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律對于保障隧道內(nèi)人員安全疏散意義重大。依托三車道秦嶺天臺山公路隧道，考慮不同自然風(fēng)風(fēng)速等影響因素，運用數(shù)值計算對煙氣蔓延規(guī)律及可用疏散時間進(jìn)行了研究，取得如下成果：隨著自然風(fēng)風(fēng)速增加，縱向各測點溫度呈現(xiàn)了減小的趨勢，橫截面各測點隨自然風(fēng)風(fēng)速的增加各測點溫度呈現(xiàn)下降趨勢。自然風(fēng)風(fēng)速為3.5 m/s時，隧道可用安全時間大大減少僅為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； 可用疏散時間

U456.3+3A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2024-01-24

［基金項目］四川交投設(shè)計咨詢院自立科技項目（項目編號：KYL2022010056）；云南省交通運輸廳科技計劃項目（項目編號：云交科教便（2019）6號）；陜西省交通運輸科技項目（項目編號：2015-11K）；江蘇百盛安全科技有限公司委托項目（項目編號：R110122H01055）

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

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)，對于運量較高的三車道公路隧道需求越來越多，從而建設(shè)了眾多三車道大交通流公路隧道。伴隨著車輛交通流的增加，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)駕乘人員生命財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。特別是現(xiàn)有三車道大交通流隧道又呈現(xiàn)出里程長以及洞口易受自然風(fēng)影響的特點，諸如剛通車的秦嶺天臺山隧道，全長15.5 km，隧道位于氣象分隔帶處，洞口常見存在自然風(fēng)，給火災(zāi)工況下隧道運營防災(zāi)救援帶來不小的挑戰(zhàn)。對于火災(zāi)工況隧道煙氣蔓延規(guī)律以及可用安全疏散時間，國內(nèi)外的學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。Delichatsios M A［1］通過模型試驗探究了火災(zāi)工況下煙霧擴(kuò)散規(guī)律，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到了煙氣溫度縱橫向分布的計算表達(dá)式。W.K. Chow等［2］運用模型試驗與數(shù)值計算相結(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)散速度的計算公式。胡隆華［3］通過足尺模型試驗以及現(xiàn)場試驗，給出了火災(zāi)煙氣溫度衰減模型。王明年等［4］運用數(shù)值計算手段探究了城市公路隧道發(fā)生火災(zāi)時，橫通道兩側(cè)全開和只開一側(cè)橫通道時溫度分布規(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，展開了火災(zāi)燃燒以及人員疏散數(shù)值計算，給出了人員疏散可用時間以及必需時間，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］以秦嶺終南山特長公路隧道為依托工程，建立了大型的模型試驗場地，該場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，同時也能很好的重現(xiàn)各種組合方式下的通風(fēng)工況，并實現(xiàn)了對溫度、風(fēng)速等各類參數(shù)的實時自動化采集，為我國公路隧道防災(zāi)救援技術(shù)做出來巨大貢獻(xiàn)。建立了秦嶺超長公路隧道火災(zāi)模式下的相似比例模型，運用該模型對不同火災(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道隧道考慮坡度、曲線半徑等方面，考慮自然風(fēng)對火災(zāi)擴(kuò)散規(guī)律的影響研究較少?；诖?，依托長度為15.5 km的陜西秦嶺天臺山隧道，研究自然風(fēng)風(fēng)速對三車道隧道內(nèi)煙霧擴(kuò)散的影響規(guī)律。

1" 三車道公路隧道火災(zāi)三維模型建立

1.1" 三車道公路隧道火災(zāi)計算模型

根據(jù)JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》［11］本次計算選取自然風(fēng)影響下的洞口段計算長度為1 100 m，隧道縱坡按天臺山隧道實際縱坡取值為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)，同時洞口受外界自然風(fēng)影響，煙霧會產(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，由于要考慮自然風(fēng)，需建立隧道洞外大氣域。建立行車方向縱向X方向總長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度為50 m，Y及Z方向同隧道中間段設(shè)置。大氣域XYZ三個方向分別為50 m×50 m×50 m，洞口段三個方向邊界值如表1所示。天臺山隧道三維計算模型見圖2。隧道壁面材料及大氣環(huán)境數(shù)值計算參數(shù)見表2。

1.2" 測點布置

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

1.3" 計算工況

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

對測試數(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，偶爾短時期內(nèi)會出現(xiàn)超過6 m/s的風(fēng)速。根據(jù)監(jiān)測可知隧道進(jìn)口端自然風(fēng)風(fēng)向以東南向為主，達(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)，一般是與隧道軸線呈現(xiàn)一定的夾角，本文計算過程按照最不利考慮即自然風(fēng)風(fēng)向與隧道軸線夾角為0平行吹入隧道，計算自然風(fēng)風(fēng)速設(shè)置情況如表3所示。

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

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)速條件下對煙氣蔓延影響不大，超過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的時間大大降低，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速達(dá)到7 m/s時，蔓延至1 000 m的時間僅為245 s。由圖7可知自然風(fēng)風(fēng)速對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，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，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速小于4 m/s時，蔓延速度呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)自然風(fēng)風(fēng)速大于4 m/s時，蔓延速度呈現(xiàn)上升的趨勢，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同時會帶走部分火源點的高溫?zé)崃浚貏e是在距離火源點400 m的范圍內(nèi)，煙氣呈現(xiàn)不規(guī)則波動，隨著自然風(fēng)風(fēng)速增加，溫度呈現(xiàn)了減小的趨勢，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)速條件下各測點橫截面溫度下降趨勢基本一致，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" 三車道公路隧道人員安全疏散可用時間

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60 ℃；②特征高度2.0 m處，可見度超過10 m。人員安全疏散需同時滿足這兩個標(biāo)準(zhǔn)。

3.2" 考慮自然風(fēng)風(fēng)速條件可用安全疏散時間

根據(jù)前文實測并處理數(shù)據(jù)后分析的自然風(fēng)風(fēng)速分布規(guī)律，計算選取頻率出現(xiàn)最高的3.5 m/s自然風(fēng)風(fēng)速值；實測中出現(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)行對比分析，計算工況如表4所示。

3.2.1" 自然風(fēng)風(fēng)速3.5 m/s可用疏散時間

自然風(fēng)風(fēng)速為3.5 m/s時各工況下人員安全疏散可用時間如圖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，各測點下可用安全時間相較未通風(fēng)時，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可用疏散時間

自然風(fēng)風(fēng)速為6.5 m/s時各工況下人員安全疏散可用時間如圖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間為220 s，對比3.5 m/s自然風(fēng)風(fēng)速下的可用安全疏散時間，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，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，各測點下可用安全時間相較未通風(fēng)時，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火災(zāi)工況下煙氣流動的影響。

4" 結(jié)論及建議

依托秦嶺天臺山三車道公路隧道，對其火災(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，縱向各測點溫度呈現(xiàn)了減小的趨勢，橫截面各測點隨自然風(fēng)風(fēng)速的增加各測點溫度呈現(xiàn)下降趨勢。

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

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

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