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長大公路隧道火災(zāi)安全疏散研究

文檔作者：王華牢1 劉學(xué)增2 馬小君2 文檔來源： 1．北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司 2．同濟(jì)大		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月23日
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第27卷第ll期公路交通科技VoL 27 No．11
2010年11月Journal of Hiighway and Transportation Research and Development
Nov．2010
文章編號：1002—0268(2010)11-0083—05
長大公路隧道火災(zāi)安全疏散研究
．
王華牢1，劉學(xué)增2，馬小君2
(1．北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司，北京100191；2．同濟(jì)大學(xué)土木T程學(xué)院，上海200092)
摘要：為研究長大公路隧道運(yùn)營期火災(zāi)發(fā)生時人員的安全疏散，首先對隧道火災(zāi)發(fā)生的原因、特點(diǎn)以及影響安全疏
散的主要因素進(jìn)行分析探討。其次以萊特長公路隧道為例，基于計算流體動力學(xué)模型，利用CFD軟件對隧道進(jìn)行火
災(zāi)的數(shù)值模擬，研究了火災(zāi)時隧道內(nèi)的煙霧、溫度場的縱向分布擴(kuò)散規(guī)律。并根據(jù)計算結(jié)果對隧道結(jié)構(gòu)的通風(fēng)防災(zāi)
系統(tǒng)進(jìn)行人員的安全疏散模擬。結(jié)果表明，在3 m／s的縱向通風(fēng)條件下，當(dāng)出現(xiàn)最不利火災(zāi)工況時，原有的通風(fēng)防
災(zāi)系統(tǒng)滿足人員疏散的要求。
關(guān)鍵詞：隧道工程；長大隧遣；數(shù)值模擬；安全疏散；火災(zāi)
中圖分類號：U458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
Research on Safe Evacuation in Long Road Tunnel during Fi怕
WANG Huala01，LIU Xuezen92，MA Xiaojun2
(1．RIOH Transport Consultants Ltd．，Beijing 100191，China；
2．School of Ci’ril Engineering，Ton商i University，Shanghai 200092。China)
Abstract：The problem of personal safe evacuation from long road tunnel during fire in operation period was
studied．First，the cause$，characteristics of the fire a8 well聃the main influencing factors of safe evacuation
were analyzed．Second，based on one long road tunnel，the tunnel fire was numerical simulated by CFD
software and the computational fluid dynamics(CFD)simulation model to find out the distribution and spread
pattern of smoke and temperature field during tunnel fire，and the simulation of safe evacuation w鷦
performed．According to the calculation results，the simulation of personal safe evacuation was carried out to
test the tunnel ventilation and fire prevention system．The simulation results show that(1)under the 3 m／s
longitudinal ventilation condition，the designed fire prevention system could satisfy the requirements for
evacuation when the worst fire case breaks out．
Key words：tunnel engineering；long tunnel；numerical simulation；safe evacuation；fire
0引言
近年來，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展，隧道交
通也在快速發(fā)展。目前我國已成為世界上隧道最多、
最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家。據(jù)交通部公布的數(shù)據(jù)。
我國現(xiàn)有公路隧道6 139座，總長度394．2萬m，其
中特長隧道190座，總長度超過82萬m(2009年底
統(tǒng)計數(shù)據(jù))。隧道公里數(shù)不斷增加，行車速度和行車
密度日益加大，使得公路隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的危險性
也呈上升趨勢。尤其對于長大隧道，隧道內(nèi)一旦發(fā)
生火災(zāi)將對人員的生命安全造成極大威脅，并且給
疏散救援工作帶來極大困難?。1977年3月，我國
上海打浦路隧道發(fā)生火災(zāi)，一輛滿載乘客的客車燃
燒，多人傷亡(確切數(shù)據(jù)不詳)[2 J。2001年10月24
日。被認(rèn)為當(dāng)時歐洲“最安全的隧道”瑞士阿爾卑
斯山圣達(dá)哥隧道(全長16．9 km)車禍引發(fā)火災(zāi)，造
收稿日期：2010一∞一16
基金項日：交通運(yùn)輸部兩部交通建設(shè)科技資助項目(2008318494 50)
作者簡介：王華牢(1961一)．男．陜西蒲城人．教授級高級f1I程師．從事公路隧道設(shè)計與研究工作．(hLwang@rioh．cn)
萬方數(shù)據(jù)
公路交通科技第27卷
成1 1人死亡，128人失蹤，40輛車被燒毀，隧道結(jié)
構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞H1。
本文根據(jù)長大公路隧道火災(zāi)原因及特點(diǎn)，對安
全疏散的基本判據(jù)進(jìn)行分析并尋找影響安全疏散過
程的主要影響因素。結(jié)合某特長公路隧道，以發(fā)生
火災(zāi)時確保所有人能夠安全疏散為目標(biāo)，對其火災(zāi)
危險性進(jìn)行定量評價，并根據(jù)基本判據(jù)對防災(zāi)系統(tǒng)
進(jìn)行安全評估。
1 隧道火災(zāi)原因及安全疏散因素分析
1．1 長大公路隧道火災(zāi)原因及特點(diǎn)
隧道火災(zāi)本質(zhì)上是一種伴隨發(fā)熱、發(fā)光的劇烈
燃燒過程，其發(fā)生需同時具備3個條件：可燃物、
助燃物和火源舊】。隧道內(nèi)火災(zāi)事故的危險性與隧道
的長度和交通量成正比。引發(fā)隧道火災(zāi)的原因是多
種多樣的，但概括起來主要有以下幾種：隧道內(nèi)電
氣線路、設(shè)備等故障起火；車輛自身的機(jī)電設(shè)備故
障起火；汽車交通事故起火；車上裝載的可燃、易
燃物品起火；縱火等人為因素引發(fā)火災(zāi)以及其他
原因。
隧道發(fā)生火災(zāi)后，洞內(nèi)煙霧大、溫度高、疏散
和撲救困難。眾多火災(zāi)案例表明，火災(zāi)煙氣毒性、
缺氧使人窒息、懸浮微粒以及高溫和輻射熱是致人
傷亡的主要因素，如圖1所示。
圖1火災(zāi)中對人生命造成危險的因素
Fig．1 Hazardous factors to human life during fire
由于隧道位置的特殊性和空間的局限性，其封
閉的環(huán)境使隧道火災(zāi)和地面火災(zāi)的特征明顯不
同¨。1，主要表現(xiàn)在：
(1)失火爆發(fā)成災(zāi)的速度快，一般為2—
10 rain，且火災(zāi)持續(xù)時間長，它與隧道外的環(huán)境有
關(guān)，一般在30 min至幾個小時之間。
(2)隧道火災(zāi)溫度高，隧道內(nèi)一旦起火，順風(fēng)
下側(cè)的空氣溫度可高達(dá)l 000℃以上，導(dǎo)致下側(cè)可能
出現(xiàn)跳躍式的新火點(diǎn)。隧道火災(zāi)將極大的影響隧道
內(nèi)空氣壓力的分布，如果風(fēng)速不夠大，上層的熱氣
流將逆通風(fēng)方向產(chǎn)生回流現(xiàn)象，阻礙救火工作的
進(jìn)行。
(3)隧道火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣毒性強(qiáng)，并且由于隧
道火災(zāi)過程一般為不完全燃燒，使得產(chǎn)生的煙霧濃
度大，能見度低。
(4)隧道火災(zāi)使襯砌混凝土強(qiáng)度降低，襯砌結(jié)
構(gòu)的整體性受到破壞，影響隧道的安全使用。
(5)隧道屬于地下建筑，其空間受到了限制，
因此隧道內(nèi)的救火工作及安全疏散困難，極易發(fā)生
次生災(zāi)害。
1．2火災(zāi)安全疏散判定準(zhǔn)則及影響因素分析
疏散就是在發(fā)生緊急情況下人員通過意識到最
后行動的一個連續(xù)的過程。在工程中可以把上面的
連續(xù)過程分為3個階段：察覺階段、確認(rèn)與反應(yīng)階
段和行動階段。本文主要研究疏散行動階段的影響
因素。
1．2．1 火災(zāi)危險臨界條件
在隧道火災(zāi)中，煙氣是威脅人員安全的主要因
素。當(dāng)煙氣層中某些參數(shù)增大到一定值時，便會對
人員構(gòu)成危害”】。因此可以根據(jù)影響人員疏散安全
的參數(shù)，如：煙氣層溫度、CO濃度、可視度等確定
隧道內(nèi)火災(zāi)對人員構(gòu)成危險的條件。綜合前人研究
資料陽‘7]，隧道內(nèi)火災(zāi)危險臨界條件可按以下情況
分別確定：
(1)上部煙氣層的熱輻射強(qiáng)度能對人體構(gòu)成危
險，一般取輻射強(qiáng)度達(dá)到2．5 kW／m2；
(2)當(dāng)煙氣溫度超過80℃，煙氣可直接灼傷人
體呼吸道和表皮；
(3)有毒燃燒產(chǎn)物的濃度達(dá)到對人體構(gòu)成傷害
的危險濃度，典型的是CO的濃度達(dá)到0．25％；
(4)減光度達(dá)到影響人員行動的極限值，典型
判據(jù)取隧道內(nèi)最低能見度為10 m。
1．2．2人員疏散的安全性基本判據(jù)
隧道發(fā)生火災(zāi)后，人員能否安全疏散主要取決
于2個時間[B】：(1)火災(zāi)發(fā)展到對人構(gòu)成危險所需
的時間L， (2)人員疏散到安全場所需要的時間
￡。如果人員能在火災(zāi)達(dá)到危險狀態(tài)之前全部疏散
到安全區(qū)域，便可認(rèn)為該隧道對于火災(zāi)中人員疏散
是安全的。
從火災(zāi)發(fā)生到人員疏散結(jié)束，一般來講要經(jīng)過3
個時間段：探測時間死、反應(yīng)時間瓦和行動時間l。
所以，從火災(zāi)發(fā)生到人員全部疏散為止，總的疏散
時間為：
￡=死+t+瓦o (1)
人員疏散的安全性基本判據(jù)為：
萬方數(shù)據(jù)
第11期王華牢，等：長大公路隧道火災(zāi)安全疏散研究85
·Tf>L。(2)
在隧道中每個可能受到火災(zāi)威脅的區(qū)域都應(yīng)盡
可能滿足式(1)、(2)。
1．2．3安全疏散行動過程的影響因素
火災(zāi)發(fā)生時，對疏散行動的影響因素很多，比
如建筑物的特性、火災(zāi)的特性、人員的特性等，綜
合起來主要有以下幾方面因素：
(1)隧道設(shè)計參數(shù)：隧道窄間尺寸，人員可用
疏散通道數(shù)鼉、寬度、通風(fēng)系統(tǒng)以及設(shè)計交通量等。
(2)火源位置、類型參數(shù)：火源位置，火災(zāi)規(guī)
模、功率等。
(3)火災(zāi)現(xiàn)場人員、車輛參數(shù)：著火車輛類型，
所載人員數(shù)量等。
(4)火災(zāi)初期狀態(tài)參數(shù)：探測報警時間，人員
反應(yīng)時間等。
2隧道運(yùn)營期火災(zāi)安全疏散評估
隧道火災(zāi)研究國內(nèi)外主要采用的方法有3種：
模型試驗法、通過廢棄隧道模擬實際火災(zāi)和采用計
算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)進(jìn)
行數(shù)值模擬，以獲得隧道內(nèi)煙霧和溫度場分布規(guī)律，
從而對隧道通風(fēng)方式及安全疏散進(jìn)行研究一一3J。其
中CFD數(shù)值模擬技術(shù)具有減少地面試驗工作量、縮
短研制周期、節(jié)省試驗費(fèi)用等方面的優(yōu)點(diǎn)，其正確
性可以與模型試驗結(jié)果相比較。是目前隧道火災(zāi)通
風(fēng)研究中應(yīng)用廣泛的一門技術(shù)。本文以某特長公路
隧道為工程實例，利用Smartfire軟件(CFD火災(zāi)模
擬軟件)對隧道內(nèi)的火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散進(jìn)行模擬
計算，并利用building EXODUS軟件分析火災(zāi)發(fā)生的
位置、火災(zāi)規(guī)模、人員分布情況以及隧道通風(fēng)防災(zāi)
系統(tǒng)4個因素對隧道正常運(yùn)營期火災(zāi)工況下人員疏
散的影響。計算模型圖2所示。
圖2隧道模型示意圖
Fig．2 Schematic diagram of tunnel model
2．1 工程概況
某特長隧道推薦線全長約13．8 km，分離式雙向
4車道隧道，設(shè)計人行橫通道與車行橫通道間距均為
650 m。具體計算參數(shù)如表1所示。
表l隧道橫通道計算參數(shù)l單位：m)
Tab．1 Calculation parameters of tunnel CI'O鴿
pA．ssage(unit：m)
隧道通風(fēng)系統(tǒng)采用射流風(fēng)機(jī)誘導(dǎo)型縱向通風(fēng)結(jié)
合重點(diǎn)排煙的通風(fēng)方式。射流風(fēng)機(jī)提供3 m／s的最小
縱向風(fēng)速，排煙量150 m3／s。其通風(fēng)系統(tǒng)如圖3
所示。
第l區(qū)段第2區(qū)段3’風(fēng)井第3區(qū)段第4區(qū)段
圈3隧道通風(fēng)系統(tǒng)
Fig．3 Ventilation system of tunnel
2．2火災(zāi)場景設(shè)計
根據(jù)設(shè)計要求，取最大火災(zāi)規(guī)模為25 MW，火
災(zāi)按快速增長火發(fā)展，火源尺寸為6 m×2．5 ITi x
3．75 m；射流風(fēng)機(jī)提供3 m／s的縱向風(fēng)速，設(shè)計排煙
量150 m3／s。設(shè)置最不利火源位于車行橫通道路口
處；取隧道模型長度為650 m，寬10．25 m，車間距
l m，根據(jù)隧道設(shè)計交通茸可換算得650 111長的隧道
內(nèi)共有l(wèi) 040人(含人員性別及年齡的差異性)。
2．3隧道火災(zāi)時人員安全疏散評估
火災(zāi)發(fā)生在隧道內(nèi)某個車行橫通道處，該車道
萬方數(shù)據(jù)
公路交通科技第27卷
不能用于人員和車輛疏散，火災(zāi)上游相鄰車行橫通
道之間的車輛通過車行橫通道進(jìn)入安全區(qū)域，人員
下車通過人行橫通道和車行橫通道的人行道到達(dá)安
全區(qū)域；火災(zāi)下游車輛繼續(xù)前行。在計算疏散時，
只需考慮兩人行橫通道之間的人員疏散即可，如圖4
所示，圖4中l(wèi)—15為疏散模型設(shè)置的分析區(qū)間。
圖4人員疏散示意圖
啦4 Schemtic dUlgram of evacuation
將上述隧道火災(zāi)場景相關(guān)設(shè)計參數(shù)輸入計算軟
件中，得出隧道內(nèi)的火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散規(guī)律，如
圖5所示。由圖5可知，在3．0 m／s的縱向風(fēng)速時，
熱煙氣的逆流得到了很好的抑制，在600 s內(nèi)幾乎沒
有熱煙氣向上游擴(kuò)散，這為上游人員的疏散逃生提
供了很好的條件。
圖5隧道縱向溫度及煙霧隨時間分布云圖
№5 Nephogram of temperature and smmke
distribution al鳴tunnel tength
圖6為在縱向通風(fēng)3 m／s時，0～600 8縱向上火
源中心溫度及煙霧擴(kuò)散過程。
最終通過計算得出，l 040人全部通過上下游人
蟹
、、
型
贈
時間／s
(a)溫度變化
時間／s
(b)煙霧變化
圖6火源中心帶溫度和煙霧變化曲線
n孚6 Temperature curve and smoke curve at
fire center
行通道安全疏散，所用的時間為367．27 8，即
6 min 7 8。雖然疏散時間較長，超過了6 rain，但由
于隧道內(nèi)的通風(fēng)排煙系統(tǒng)很好地抑制了煙氣的回
流，從而為火源上游人員的逃生提供了一個比較有
利的環(huán)境。
此外，應(yīng)將人員反應(yīng)時間這個因素納入逃生時
間計算中。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，選取2 min為反應(yīng)時
間，再加上6 min 7 s的逃生時間總共逃生所需時間
為8 min 7 S。而Smart fire模擬25 MW火災(zāi)結(jié)果顯示
10 min時能維持1．8 m高左右的清晰層，即人員在此
時間范圍內(nèi)可以安全地、理性地走到最近的安全通
道。所以正常運(yùn)營工況下發(fā)生火災(zāi)時該隧道的防災(zāi)
系統(tǒng)滿足人員疏散的要求。
3結(jié)論
(1)本文在前人研究的基礎(chǔ)上分析了長大隧道
發(fā)生火災(zāi)的主要原因及特點(diǎn)，給出了火災(zāi)時人員逃
生的判別條件以及影響安全疏散的主要因素，為長
大公路隧道火災(zāi)中人員逃生研究提供幫助。
(2)本文以某特長公路隧道為例，采用CFD軟
萬方數(shù)據(jù)
第11期王華牢，等：長大公路隧道火災(zāi)安全疏散研究
件對隧道運(yùn)營期的防災(zāi)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了
隧道內(nèi)火災(zāi)的煙霧場、溫度場的分布擴(kuò)散規(guī)律，并
以此進(jìn)行人員疏散模擬。評估結(jié)果表明，在最不利
火災(zāi)工況下，原設(shè)計防災(zāi)系統(tǒng)滿足人員疏散的
要求。
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