焦衛(wèi)寧，王雪霽，楊 帥，楊瑞鵬

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075； 3.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

隨著西部大開發(fā)建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，在3 500～5 500 m超高海拔地區(qū)的單洞雙向交通公路隧道逐漸增多，如G318高爾寺隧道、G317斜拉山隧道、珠角拉山隧道和S303巴朗山隧道等。隧道是相對封閉的構(gòu)造物，洞內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，人員逃生和救援均較困難，因此隧道火災(zāi)造成的后果極為嚴(yán)重。其中最著名的勃朗峰隧道火災(zāi)，由于未設(shè)疏散通道和通風(fēng)井，41人在火災(zāi)中喪生；奧地利山地列車隧道火災(zāi)，列車僅進(jìn)入隧道600 m，旅客中僅9人安全逃生， 155人喪生，18人受傷；山西晉濟(jì)高速巖后隧道(長約786 m)火災(zāi)造成40人死亡；威海陶家夼隧道內(nèi)交通事故車輛起火，車內(nèi)13人，12人死亡，1人重傷。

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，最有效的逃生方法是盡快遠(yuǎn)離火災(zāi)點(diǎn)，進(jìn)入安全區(qū)域。在超高海拔使人體機(jī)能下降和隧道長度較長的情況下，若火災(zāi)煙霧和熱量擴(kuò)散蔓延至正在疏散的人群，則易發(fā)生危險(xiǎn)，此時(shí)隧道須設(shè)置平行導(dǎo)洞(簡稱平導(dǎo))等人員逃生通道。因此，超高海拔地區(qū)的單洞雙向交通隧道須設(shè)置多長的避災(zāi)疏散平行導(dǎo)洞，應(yīng)當(dāng)引起關(guān)注。

目前陳漢波[1]針對設(shè)置平導(dǎo)的巴朗山公路隧道火災(zāi)工況進(jìn)行了模擬，給出了模擬場景下的通風(fēng)控制方案及相關(guān)建議；嚴(yán)濤等[2]研究了在高海拔地區(qū)隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)保證人員疏散安全的鐵路隧道橫通道間距；屈建榮[3]引入長大單洞雙向交通隧道通風(fēng)和逃生平導(dǎo)的模型，提出人員疏散時(shí)主隧道的控制風(fēng)速及平導(dǎo)的控制風(fēng)速，確定了單洞雙向交通公路隧道的合理橫通道間距。

上述研究著重分析了設(shè)置平導(dǎo)的公路、鐵路隧道防災(zāi)救援及橫通道間距，本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用中的問題，通過數(shù)值模擬給出了超高海拔單洞雙向交通隧道須設(shè)置避災(zāi)疏散平行導(dǎo)洞時(shí)隧道的臨界長度，以期為類似工程提供參考。

1 超高海拔隧道的平導(dǎo)設(shè)置情況及其隱患

在現(xiàn)行公路、鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中，涉及平導(dǎo)的相關(guān)規(guī)定多是為輔助施工考慮的，如“長度在3 000 m以上或確有特殊需要的隧道，可采用平行導(dǎo)坑”，“長度在3 000 m以上或確有特殊需要的隧道，當(dāng)不宜采用其他類型輔助通道時(shí)，可采用平行導(dǎo)坑”，“長度在4 000 m以上的長隧道，當(dāng)不宜采用橫洞時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用平行導(dǎo)坑。瓦斯隧道和特長隧道應(yīng)優(yōu)先采用平行導(dǎo)坑”等。

在公路隧道的實(shí)際應(yīng)用中，平導(dǎo)的設(shè)置多結(jié)合隧道長度和通風(fēng)規(guī)模，以隧道長度3 000 m為界進(jìn)行考慮。

超高海拔地區(qū)車輛發(fā)動機(jī)燃燒不充分，尾氣污染物排放量增加?！豆匪淼劳L(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D7012-01—2014)規(guī)定，海拔越高，隧道計(jì)算需風(fēng)量越高。例如海拔4 000 m的隧道計(jì)算需風(fēng)量是海拔2 000 m同樣規(guī)模隧道需風(fēng)量的1.59倍。故超高海拔地區(qū)隧道常需要布置平導(dǎo)，用于主隧道通風(fēng)，兼作避災(zāi)疏散通道。

表1為國內(nèi)部分超高海拔單洞雙向交通公路隧道的平導(dǎo)設(shè)置情況和運(yùn)營通風(fēng)方案。

表1 超高海拔單洞雙向交通隧道的平導(dǎo)設(shè)置

目前已建的大部分短于3 000 m的超高海拔地區(qū)隧道均沒有設(shè)平導(dǎo)，如長拉山隧道(長2 400 m，海拔約4 500 m)等。若隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，人員只能從隧道兩端洞口逃生，加之高原上人體運(yùn)動能力和器官機(jī)能下降,逃生能力會隨之下降，若不能及時(shí)離開火災(zāi)點(diǎn)，人員面臨的風(fēng)險(xiǎn)將急劇增加。

如山西巖后隧道，雖然隧道只有786 m長，但是發(fā)生火災(zāi)后，由于人員沒能及時(shí)逃離火災(zāi)現(xiàn)場，導(dǎo)致傷亡慘重。同樣，奧地利山地列車隧道雖然布置了逃生疏散通道，但是由于缺乏指示標(biāo)識，乘客無人從橫通道逃生，最終導(dǎo)致慘痛的后果。2017年5月28日發(fā)生的山西天河山特長隧道(長約8 500 m)火災(zāi)中，司乘人員及時(shí)離開了火災(zāi)點(diǎn)，避免了人員傷亡。

2 超高海拔隧道火災(zāi)發(fā)展模擬

采用FDS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)計(jì)算火災(zāi)中的煙氣和熱傳遞過程，研究熱煙氣層的高度、溫度、濃度等狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)間的變化。

FDS假定為：低速流動，馬赫數(shù)小于0.3；矩形網(wǎng)格；指定熱釋放速率，精度80%～90%；燃燒模型為混合分?jǐn)?shù)模型，適用燃料控制型火災(zāi)；輻射模型為采用有限容積法求解輻射方程RTE；連續(xù)方程

(1)

動量方程

(2)

組分方程

(3)

能量方程

(4)

模型假定單個(gè)火源，即火災(zāi)未發(fā)生蔓延，人群逃生取平均疏散速度，即速度不發(fā)生變化；洞內(nèi)風(fēng)速為火災(zāi)工況的控制風(fēng)速2.5 m·s-1。

2.1 超高海拔隧道火災(zāi)計(jì)算模型

以某長度為3.6 km的單洞雙向交通隧道為背景建立數(shù)值計(jì)算模型。如圖1所示，計(jì)算模型長150 m，火源點(diǎn)位于隧道中部。

隧道兩端為開放邊界條件，壓力設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 325 Pa，隧道內(nèi)與外界初始環(huán)境溫度為20 ℃。

隧道襯砌為混凝土材料，厚0.4 m，比熱為880 kJ·kg-1·K-1，熱導(dǎo)率為1.8 W·m-1·K-1，密度為2 300 kg·m-3，熱膨脹系數(shù)為0.1 K-1。

圖1 FDS隧道模型

依據(jù)公路隧道通風(fēng)規(guī)范,火災(zāi)熱釋放率取30 MW；火災(zāi)模型考慮高原火災(zāi)發(fā)展的實(shí)際規(guī)律,采用快速火模式，α=0.187 6，火災(zāi)熱釋放率按Q=αt2變化，其中Q為火災(zāi)熱釋放率(kW)，α為系數(shù)，t為火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間(s)。

洞內(nèi)風(fēng)速為火災(zāi)工況的控制風(fēng)速2.5 m·s-1。

模擬火災(zāi)時(shí),在隧道全長布置斷面監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測隧道內(nèi)的溫度和能見度等參數(shù)，從而分析火災(zāi)發(fā)展過程以及熱量和煙霧在隧道內(nèi)擴(kuò)散的情況。

2.2 超高海拔隧道火災(zāi)煙霧擴(kuò)散規(guī)律

通過FDS模擬得到各個(gè)時(shí)間段火災(zāi)發(fā)展的煙霧擴(kuò)散情況，如圖2所示。

圖2 火災(zāi)后煙霧擴(kuò)散分布

煙霧圖形灰度代表煙霧濃度，分析煙霧分布數(shù)據(jù)可知，煙霧擴(kuò)散先慢后快[4]。前240 s煙霧較為稀薄，影響范圍較小；240～360 s后濃煙開始蔓延；煙霧受洞內(nèi)火災(zāi)風(fēng)速影響，向火災(zāi)點(diǎn)風(fēng)向下游擴(kuò)散，火災(zāi)發(fā)生后600 s，煙霧已蔓延到距離起火點(diǎn)1.7 km處。

2.3 超高海拔隧道火災(zāi)高溫?cái)U(kuò)散規(guī)律

隧道洞內(nèi)溫度縱向分布云圖如圖3所示。

圖3 火災(zāi)后溫度縱向分布云圖

結(jié)合火災(zāi)溫度分布數(shù)據(jù)分析：火源點(diǎn)剛?cè)紵龝r(shí)，溫度主要積聚在火源點(diǎn)附近；約120 s后火源點(diǎn)完全燃燒，火源點(diǎn)溫度最高達(dá)220 ℃以上；受隧道內(nèi)火災(zāi)風(fēng)速影響，火源點(diǎn)下游200～300 m區(qū)段內(nèi)溫度快速升高，火災(zāi)發(fā)生600 s后，火災(zāi)點(diǎn)下游400 m內(nèi)的溫度已高于60 ℃。

3 超高海拔隧道火災(zāi)人員逃生安全距離

在4 000 m海拔地區(qū)調(diào)研多組人群(約500人)，主要為剛到高原的施工人員及部分常住居民，包括各年齡段的男性和女性，測試者無負(fù)重?；跍y試和相關(guān)研究數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到不同年齡段男性和女性在海拔4 000 m的地區(qū)跑步的平均速度如圖4、5所示。

圖4 海拔4 000 m不同年齡段女性的跑步速度

圖5 海拔4 000 m不同年齡段男性的跑步速度

考慮到隧道發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)人員的緊張和慌亂情緒，綜合性別和年齡差異，取平均速度2.1 m·s-1進(jìn)行分析。

以安全疏散耗時(shí)最長的大客車為例，人員對火災(zāi)反應(yīng)時(shí)間120 s和從大客車下車時(shí)間80 s，總計(jì)取200 s，即人員在火災(zāi)發(fā)生后200 s開始逃生。

按照高原火災(zāi)人員發(fā)生危險(xiǎn)的條件為“公路隧道內(nèi)1.7 m高處，若滿足能見度低于10 m、溫度髙于60 ℃任一條件時(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)”的要求，將FDS模擬的能見度和溫度分布分別與人員逃生速度進(jìn)行比較，如圖6、7所示。

圖6 人員逃生距離和可見度低范圍隨時(shí)間變化

圖7 人員逃生和火災(zāi)高溫隨時(shí)間變化

從曲線可以得出，超高海拔條件下大部分人員逃生距離大于600 m時(shí)，可能會發(fā)生危險(xiǎn)(能見度降低、煙霧窒息)，即當(dāng)隧道長度大于1 200 m時(shí)，宜設(shè)置平行導(dǎo)洞等避災(zāi)通道。

同時(shí)可以得出，火災(zāi)溫度擴(kuò)散較慢,人員逃生速度大于熱量擴(kuò)散速度，即單純從火災(zāi)高溫的角度考慮，大部分人員可以安全逃生。

在應(yīng)急管理措施到位、洞內(nèi)人員能夠聽從管理引導(dǎo)的情況下，對即將到來的危險(xiǎn)的反應(yīng)時(shí)間較短，即當(dāng)火災(zāi)發(fā)生便開始逃生，在不考慮人群疏散速度隨體能下降而下降的情況下，大部分人員是能夠安全逃生的[5-10]。

4 結(jié) 語

本文采用FDS軟件模擬隧道中部發(fā)生火災(zāi)的情況，分析火災(zāi)蔓延、人員逃生距離和時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果表明：當(dāng)逃生距離達(dá)到600 m時(shí)，大部分人員不能安全逃生；超高海拔單洞雙向交通隧道設(shè)置避災(zāi)疏散用平導(dǎo)時(shí)，隧道其長度不宜超過1 200 m，即1 200 m是基于避災(zāi)疏散要求設(shè)置平行導(dǎo)洞時(shí)隧道的臨界長度。

超高海拔地區(qū)隧道火災(zāi)案例和相關(guān)試驗(yàn)研究匱乏，完全推演超高海拔單洞雙向交通隧道火災(zāi)實(shí)際發(fā)展的復(fù)雜過程難度較大，因此文中的模擬分析做了一些簡化假定，如單個(gè)火源未發(fā)生蔓延，人群逃生速度不發(fā)生變化和洞內(nèi)風(fēng)速為火災(zāi)工況的控制風(fēng)速2.5 m·s-1。

鑒于超高海拔地區(qū)長、特長單洞雙向交通隧道逐漸增多和近年來隧道火災(zāi)頻發(fā)的實(shí)際情況，基于避災(zāi)疏散設(shè)置平行導(dǎo)洞時(shí)隧道的臨界長度問題值得關(guān)注。這需要長時(shí)間地積累大量數(shù)據(jù)和進(jìn)行試驗(yàn)研究，最終推動超高海拔隧道建設(shè)技術(shù)進(jìn)步和規(guī)范的完善。