高海拔特長鐵路隧道定點防災救援研究

2014-11-27 12:14:10曹正卯楊其新

鐵道標準設計 2014年10期

曹正卯，楊其新，郭春

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031;2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

隨著我國隧道工程建設的高速發展，涌現出越來越多的長大隧道，長大隧道投入運營的同時，由于隧道工程的特殊性，其防災救援研究也越來越受到重視。近年來，對于長大公路隧道、鐵路隧道的防災救援研究取得了不少成果。國內學者對長大隧道的防災救援進行了一系列的研究［1-5］，取得了許多可借鑒的成果，部分學者對長大隧道防災救援的電氣及通信設備的研究成果，對于救援實施及工程設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的特長鐵路隧道防災救援研究較少，高海拔地區防災救援有兩大特點:一方面高海拔地區空氣密度小、氣壓低、溫度低，火災燃燒特性有別于一般隧道;另一方面，由于高海拔地區含氧量低、空氣稀薄、氣候條件惡劣，在進行人員疏散時，人的運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，依托西格二線新關角隧道對其防災救援及人員疏散進行研究。

1 工程概況

西格二線新關角隧道全長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，隧道進口段為上坡，坡度為8‰，在嶺脊以后，以9.5‰的坡度連續下坡，在隧道中部設置有緊急救援橫通道，定點救援橫通道中心間距70 m。隧道通過地區自然環境條件特殊，屬青藏高原亞寒帶半干旱氣候區，存在諸多不同于一般隧道地區的特點，如高寒、缺氧、人煙稀少、風沙大、干旱等。由于處于高原地區氧氣稀薄，發生火災時，煙氣流動及人員運動能力相對于平原地區有特殊性。

2 防災救援設計基本方法

采用CFD數值模擬方法對西格二線新關角隧道進行防災救援設計，對隧道內較危險的火災場景進行模擬計算并分析，研究各種計算工況下隧道內火災發展過程及煙氣在主隧道及救援橫通道內的擴散規律，由此得到火災過程中可用安全疏散時間。利用疏散軟件對火災期間疏散救援過程進行模擬，可得到各火災場景下人員疏散至安全區域所需時間，即必需疏散時間，與可用安全疏散時間進行比較，進一步判斷在不同火災工況下，定點救援橫通道的設置是否能滿足人員高海拔條件下的疏散要求。

2.1 火災發展特點

火災發展具有其特定規律，主要表現在火源熱量的釋放，通常用熱釋放速率Q對火災發展狀況進行描述［9］。

式中 Q——熱釋放速率，MW;

α——火災發展速率，MW/s2;

t——火災的發展時間，s;

t0——臨界時間，s。

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

表1 火災發展速率 W/s2

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

2.2 高海拔地區火災特性

由于高海拔地區空氣稀薄，其密度比平原地區低，且含氧量少，火災燃燒特性與平原地區有區別，相對于平原地區，高海拔地區的火災燃燒主要有以下特點:

(1)火災燃燒的熱釋放速率與燃燒物質的質量無關，與著火面積成正比;

(2)對于相同尺寸的火源，在高海拔地區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燃燒時低;

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

2.3 隧道內火災危險狀態判定標準

火災中煙氣的高溫性、煙氣毒性和煙氣遮光性是致人死亡的主要因素。對于火災危險狀態的判定，應綜合考慮火災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準，丁良平在《高速鐵路長大隧道列車火災安全疏散研究》中的研究顯示，火災中煙氣溫度達到危險狀態的時間與人眼高度處煙氣體積濃度達到危險狀態的時間基本一致［9］。本文著重對煙氣溫度達到危險狀態的時間進行探討。

當人處于高溫環境時，極易出現疲勞乏力，很快出現脫水狀況，當超過人體所能承受的溫度時就會導致死亡。因此有必要確定火災發展過程中人體能承受的最大溫度，即臨界溫度。

根據《建筑火災安全工程導論》，當人體所處環境中空氣溫度超過65℃時，正常人便無法呼吸;當空氣溫度達到100℃時，人體在這種環境中只能忍受短短幾分鐘;《火災風險評估方法學》中對于火災臨界溫度值的確定，低于人眼特征高度處的火災臨界溫度一般為110～120℃，高于人眼特征高度處的火災臨界溫度一般為180℃。由于處于高海拔地區，人體機能有較大下降，將火災危險臨界溫度設定為“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。列車在隧道內發生火災過程中，由于列車動力系統無法工作或其他突發因素使得列車必須停止，人員通過隧道內防災救援設施以及緊急逃生通道逃生至安全區域。

(2)繼續運行疏散模式。即列車在隧道內發生火災后，并不停止運行，而是將列車以一定的速度拉出隧道外，人員在隧道外進行逃生。若隧道太長不能及時駛出隧道時，須將列車運行至定點救援站進行人員疏散。

本文對繼續運行疏散模式情況下，由于隧道太長無法及時將列車駛出隧道，繼續運行至定點救援站進行人員疏散。此過程中，火災發展至列車停止期間，人員疏散至相鄰較安全車廂，待列車駛入救援站之后，人員從車廂疏散至安全區域。

3 救援站火災數值計算模型建立

3.1 模型建立及網格劃分

通過對設計圖進行簡化，采用直角坐標系建立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縱向設置溫度探測器，每個溫度探測器間隔為100 m。在每個救援橫通道中部設置1個溫度探測器。網格劃分為正六面體網格，縱向網格大小為1 m，橫向網格大小為0.5 m。網格劃分見圖2。溫度探測器分布見圖3。

圖1 計算模型示意

圖2 網格劃分示意

圖3 溫度探測器分布示意

3.2 參數設置

由于隧道處于高海拔地區，大氣壓強、空氣密度等參數與平原地區有較大差異，應根據關角隧道所處地區實際情況，結合當地氣象監測數據，進行初始條件設置，主要計算參數設置如下。

(1)壓力:定點救援站所處地區大氣壓強為61.3 kPa，溫度為6.7℃;

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

(3)隧道內壁面平均粗糙度取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)火災規模:定義火災為超快速增長型火災，取熱釋放發展速率α為0.187 6 kW/s2，對四種最大熱釋放速率進行計算，即50、40、30、20 MW 4種火災規模，在各種火災規模下考慮救援橫通道數量分別為9、7、6、5時的火災場景。

(6)通風排煙風速:火災期間開啟射流風機進行通風排煙，隧道內斷面平均排煙風速為v1=v2=v3=4 m/s，風向如圖4所示。

4 火災模擬計算及可用安全疏散時間確定

圖4 火災期間列車位置及隧道內通風風向示意

在火災發展速率為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種火災規模下不同橫通道數量時進行數值模擬計算，圖5為火災發展期間隧道內煙霧分布圖?？梢钥闯觯捎跈C械通風的作用，煙霧主要分布在火災下游區段，其余區域煙霧濃度較小。

圖6為最大熱釋放速率20 MW時各測點溫度隨時間變化曲線。

通過不同工況下數值模擬計算，隧道內火災發展期間除4號測點和5號測點溫度超過臨界溫度80℃，其余測點均未超過80℃，4號測點距著火點5 m，5號測點距著火點100 m，故只對4號測點和5號測點進行重點分析。圖7為4號測點在各工況下到達臨界溫度時間隨熱釋放速率變化曲線。

可以看出，由于4號測點距火源點較近，由于火源的脈沖能量影響，表現出的規律性不是很強，但總體趨勢為隨著熱釋放速率的增大，測點溫度達到臨界溫度的時間逐漸縮短，即在進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，最快達到臨界溫度的時間僅228 s。

圖5 火災期間煙霧分布

圖6 最大熱釋放速率20 MW時各探測點溫度隨時間變化曲線

圖7 不同工況下4號測點溫度到達臨界溫度時間

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

僅對可用安全時間進行研究顯然不能準確判定各火災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、人員響應時間和人員疏散行程時間三部分構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域的總時間。其表達式為

式中 Talarm——報警探測時間，s;

Tresp——人員響應時間，s;

Tmove——人員行程時間，s。

5.1.1 火災報警探測時間

火災報警探測時間(Talarm)為火災開始發展到人員察覺火災的這段時間，與火災發展規模、列車內火災報警系統以及火源距探測器的距離等多種因素有關，其表達式

式中 Tmax——煙氣最高溫度，℃;

RTI——火災探測器的特征響應時間指數，m0.5s0.5;

umax——煙氣最大速度，m/s;

T0——所處環境溫度，℃;

T——探測器的響應溫度，℃。

本次模擬列車車廂內火災計算中，設定火災為超快速增長型火災，其發展迅速，較易被發現。考慮到火災發展1 min后著火點周圍的溫度和煙氣的濃度已非常高，取火災報警探測時間為60 s。

5.1.2 人員響應時間

人員響應時間(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。

在海拔4 000 m左右地區，由于高海拔缺氧的影響，人體反應較一般情況慢，根據《建筑火災安全工程》的大量統計數據和經驗推薦值，取人員響應時間為120 s。

5.1.3 列車運行時間

列車繼續運行模式情況下，若列車駛入隧道距離較近時發生火災，此時可制動逆行將列車拉出隧道外進行人員疏散。考慮最不利的情況下，即列車駛過隧道洞口與定點救援站中點時，需繼續運行至定點救援站。西格二線新關角隧道總長32.645 km，定點救援站位于隧道中部，考慮發生火災最不利情況下列車行駛至定點救援站距離為8 km。

新關角隧道設計時速為160 km，可得最不利情況下列車運行至定點救援站需3 min。期間可完成火災探測報警及人員響應，人員疏散至相鄰較安全的車廂，等待列車駛入定點救援站后進行下一步的人員疏散。

5.1.4 人員疏散運動時間

可由現場實測或仿真模擬計算得到，國內外對于高海拔地區疏散救援的實測研究極少，本次采用疏散模擬對人員疏散運動時間進行確定。在平原地區的疏散救援與在高海拔地區的疏散救援有差異，主要體現在高海拔地區人員運動能力降低。尤其當人員急進高原地區時，運動能力因為急性缺氧現象下降更加明顯，人體的運動能力在海拔4 000 m左右地區，下降為平原地區的 70%［11］。

本次疏散模擬參數設置如下。

(1)列車及車廂參數設定:每節車廂長度為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，列車行駛方向為格爾木至西寧方向，處于坡度為9.5‰的右線隧道上坡段。

(2)人員參數設定:列車內乘客及列車內相關工作人員共1 680人，其中男性占60%，女性占40%;人員年齡段設定為: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，由火災數值模擬計算可將安全區域確定為左線隧道處，相關設置見圖8。

圖8 人員疏散模擬計算相關設置示意

根據對不同熱釋放速率及不同橫通道數量情況下的火災數值模擬計算，得到隧道內各溫度探測點的溫度隨時間變化規律，在進行人員疏散時，應盡可能快地離開發生火災的主隧道，經由救援橫通道到達安全區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模擬火災期間人員疏散過程的結果，設置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，當救援橫通道數量≥8座時，其疏散線路是一致的。此外，根據在海拔4 000 m左右地區，人的平均運動能力降低為平原地區的70%左右，在與可用安全時間對比時，應將必須疏散時間按海拔高度進行換算。

表3 人員離開火災隧道的疏散模擬結果

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計算結果看出，當救援橫通道數量為5座和6座時，由于各種火災規模下的可用疏散時間小于必需疏散時間，即在隧道內溫度達到臨界溫度時不能將人員全部疏散至安全區域，橫通道數量過少，不滿足防災救援要求;當救援橫通道數量為7座時，滿足熱釋放速率為20 MW和30 MW條件下的救援要求;當橫通道數量為9座時，若熱釋放速率為50 MW，則不能滿足防災救援要求。