高海拔鐵路隧道救援站火災的煙氣蔓延特性

王志偉 馬偉斌 韓自力 馬召輝 趙鵬

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

為提高列車運行效率、縮短鐵路運行里程，我國西部地區修建了大量隧道，且很多是長大隧道和隧道群［1］。青藏高原地區海拔較高，環境具有低溫、低氧、低壓的特點。在該地區修建鐵路隧道對隧道的防災疏散救援工程提出了新的挑戰。

根據3 000 m以上高海拔地區的環境特點以及對高海拔地區火災特性的相關研究，與低海拔常規地區隧道相比，高海拔鐵路隧道火災的防災疏散救援具有以下特點：①空氣浮力變小，火災燃燒特性會發生改變，隧道內火災溫度場分布、煙氣分布和擴散規律不同于平原地區；②由于含氧量減少，高海拔地區較平原地區燃燒更加不充分；③高海拔隧道空氣稀薄，含氧量低、氣壓低、氣溫低，人的逃生速度受到限制，平原地區防災疏散救援原則可能不適用［2-5］。

目前關于防火的標準和規范多適用于3 000 m以下的低海拔地區的隧道，對于3 000 m以上的高海拔隧道火災預防，即使國際范圍內的相關規范也沒有相應的條文。因此，開展高海拔鐵路隧道火災煙氣蔓延等防災疏散救援相關研究，具有重大意義。本文利用火災動力學模擬軟件以典型的雙洞單線隧道加密橫通道型緊急救援站為原型建立模型，根據0、3 000、3 500 m三個海拔下的溫度、壓力和氧氣含量設置模擬環境參數，研究高海拔鐵路隧道救援站火災的煙氣蔓延特點。

1 高海拔鐵路隧道救援站火災數值模擬方法

1.1 數值模擬軟件簡介

在火災模擬研究領域計算模型主要包括區域模擬、網絡模擬和場模擬三種，常用的模擬軟件有PHOENICS、FDS、Fluent、Star CCM+等。FDS是由美國國家標準與技術研究院（NIST）研發的一款基于場模擬的火災動態模擬軟件，特別適用于火災引起的煙氣蔓延和熱傳遞的數值分析［6］，基本流程如圖1。模擬結果經眾多實例驗證可靠，是火災安全工程領域普遍運用的模擬軟件之一。其余軟件各有其特色。

圖1 數值模擬基本流程

1.2 建立緊急救援站火災模型

以國內典型的雙洞單線隧道加密橫通道型緊急救援站為原型，隧道寬6.44 m，高7.28 m，兩線隧道距離30 m。橫通道凈寬6 m，凈高5 m，相鄰橫通道間距50 m，橫通道數量12條。列車寬3.1 m，高3.8 m，長度為我國鐵路旅客列車編組的最大長度554 m，為便于研究取救援站隧道長度600 m［7-8］。由于救援站端部火災在隧道內煙氣蔓延距離更遠，更易受冷卻沉降，故模擬場景選擇救援站端部火災，火源位于第二橫通道處。火災熱釋放速率為20 MW，燃燒長度考慮為半截列車長度，燃燒位置高度為列車高度的一半，如圖2所示。考慮到實際場景中列車停止在救援站時，火災已經充分發展，火源設置在10 s時達到設定熱釋放速率，模擬為不開啟通風系統、防護門全開的最不利狀態。數據測點布置于隧道頂部和疏散平臺特征高度處，測點類型結合火災致災因素進行設置。

圖2 鐵路隧道救援站火災模型

1.3 模擬環境參數設置

高海拔地區的環境溫度、壓力和氧氣含量對火災特性影響較大。隨著海拔高度增加，環境溫度降低，通常認為海拔每上升500 m，溫度降低2.5℃。大氣壓力與海拔高度具有非線性關系，海平面到海拔11 km以下地區的當地大氣壓力P的理論值計算式（1）為

式中：P0為標準狀態下的大氣壓力，取101.325 kPa；H為當地海拔高度，m。

海拔高度的增加引起大氣壓強降低，導致空氣密度減小，氧氣密度ρ的理論值可根據當地海拔高度和環境溫度按式（2）計算［9］：

式中：t為當地環境溫度，℃。

國內高海拔特長鐵路隧道普遍處于海拔3 000～3 500 m［10］，故選擇低海拔0、高海拔3 000 m和3 500 m進行研究。由此可得數值模擬環境參數，見表1。

表1 數值模擬參數設置

1.4 人員安全疏散警戒值

目前一般的火災安全疏散致災因素研究主要是針對熱輻射、溫度和能見度三方面的變化規律［11-13］。高海拔環境具有氧氣含量低的特殊性及以CO為代表的有毒有害氣體含量在低浮力環境下的分布不確定性，氧氣含量和CO含量的變化規律也至關重要。通過調研《中國消防手冊》［14］、《人員疏散評估指南》［15］、美國消防工程師協會SFPE手冊［16］等國內外致災因素的規范條文，火災各致災因素的危險極限狀態設置見表2。由于熱輻射不易直接測量，《人員疏散評估指南》中以隧道頂部煙氣溫度低于200℃等效為熱輻射的危險極限狀態。

表2 火災各致災因素的危險極限狀態

2 模擬結果與分析

2.1 隧道火災煙氣蔓延速率

不同海拔高度火災在200 s時的煙氣蔓延距離如圖3所示，其中煙氣擴散區域為黑色。

圖3 不同海拔高度火災在200 s時的煙氣蔓延距離

由圖3可知：相同時間內隨著海拔上升，煙氣蔓延距離更遠，海拔為0、3 000、3 500 m時蔓延距離分別為430、455、457 m；海拔為0、3 000、3 500 m時正線隧道上的煙氣分別在420、320、310 s時進入橫通道；隨著海拔上升，煙氣沿隧道縱向的蔓延速率加快，高海拔煙氣的蔓延速率快6%左右，煙氣也更早地進入橫通道，提前的時間超過100 s。

2.2 隧道火災煙氣蔓延范圍

不同海拔高度火災的煙氣蔓延范圍如圖4所示。可知：海拔為0時遠端有4個橫通道進入少量煙氣，極少量煙氣進入非火災隧道；海拔為3 000 m時遠端有6個橫通道進入煙氣，并有大量煙氣進入非火災隧道；海拔為3 500 m時遠端有7個橫通道進入煙氣，并有更多煙氣進入非火災隧道。

圖4 不同海拔高度火災的煙氣蔓延范圍

由于火源附近的煙氣具有較好的浮升力，距離火源較遠的煙氣受到環境冷卻沉降，先從遠端橫通道進入。隨著海拔上升，將有更多的橫通道有煙氣進入，進入非火災隧道的煙氣也更多。

2.3 隧道頂部溫度分布規律

不同海拔高度火災隧道頂部溫度分布見圖5。可知：火源附近隧道頂部溫度在短時間內迅速上升，海拔為0、3 000、3 500 m時，隧道頂部最高溫度分別為467、610、641℃，但超過200℃的范圍均在火源兩側50 m內。

圖5 不同海拔高度火災隧道頂部溫度分布

達到危險極限狀態的時間較早，屬于不利于人員疏散的一個重要因素。圖5表明，隨著海拔上升，隧道頂部溫度更高，但超過危險極限狀態的熱輻射范圍沒有明顯擴大。

不同海拔高度隧道疏散平臺特征高度溫度分布見圖6。可知：海拔為0、3 000、3 500 m時，疏散平臺特征高度處的最高溫度分別為34、16、14℃。溫度均低于危險極限狀態。

圖6 不同海拔高度隧道疏散平臺特征高度溫度分布

非直接接觸性的熱量傳遞方式主要是熱對流和熱輻射，其中熱對流需要流動的熱介質傳遞，而熱輻射利用電磁波傳遞熱量，不需要借助接觸性介質即可傳遞熱量。數值模擬中測量的溫度為熱對流所傳遞的熱量，且隧道內熱煙氣密度小，主要位于隧道頂部，沉降至疏散平臺的特征高度時已經受到了冷卻，所以即使在火源附近疏散平臺特征高度處的溫度也較低。

2.4 疏散平臺特征高度CO體積分數分布規律

不同海拔高度隧道疏散平臺特征高度CO體積分數分布見圖7。可知：海拔為0、3 000、3 500 m時，疏散平臺的特征高度處CO體積分數最高分別為440×10-6、741×10-6、816×10-6，且均呈現距離火源的遠端橫通道附近高，火源附近低的趨勢。

火災燃燒初始時刻整個救援站內CO體積分數均較低，隨著煙氣的堆積和沉降，遠端CO體積分數逐漸升高。隨著海拔上升，疏散平臺的特征高度處CO體積分數更高，海拔低于3 000 m時，CO體積分數均未達到危險極限狀態；海拔為3 500 m在接近2 000 s時遠端的橫通道CO體積分數達到危險極限狀態。

2.5 疏散平臺特征高度氧氣體積分數規律

不同海拔高度隧道疏散平臺特征高度氧氣體積分數分布見圖8。

由圖8可知：海拔為0、3 000、3 500 m時，疏散平臺的特征高度處氧氣體積分數最低分別為19.2%、12.7%、11.7%，且均呈現距離火源的遠端橫通道附近高，火源附近低的趨勢。這表明，隨著火災持續燃燒，煙氣總量逐漸增多，且在火源的遠端沉降，遠端氧氣體積分數逐漸降低。隨著海拔上升，疏散平臺特征高度處氧氣體積分數更低，0海拔下氧氣體積分數未達到危險極限狀態；海拔為3 000 m以上遠端的橫通道氧氣體積分數達到危險極限狀態。

2.6 疏散平臺特征高度能見度規律

不同海拔高度隧道疏散平臺特征高度能見度分布見圖9。可知：海拔為0、3 000、3 500 m時，火源點燃后隧道各處能見度均迅速降至0，但在同一時間內能見度降低的范圍隨海拔上升有所增大。這表明，疏散平臺特征高度的能見度下降迅速，在整個救援站正線隧道內能見度達到危險極限狀態（小于10 m）的時間較早，屬于不利于人員疏散的一個重要因素。隨著海拔上升，雖然能見度的最小值沒有發生明顯變化，但在相同的時間內，疏散平臺特征高度處能見度降低的區域明顯擴大。

圖9 不同海拔高度隧道疏散平臺特征高度能見度分布

3 結論

1）高海拔鐵路隧道救援站火災產生的煙氣具有較快的蔓延速率。與普通環境相比，高海拔隧道救援站火災煙氣的蔓延速率快6%左右，進入橫通道的時間提前超過100 s，且有煙氣進入的橫通道從4個增加到6～7個。

2）鐵路隧道救援站火災產生的高溫煙氣具有較好的浮升力，在頂部沿隧道蔓延，但受周圍環境冷卻和沿程阻力的影響在距離火源位置較遠處開始沉降，并進入遠端的橫通道內，再蔓延至非火災隧道。

3）火源附近的熱輻射和隧道內的能見度是達到危險極限狀態最快最早的兩個因素。火源附近的熱輻射影響范圍是50 m，能見度的影響范圍是整個隧道，這兩個致災因素幾乎不受海拔高度影響。

4）與普通環境的隧道救援站火災相比，高海拔隧道救援站火災達到危險極限狀態的因素從熱輻射和能見度兩種上升到熱輻射、能見度、CO體積分數、氧氣體積分數四種。