基于煙囪效應(yīng)的高海拔超長(zhǎng)公路隧道橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)研究

張晟斌，李雪峰，劉夏臨，舒恒，馮春蕾

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

近年來，隧道工程技術(shù)的不斷成熟，中國(guó)隧道建設(shè)正處于高速發(fā)展時(shí)期，隧道里程和數(shù)量正不斷刷新記錄，現(xiàn)已成為世界上隧道數(shù)量最多的國(guó)家。隨著西部地區(qū)的大力開發(fā)，越來越多的高海拔特長(zhǎng)隧道得以在西部地區(qū)實(shí)施修建[1-2]。

隧道內(nèi)空間狹長(zhǎng)，產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠灰准皶r(shí)排出，并且由于隧道內(nèi)的煙囪效應(yīng)，會(huì)使高溫?zé)煔夥植几鼮閺V泛，對(duì)人員疏散及隧道結(jié)構(gòu)與功能上造成巨大的破壞[3]，對(duì)人員疏散造成更大的困難。考慮到安全疏散的需要，特長(zhǎng)公路隧道一般采用雙管隧道，兩條并行主隧道間會(huì)設(shè)置聯(lián)絡(luò)橫通道，當(dāng)一條隧道內(nèi)發(fā)生災(zāi)害時(shí)，人員可以通過聯(lián)絡(luò)橫通道至另一條隧道內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)互為救援的目的。橫通道的設(shè)計(jì)是人員安全疏散的核心問題,因此橫通道寬度與間距的合理設(shè)計(jì)對(duì)人員安全疏散意義重大，尤其是高海拔低溫低壓低氧環(huán)境下溫度與煙氣的分布規(guī)律與平原地區(qū)大不相同，更有必要進(jìn)行研究。

針對(duì)隧道橫通道的設(shè)計(jì)參數(shù)，很多學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的研究。孫策[4]以深圳機(jī)荷高速雙層盾構(gòu)隧道為依托，運(yùn)用仿真模擬法對(duì)疏散工況進(jìn)行計(jì)算，確定了機(jī)荷高速公路隧道疏散口設(shè)計(jì)寬度和疏散樓梯間距；王軍[5]采用統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)隧道車流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析火災(zāi)發(fā)生時(shí)的疏散人員，計(jì)算疏散的時(shí)間和所占比例，在此基礎(chǔ)上提出人員安全疏散的建議；張奧宇等[6]為確定水下盾構(gòu)隧道疏散滑梯間距，采用Pathfinder疏散仿真軟件建立人員疏散模型，確定了隧道內(nèi)的最佳疏散間距；王文等[7]采用Pathfinder軟件對(duì)客車內(nèi)、救援站站臺(tái)內(nèi)的人員疏散進(jìn)行模擬，給出了滿足人員安全疏散的橫通道間距和寬度；王智文等[8]為研究海峽特長(zhǎng)鐵路隧道疏散設(shè)施對(duì)人員疏散時(shí)間的影響，利用Pathfinder人員疏散模擬軟件以橫通道寬度、間距、疏散通道寬度及疏散人數(shù)為變量，對(duì)不同變量影響下的人員疏散時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析；張品等[9]系統(tǒng)分析了公路隧道間距與人員的逃離時(shí)間、逃生速度的關(guān)系，并給出了高海拔公路隧道人性橫通道間距的計(jì)算公式；楊松等[10]通過fire dynamics simulator軟件校驗(yàn)了螺旋隧道內(nèi)橫通道間距是否滿足人員疏散要求。

綜上所述，目前學(xué)者們對(duì)于隧道橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)的相關(guān)研究多集中在低海拔隧道，對(duì)于高海拔低溫低壓低氧環(huán)境下超長(zhǎng)公路隧道的橫通道結(jié)構(gòu)參數(shù)研究較少，因此有必要對(duì)此條件下的橫通道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行專門研究。現(xiàn)以天山勝利隧道為例，重點(diǎn)探究高海拔多折線超長(zhǎng)公路隧道內(nèi)，煙囪效應(yīng)對(duì)橫通道設(shè)置間距與寬度的影響，并給出天山勝利隧道橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)的推薦值，為高海拔公路隧道橫通道研究提供一定參考。

1 工程概況

天山勝利隧道是目前世界上最長(zhǎng)的高海拔高速公路隧道，建成后將打通南北疆交通運(yùn)輸屏障，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。隧道全長(zhǎng)22.13 km，進(jìn)口海拔程2 772 m，出口海拔高程2 897 m，屬于高海拔超長(zhǎng)高速公路隧道。隧道由左、右線及中間服務(wù)隧道組三部分成，隧道上下行分離，并列布置，洞身左右線間距不小于55 m。天山勝利隧道的洞口效果圖如圖1所示。

圖1 天山勝利隧道洞口效果圖

天山勝利隧道坡度有5個(gè)，整理呈人字坡，具體坡度及長(zhǎng)度設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 天山勝利隧道縱坡分布長(zhǎng)度

2 天山勝利隧道火災(zāi)蔓延規(guī)律及可用安全疏散時(shí)間

2.1 火災(zāi)煙氣模擬方法

采用FDS(fire dynamics simulator)模擬天山勝利隧道內(nèi)的火災(zāi)，F(xiàn)DS專門針對(duì)火災(zāi)過程中的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，對(duì)與計(jì)算火災(zāi)過程中的煙氣流動(dòng)和熱傳遞有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[11-12]。模擬遵循的基本控制方程如下。

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

能量守恒方程為

(3)

狀態(tài)方程為

(4)

式中：ρ為氣體密度，kg/m3；g為重力加速度；t為時(shí)間，s；u為速度矢量，m/s；f為外部力矢量，N；τij為牛頓流體黏性應(yīng)力張量，N；hs為顯焓，J/kg；P為壓力，Pa；qm為單位體積的熱釋放速率，W/m3；qn為熱通量矢量，W/m2；ε為耗散函數(shù)；R為理想氣體常數(shù)；W為氣體混合物相對(duì)分子質(zhì)量。

2.2 火源設(shè)置

通過天山勝利隧道的交通量預(yù)測(cè)報(bào)告，明確大型車比例為27.6%，中型車比例為9.5%，小型車比例為62.9%。考慮到火災(zāi)串燃引燃側(cè)方及前后車輛，并且最多只有一輛大型車燃燒，確定火災(zāi)規(guī)模為35 MW，而考慮到高海拔低溫、低壓、低氧環(huán)境對(duì)火災(zāi)規(guī)模的影響[13]，最終確定火源規(guī)模為22 MW。

2.3 模型建立

以天山勝利隧道作為依托，建立不同坡度(0.5%、1.0%、1.367%和1.8%)時(shí)的火災(zāi)燃燒模型，隧道長(zhǎng)度取1 000 m，火源位于500 m處，主隧道內(nèi)輪廓為半徑650 cm半圓，單洞不設(shè)仰拱凈空斷面面積70.50 m2。氣壓設(shè)置為70 107.48 Pa，溫度為15 ℃。加密區(qū)網(wǎng)格為0.5 m×0.5 m×0.5 m，非加密區(qū)網(wǎng)格為1 m×1 m×1 m。模型如圖2所示。

圖2 天山勝利隧道模型

2.4 火災(zāi)溫度及煙氣分布規(guī)律

通過在隧道拱頂及人眼特征高度(2 m)處設(shè)置的溫度及可視度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算得到不通風(fēng)模式下離火源不同距離的溫度及可視度分布曲線，如圖3所示。

負(fù)半軸對(duì)應(yīng)火源上坡方向側(cè)；正半軸對(duì)應(yīng)火源下坡方向側(cè)

由圖3(a)、圖3(b)可知：隧道內(nèi)溫度隨著遠(yuǎn)離火源逐漸下降，火源點(diǎn)上方拱頂最高溫度達(dá)到約1 371 ℃、人眼特征高度處約1 203 ℃；火源上坡方向隧道內(nèi)溫度上升速度大于下坡方向，人眼特征高度處，上坡方向溫度高于60 ℃的范圍達(dá)到近300 m，下坡方向除坡度0.5%為40 m外，其余均不超過10 m；隨著隧道坡度的增加，火源點(diǎn)上方拱頂最高溫度總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，當(dāng)坡度為0.5%時(shí)，最高溫度達(dá)到1 264 ℃，當(dāng)坡度為1%時(shí)，最高溫度達(dá)到1 371 ℃，當(dāng)坡度為1.367%時(shí)，最高溫度達(dá)到965 ℃，當(dāng)坡度上升至1.8%時(shí)，拱頂最高溫度降到813 ℃。

由圖3(c)、圖3(d)可知：隧道內(nèi)可視度隨著遠(yuǎn)離火源逐漸上升，火源點(diǎn)上方拱頂最低可視度達(dá)到約4.3 m、人眼特征高度處可視度約4.1 m；由于煙囪效應(yīng)影響，上坡方向可視度遠(yuǎn)低于下坡方向，隨著坡度的增加，煙囪效應(yīng)越明顯，煙氣流動(dòng)速度越快；隨著隧道坡度的增加，隧道內(nèi)可視度逐漸升高，人眼特征高度處，當(dāng)坡度為0.5%時(shí)，上坡方向隧道內(nèi)可視度達(dá)到約7 m，當(dāng)坡度為1%時(shí)，上坡方向隧道內(nèi)可視度達(dá)到約9 m，當(dāng)坡度為1.367%時(shí)，上坡方向隧道內(nèi)可視度達(dá)到約10 m，當(dāng)坡度上升到1.8%時(shí)，拱頂最低可視度上升到約11 m。

2.5 可用安全疏散時(shí)間

根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10020—2017)可知，可用安全疏散時(shí)間的確定應(yīng)滿足隧道內(nèi)人眼特征高度2 m處，煙氣溫度不超過60 ℃且可視度不小于10 m的規(guī)定[14]。由于火源上坡方向相比于下坡方向更危險(xiǎn)，因此，提取火源上坡方向基于溫度和可視度綜合影響下的可用安全疏散時(shí)間曲線，得到各坡度下的可用安全疏散時(shí)間如圖4所示。

圖4 各坡度可用安全疏散時(shí)間

由圖4可知：隨著遠(yuǎn)離火源，可用安全疏散時(shí)間逐漸增加，當(dāng)距離火源20 m范圍內(nèi)，可用安全疏散時(shí)間變化率極大，在20～400 m范圍，可用安全疏散時(shí)間平穩(wěn)增長(zhǎng)，由350 s左右上升至約500 s；隨著隧道坡度的增加，可用安全疏散時(shí)間逐漸減少，當(dāng)坡度為0.5%、1%、1.367%和1.8%時(shí)，距離火源250 m位置處的可用安全疏散時(shí)間分別為496、456、430、415 s。

3 天山勝利人員疏散規(guī)律及必需安全疏散時(shí)間

3.1 人員仿真模擬方法

Pathfinder軟件專用于人員疏散仿真模擬，主要包括SFPE模式和Steering兩種模式，而Steering更加符合人員疏散的實(shí)際過程。因此，采用Steering模式，通過對(duì)人員基本屬性、隧道及隧道內(nèi)車輛各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)定，模擬高海拔公路隧道火災(zāi)模式下的人員的疏散。

3.2 疏散人員屬性參數(shù)確定

3.2.1 人員疏散速度確定

(1)高海拔環(huán)境對(duì)人員疏散速度影響。根據(jù)PIARC給出人員疏散的速度在0.5～1.5 m/s[15]，取兒童疏散速度為0.8 m/s，成年男性疏散速度為1.2 m/s，成年女性疏散速度為1.0 m/s，老人疏散速度為0.72 m/s。高海拔地區(qū)低氧環(huán)境會(huì)對(duì)人員疏散造成很大的影響，根據(jù)高海拔地區(qū)人員逃生速度測(cè)試，得到不同海拔人員疏散速度，與平原地區(qū)人員逃生速度相比，得出高海拔環(huán)境對(duì)疏散速度的折減系數(shù)[16]，如表2所示。

表2 高海拔環(huán)境下疏散速度的折減系數(shù)

結(jié)合高海拔環(huán)境下疏散速度的折減系數(shù)，得到各海拔人員疏散速度如表3所示。

表3 不同海拔人員的疏散速度

天山勝利隧道海拔高度取 2 800 m，結(jié)合各海拔人員的疏散速度，采取線性插入得到兒童疏散速度為0.77 m/s，成年男性疏散速度為1.154 m/s，成年女性疏散速度為0.967 m/s，老人疏散速度為0.693 m/s。

(2)火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散速度影響。火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散速度會(huì)有較大影響，主要體現(xiàn)在煙氣的消光系數(shù)Ks對(duì)人員疏散的影響，火災(zāi)煙氣中人員的疏散速度可根據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算[17]。

(5)

天山勝利隧道火災(zāi)煙氣中人員疏散速度如表4所示。

表4 天山勝利隧道火災(zāi)煙氣中人員疏散速度

3.2.2 疏散人員數(shù)量確定

(1)車輛類型及載客量。大型車、中型車、小型車的尺寸根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[18]擬定，如表5所示。具體載客量如表6所示。

表5 各類型車輛尺寸

表6 各類型車輛載客量

(2)疏散人員數(shù)量。考慮最不利情況，火災(zāi)發(fā)生后，隧道內(nèi)車輛發(fā)生嚴(yán)重阻塞，車輛前后間距較正常行駛情況要小得多，取1 m；車輛類型按照天山勝利隧道車型比例選取，建立雙車道車輛模型及乘客數(shù)量如表7所示。

表7 各類型車輛尺寸

3.3 人員疏散模式確定

隧道發(fā)生火災(zāi)后，隧道內(nèi)通風(fēng)方向與車流方向一致，火源下游車輛向前繼續(xù)行駛，由隧道出口離開事故隧道；火源上游車輛由前方最近的車行橫通道離開事故隧道；臨近火源附近車輛若沒有車行橫通道，則人員需下車，步行有人行橫通道離開隧道；若火源上游距離最近的橫通道是車行橫通道，為了人車分離疏散，防止二次事故發(fā)生，此時(shí)的車行橫通道需改為人行橫通道使用。

基于上述原則，結(jié)合天山勝利隧道橫通道類型組合情況，分析得到了最不利的疏散模式為當(dāng)火源點(diǎn)在人行橫通道口，上游相鄰橫通道依次為人行橫通道和車行橫通道，此時(shí)人員疏散的壓力最大，火源點(diǎn)相鄰人行橫通道需要疏散2倍橫通道間的人數(shù)，如圖5所示。

圖5 最不利工況疏散模式

3.4 人員疏散三維模型建立

取橫通道間距為180、200、220、250、300 m，橫通道寬度為1.2、1.5、1.8、2、2.2、2.5 m，組合后的工況如表8所示，人員疏散模型圖如圖6所示。

表8 工況

圖6 Pathfinder人員疏散二維模型圖

3.5 必需安全疏散時(shí)間

人員必需安全疏散時(shí)間為隧道內(nèi)最后一個(gè)人到達(dá)橫通道防護(hù)門口離開隧道的時(shí)間，通過對(duì)不同工況下人員疏散進(jìn)行模擬，整理得出不同工況下人員必需安全疏散時(shí)間如表9所示，對(duì)比曲線如圖7、圖8所示。

表9 不同工況下的人員疏散時(shí)間

圖7 不同橫通道寬度下人員疏散時(shí)間

圖8 不同橫通道間距下的疏散時(shí)間

由表9、圖7、圖8可知，隧道內(nèi)人員疏散時(shí)間與橫通道寬度和間距密切相關(guān)。

(1)當(dāng)橫通道間距相同時(shí)，人員必需安全疏散時(shí)間隨著橫通道寬度的增大而減小。當(dāng)橫通道間距為220 m時(shí)，在橫通道寬度2.5 m相比于1.2 m，人員必需安全疏散時(shí)間減少51.7%；當(dāng)橫通道寬度為2 m以上時(shí)，人員必需安全疏散時(shí)間減少率降低。

(2)當(dāng)橫通道寬度相同時(shí)，人員必需安全疏散時(shí)間隨著橫通道間距的增大而增大，當(dāng)橫通道寬度為2 m時(shí)，橫通道間距300 m相比于180 m，人員必需安全疏散時(shí)間增加65.6%；當(dāng)橫通道間距大于250 m時(shí)，人員必需安全疏散時(shí)間增加率降低。

4 橫通道結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)建議值

根據(jù)人員安全疏散準(zhǔn)則：可用安全疏散時(shí)間大于必需安全疏散時(shí)間時(shí)，人員安全。由此可以將兩個(gè)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，基于安全等級(jí)給出了天山勝利隧道橫通道間距及寬度的結(jié)構(gòu)尺寸推薦值，具體如表10所示。

表10 不同工況下橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值

由表10可知，當(dāng)隧道坡度為0.5%時(shí)，建議橫通道間距為250 m，橫通道寬度為2 m，如果有條件可以選取橫通道間距為220 m，此時(shí)橫通道寬度設(shè)置1.8 m，雖然橫通道間距設(shè)置為300 m、寬度為2.2 m時(shí)也基本可以滿足人員疏散要求，但由于是高海拔地區(qū)，人員疏散機(jī)能下降，長(zhǎng)距離疏散存在人員體力不支的風(fēng)險(xiǎn)，因此建議僅在建設(shè)困難條件下采取橫通道間距為300 m的情況；當(dāng)隧道坡度為1.0%，建議橫通道間距為250 m，橫通道寬度為2.2 m，如果有條件可以選取橫通道間距為220 m，此時(shí)橫通道寬度設(shè)置2 m；當(dāng)隧道坡度為1.367%時(shí)，建議橫通道間距為220 m，橫通道寬度為2 m，如果有條件可以選取橫通道間距為200 m，此時(shí)橫通道寬度設(shè)置2 m；當(dāng)隧道坡度為1.8%時(shí)，建議橫通道間距為220 m，橫通道寬度為2.2 m，如果有條件可以選取橫通道間距為200 m，此時(shí)橫通道寬度設(shè)置2 m。

5 結(jié)論

以天山勝利隧道為依托，通過對(duì)高海拔超長(zhǎng)公路隧道火災(zāi)模式下橫通道設(shè)計(jì)參數(shù)的研究，得到如下主要結(jié)論。

(1)隧道坡度越大，煙囪效應(yīng)越明顯，火源上坡方向溫度上升及可視度下降速度越快，可用安全疏散時(shí)間越少。

(2)考慮高海拔環(huán)境及火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散的影響，確定兒童、成年男性、成年女性及老人的疏散速度分別為0.72、1.07、0.91、0.65 m/s。

(3)隨著橫通道間距的增加和寬度的減少，人員必需安全疏散時(shí)間逐漸增加，當(dāng)橫通道間距為220 m時(shí)，橫通道寬度2.5 m相比于1.2 m，人員必需安全疏散時(shí)間的減少51.7%，當(dāng)橫通道寬度為2 m時(shí)，橫通道間距300 m相比于180 m，人員必需安全疏散時(shí)間增加65.6%。

(4)隨著隧道坡度的增加，滿足人員安全疏散的橫通道間距減少，寬度增加。當(dāng)隧道坡度為0.5%時(shí)，建議橫通道間距為250 m，橫通道寬度為2 m；隧道坡度為1.8%時(shí)，建議橫通道間距為220 m，橫通道寬度為2.2 m。