三車道公路隧道火災工況煙氣蔓延規律及可用疏散時間研究

探明火災工況下隧道內煙氣蔓延規律對于保障隧道內人員安全疏散意義重大。依托三車道秦嶺天臺山公路隧道，考慮不同自然風風速等影響因素，運用數值計算對煙氣蔓延規律及可用疏散時間進行了研究，取得如下成果：隨著自然風風速增加，縱向各測點溫度呈現了減小的趨勢，橫截面各測點隨自然風風速的增加各測點溫度呈現下降趨勢。自然風風速為3.5 m/s時，隧道可用安全時間大大減少僅為430 s，人員逃生安全性顯著降低。研究成果可為依托工程防災救援提供技術支撐，也可為類似公路隧道火災工況下人員疏散提供借鑒。

公路隧道； 火災工況； 自然風風速； 可用疏散時間

U456.3+3A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2024-01-24

［基金項目］四川交投設計咨詢院自立科技項目（項目編號：KYL2022010056）；云南省交通運輸廳科技計劃項目（項目編號：云交科教便（2019）6號）；陜西省交通運輸科技項目（項目編號：2015-11K）；江蘇百盛安全科技有限公司委托項目（項目編號：R110122H01055）

［作者簡介］王維嘉（1985—），男，碩士，高級工程師，主要從事高速公路設計、咨詢和研究工作。

0" 引言

隨著西部交通基礎設施建設的蓬勃發展以及地區間經濟交流的不斷增強，對于運量較高的三車道公路隧道需求越來越多，從而建設了眾多三車道大交通流公路隧道。伴隨著車輛交通流的增加，隧道內出現危害程度最高的火災安全事故概率顯著增加，給洞內駕乘人員生命財產安全帶來嚴重威脅。特別是現有三車道大交通流隧道又呈現出里程長以及洞口易受自然風影響的特點，諸如剛通車的秦嶺天臺山隧道，全長15.5 km，隧道位于氣象分隔帶處，洞口常見存在自然風，給火災工況下隧道運營防災救援帶來不小的挑戰。對于火災工況隧道煙氣蔓延規律以及可用安全疏散時間，國內外的學者進行了大量的研究。Delichatsios M A［1］通過模型試驗探究了火災工況下煙霧擴散規律，并根據試驗數據得到了煙氣溫度縱橫向分布的計算表達式。W.K. Chow等［2］運用模型試驗與數值計算相結合的手段，考慮了坡度等影響因素，給出了煙霧的溫度及擴散速度的計算公式。胡隆華［3］通過足尺模型試驗以及現場試驗，給出了火災煙氣溫度衰減模型。王明年等［4］運用數值計算手段探究了城市公路隧道發生火災時，橫通道兩側全開和只開一側橫通道時溫度分布規律，給出了火災工況下的橫通道土建合理建議值。嚴濤等［5， 6］考慮了巴朗山隧道的低交通流現狀，展開了火災燃燒以及人員疏散數值計算，給出了人員疏散可用時間以及必需時間，給出了火災工況下橫通道間距及大小的土建參數建議值。王明年等［7-10］以秦嶺終南山特長公路隧道為依托工程，建立了大型的模型試驗場地，該場地能夠模擬橫通道和斜豎井聯合作用下的各種復雜火災工況，同時也能很好的重現各種組合方式下的通風工況，并實現了對溫度、風速等各類參數的實時自動化采集，為我國公路隧道防災救援技術做出來巨大貢獻。建立了秦嶺超長公路隧道火災模式下的相似比例模型，運用該模型對不同火災規模、不同隧道縱坡以及不同通風風速下的煙霧擴散特性進行了系統的研究，研究成果有力的支撐了18.04 km的秦嶺公路隧道建設。上述研究主要集中在兩車道隧道考慮坡度、曲線半徑等方面，考慮自然風對火災擴散規律的影響研究較少。基于此，依托長度為15.5 km的陜西秦嶺天臺山隧道，研究自然風風速對三車道隧道內煙霧擴散的影響規律。

1" 三車道公路隧道火災三維模型建立

1.1" 三車道公路隧道火災計算模型

根據JTG/T D70/2-02-2014《公路隧道通風設計細則》［11］本次計算選取自然風影響下的洞口段計算長度為1 100 m，隧道縱坡按天臺山隧道實際縱坡取值為1.7%。

隧道火災發生具有隨機性，洞口段由于明暗適應的影響也易發生火災，同時洞口受外界自然風影響，煙霧會產生回灌現象，考慮自然風吹向洞內為最不利工況，如圖1所示。

火災發生在隧道洞口段時，由于要考慮自然風，需建立隧道洞外大氣域。建立行車方向縱向X方向總長1 050 m的隧道模型，火源位于X方向0 m處，火源離隧道出口位置長度為50 m，Y及Z方向同隧道中間段設置。大氣域XYZ三個方向分別為50 m×50 m×50 m，洞口段三個方向邊界值如表1所示。天臺山隧道三維計算模型見圖2。隧道壁面材料及大氣環境數值計算參數見表2。

1.2" 測點布置

為了分析火災時煙氣蔓延以及溫度的縱橫向分布規律，距離火源點較近處200 m范圍內按照20 m一處布置測點，測點高度為人眼特征高度處2 m位置，離火源點200 m以外按照50 m一處布置測點。如圖3所示。

1.3" 計算工況

本文的計算為洞口段考慮自然風風速對火災蔓延規律的影響，通過在隧道洞口建立氣象站進行為期一年的自動氣象觀測，如圖4所示。

對測試數據進行分析，分別得到隧道進口寶雞端以及出口坪坎端自然風風速如圖5所示。

從圖5可知，隧道進口端自然風風速為0～7 m/s，出口端自然風風速為0～5.5 m/s，其中0～2.5 m/s出現的頻率最高，偶爾短時期內會出現超過6 m/s的風速。根據監測可知隧道進口端自然風風向以東南向為主，達到20.01%，隧道出口端自然風風向以東南偏南為主，達到18.04%。

自然風并不是全部平行吹入洞內，一般是與隧道軸線呈現一定的夾角，本文計算過程按照最不利考慮即自然風風向與隧道軸線夾角為0平行吹入隧道，計算自然風風速設置情況如表3所示。

鐵路與公路王維嘉： 三車道公路隧道火災工況煙氣蔓延規律及可用疏散時間研究

2" 火災煙霧擴散規律及溫度分布規律

2.1" 不同自然風風速條件煙氣蔓延規律

0～7 m/s自然風風速條件下煙氣蔓延到1 000 m處的時間如圖6所示。平均蔓延速度如圖7所示。

由圖6可知，火災煙氣蔓延的前200 m，不同自然風風速條件下對煙氣蔓延影響不大，超過200 m后，呈現顯著的不同，隨著自然風風速的增大，蔓延至1 000 m的時間大大降低，當自然風風速達到7 m/s時，蔓延至1 000 m的時間僅為245 s。由圖7可知自然風風速對煙氣蔓延速度影響較大，當自然風風速達到4 m/s時，由于自然風的存在，與大氣阻力以及隧道壁面摩擦阻力平衡，蔓延速度呈現等速的趨勢，當自然風風速小于4 m/s時，蔓延速度呈現下降的趨勢，當自然風風速大于4 m/s時，蔓延速度呈現上升的趨勢，最大可達到5.2 m/s。

2.2" 不同自然風風速條件溫度縱橫向分布規律

2.2.1" 縱向溫度

不同自然風風速條件下隧道拱頂處溫度分布規律如圖8所示。

自然風的存在加速了高溫氣體的流動同時會帶走部分火源點的高溫熱量，特別是在距離火源點400 m的范圍內，煙氣呈現不規則波動，隨著自然風風速增加，溫度呈現了減小的趨勢，而400 m以后由于自然風風速帶走的熱量有所不同，隨著自然風風速的增加，溫度逐漸上升。

2.2.2" 橫向溫度

不同自然風風速條件橫截面最高溫度分布如圖9所示。

不同自然風風速條件下各測點橫截面溫度下降趨勢基本一致，距火源20 m的范圍內，各風速下的橫截面最高溫度下降趨勢較陡，表明該區域溫度受自然風影響較大，隨著距離的增加，溫度下降趨勢放緩，自然風越大，溫度下降越多，以自然風風速6 m/s為例，從火源至距離火源600 m處溫度由270 ℃下降到155 ℃。

3" 三車道公路隧道人員安全疏散可用時間

3.1" 判定基準

隧道人員安全疏散判定標準：①特征高度2.0 m處，環境溫度不超過60 ℃；②特征高度2.0 m處，可見度超過10 m。人員安全疏散需同時滿足這兩個標準。

3.2" 考慮自然風風速條件可用安全疏散時間

根據前文實測并處理數據后分析的自然風風速分布規律，計算選取頻率出現最高的3.5 m/s自然風風速值；實測中出現的較大自然風風速值6.5 m/s作為較不利的自然風速值進行對比分析，計算工況如表4所示。

3.2.1" 自然風風速3.5 m/s可用疏散時間

自然風風速為3.5 m/s時各工況下人員安全疏散可用時間如圖10所示。

30MW火災且不縱向機械通風條件下，1 000 m處隧道人員安全疏散可用時間為430 s，隨著縱向通風風速由1 m/s增加到3 m/s，各測點下可用安全時間相較未通風時，顯著增加，人員逃生安全性也增加，機械縱向通風的存在抵消了自然風對煙霧擴散的不利影響。

3.2.2" 自然風風速6.5 m/s可用疏散時間

自然風風速為6.5 m/s時各工況下人員安全疏散可用時間如圖11所示。

30MW火災且不縱向機械通風條件下，1 000 m處隧道人員安全疏散可用時間為220 s，對比3.5 m/s自然風風速下的可用安全疏散時間，其值是大大降低，證明自然風風速的增加將加速火災煙氣的流動，不利于人員安全逃生。隨著縱向通風風速由1 m/s增加到4 m/s，各測點下可用安全時間相較未通風時，顯著增加，人員逃生安全性也增加，機械縱向通風的存在抵消了自然風對煙霧擴散的不利影響。綜上，在有自然風存在的洞口需考慮其對火災工況下煙氣流動的影響。

4" 結論及建議

依托秦嶺天臺山三車道公路隧道，對其火災工況下煙氣擴散規律以及人員疏散可用安全時間進行了研究，得到結論：

（1）不同自然風風速條件下隨著自然風風速增加，縱向各測點溫度呈現了減小的趨勢，橫截面各測點隨自然風風速的增加各測點溫度呈現下降趨勢。

（2）自然風風速為3.5 m/s時，隧道可用安全時間大大減少僅為430 s，人員逃生安全性顯著降低。

（3）自然風存在的洞口，建議考慮其對火災工況下煙流蔓延的影響。

參考文獻

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