車輛阻塞對(duì)隧道火災(zāi)中人員疏散的影響分析

杜 朋,呂 品,夏丁超,王金月

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

近年來,我國(guó)公路隧道的數(shù)量和里程呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)交通運(yùn)輸部2021年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[1],截止2021年底,全國(guó)公路隧道共有23 268處,比上一年增加1 952處,隧道總里程超過2 469.89萬延米。隨著隧道數(shù)量的增加,隧道火災(zāi)發(fā)生的頻率也大幅增加。當(dāng)阻塞的隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),阻塞的車輛會(huì)占據(jù)隧道的部分空間[2],使得隧道內(nèi)縱向通風(fēng)過流面積減小,進(jìn)而影響臨界風(fēng)速,并對(duì)隧道防排煙以及人員疏散造成困難。因此,研究縱向通風(fēng)隧道內(nèi)車輛阻塞對(duì)隧道火災(zāi)人員疏散的影響具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道內(nèi)存在阻塞的情況進(jìn)行了大量研究。Li等[3]研究阻塞比對(duì)隧道火災(zāi)的影響,結(jié)果表明臨界風(fēng)速和頂棚最高溫度隨著阻塞比的增大逐漸減小。Luo等[4]研究車輛阻塞場(chǎng)景對(duì)縱向通風(fēng)隧道火災(zāi)煙氣蔓延的影響,結(jié)果表明縱向風(fēng)速相同時(shí),隨著堵塞長(zhǎng)度的增加,隧道頂棚最高溫度先降低后逐漸升高。Meng等[5]研究了隧道阻塞比對(duì)縱向通風(fēng)隧道火災(zāi)特性的影響,提出了包含阻塞比因素的隧道頂棚最高溫度預(yù)測(cè)公式。趙香玲等[6]采用FDS(Fire Dynamics Simulator)對(duì)堵塞效應(yīng)下隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速進(jìn)行研究,結(jié)果表明火源上游處和火源處阻塞比的增加均會(huì)導(dǎo)致隧道臨界風(fēng)速的減小。唐偉[7]通過小尺寸試驗(yàn)研究障礙物對(duì)隧道火災(zāi)煙氣逆流行為的影響,得到了障礙物存在情況下煙氣逆流長(zhǎng)度預(yù)測(cè)公式。梁華剛等[8]采用數(shù)值模擬對(duì)車輛阻塞效應(yīng)下隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速進(jìn)行研究,結(jié)果表明在相同火災(zāi)規(guī)模下臨界風(fēng)速隨阻塞比的增加逐漸減小。楊宇軒等[9]采用小尺寸隧道研究阻塞車輛對(duì)煙氣溫度分布特性的影響,結(jié)果表明阻塞效應(yīng)會(huì)降低煙氣向有阻塞物側(cè)縱向蔓延的溫度衰減速度。

不難發(fā)現(xiàn),國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究隧道內(nèi)阻塞車輛對(duì)隧道溫度以及臨界風(fēng)速的影響,而對(duì)車輛阻塞下的人員疏散研究較少。因此,本文以鷹嘴巖隧道為研究對(duì)象,采用流體動(dòng)力軟件FDS按照實(shí)際參數(shù)建立隧道數(shù)值模型,選取3種常見車型,將阻塞車輛布置在火源上游兩側(cè)車道,通過改變兩側(cè)車道上車型組合,得到不同車型組合情況下隧道溫度以及能見度的變化及分布情況,以研究隧道阻塞時(shí)上游阻塞車輛對(duì)隧道火災(zāi)人員疏散的影響。

1 數(shù)值模擬及工況設(shè)置

1.1 隧道模型建立

以鷹嘴巖隧道為研究對(duì)象,通過FDS數(shù)值模擬軟件建立全尺寸隧道模型,該隧道為雙洞單向隧道,采用縱向排煙模式。隧道橫斷面寬度為11.2 m,主要包括兩條寬度為3.75 m的行車道和兩條寬度1 m的人行道,隧道斷面輪廓如圖1所示。隧道模擬計(jì)算長(zhǎng)度取600 m,包括兩條人行橫通道,兩條人行橫通道間距為250 m,第一條人行橫通道距隧道入口處200 m。

圖1 隧道斷面輪廓(單位:mm)

1.2 火災(zāi)場(chǎng)景及工況設(shè)定

在公路隧道通行車輛中,火源功率最大的為貨車和公交車。根據(jù)2017RO1EN世界道路協(xié)會(huì)的研究報(bào)告《公路隧道火災(zāi)特性設(shè)計(jì)》給出的建議值[10]如表1所示,考慮隧道內(nèi)一輛貨車起火的最不利情況,本文將火源設(shè)置為30 MW,火源尺寸為10 m×2.5 m×1 m。采用t2火模型,選擇火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.187 8,30 MW火災(zāi)達(dá)到最大熱釋放速率的時(shí)間為399 s。

表1 不同類型車輛熱釋放速率

實(shí)際隧道火災(zāi)中,著火的車輛通常位于隧道一側(cè)車道上。因此,考慮隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)最不利情況,將火源設(shè)置在隧道一處人行橫通道出口處,如圖2所示。由于火源位于橫通道入口處,該橫通道始終為關(guān)閉狀態(tài),阻塞在火源下游的人員只能通過下游橫通道進(jìn)行疏散。選取2.5、3.0 m/s 2種縱向風(fēng)速和3種常見車型,車型尺寸如表2所示。對(duì)火源上游車輛阻塞場(chǎng)景簡(jiǎn)化,將阻塞車輛布置在火源上游兩側(cè)車道,并改變兩側(cè)車道車型組合,模擬工況如表3所示。

表2 不同種類車型尺寸

表3 數(shù)值模擬工況

圖2 隧道模型俯視

在火源至隧道下游出口400 m區(qū)域內(nèi)靠近橫通道的人行道2 m高度處每隔10 m布置溫度探測(cè)器,每隔50 m布置能見度探測(cè)器,測(cè)量隧道溫度和能見度變化情況。在頂棚下方0.1 m處布置溫度探測(cè)器,測(cè)量隧道頂棚煙氣溫度。

1.3 危險(xiǎn)臨界值

火災(zāi)中煙氣聚集容易使周圍環(huán)境溫度升高、能見度降低,對(duì)人員疏散帶來阻礙。因此,選取離人2 m高度處溫度和能見度作為隧道火災(zāi)中人員疏散安全性的判斷標(biāo)準(zhǔn)[11]。表4為危險(xiǎn)臨界值。

表4 危險(xiǎn)臨界值

1.4 網(wǎng)格分析

根據(jù)FDS用戶手冊(cè)給出的建議[12],網(wǎng)格尺寸可以由火源特征直徑D*來確定。火源特征直徑D*的計(jì)算如式(1)所示。

(1)

式中:D*為火源特征直徑;g為重力加速度;ρ∞為環(huán)境空氣密度;T∞為環(huán)境溫度;cp為空氣比熱容;Q為火源功率。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)特征直徑與網(wǎng)格尺寸的比值在4～16時(shí),模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。根據(jù)計(jì)算火源功率30 MW時(shí),網(wǎng)格尺寸的取值在0.23～0.93 m之間。為了保證計(jì)算精度,并且縮短計(jì)算時(shí)間,選取0.30 m作為數(shù)值模擬網(wǎng)格尺寸,網(wǎng)格總數(shù)為1 846 736。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 隧道頂棚溫度分析

隧道不同縱向風(fēng)速下頂棚煙氣溫度分布曲線如圖3所示。

(a) 2.5 m/s縱向風(fēng)速

由圖3(a)可知,在2.5 m/s縱向風(fēng)速下隧道頂棚最高溫度為工況6的749 ℃,頂棚最低溫度為工況8的349 ℃。由圖3(b)可知,在3.0 m/s縱向風(fēng)速下隧道頂棚最高溫度為工況16的629 ℃,頂棚最低溫度為工況18的323 ℃。可見縱向風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致頂棚最高溫度降低。在2.5和3.0 m/s縱向風(fēng)速下隧道下游頂棚煙氣溫度變化趨勢(shì)趨于一致,都隨著縱向距離的增加逐漸降低。當(dāng)隧道無阻塞時(shí),上游頂棚煙氣溫度最高,當(dāng)隧道兩側(cè)車道均為大型車阻塞時(shí),隧道上游頂棚煙氣溫度最低;固定非火源側(cè)車道阻塞車型,改變火源側(cè)車道阻塞車型時(shí),隨著火源側(cè)車道阻塞車型的增大,火源上游煙氣溫度逐漸降低。因此,在相同縱向風(fēng)速下,隧道上游煙氣逆流長(zhǎng)度隨著阻塞車型的增加逐漸減小,上游煙氣溫度也逐漸降低。隧道無阻塞時(shí)煙氣逆流長(zhǎng)度最大,隧道兩側(cè)車道阻塞相同種類車型時(shí),隨著阻塞車型的增大,煙氣逆流長(zhǎng)度逐漸減小。固定非火源側(cè)車道阻塞車輛類型,改變火源側(cè)車道阻塞車型時(shí),隧道煙氣逆流長(zhǎng)度隨著火源側(cè)車道阻塞車型的增大逐漸減小。對(duì)比圖3(a)、圖3(b)可知,隧道車道阻塞車型組合相同時(shí),隨著縱向風(fēng)速的增加,隧道煙氣逆流長(zhǎng)度逐漸減小。

2.2 隧道溫度分析

2.5 m/s風(fēng)速下非火源車道阻塞小型車時(shí),2 m高度處500 s時(shí)縱向溫度分布如圖4所示。由圖4可知,火源范圍處最高溫度為工況2的192 ℃,當(dāng)與火源距離超過20 m時(shí)隧道2 m高度處溫度大幅下降,但仍然高于臨界溫度60 ℃。當(dāng)火源側(cè)車道阻塞小型車時(shí),隧道2 m高度處溫度隨著非火源側(cè)車道阻塞車型的增大逐漸增加,并且2 m高度處超過60 ℃的范圍長(zhǎng)度也逐漸增加。工況2、3、4在2 m高度處超過60 ℃的范圍長(zhǎng)度分別為30 、40 、120 m。

圖4 2.5 m/s風(fēng)速下非火源側(cè)車道阻塞小型車時(shí)溫度分布

2.5和3.0 m/s縱向風(fēng)速下隧道車道阻塞相同種類車型時(shí),2 m處500 s時(shí)縱向溫度分布如圖5所示。由圖5可知,在不同風(fēng)速下,火源范圍處溫度最高的均為兩側(cè)車道同時(shí)阻塞大型車的情況,溫度最低的均為阻塞小型車的情況。在隧道上游兩側(cè)車道阻塞相同車型時(shí),各工況2 m高度處縱向溫度都隨著阻塞車型的增大逐漸增加,并且火源下游超過臨界溫度的范圍長(zhǎng)度隨著阻塞車型和縱向風(fēng)速的增大而增加。

(a) 2.5 m/s縱向風(fēng)速

500 s時(shí)工況1、2、6、9在2 m高度處超過60 ℃的區(qū)域分別為火源至下游20、30、50、120 m。工況11、12、16、19在2 m高度處超過60 ℃的區(qū)域分別為火源至下游30、50、60、180 m。各工況2 m高度處超過60℃的范圍下火源至下游長(zhǎng)度分布如表5所示。

表5 2 m高度處超過60 ℃的范圍

由表5可知,當(dāng)隧道車道存在大型車阻塞時(shí),2 m高度處超過60 ℃區(qū)域的長(zhǎng)度均大于100 m。在2.5和3.0 m/s 2個(gè)縱向風(fēng)速下超過60 ℃的范圍長(zhǎng)度最大的均為火源側(cè)車道阻塞小型車,非火源側(cè)車道阻塞大型車的情況。因此,當(dāng)隧道存在阻塞時(shí),對(duì)于隧道下游人員的疏散需要考慮合適的縱向通風(fēng)風(fēng)速。

2.3 隧道能見度分析

2.5和3.0 m/s風(fēng)速下隧道車道阻塞相同種類車型時(shí),2 m高度處500 s時(shí)能見度分布如圖6所示。由圖6可知,各工況在火源至下游距離50 m處的能見度達(dá)到最大值,并且能見度最大值隨著阻塞車型的增大逐漸降低。隨著縱向風(fēng)速增加,煙氣逆流長(zhǎng)度減小,更多煙氣向下游流動(dòng),隧道下游煙氣分層逐漸被破壞,對(duì)比圖6(a)、圖6(b)可知,隧道火源下游100 m處至隧道下游出口區(qū)域的能見度隨著縱向風(fēng)速的增加逐漸降低。2.5 m/s風(fēng)速下非火源車道阻塞小型車時(shí)2 m高度處500 s時(shí)能見度分布如圖7所示。

(a) 2.5 m/s縱向風(fēng)速

圖7 2.5 m/s風(fēng)速下非火源側(cè)車道阻塞小型車時(shí)能見度分布

由圖7可知,各工況隧道2 m高度處能見度隨著縱向距離的增加呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢(shì)。在隧道非火源側(cè)車道阻塞小型車時(shí),2 m高度處能見度隨著火源側(cè)車道阻塞車型的增大逐漸降低,并且距離火源中心50 m處位置的隧道最大能見度也隨著阻塞車型的增加逐漸減小,50 m位置的能見度從15 m逐漸降低至臨界值之下。由圖6和圖7可知,各工況能見度都呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢(shì),主要由于火源區(qū)域煙氣溫度高,煙氣上浮至頂棚后沿隧道頂棚縱向流動(dòng),隨著煙氣流動(dòng)距離的增加,煙氣溫度逐漸降低,煙氣難以維持穩(wěn)定的分層逐漸下沉,能見度逐漸降低。

2.4 最不利工況下可用安全疏散時(shí)間分析

當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),若隧道內(nèi)存在阻塞,處于火源下游阻塞車輛中的人員須通過下游的橫通道進(jìn)行逃生。通過分析可知,各工況500 s時(shí)2 m高度處超過60 ℃的范圍均未到達(dá)火源下游250 m處橫通道入口區(qū)域,隧道下游橫通道入口區(qū)域2 m高度處能見度低于臨界值10 m。因此隧道人員可用安全疏散時(shí)間由下游橫通道入口處能見度分布情況確定。隧道車道存在大型車阻塞時(shí),2 m高度處超過60 ℃的范圍長(zhǎng)度均大于100 m,并且明顯大于隧道阻塞其他車型時(shí)的范圍長(zhǎng)度;隧道存在大型車阻塞時(shí)隧道2 m高度處能見度均低于其他工況。因此,對(duì)隧道車道存在大型車阻塞時(shí)的可用安全疏散時(shí)間進(jìn)行分析。

典型工況橫通道入口處能見度隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。由圖8可知,隧道無阻塞時(shí),可用安全疏散時(shí)間為498 s;隧道火源側(cè)車道阻塞小型車,非火源側(cè)車道阻塞大型車時(shí),可用安全疏散時(shí)間為386 s;隧道兩側(cè)車道同時(shí)阻塞大型車時(shí),人員可用安全疏散時(shí)間為343 s。

圖8 典型工況橫通道入口處能見度隨時(shí)間變化

隧道車道存在大型車阻塞時(shí)的可用安全疏散時(shí)間如表6所示,由表6可知,隧道存在大型車阻塞時(shí)的人員可用安全疏散時(shí)間遠(yuǎn)低于隧道無阻塞時(shí)的人員可用安全疏散時(shí)間。當(dāng)隧道車道存在大型車阻塞時(shí),對(duì)隧道人員疏散安全性影響最大。因此,隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí),需要注意隧道中阻塞的車輛,并且對(duì)于阻塞的大型車要十分重視。對(duì)表6各工況用安全疏散時(shí)間進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn),縱向風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致人員可用安全疏散時(shí)間減小,對(duì)于縱向通風(fēng)隧道,當(dāng)隧道內(nèi)存在阻塞時(shí),需要合理考慮縱向風(fēng)速。

表6 隧道存在大型車阻塞時(shí)的可用安全疏散時(shí)間

3 結(jié)論

1) 當(dāng)隧道車道阻塞相同種類車型時(shí),隧道溫度和2 m高度處超過60 ℃的范圍長(zhǎng)度隨阻塞車型體積增大逐漸增加,能見度隨阻塞車型體積的增大逐漸減小;固定非火源側(cè)車道阻塞車型,改變火源側(cè)車道阻塞車型時(shí),隧道能見度隨阻塞車型體積的增加逐漸降低,2 m高度處超過60 ℃范圍長(zhǎng)度隨阻塞車型的增大逐漸增加。

2) 當(dāng)增加隧道縱向風(fēng)速時(shí),火源下游2 m高度處超過60 ℃的范圍增大,能見度逐漸降低。縱向風(fēng)速的增加會(huì)給下游人員疏散帶來不利。

3) 相對(duì)于隧道無阻塞的情況,隧道車道存在大型車阻塞時(shí)的可用安全疏散時(shí)間減少幅度最大,對(duì)火源下游人員疏散影響最大。縱向風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致人員可用安全疏散時(shí)間的減小。因此,對(duì)于存在車輛阻塞的隧道,需要合理考慮縱向通風(fēng)風(fēng)速。