消防設施有效性對城市交通隧道內人員可用安全疏散時間的影響研究

摘要：研究了消防設施有效性對城市交通隧道內人員可用安全疏散時間ASET的影響。研究結果表明：火災時隧道內消防設施是否有效啟動對ASET的影響較大，當消防設施均有效動作時，隧道內的ASET大于1200s，但當自動滅火系統或排煙系統中的任一系統未有效啟動時，ASET將顯著減少；隧道內設置自動滅火系統能有效增加ASET；不論消防設施是否有效動作，火災時隧道內的ASET均取決于能見度的大小。

關鍵詞：城市交通隧道；消防設施有效性；可用安全疏散時間

保障火災時人員疏散安全是城市交通隧道建設時需要重點考慮的內容之一，而合理確定火災時隧道內的人員可用安全疏散時間（Available Safety Egress Time，ASET），是開展城市交通隧道人員安全疏散設計的關鍵。

王安民等[1]對三車道大交通流公路隧道火災人員安全疏散進行了研究，得到了不同風速、不同火災規模情況下隧道內的ASET分布情況。董啟偉等[2]對某城市地下道路火災時的人員疏散安全進行了研究，得到了重點排煙模式下的ASET分布情況。胡經緯[3]研究了不同火源功率、不同火源位置和不同縱向風速等因素對隧道內ASET的影響。李森生[4]模擬計算得到了某雙層盾構隧道在重點排煙情況下的ASET分布情況。其他學者也對隧道內火災時的ASET進行了研究[5-6]。但目前的研究均未考慮隧道內消防設施是否有效動作對隧道內人員可用安全疏散時間的影響。

本文將以某城市交通隧道盾構段為研究對象，采用數值模擬方法，研究隧道內火災時消防設施是否有效啟動對人員可用安全疏散時間的影響。

1 隧道基本信息

某城市交通隧道建設工程主線隧道采用盾構法建設，盾構段長度約3km，雙向6車道，不通行危險化學品等機動車。隧道內設置消火栓系統、泡沫-水噴淋系統、排煙系統、火災自動報警系統、應急照明及疏散指示系統、滅火器等消防設施，其中，盾構段采用重點排煙，排煙道設置在隧道頂部，排煙量75m3/s。

2 火災場景設計

2.1" 消防設施有效性組合選擇

本次著重研究自動滅火系統和排煙系統有效性的影響，分別考慮這兩個系統有效和失效兩種狀態及其組合。

2.2" 火源位置

考慮到盾構段隧道內建筑空間基本一致、消防設施及逃生樓梯位置基本均勻布置，設計了1個火源位置——火源位置A。火源位置A位于盾構段內某處逃生梯入口附近，為車輛發生火災。

2.3" 火災模型及火災增長速率

按照t2火災模型發展，火災類別為快速火，火災增長系數α取0.04689kW/s2。

2.4" 火災最大熱釋放速率

2.4.1" 自動滅火系統失效

參考CJJ221—2015《城市地下道路工程設計規范》相關規定，將自動滅火系統失效時設計火災的最大熱釋放速率確定為30MW。

2.4.2" 自動滅火系統有效

假設噴頭動作后火災熱釋放速率不再增加，因此火源的增長時間可近似取為噴頭動作的時間。起火后一直到噴頭有效動作前的時間由以下3部分組成：

①起火至探測到火災的時間TA，通常火焰探測器可探測到的最小火焰尺寸為0.3m，火焰蔓延速度為0.006m/s，因此，取TA=0.15/0.006=25s；

②探測報警時間TB，一般不大于30s；

③系統啟動延遲時間TC，一般不大于120s。

則可假設自動滅火系統在火災發生后175s（TA+TB+TC=175s）開始動作。因此，自動滅火系統有效時的最大熱釋放速率為Q=αt2=1436kW，考慮1.5倍的安全系數，取Q=2.2MW。

2.5" 設定火災場景

確定4個具有代表性的設定火災場景，見表1。

3 分析模型及判斷標準

采用火災動力學模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）開展火災煙氣蔓延模擬。

3.1" 物理模型

計算的隧道總長度取500m，火源兩側各250m。假設著火車輛總尺寸為3.6m（高）×2.4m（寬）×8m（長），燃燒面設定為長方體，尺寸為2.6m（高）×2.4m（寬）×8m（長），距離地面1m。模型見圖1。

3.2" 網格劃分及環境溫度

在火源附近區域的網格尺寸為0.1m×0.1m×0.1m，其他區域的網格尺寸為0.2m×0.2m×0.2m。環境溫度假設為20℃。

3.3" 判定標準

ASET是從火災發生至火災發展到使目標區域的環境達到人體耐受極限的時間，通常為安全出口附近區域的任一環境參數（通常取能見度、溫度、CO濃度）達到人體耐受極限的時間。參考《中國消防手冊》等資料，將影響人員安全的性能參數的極限值確定為：距隧道內地面2m高度處，能見度＞10m、溫度≤60℃、CO濃度≤0.5‰。

4 模擬結果分析

4.1" A11場景結果分析

在模擬時間1200s內，除火源附近外：①隧道內地面2m高度處的最低能見度約為16m，位于距火源約80m處，其余區域能見度均大于30m。②地面2m高度處的最高溫度約為26℃，最高CO濃度約為0.018‰。因此，除火源附近外，隧道內各處的ASET不低于1200s。

4.2" A10場景結果分析

在模擬時間1200s內，除火源附近外：①隧道內地面2m高度處的最低能見度逐漸降低，距離火源約180m處約在400s時最先達到設定危險能見度10m，隨后其余位置的能見度也逐漸下降至10m以下，達到危險能見度的時間為400～990s。②地面2m高度處的最高溫度約為28℃，最高CO濃度約為0.076‰。因此，除火源附近外，隧道內距火源不同距離處的ASET為400～990s。

4.3" A01場景結果分析

在模擬時間1200s內，除火源附近外：①隧道內地面2m高度處的最低能見度逐漸降低，距離火源約90m處約在428s時最先達到設定危險能見度10m，隨后其他位置的能見度也逐漸下降。除距火源210m以外的隧道外，其余部位的能見度均下降至10m以下，達到危險能見度的時間為428～1050s。②地面2m高度處的最高溫度約為37℃，最高CO濃度約為0.140‰。因此，除火源附近外，隧道內距火源不同距離處的ASET為428～1200s。

4.4" A00場景結果分析

在模擬時間1200s內，除火源附近外：①隧道內地面2m高度處的最低能見度逐漸降低，距離火源約180m處約在373s時最先達到設定危險能見度10m，隨后其余位置的能見度也逐漸下降至10m以下，達到危險能見度的時間為373～674s。②地面2m高度處的最高溫度為37～65℃，其中距火源150～210m內的最高溫度超過60℃，達到60℃的時間為893～1027s，隧道其余區域的最高溫度均低于60℃。③地面2m高度處的最高CO濃度為0.107‰～0.580‰，其中距火源150～220m內的最高CO濃度超過設定臨界值0.5‰，達到臨界值的時間為1028～1163s，隧道其余區域的最高CO濃度均低于臨界值。因此，除火源附近外，隧道內距火源不同距離處的ASET為373～674s。

5 結論

研究結果表明：①火災時隧道內消防設施是否有效啟動對人員可用安全疏散時間的影響較大。當自動滅火系統和排煙系統均有效動作時，隧道內ASET大于1200s；當自動滅火系統和排煙系統均未啟動時，隧道內ASET降低至373～674s；當自動滅火系統和排煙系統僅有一種系統有效動作時，隧道內ASET介于前兩種情況之間。②隧道內設置自動滅火系統且有效動作能有效增加ASET。排煙系統狀態相同時，自動滅火系統有效動作時整個隧道內各處的ASET均比自動滅火系統未啟動時更大；相比僅排煙系統有效動作但自動滅火系統未啟動的情況（場景A01），自動滅火系統有效動作但排煙系統失效時（場景A10），火源附近范圍內的ASET更大。③不論消防設施是否有效動作，隧道內的ASET均取決于能見度的大小。

參考文獻

[1]王安民，彭維圓，何佳銀，等.三車道大交通流公路隧道火災人員安全疏散[J].公路交通科技，2024，41（4）：167-175.

[2]董啟偉，謝飛，常默寧，等.基于BIM技術的火災仿真與人員疏散仿真的耦合研究[J].市政技術，2022，40（12）：217-225.

[3]胡經緯.長大公路隧道火災煙流演化特性及人員疏散研究[D].徐州：中國礦業大學，2023.

[4]李森生.湖底雙層超大直徑盾構隧道火災人員疏散分析[J].中國安全生產科學技術，2022，18（5）：199-204.

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