長大鐵路隧道火災模型試驗與防災救援研究

石 峰

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031； 2.西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

鐵路隧道的建設在最近幾年成為土木工程建設的重點，隧道長度和海拔高度屢創新高。截至2015年，我國已建有超過200條長度在3 km以上的長大隧道，總長度超過6 000 km。隨著隧道規模和數量的不斷增加，運營階段的安全隱患和人員安全保障問題也日益嚴峻。

火災作為隧道運營階段最大的安全隱患，一旦發生，高溫和有毒煙氣對人員安全造成巨大威脅，尤其長大隧道中，較大的隧道長度使得人員難以及時逃出隧道，這讓災后救援和疏散變得更為艱難。所以，在大規模建設長大隧道的時代背景下，進行隧道火災發生后的災情模擬和人員救援設計是有重大意義的。為此，本文主要研究了以下內容：

(1)拱頂和隧道內部在火災中的溫度對比情況。

(2)火區溫度隨時間和火源距離的變化規律。

(3)火區溫度隨火災規模的變化規律。

(4)人員定點救援疏散的設計。

1 長大隧道火災模型試驗

煙霧的擴散和傳播是火災發生后最明顯的特征，也是對人體最致命的因素。煙霧的危害主要體現在其攜帶的高溫和高濃度有毒氣體。為了保障人員的人身安全，也為了改進隧道中滅火設施的位置，本文對火災中溫度場和煙霧場的分布規律進行研究，以便了解溫度和煙氣濃度隨時間的變化，更好地制訂制定人員疏散和救援計劃。

1.1 試驗系統布置

1.1.1 試驗裝置

本試驗的模型隧道采用鋼筋混凝土管段模擬，混凝土強度等級取C30，模型隧道長80 m，內徑1.5 m，壁厚10 cm。管段內部施作混凝土涂層，以此模擬真實隧道的襯砌結構。管段斷面接近馬蹄狀，符合實際隧道的斷面形狀。

(1)為更真實地模擬隧道中發生火災的情況，設置燃燒筒進行實驗，燃燒筒內注有汽油和油布，通過控制燃料筒的尺寸，模擬實際火災中的不同規模。本次試驗研究以下兩種規模的火災：

①一輛小型汽車著火(70 L汽油)。

②一輛重型卡車著火(180 L汽油)。

(2)根據熱量相似，模型試驗分別通過點燃兩種規格的燃燒筒來模擬：

①A規模：40 cm×40 cm×10 cm。

②B規模：60 cm×60 cm×10 cm。

隧道內的通風情況由上風段口的旋轉式風機提供，可提供風速范圍為0～10 m/s。

1.1.2 測點布置

試驗設置5個測試斷面，溫度測點25個，煙霧濃度測點10個。縱斷面與橫斷面測點布置圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 縱斷面測點布置

圖2 橫斷面測點布置

1.2 火災模型試驗的結果與分析

1.2.1 試驗中火焰的燃燒特性

隧道中由于通風系統的存在，火焰的燃燒性態與洞內風速也呈一定的相關關系。由圖3可知，在隧道內風速幾乎為0，也就是不通風條件下，火焰的朝向一直保持向上，燃燒過程也較為穩定，火焰燃燒高度相對來說也更高；如圖4，隧道中的自然風風速為3 m/s，火焰被吹至傾斜，火焰頂部高度有所降低；當繼續加大風速至6 m/s時，火焰傾斜程度加大，但火勢的蔓延速度也大大提高。

圖3 不通風條件下火焰燃燒性態

圖4 風速逐漸加大時的火焰燃燒性態

1.2.2 火災區段劃分

(1)根據發生火災時隧道內煙氣的流動狀態和明火的發展方向，將隧道劃分為三個區段：

①上風區。位于火場燃燒區域的上風方向，一般不受到火災煙氣的影響，但區內溫度、風速和壓力等會隨著火災的發生而產生一定變化。

②火場區。明火燃燒的區段，這里是煙氣產生的源點，也是溫度最高的地段。

③下風區。位于火場燃燒區域的下風方向，由于隧道內通風的影響，煙氣會在下風區蔓延，濃度劇烈上升，隧道內的阻力系數發生變化。

(2)同時，隧道內的空間較大，為了方便研究溫度場和煙氣場的發展規律，按空間位置將隧道劃分為以下兩個區段：

①拱頂段。拱頂位于整個隧道上部，是火苗接觸和煙氣上升的位置，拱頂還與外部圍巖接觸，會產生頻繁的熱量交換。

②隧道中部段。這里是隧道內部空間，是人員和設備所處的部位，其溫度和煙氣濃度的變化對防災救援來說都是最重要的，所以本文主要研究中部段的溫度煙氣規律。

1.2.3 火災溫度場分布

對隧道內不同條件火災發生時的溫度測點數據進行統計，可以看出不同火災規模和通風條件下，隧道內的溫度分布規律各不相同(圖5～圖8)。

圖5 A規模，不通風條件下的溫度分布規律

圖6 B規模，不通風條件下的溫度分布規律

圖7 A規模，通風3m/s條件下的溫度分布規律

圖8 B規模，通風6m/s條件下的溫度分布規律

從時間階段上來看，發生火災后的隧洞溫度可以分為急劇上升、保持穩定和緩慢衰減三個階段。圖5～圖8描述了不同通風條件下，隧道內距火源不同距離處的溫度隨時間變化的散點圖，同樣經歷上述三個階段。

當隧道處于不通風條件下時，由圖5、圖6可以看到距火源點相同距離的上下游測點處溫度是基本相同的。這是由于隧道內不存在通風，導致火災產生的煙氣向隧道兩側較為均勻地擴散，從而使得上下游的溫度隨時間的變化規律類似。

當隧道通風風速為3 m/s時，比較圖5和圖7可以看到距火源點相同距離的上下游測點溫度是不同的。這是由于通風動力使得火災煙氣向下游方向集聚，煙氣攜帶的熱量更多地傳遞給了下游方向的洞壁，使得距火源點相同距離處下游方向溫度要高于上游。隨著通風風速的增大，火源附近的溫度有所下降，而沿程方向的最高溫度和溫度上升趨勢都有所增加。如圖7所示，風速由0上升為3 m/s的過程中，火源區(下風1 m)處的最高溫度由96.1 ℃降低為84.3 ℃；沿程(下風3 m處)的最高溫度由55.2 ℃升高為62.3 ℃。這是由于通風動力帶走一部分火源區熱量，轉移聚集到下游段而導致的。

值得注意的是，當通風風速超過一定閥值時，高速流動的煙氣將阻礙熱量集聚，導致火災發生之后各點溫度都將有所降低，如圖6和圖8所示，在6 m/s風速的條件下，隧道內各點的最高溫度都較不通風情況下更低。但此時有毒氣體將迅速蔓延至整個隧道截面，對人員逃生疏散極為不利，故必須權衡溫度上升和煙氣擴散兩個因素，選擇合適的通風速度。

隨著火災規模的增大，溫度場的縱向傳播范圍也逐漸擴大。由圖5、圖6可以看出，隨著火災規模的增大，同距離處的溫度上升變快，且各點達到的最高溫度也有所提高。所以規模的增大對于整個隧道安全的影響是十分大的，無論是溫度升高的速率，還是最高溫度，都是更為致命的。

故對隧道內發生火災的溫度場變化規律，本文得出如下結論：

(1)同等火災規模下，隨著通風風速的增大，煙氣逐漸向下游集聚，火源區附近溫度下降，沿程溫度上升；但風速高于5 m/s時，洞內最高溫度有所下降，但洞內溫度的傳播和升高變得更快，這會對人員的逃生產生不利影響；結合以上兩點，火災發生時隧道內最佳通風速度應為2～3 m/s。

(2)同等風速下，規模越大，溫度上升趨勢越快，最高溫度也越高。

(3)隨著通風風速的增大，火災持續的時間不斷減少。

1.2.4 火災煙霧場分布

盡管火災發生后人們最直觀的感受是高溫，但相關數據卻表明，隧道火災中致死率最高的是火災造成的高濃度煙氣。高溫煙氣夾雜著有害氣體，一旦進入人體，將使人員迅速喪失逃生能力，從而命喪火場。本文對通風速率為3 m/s，兩種規模下的煙氣隨時間和空間的分布規律進行研究，以便為人員疏散逃生提供可行意見。

煙霧濃度測點布置在人鼻一般高度處(1.6 m)，(圖9、圖10)給出了不同規模下煙氣濃度監測值隨時間變化的沿隧道縱向分布的曲線圖。由圖可以看出，火災剛開始時，煙氣濃度在靠近火源的地方很高，但在縱向距離的影響并不大，此時較遠的地方的煙氣濃度較小，基本不構成對人員的危害；但隨著火災過程的延續，較遠位置處的煙氣濃度開始逐漸增大。

在整個縱向方向，隧道上風段的煙氣濃度變化較小，濃度較低，但在下風段的變化則很大，這主要是通風動力造成的煙氣向下游方向集聚。

如圖9所示，當發生A規?；馂?，通風風速為3 m/s條件下時，隧道內的煙氣在480 s時間內蔓延至火源下風口500 m遠處。并且根據測量，在隧道上風口100 m到下風口200 m的范圍內煙氣濃度超過400 mg/m3，這種濃度的煙氣已經足以威脅一個人的呼吸，阻礙其逃生；在隧道上風口20 m到下風口60 m的范圍內的煙氣濃度可以超過1 200 mg/m3，這是人體在逃生過程中可承受的最高煙氣濃度，此時隧道內的視野逐漸喪失，逃生人員很難找到疏散之路。

根據測量結果，如果火災繼續進行，隧道內的溫度和煙氣濃度將會進一步顯著增大。當火災規模由A增大到B時，煙氣的集聚速率將會有所提高，如圖10所示。故針對隧道火災發生中的煙氣變化分布規律，提出以下建議：

(1)當火災發生在不遠處，且具備通過火源區能力時，盡量駕車沖出火源區，進入隧道上風區段，這是最為安全的做法。

(2)不具備進入上風區段條件的時候，必須在火災發生480 s之內疏散到遠離火源下風口60 m以外的地方。

圖9 A規模，通風風速3m/s時火災煙氣濃度分布規律

圖10 B規模，通風風速3m/s時火災煙氣濃度分布規律

2 災后定點救援設計

長大隧道因為其長度較長，故一旦發生火災，列車很難繼續開出隧道。根據《鐵路隧道防災救援設計規范》，長度在20 km以上的特長隧道必須設置定點救援通道。救援通道一般位于隧道中部，由若干條等間距的橫通道組成。當火災發生時，為保證隧道內人員的安全，應迅速組織人員疏散往隧道內的救援通道，等待救援人員的到來。

2.1 定點疏散的計算模型

橫通道間距是定點救援設計里最重要的參數，參考國內外特長隧道的橫通道設置情況，擬采用：50 m、60 m、70 m和80 m這四種不同間隔來分別計算不同疏散場景下的所需時間，本文使用STEPS軟件進行場景模擬。不同間隔下的救援通道參數見表1。

表1 救援通道參數

為了分析在不同狀況下人員的定點疏散情況，本文選擇2個火災場景來進行計算模擬：

(1)煙氣濃度較大時，人員疏散到聯絡通道。

(2)煙氣濃度較小時，人員疏散到聯絡通道。

人員荷載在計算中依據滿荷載來模擬，根據鐵路列車的設計，滿荷載下的人員荷載取974人。此外，為便于對列車中乘客的數據進行統計和分析，簡化模擬，本文根據乘客年齡來分組，按老人、中青年人、小孩分成三組。不同組別人員的特性參數(表2)。

表2 人員特性參數

2.2 定點疏散的計算結果與分析

使用STEPS軟件對不同場景和聯絡通道間隔條件下的人員的疏散時間和最大人員濃度進行計算，比較曲線見圖11、圖12。由圖11，可以看出，不同聯絡通道間隔和火災場景條件下對應的人員疏散時間是不一樣的。

圖11 不同場景下橫通道間距與疏散時間關系

圖12 場景1下橫通道間距與避難點人員密度關系

在相同場景下，聯絡橫通道間隔越大，人員的疏散時間越長，每條通道內的人員越多。經計算，即使在情況較差的場景1中，當聯絡通道間隔為80 m時，避難點人數最多為742人，洞內可用疏散空間為1 400 m2，故最大人員密度為0.53 人/m2。這個數值是相對安全的，不會造成人員的擁擠和滯留。同時，由圖11可以看出，兩種場景下的最長疏散時間為330 s左右，符合低于480 s的逃生標準。

計算結果表明，在50 m和60 m兩種聯絡通道間隔條件下，隧道內人員的疏散效果較好，對應的聯絡通道數目分別為11條和9條。間隔為60 m時，聯絡通道數量相對較少，工程投入也較少，故更為經濟；間隔為50 m時的聯絡通道數量相對較多，但更為安全。綜合考慮長大隧道內發生火災后錯綜復雜的環境因素和施工成本問題，建議一般的特長隧道定點救援疏散采用橫通道避難形式，橫通道間距取60 m為最佳，此時定點橫通道數量為9個，定點長度取為480 m。

3 結論

本文對長大隧道內發生火災時的火災燃燒特性，以及人員在火災發生之后的疏散時間與安全性進行了深入研究，通過研究，本文得到以下結論，并對長大隧道中的防災救援提出了自己的建議：

(1)根據測試結果，隧道內的火災可以分為3個階段：發展階段、穩定階段和衰減階段?；馂囊坏┻M入發展階段，人員應該迅速疏散到安全的避難場所。

(2)火災模型試驗和數值模擬的結果表明：長大隧道中火災一旦發生，在靠近火源點處的溫度和煙氣濃度都會劇烈上升，隨后高溫煙氣迅速蔓延至隧道下風區段，可視度急劇下降，人員必須在此之前盡快疏散出去。我們將8 min(480 s)作為高海拔長大隧道火災疏散中的安全上限時間。

(3)縱向風對火災溫度的傳播有重要作用。由于通風動力的存在，火源點下風段的溫度將迅速攀升，而上風段的變化較小，所以在火災發生時，如果可以，人員應當避免向下風口逃離，而是疏散往上風口。

(4)建議在一般的特長隧道中設置定點救援橫通道，通道間隔為60 m，數量9條為宜。