基于Pyrosim和Pathfinder的高速公路隧道 火災人員疏散研究

余政濤，魏珊珊，龔波，石天聰，劉雪

（1.長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064；2.武警四川省總隊機動第二支隊，四川 康定 626000）

引言

隧道是山嶺區公路的重要構造物之一。截至2019年底，我國公路隧道數量達19067處，里程達1896.66萬米，其中特長隧道1175處、521.75萬米，長隧道4784處、826.31萬米，成為世界上公路隧道數量最多、里程最長的國家。由于隧道空間封閉、縱向狹長、逃生通道有限、排煙較困難等原因，一旦發生火災，極易引起嚴重的人員傷亡，因此，開展高速公路隧道火災人員疏散特性研究對改進人員救援方案，提高人員生存率具有重要意義。

針對隧道火災人員逃生問題國內外學者做出了大量探索和研究，JUSEOG K等對不同特征的隧道火災發展情況進行了模擬實驗，探究了不同隧道在火災發生時最適用的通風速度[1]；劉斌等人對某長大公路隧道建立模型，探究大曲率、變坡度復雜結構隧道火災的煙氣逆流和溫度分布情況[2]；Ciro Caliendo等對不同類型的車輛在雙向公路內發生火災時的狀況進行了CFD模擬，著重探究了火災對隧道結構以及駕乘人員疏散路徑周圍環境的影響[3]；張洪杰等人通過理論分析與數值模擬結合的方式研究了不同火源功率下隧道坡度對射流風機臨界風速的影響[4]。

雖然國內外研究者針對隧道火災的研究做出了大量努力，但是對火災發生時確定人員安全疏散時間以及判斷人員安全狀況方面依然不足，本文將根據前期對相應的隧道結構利用Pyrosim建立隧道火災模型，得到不同通風速度下隧道各環境參數的變化規律，即通風速度為0m/s時，在距火源20米處，231s后能見度不足10m，650s后CO濃度超過200 ppm，在距火源300m的人行橫道處，504后能見度小于10m，850s后CO濃度高于200ppm，隧道內各處環境溫度在仿真時間內最高達116℃。隨著通風速度的增加，能見度、溫度、CO濃度均得到改善，當通風速度達2.5m/s時，煙氣逆流得到控制，隧道內能見度可達到30m，溫度控制在20℃左右，CO濃度保持在安全范圍內。利用Pathfinder觀察人員的逃生路徑和時間，為改進人員疏散方案提供一定依據，盡可能保證人員能夠在安全疏散時間內轉移至安全地區。

1 逃生模型設定

隧道發生火災時，根據各位置處在可用安全疏散時間ASET（Available Safety Egress Time）末端時的人員滯留情況，來判斷人員能否安全疏散，由于ASET（x）主要取決于火災規模和煙氣擴散速度，并受能見度、環境溫度和CO濃度等因素的影響，因此，本文利用前期在Pyrosim軟件建立隧道火災場景，得到的不同通風速度下隧道內能見度、溫度、CO濃度的變化情況，結合Pathfinder 軟件進行人員疏散情況的仿真，確定隧道人員在ASET（x）末端的滯留情況。

仿真隧道為雙洞雙向隧道，全長4073m，采用全射流縱向通風方式，隧道內設計車速為60km/h，車行道寬度為7.25m，檢修道左側寬度1.0m，右側寬度0.75m，路緣帶寬度0.5m，側壁厚0.4m，地面厚0.4m，不考慮隧道坡度的影響。熱傳導率設為1.8M/W，初始空氣溫度為20℃，環境壓強為標準大氣壓，環境中氧含量為23%，空氣的定壓比熱容為1.005kJ/（kg.K）。鑒于隧道長度超過一定值時，會每隔一段距離設置聯絡通道和通風設備，因此，本文取某一車行橫道至隧道出口700m進行研究，通風速度分別取0m/s、1m/s、2.5m/s進行模擬，按照最不利逃生因素，設左側隧道某車行橫洞口的道路中央為起火源，此時該橫洞不能疏散車輛，隨著車輛涌入造成堵塞，右側隧道采取交通管制確保人員疏散。選取某外形尺寸為12000×2550×3600（mm）的45座客車作為火源，火災熱釋放量設為20MW。

根據文獻[5]和隧道內的實際交通流量統計結果，得到隧道內車流量、車型和駕乘人員的參數值，如表1所示。

表1 參數值

設該隧道內存在500m的擁堵路段，前后車輛間距1.5m，隧道上游兩車道內車輛呈均勻分布，根據表1中個參數值可計算的隧道擁堵段內車輛數和滯留駕乘人員，如表2所示。在此基礎上，綜合考慮全國人口普查情況和上下班高峰期人員分布等數據，假定滯留人員中77%為中年人，15%為老年人，8%為少年。

表2 受困車輛與駕乘人員

Pyrosim中默認逃生速度為0.95～1.55 m/s，Pathfinder默認逃生速度為1.19 m/s。

2 人員疏散情況分析

根據如圖1所示的隧道結構和火源位置可知在火災發生后，火源點至隧道出口車輛受火災影響較小駕乘人員可安全駛離隧道，但在隧道入口至火源點范圍內因交通擁堵，駕乘人員只能選擇棄車，步行通過距離上游起火點300m的人行橫洞或者500m處的車行橫向通道進入右側隧道進行逃生。

圖1 隧道結構和火源位置示意圖

由前期Pyrosim的仿真結果可知，當隧道內通風速度達到2.5m/s時，隧道內逃生環境良好，能見度、溫度和CO濃度均符合人員疏散基本要求，人員有充足時間逃生。

所以，本文重點對通風速度為0m/s和1m/s時隧道內人員疏散的情況進行分析。

2.1 通風速度為0m/s時人員疏散情況

將Pyrosim能見度變化仿真結果導入Pathfinder，并設定受困車輛與人員、逃生速度等參數。以能見度=10m作為可以安全疏散的臨界條件，進而仿真分析在隧道上游距離火源中心不同位置處，在無機械通風的情況下，不能滿足安全疏散條件的時刻如表3所示，人員疏散情況，如圖2所示，由此可知，504s時，仍有16人在火源中心位置和人行橫道之間，這表明在隧道發生火災后，若不進行機械通風，滯留人員會因逃生環境惡劣而不能全部安全逃生。

圖2 通風速度0m/s時，不同時刻人員疏散狀況

表3 通風速度0m/s時不同位置能見度不滿足疏散的時刻(s)

2.2 通風速度為1m/s時人員疏散情況

在仿真分析過程中，隧道上游距離火源中心不同位置處，在機械通風速度為1m/s時，不能滿足疏散條件的時刻如表4所示。其中，634s時的人員疏散狀態如圖3所示，由此可知，在634s時，隧道內還有4人未能安全逃生。由此前Pyrosim的仿真結果可知，在距離火源中心120m處，煙氣蔓延就得到了抑制，各指標均符合安全逃生的條件，在這種場景下駕乘人員應該可以安全逃生，但在實際疏散過程中，因多種因素影響，比如人員心理狀態、周邊人員影響等，也會導致部分人員未能安全逃生。

圖3 通風速度1m/s時，634s人員疏散狀態圖

表4 通風速度1m/s時不同位置能見度不滿足疏散的時刻(s)

3 結論

1）隧道火災中煙氣導致的能見度下降是影響人員疏散的主要原因，溫度和CO濃度的影響相對較小，在較短時間內不會對駕乘人員造成嚴重傷害。

2）人員疏散過程中，在通風速度為0m/s時，人行橫通道處在504s時能見度不能滿足人員疏散條件，此時隧道內有16-35人未能安全疏散；當通風速度為1m/s時，634s時隧道內仍有4人未能安全逃生；當達到臨界通風速度2.5m/s時，人員均可安全逃生。