超大斷面雙層盾構隧道火災特性及疏散救援研究
——以深圳機荷高速公路隧道為例

孫 策

(深圳高速公路股份有限公司，廣東 深圳 518038)

0 引言

長大公路隧道由于環境封閉和疏散救援困難，導致火災成為其建設及運營管理全生命周期中的重大威脅。

國內已有學者對于公路隧道的消防疏散、排煙模式等開展了較多研究。胡隆華等[1]通過全尺寸隧道火災試驗對臨界縱向風速模型進行了驗證； 陳娟娟等[2]以某越江雙層盾構隧道為例，分析了排煙口數量、面積、間距等重要參數的改變對側向排煙口的設置和排煙效果的影響，并給出了相關排煙策略的建議； 王兆陽等[3]研究了排煙量對雙層盾構隧道排煙效率的影響，通過評估不同排煙計算結果，從疏散救援角度給出了排煙量的臨界指標。在隧道火災的應急救援與人員逃生方面，相關研究或者采用理論計算和軟件模擬等定量方法對人員逃生位置及疏散效率、消防救援位置、疏散逃生救援路徑、應急資源的分配、安全設施和交通控制等進行分析[4]，或者采用定性方法對應急救援的指揮機制、制定應急救援計劃時考慮的因素、救援指揮機制和相關政策等進行分析。陳岳明等[5]運用龐特里亞金最大值原理，成功解決了疏散路徑選擇和分配2個關鍵點； 曾艷華等[6]得出媽灣跨海盾構隧道樓梯疏散模式的最佳間距為80 m; 鄧敏等[7]對上下層疏散聯絡通道不同間距情況下，人員從失火層隧道到達未失火層隧道的必需安全疏散時間進行了模擬計算； 李桂萍[8]分析了崇明隧道的防排煙系統和疏散系統的合理性和可靠度。

然而，目前的排煙研究主要集中于單斷面隧道，對于分叉隧道研究較少；疏散研究偏重于事前疏散模型的研究，而火災現場環境復雜多變，采用事前疏散模型缺乏時效性，無法應對瞬息萬變的火災場景。特別是，對于超大斷面雙層盾構隧道的相關研究仍較為缺乏。本文依托深圳機荷高速公路隧道工程，探討超大斷面雙層盾構隧道的火災防治和疏散救援方案，以期為今后類似的城市公路隧道疏散通道設計和風險評估提供參考。

1 依托工程概況

1.1 工程情況

機荷(深圳機場至荷坳段)高速公路屬于G15沈海高速公路深圳段，是粵港澳大灣區東西向的交通中軸線。深中通道建成后，大量的過境及對外交通將匯集至機荷高速。機荷高速公路隧道采用了原位立體改擴建擴容方式，擴建后的機荷高速公路隧道交通量大，排煙疏散要求高。隧道平面和分段示意圖見圖1。隧道采用分段縱向排煙方式，在惠鹽側和機荷側工作井處分別設置排煙機房，將隧道分為3段，最長通風區段長度為3 290 m。兩側工作井排煙機房內各設置3臺大型可逆軸流風機，單臺風機風量為200 m3/s，風機通過風口、聯絡風道與南北幅隧道的上下層均相連。風機正轉時可為隧道排煙，風機逆轉時可為隧道補風。當隧道發生火災時，煙氣通過就近的排煙機房和洞口排出。

圖1 隧道平面和分段示意圖(單位： m)

1.2 工程特點

與國內其他大斷面盾構隧道工程(周家嘴路越江隧道、昆磨高速小磨隧道、上海上中路隧道、南京揚子江隧道、揚州瘦西湖隧道等)相比(見表1)，機荷高速公路隧道存在以下特點：

1)按照沿線段落和隧道工法，劃分為暗挖段、盾構段和明挖段，全線隧道橫斷面復雜多變，交界處排煙疏散難度大。

2)中間盾構段斷面直徑達到17.3 m，對于超大斷面雙層盾構隧道，在發生火災后進行隧道通風時，污染空氣和煙霧上下層存在竄流現象，導致上下層互相影響，需要通過防火門和加壓設置，保證煙霧不竄流。

表1 國內大斷面盾構隧道工程概況對比

3)機荷高速公路隧道為雙線隧道，其中左線隧道長約6 174 m，右線隧道長約5 585 m，排煙困難。隧道空間狹長，尤其對于疊層隧道下層來說，由于內部空間有限，火災發生后，如果沒有合理的排煙控制和排煙模式，火災產生的煙氣難以及時排出，從而給人員疏散和后續救援帶來困難。

4)車輛類型多，交通量大，交通控制困難。由于長途貨車的運輸量較大，大貨車和拖掛車逐漸成為貨物運輸主導車型，比例逐步增加，隧道運營風險較高。此外，火災發生時，人員通過橫通道疏散到有車輛通行的鄰近隧道，存在人員安全隱患，且交通控制困難，對隧道管理要求較高。

2 超大斷面雙層隧道火災特性

本文選取機荷高速公路隧道的盾構隧道標準段(見圖2)和隧道Y型分叉處(見圖3)開展研究。盾構隧道采用雙層結構，上下層之間采用樓梯進行連接，相鄰隧道之間通過橫通道相連。隧道采用縱向通風模式，由于上下層隧道火災煙氣蔓延規律基本一致，因此，本文只對下層隧道縱向排煙進行FDS數值模擬。

圖2 盾構隧道標準橫斷面(單位： mm)

圖3 隧道Y型分叉交匯前橫斷面(單位： cm)

2.1 盾構隧道標準段火災特性

2.1.1 模型設置

盾構隧道標準段模型網格劃分如圖4所示，FDS計算模型如圖5所示。考慮到采用縱向通風模式時，煙氣向火源下游擴散范圍較廣，因此，設置模型總長為650 m，并將火源中心布置在距上游邊界150 m處，采用兼顧精度和效率的混合網格形式，根據模型距離火源位置劃分網格尺寸。在火源附近由于熱力學參數變化梯度大，此區域的網格進行加密處理； 在遠離火源區域，隧道內的流場變化趨于平穩，網格尺寸也隨之加大。

圖4 盾構隧道標準段模型網格劃分示意圖(單位： m)

圖5 盾構隧道標準段FDS模型

根據工程項目可行性研究報告，在隧道通行車輛中，中型車及以上車型比例為6.2%～8.27%，重型貨車車型比例為3.43%～3.74%。參考規范要求和國內已建公路隧道的設計標準，考慮隧道內不利工況，火災熱釋放率取50 MW。采用t2火模型描述火災變化趨勢，并假設火災發展速率極快。火災發生516.7 s后，HRR達到穩定值50 MW，保持HRR不變直到900 s時模擬計算結束。

火源尺寸根據汽車尺寸確定。參照汽車類型，經綜合考慮，將數值模型中火源尺寸確定為12.0 m(長)×2.0 m(寬)×1.0 m(高)。

2.1.2 計算結果及分析

2.1.2.1 火災溫度和能見度特性

不同時刻盾構隧道標準段距離行車路面2 m高度處溫度和能見度沿隧道長度方向分布情況如圖6所示。由于雙層隧道下層斷面小，因此升溫和煙氣蔓延較快。從圖6(a)可以看出，沿隧道縱向，溫度分布近似呈遞減規律； 300 s時，在縱向排煙模式下，火源下游距火源點50 m范圍內會出現溫度大于60 ℃的區域；從圖6(b)可以看出，400 s后，火源下游距火源點50 m范圍內會出現能見度小于10 m的區域。當火源達到最大強度且隧道內溫度、能見度分布情況較為穩定時(600 s)，距火源點400 m范圍內2 m高度處的溫度基本上都大于60 ℃，距火源點425 m范圍內2 m高度處的能見度基本上都小于10 m，低于人員逃生標準。

(a) 溫度

(b) 能見度

2.1.2.2 煙氣特性

從火災煙氣蔓延情況(見圖7)來看：

1)煙氣蔓延范圍隨火源強度的發展不斷增大，在250 s左右，火災煙氣初步蔓延至隧道出口。火災達到最大燃燒強度后煙氣在隧道內不斷擴散，400 s后隧道內煙氣開始蔓延至整個隧道高度并趨于穩定狀態。

2)在理論計算臨界風速下，火災發生時煙氣只向下游方向流動。從火災開始發生到火災發展90 s時，煙氣向隧道兩側以相同規律蔓延至距火源約15 m位置處；此后，隧道內的射流風機開啟，150 s后火災煙氣未發生明顯逆流現象，說明縱向風速大于火災煙氣臨界風速，可有效控制煙氣，保證上游區域人員安全疏散。

綜上所述，在火災工況下采用分段縱向排煙，臨界風速按PIARC推薦的Danziger和Kennedy公式計算，可以滿足排煙要求。

圖7 盾構隧道標準段火災煙氣蔓延情況

2.2 隧道分叉處火災特性

2.2.1 模型設置

火源點位于分叉隧道中部的FDS模型如圖8所示。模型全長500 m，在模型入口輸入射流風機形成的隧道縱向風，風速大小按理論計算的臨界風速取值(3.0 m/s)； 設定火災煙氣直接由最近排煙口排出。模型中火源點位于距隧道入口240 m處。網格劃分、火源尺寸、火源規模及熱釋放率設置均與2.1.1節相同。

圖8 火源點位于分叉隧道中部FDS模型

2.2.2 計算結果及分析

2.2.2.1 火災溫度和能見度特性

不同時刻左側、右側分叉隧道距離行車路面2 m高度處溫度和能見度沿隧道長度方向分布情況分別如圖9和圖10所示。

(a) 溫度

(b) 能見度

(a) 溫度

可以看到，隨著火源強度的不斷增大，隧道火源下游區域受煙氣的影響程度不斷加大，著火側隧道和主隧道溫度大于60 ℃和能見度小于10 m的區域增多，在著火側隧道下游方向的一定距離內，2 m高度處的最高溫度可達到近1 000 ℃；同時，在2條分支隧道的風速沒有明顯區別的情況下，除了短時間內有一定的煙氣擴散外，著火側隧道的火情發展以及煙氣流動對于未著火側隧道幾乎沒有影響。

從隧道內2 m高度處的溫度分布可以看出，在縱向排煙模式下，著火側隧道的火源下游距火源點50 m范圍內在236 s時首次出現溫度大于60 ℃的情況； 從隧道2 m高度處的能見度分布可以看出，火源下游距火源點50 m范圍內在271 s時首次出現能見度小于10 m的情況。主隧道中部(隧道分叉處)溫度最早達到60 ℃的時間為510 s，能見度低于安全能見度(10 m)的時間為530 s。

當火源達到最大強度且隧道內溫度、能見度分布情況較為穩定時(即600 s時)，著火側隧道火源點下游和主隧道范圍內2 m高度處的溫度基本上都大于60 ℃，火源點下游整個范圍內2 m高度處的能見度基本上都小于10 m(584 s)。

2.2.2.2 煙氣特性

從火災煙氣蔓延情況(見圖11)來看：

1)火災煙氣蔓延范圍隨火源強度的發展不斷增大，火災煙氣蔓延至隧道出口的時間為400 s左右，而500 s后隧道內煙氣開始蔓延至整個隧道高度并漸漸趨于穩定狀態。

2)風速控制在理論計算臨界風速下，火災發生時煙氣只向下游方向流動，未發生逆流。從火災開始發生到火災發展到90 s，煙氣向隧道上下游以相同規律蔓延至約15 m位置處；隨著隧道內的射流風機開啟，150 s后火災煙氣未發生明顯逆流現象，說明縱向風速大于火災煙氣臨界風速，可有效控制煙氣，保證上游人員安全疏散。

3)火災發展到300 s時，另一側隧道在短時間內有一定煙氣回流，不過短時間內便恢復，對于人員疏散影響較小。

綜合以上分析可知，隧道縱向排煙模式下，按照理論計算臨界風速設計，隧道內縱向排煙通風量可滿足隧道內火災煙氣不發生逆流，保證隧道未發生擁堵時隧道內部火源上下游安全，滿足隧道內車輛和人員安全疏散的要求，也可保證隧道發生擁堵時滿足隧道內車輛和人員安全疏散的要求。在火災發生后，未著火側隧道的縱向通風風速可適當增大，以防止主隧道中的煙氣回流。

圖11 隧道分叉處火災煙氣蔓延情況

3 超大斷面雙層公路隧道火災事故應急救援體系

盡管隧道內發生火災的概率比道路其他路段發生火災的概率小，但一旦發生火災，造成的后果卻要嚴重得多[9]。要完全杜絕隧道火災的發生，從現有技術條件和水平看還很難，因此，需要通過建立隧道火災應急救援體系來減輕火災造成的損失。

深圳機荷高速公路隧道斷面大，地面交通復雜，外部救援要求高。隧道西側洞口外為互通式立交，僅東側有1條上下匝道連接地面層，地面層由龍崗立交接深汕路。當隧道內發生火災后，外部救援的開展需要考慮地面交通，對于地面交通控制與外部救援提出了很高的要求。

3.1 隧道人員疏散模擬

當隧道發生突發事件(如火災)，將造成隧道車輛堵塞，人員荷載密度應考慮該工況條件下的人員疏散荷載情況。圖12為深圳機荷高速公路隧道交通堵塞工況車輛布置示意圖。

圖12 隧道交通堵塞工況車輛布置示意圖

隧道內發生火災后，人員的疏散過程可分為察覺、行為和反應、運動3個階段。本文報警探測時間根據DB 43-729—2012《公路隧道消防技術規程》取為60 s，人員響應時間參照世界道路協會(PIARC)研究成果取為60 s。隧道內人員移動速度服從正態分布，為1.25±3σ，σ=0.1 m/s。

假定最不利的疏散情形，即火災發生在隧道中間某橫通道入口處，導致該樓梯入口不可使用。假定人員隨機分布于隧道內，主隧道內樓梯口處發生火災，隧道內的人員通過其他樓梯口和橫通道疏散到上層、下層或另一條隧道。取6.5倍的疏散樓梯間距作為模型的長度，工況設置如表2所示。

表2 疏散模擬工況設置

疏散模擬結果如圖13所示。結合工程實際參數和數值模擬參數，依據機荷高速公路隧道車流量統計數據，確定發生火災后車輛堵塞時滯留車輛與人員數量，可知： 隨著疏散樓梯間距的增大，疏散時間有所增長；載客系數越大，疏散口的擁堵現象愈加明顯，疏散時間增加。在車輛滿載條件下，經計算模擬可得： 當疏散樓梯間距為80、100、120 m，橫通道間距為250 m時，對應必須安全疏散時間依次為248、274.8、286.5 s，均小于FDS模擬所得的可用安全疏散時間(288、333、329 s)，此時隧道內部環境均處于安全狀態。

圖13 疏散模擬結果

3.2 隧道火災救援體系框架

面對超大斷面高速公路隧道火災狀況，如何清楚地掌握火災危險性和發展特點、正確地進行滅火和疏散救援工作是消防人員需要重點考慮的事情。隧道火災救援體系框架如圖14所示，包括救援組織模塊、消防系統、火災工況通風控制系統、火災工況人員與行車組織模塊等[10]。

圖14 隧道火災救援體系框架

3.2.1 救援組織模塊

救援組織包括基礎數據庫和救援預案。基礎數據庫是保證隧道火災救援體系正確、可行的基本條件，是隧道進行應急救援預案制定的基礎。基礎數據庫包括隧道基本情況數據庫和救援基本信息數據庫[11]。

隧道火災救援預案一般包括人員疏散與救治預案、交通管控預案、通風照明控制預案、消防滅火預案等。隧道火災救援預案每次執行后，應進行分析、總結，反饋修正并更新救援預案。

3.2.2 消防系統

消防設施采用固定式和移動式設備相結合的方式，以適應不同火災規模、火災發展的不同階段和不同使用者操作。

3.2.3 火災工況通風控制系統

接到火災報警后，隧道設備控制中心迅速將隧道的射流風機以火災臨界風速進行供風，風向與行車風向一致，并根據火災煙流狀態逐步調整射流風機的開啟數量。當煙氣向火源上游發生逆流，增加風機開啟數量；當火源下游煙氣速度過快或被明顯吹散，減少風機的數量，待火災事故隧道內逃生人員完全安全撤離后，啟動送風或排風系統，加大排煙風速； 未發生火災事故隧道風機按正常運營通風量減半進行供風，出口射流風機反向供風，以保障火災隧道內煙氣不蔓延到相鄰隧道[12]。

3.2.4 火災工況人員與行車組織模塊

隧道內部發生火災時，需開啟火災上游的橫通道來疏散上游的車輛，上游的車輛通過橫通道進入相鄰隧道或車內人員棄車通過人行橫通道逃生； 在火災下游段車速大于煙霧擴散速度時，下游車輛可以繼續前行離開火災事故隧道，若下游隧道發生阻塞，車內人員應棄車通過疏散通道進行逃生[13]。

3.3 隧道火災救援行動實施路線

機荷高速公路隧道為雙管疊層隧道，上下層各為1個防火分區；由于受到下層射流風機壁龕和柱間距影響，救援樓梯間距設置為80 m；由于救援車輛無法直接到達火災現場，只能到達最近的樓梯口，消防人員要背負器材通過樓梯進入火災現場，救援過程復雜，需要提前做好救援預案。

同時，針對隧道疏散救援情況，設置多種安全疏散設施保證人員安全：

1)機荷高速公路隧道斷面形式為兩車道+硬路肩設計，在火災工況下，硬路肩可作為1條救援路徑供消防人員救援使用。

2)在隧道2個工作井配備了消防摩托和消防車，以便在突發事故時第一時間響應，為隧道救援提供寶貴的時間。

3)按照不大于250 m的間隔設置人行橫通道，按照80 m間距設置救援樓梯，并通過被動防火設計延長可用安全疏散時間，通過主動防火設計根據火災點的不同、運行工況的不同提供機動的疏散策略和手段。

結合對機荷高速公路隧道形式、消防救援程序及救援疏散路線(見圖15)的分析，提出隧道消防救援策略，如表3所示。

(a) 斷面圖

(b) 平面圖

表3 隧道消防救援策略

3.4 隧道排煙疏散策略

根據機荷高速公路隧道的特點，將隧道分為如圖16所示區段，具體排煙疏散建議如下。

圖16 隧道區段劃分示意圖

3.4.1 火災發生在①入口—B工作井段

如圖17所示，當火災發生在隧道①入口—B工作井段時，開啟①入口—B工作井段射流風機，沿行車方向進行縱向排煙，火災時控制縱向風速大于煙氣回流的臨界風速，火災煙氣由B工作井排出。經模擬計算臨界風速為3.0 m/s，建議實際工程中設置為3.5 m/s。

圖17 火災發生在①入口—B工作井段

火災發生后，發生火災的隧道以及相鄰隧道進入交通管制狀態。若火源點下游車輛行駛速度小于10 km/h，即車輛行駛速度小于煙氣縱向蔓延速度，則車輛應經由車行橫通道駛入另一條隧道； 對于無法駛入另一條隧道的車輛，車內人員應當下車，經由豎向疏散樓梯疏散至上層(或下層)車道層，或者經由人行橫通道疏散至另一條隧道。若火源點下游車輛行駛速度大于10 km/h，即車輛行駛速度大于煙氣縱向蔓延速度，則車輛可沿隧道縱向繼續行駛，直至駛出隧道。

對于火源點上游車輛，火災發生后，隧道內部將產生擁堵，此時控制中心應禁止車輛由隧道入口繼續駛入，隧道內部車輛若在車行橫通道上游，則可由車行橫通道駛入另一條隧道；車輛若在車行橫通道下游，則車內人員應當下車，經由豎向疏散樓梯疏散至上層(或下層)車道層，或者經由人行橫通道疏散至另一條隧道。

3.4.2 火災發生在B工作井—A工作井段

如圖18所示，當火災發生在隧道B工作井—A工作井段時，開啟火源上游射流風機，沿行車方向進行縱向排煙，火災時控制縱向風速大于煙氣回流的臨界風速，火災煙氣由A工作井排出。經模擬計算臨界風速為2.6 m/s，建議實際工程中設置為3.0 m/s。火災發生后，發生火災的隧道以及相鄰隧道進入交通管制狀態。火源上下游人員與車輛的疏散策略與火災發生在①入口—B工作井段相同。

圖18 火災發生在B工作井—A工作井段

3.4.3 火災發生在A工作井—②出口段

如圖19所示，當火災發生在隧道A工作井—②出口段時，開啟火源上游射流風機，沿行車方向進行縱向排煙，火災時控制縱向風速大于煙氣回流的臨界風速，火災煙氣由②出口排出。經模擬計算臨界風速為2.4 m/s，建議實際工程中設置為3.0 m/s。火災發生后，發生火災的隧道以及相鄰隧道進入交通管制狀態。火源上下游人員與車輛的疏散策略與火災發生在①入口—B工作井段相同。

圖19 火災發生在A工作井—②出口段

4 結論與建議

本文針對超大斷面雙層盾構隧道開展了火災特性及疏散救援研究，主要結論與建議如下：

1)當隧道內部發生火源規模為50 MW的火災時，若隧道內部未發生車輛擁堵，此時3.0 m/s臨界風速可抑制煙氣回流，保證火源上游區域溫度和能見度處于安全范圍，滿足車輛和人員安全疏散的要求，火源下游區域車輛行駛速度大于煙氣蔓延速度，人員駕駛車輛可安全駛出，因此在未發生車輛擁堵條件下，火災發生后整個隧道內部車輛和人員均可安全逃生。

2)對出入口處Y型分叉隧道的縱向排煙進行模擬，研究了分叉隧道2條支路間的相互影響及火災工況下分叉隧道的排煙策略，明確在2條分支隧道的風速沒有明顯區別的情況下，除了短時間內有一定的煙氣擴散外，著火側隧道的火情發展以及煙氣流動對未著火側隧道幾乎沒有影響。在火災發生后，未著火側隧道的縱向通風風速可適當增大，以防止主隧道中的煙氣回流，給疏散和救援帶來影響。

3)確定了機荷高速公路隧道疏散口設計寬度和疏散樓梯間距。當隧道疏散樓梯間距設置為80 m、疏散口寬度設置為0.8 m、橫通道間距設置為250 m時，隧道內部車輛滿載情況下，即載客系數為1.0，隧道內部必需安全疏散時間RSET為248 s；同時，當載客系數為0.7時必需安全疏散時間RSET為235.8 s。RSET均小于250 s，說明在采用縱向分段排煙模式下，當火災規模為50 MW時，無論火災發生在隧道何處抑或車輛發生擁堵與否，此時均可保證隧道內部人員安全疏散。

4)提出了隧道火災救援體系框架，明確了救援體系的各部分內容，針對機荷高速公路雙層盾構隧道，給出了消防救援策略以及不同區段發生火災時的排煙疏散策略。

本文對于超大斷面雙層盾構隧道的排煙疏散模擬以下層隧道為例，下一步研究考慮將上下層隧道完全建模進行分析計算，研究上下層煙氣流通及水噴淋響應后的火源燃燒衰減階段，確保火災情況下各系統聯運的準確性和火災模擬的真實性。