公路隧道火災煙氣運動模擬分析

李建軍，姜 俊，李彩霞，金詩奇

（1.杭州市錢塘區交通運輸發展中心，杭州 310000；2.杭州城投資產管理集團有限公司，杭州 310000；3.浙江大學建筑設計研究院有限公司，杭州 310000）

近年來，隨著我國經濟社會的快速發展，公路交通行業也在蓬勃發展，公路和城市交通隧道里程數也隨之快速增加，近年來我國已建成大量的城市公路隧道。根據隧道相關設計規范，可以將其按長度分為4 類：長度大于3 000 m 為特長隧道，長度大于1 000 m 小于3 000 m 為長隧道，長度大于500 m 小于1 000 m 為中隧道，長度小于500 m 為短隧道。截至2019 年底，我國公路總里程突破500 萬km，公路隧道總里程達1.89萬km，其中長公路隧道數量超過4 700 座，總里程達0.8 萬km，特長公路隧道數量超過1 100 座，總里程達0.5 萬km[1]。公路隧道在縮短行車里程、提高交通效率、免除落石坍方等危害、保護生態環境和節約土地等方面具有重大作用。隧道的建設為人們交通出行提供了極大的便捷，但是隧道的結構和設施復雜、出入口少、疏散路線長、通風排煙及照明條件相對較差，導致在隧道內發生火災事故時存在很大的危險性。

1 背景介紹

隧道作為一個較長的封閉空間，結構復雜、環境密閉，不同隧道的情況千差萬別。大型隧道的地質條件一般都比較惡劣，城市地面主干道的交通繁忙，將給隧道帶來非常高的施工風險及潛在的運營期風險。此外，隧道作為交通出行的便捷選擇，高峰時期車輛眾多，人流量極大，一旦發生火災等緊急事故，隧道內極易產生大量煙氣并且無法及時有效地排出，煙氣會對隧道內人員的安全及心理形成極大威脅，同時對救援人員的進入也會產生危害，火災事故最終往往都會造成重大的人員傷亡和財產損失。在國外，隧道的建設更早，20 世紀末，瑞士、美國、日本和法國等國家均發生過嚴重的隧道火災事故，事故造成大量人員傷亡及財產損失[2]，見表1。

表1 國外隧道火災案例表

近幾十年來的國內外公路隧道火災造成的危害引起了各國對隧道消防安全問題的高度重視，并先后組織力量對隧道的火災行為及火災防護進行了大量研究，取得了一定成果。對于道路隧道，根據其結構、設備安裝情況及隧道內交通狀況，引發火災的原因一般有以下幾種[3]。

一是在隧道內行駛的車輛，由于其本身的故障而引發火災。道路隧道功能是供車輛行車，因此，隧道中的車輛是隧道內火災最主要的火源，絕大部分隧道火災都是由車輛著火引起的。查看近期的機動車火災事故報道，超過一半是車輛自燃引起的。近年來，新能源汽車發展迅猛，但同時伴生的起火事件也不斷發生。由于新能源汽車內部管線大部分為可燃物并且鋰電池發生熱失控后會持續放熱并產生大量含有氫氣、甲烷、乙烷等的可燃混合氣體，起火后滅火難度較大。

二是交通事故引發火災。隧道內部分區域視線不佳，通風狀況較差導致地面濕滑等原因，車輛容易發生交通事故，從而引發火災。

三是易燃易爆等危險品引發火災。運輸易燃易爆等化學危險物品的車輛在隧道內行駛時，因化學品存儲不當、交通事故等各種原因引發火災。

四是隧道內的設施、設備在運行過程中發生火災。由于交通指揮、安防監控等要求，隧道內通常會安裝許多電氣設備及電線電纜，相關的設備及線纜由于短路或者老化等原因會引發電氣火災，進而導致隧道火災發生。

五是人為因素引起火災。在隧道施工過程或者維護過程中，由于人員違禁用火或者操作不當等引燃可燃物，最終導致火災發生。

2 隧道排煙系統分析

隧道排煙系統一般分為自然排煙與機械排煙2 種最基本的方式。自然排煙是指將隧道頂部的洞口、通風口或者隧道兩端的出入口作為自然排煙口，利用熱煙自身的浮力將煙氣排出隧道。自然排煙原理簡單、操作便捷，但其一般僅適用于短隧道。針對于公路長隧道，需要采用機械排煙。機械排煙主要分為縱向排煙、橫向排煙及重點排煙3 種方式，需根據隧道的類別、長度、通行方式和通風系統等多方面因素綜合考慮確定具體的排煙方式。縱向排煙是指火災時利用隧道風機迫使煙氣沿著隧道方向流動的排煙方式，此時煙氣一般會彌漫在2 個風井之間的一段區間內，是適用于單向隧道的一種最常用的排煙方式。臨界風速為縱向排煙時防止煙氣回流的最小速度，試驗證明，縱向排煙在大于臨界風速的條件下控制煙氣的效果較好。但是，縱向排煙方式不適用于雙向交通的隧道，因為在此情況下采用縱向排煙方式會使火源點下游煙氣區中不能駛離隧道的車輛處于煙氣中。橫向排煙是指利用隧道中平時通風系統的排風風道進行排煙，但其造價較高、運營控制復雜，實際中在發生火災時煙氣控制效果也較差，目前國內基本上沒有隧道采用該種通風排煙方式。重點排煙是在隧道內設置專用排煙風道，可以在火源附近將煙氣快速有效地排出。該排煙方式可用于雙向交通隧道，且適用于隧道內車流量較大、隧道較長并且經常發生阻滯的隧道。重點排煙的方式可以將煙氣控制在較小的范圍之內，有利于保證隧道內人員的安全疏散。

對于3 km 以下隧道多采用縱向排煙方式，3 km以上隧道縱向排煙和重點排煙均有采用。根據現行GB 50016—2014《建筑設計防火規范》，長度大于3 000 m的隧道，宜采用分段縱向排煙方式或重點排煙方式。國內外學者對于隧道消防安全問題，特別是隧道火災時煙氣運動情況及臨界風速進行了針對性研究，并取得了一定的研究成果，使得隧道安全性得到了較大提升。隨著計算機技術的發展，數值模擬的研究方法因其可操作性強、成本低、節約時間等諸多優點被越來越多的學者所采用。其中，計算流體動力學（CFD）模擬應用范圍最為廣泛。范磊等[4]采用計算流體動力學有限元軟件針對設置有排煙道的隧道火災時煙氣蔓延情況進行了研究，對比分析了瞬態與穩態模型的不同點，為隧道火災煙氣控制提供了理論依據。張進華等[5]利用PHOENICS 軟件分析了隧道火災時不同縱向通風速度煙氣的運動情況及不同區域的煙氣濃度、溫度分布情況，為控制火災提供了參考依據及為人員安全疏散提出了優化措施。王克拾[6]采用FDS軟件針對上海長江隧道發生汽車火災的情形進行了研究，獲得了汽車火災時隧道內水平、縱向溫度場的變化特性，對于人員疏散及通風系統設置提出了優化建議。

3 模擬分析

根據隧道結構圖，利用FDS 建立隧道全尺寸模型，如圖1 所示。FDS 模擬軟件是美國國家標準與技術研究院（NIST）下設的建筑和火災研究實驗室開發的產品，廣泛運用于建筑火災煙氣蔓延計算分析，其是一個由計算流體力學分析程序開發出來的專門用于火災煙氣傳播的場模型，通過對同一網格使用有限體積法來計算熱輻射及流體流動湍流現象，遵循連續性方程、動量方程及能量方程。FDS 模擬熱驅動流體流動，包含了燃燒模型、熱解模型、熱輻射模型等多個模型，重點是計算火災時的煙氣運動與傳熱過程，通過大渦模擬（LES）方法模擬煙氣流場的具體細節，具有較高的精度與計算效率，可以預測模擬三維空間內火災中溫度場分布、煙氣運動情況及CO 等有毒氣體濃度含量變化。

圖1 隧道火災位置示意圖

隧道內的可燃物主要為通過隧道的客車及中小型貨車，而車輛的火災熱釋放速率也是隧道消防安全設計時的重要參數。不同車輛的火災熱釋放速率不盡相同，國內外通過大量全尺寸試驗獲得了不同車輛的火災熱釋放速率推薦值，本文模型按最危險等級考慮，設定火災熱釋放速率峰值為30 MW，設置火源位置為隧道中部?；馂膱鼍皡翟O計：隧道火災最大熱釋放率為30 MW，火源面積15 m2，火災熱釋放率為2 000 kW/m2，火災的瞬態模擬采用t2火來模擬，即火災增長系數為0.047 kW/s2，大約在800 s 后達到30 MW。隧道內排煙風機設置為速度入口邊界條件，隧道兩端設置為壓力出口邊界條件。設置火災發生位置為隧道中部，火災發生時交通封閉，車輛只出不進，人員可迎新風方向向最近疏散口疏散，采用FDS 模擬軟件對隧道內煙氣蔓延情況進行了模擬分析。經計算入口段縱向排煙時臨界風速為3.5 m/s，出口段縱向排煙臨界風速為2.8 m/s。提取400、500、1 800 s 不同時間下隧道內火災蔓延時的能見度分布云圖、煙氣蔓延圖及溫度分布云圖如圖2—4 所示。

圖2 能見度分布云圖

圖3 煙氣蔓延圖

圖4 溫度分布云圖

發生火災后，煙氣到達隧道頂部后，逐步向隧道上下游蔓延，在機械排煙系統的作用下，煙氣被控制在局部區域內，其中，沿行車方向，煙氣被控制在距火源780 m 內；逆行車方向，煙氣被控制在距火源330 m 內。

在模擬時間內，除火源附近區域外，隧道內有煙氣存在的區域清晰高度處的能見度最低為1 m，溫度最高為56 ℃，CO 含量最高為62 ppm，滿足人員安全疏散的要求。

4 結束語

本文采用FDS 針對公路隧道進行了火災模擬，分析了火災時隧道內煙氣運動、溫度、能見度等參數變化，得到了如下結論，并提出相關建議。

1）除火源附近區域外，隧道內有煙氣存在的區域各項參數均滿足隧道內人員安全疏散的要求。

2）隧道排煙系統可以有效控制火災時的煙氣運動，應定期對于排煙系統等消防設施設備進行維護與保養。

3）根據隧道內發生火災的位置，火源上游與下游應采取不同方向的疏散指示標志，同時通過廣播輔助隧道內人員進行安全疏散。