車輛阻塞對隧道火災中人員疏散的影響分析

杜 朋,呂 品,夏丁超,王金月

(安徽理工大學 安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001)

近年來,我國公路隧道的數(shù)量和里程呈不斷增長趨勢。根據(jù)交通運輸部2021年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1],截止2021年底,全國公路隧道共有23 268處,比上一年增加1 952處,隧道總里程超過2 469.89萬延米。隨著隧道數(shù)量的增加,隧道火災發(fā)生的頻率也大幅增加。當阻塞的隧道發(fā)生火災時,阻塞的車輛會占據(jù)隧道的部分空間[2],使得隧道內(nèi)縱向通風過流面積減小,進而影響臨界風速,并對隧道防排煙以及人員疏散造成困難。因此,研究縱向通風隧道內(nèi)車輛阻塞對隧道火災人員疏散的影響具有重要意義。國內(nèi)外學者針對隧道內(nèi)存在阻塞的情況進行了大量研究。Li等[3]研究阻塞比對隧道火災的影響,結(jié)果表明臨界風速和頂棚最高溫度隨著阻塞比的增大逐漸減小。Luo等[4]研究車輛阻塞場景對縱向通風隧道火災煙氣蔓延的影響,結(jié)果表明縱向風速相同時,隨著堵塞長度的增加,隧道頂棚最高溫度先降低后逐漸升高。Meng等[5]研究了隧道阻塞比對縱向通風隧道火災特性的影響,提出了包含阻塞比因素的隧道頂棚最高溫度預測公式。趙香玲等[6]采用FDS(Fire Dynamics Simulator)對堵塞效應下隧道火災臨界風速進行研究,結(jié)果表明火源上游處和火源處阻塞比的增加均會導致隧道臨界風速的減小。唐偉[7]通過小尺寸試驗研究障礙物對隧道火災煙氣逆流行為的影響,得到了障礙物存在情況下煙氣逆流長度預測公式。梁華剛等[8]采用數(shù)值模擬對車輛阻塞效應下隧道火災臨界風速進行研究,結(jié)果表明在相同火災規(guī)模下臨界風速隨阻塞比的增加逐漸減小。楊宇軒等[9]采用小尺寸隧道研究阻塞車輛對煙氣溫度分布特性的影響,結(jié)果表明阻塞效應會降低煙氣向有阻塞物側(cè)縱向蔓延的溫度衰減速度。

不難發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外學者主要研究隧道內(nèi)阻塞車輛對隧道溫度以及臨界風速的影響,而對車輛阻塞下的人員疏散研究較少。因此,本文以鷹嘴巖隧道為研究對象,采用流體動力軟件FDS按照實際參數(shù)建立隧道數(shù)值模型,選取3種常見車型,將阻塞車輛布置在火源上游兩側(cè)車道,通過改變兩側(cè)車道上車型組合,得到不同車型組合情況下隧道溫度以及能見度的變化及分布情況,以研究隧道阻塞時上游阻塞車輛對隧道火災人員疏散的影響。

1 數(shù)值模擬及工況設置

1.1 隧道模型建立

以鷹嘴巖隧道為研究對象,通過FDS數(shù)值模擬軟件建立全尺寸隧道模型,該隧道為雙洞單向隧道,采用縱向排煙模式。隧道橫斷面寬度為11.2 m,主要包括兩條寬度為3.75 m的行車道和兩條寬度1 m的人行道,隧道斷面輪廓如圖1所示。隧道模擬計算長度取600 m,包括兩條人行橫通道,兩條人行橫通道間距為250 m,第一條人行橫通道距隧道入口處200 m。

圖1 隧道斷面輪廓(單位:mm)

1.2 火災場景及工況設定

在公路隧道通行車輛中,火源功率最大的為貨車和公交車。根據(jù)2017RO1EN世界道路協(xié)會的研究報告《公路隧道火災特性設計》給出的建議值[10]如表1所示,考慮隧道內(nèi)一輛貨車起火的最不利情況,本文將火源設置為30 MW,火源尺寸為10 m×2.5 m×1 m。采用t2火模型,選擇火災增長系數(shù)為0.187 8,30 MW火災達到最大熱釋放速率的時間為399 s。

表1 不同類型車輛熱釋放速率

實際隧道火災中,著火的車輛通常位于隧道一側(cè)車道上。因此,考慮隧道火災發(fā)生時最不利情況,將火源設置在隧道一處人行橫通道出口處,如圖2所示。由于火源位于橫通道入口處,該橫通道始終為關(guān)閉狀態(tài),阻塞在火源下游的人員只能通過下游橫通道進行疏散。選取2.5、3.0 m/s 2種縱向風速和3種常見車型,車型尺寸如表2所示。對火源上游車輛阻塞場景簡化,將阻塞車輛布置在火源上游兩側(cè)車道,并改變兩側(cè)車道車型組合,模擬工況如表3所示。

表2 不同種類車型尺寸

表3 數(shù)值模擬工況

圖2 隧道模型俯視

在火源至隧道下游出口400 m區(qū)域內(nèi)靠近橫通道的人行道2 m高度處每隔10 m布置溫度探測器,每隔50 m布置能見度探測器,測量隧道溫度和能見度變化情況。在頂棚下方0.1 m處布置溫度探測器,測量隧道頂棚煙氣溫度。

1.3 危險臨界值

火災中煙氣聚集容易使周圍環(huán)境溫度升高、能見度降低,對人員疏散帶來阻礙。因此,選取離人2 m高度處溫度和能見度作為隧道火災中人員疏散安全性的判斷標準[11]。表4為危險臨界值。

表4 危險臨界值

1.4 網(wǎng)格分析

根據(jù)FDS用戶手冊給出的建議[12],網(wǎng)格尺寸可以由火源特征直徑D*來確定。火源特征直徑D*的計算如式(1)所示。

(1)

式中:D*為火源特征直徑;g為重力加速度;ρ∞為環(huán)境空氣密度;T∞為環(huán)境溫度;cp為空氣比熱容;Q為火源功率。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)特征直徑與網(wǎng)格尺寸的比值在4～16時,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。根據(jù)計算火源功率30 MW時,網(wǎng)格尺寸的取值在0.23～0.93 m之間。為了保證計算精度,并且縮短計算時間,選取0.30 m作為數(shù)值模擬網(wǎng)格尺寸,網(wǎng)格總數(shù)為1 846 736。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 隧道頂棚溫度分析

隧道不同縱向風速下頂棚煙氣溫度分布曲線如圖3所示。

(a) 2.5 m/s縱向風速

由圖3(a)可知,在2.5 m/s縱向風速下隧道頂棚最高溫度為工況6的749 ℃,頂棚最低溫度為工況8的349 ℃。由圖3(b)可知,在3.0 m/s縱向風速下隧道頂棚最高溫度為工況16的629 ℃,頂棚最低溫度為工況18的323 ℃。可見縱向風速的增加會導致頂棚最高溫度降低。在2.5和3.0 m/s縱向風速下隧道下游頂棚煙氣溫度變化趨勢趨于一致,都隨著縱向距離的增加逐漸降低。當隧道無阻塞時,上游頂棚煙氣溫度最高,當隧道兩側(cè)車道均為大型車阻塞時,隧道上游頂棚煙氣溫度最低;固定非火源側(cè)車道阻塞車型,改變火源側(cè)車道阻塞車型時,隨著火源側(cè)車道阻塞車型的增大,火源上游煙氣溫度逐漸降低。因此,在相同縱向風速下,隧道上游煙氣逆流長度隨著阻塞車型的增加逐漸減小,上游煙氣溫度也逐漸降低。隧道無阻塞時煙氣逆流長度最大,隧道兩側(cè)車道阻塞相同種類車型時,隨著阻塞車型的增大,煙氣逆流長度逐漸減小。固定非火源側(cè)車道阻塞車輛類型,改變火源側(cè)車道阻塞車型時,隧道煙氣逆流長度隨著火源側(cè)車道阻塞車型的增大逐漸減小。對比圖3(a)、圖3(b)可知,隧道車道阻塞車型組合相同時,隨著縱向風速的增加,隧道煙氣逆流長度逐漸減小。

2.2 隧道溫度分析

2.5 m/s風速下非火源車道阻塞小型車時,2 m高度處500 s時縱向溫度分布如圖4所示。由圖4可知,火源范圍處最高溫度為工況2的192 ℃,當與火源距離超過20 m時隧道2 m高度處溫度大幅下降,但仍然高于臨界溫度60 ℃。當火源側(cè)車道阻塞小型車時,隧道2 m高度處溫度隨著非火源側(cè)車道阻塞車型的增大逐漸增加,并且2 m高度處超過60 ℃的范圍長度也逐漸增加。工況2、3、4在2 m高度處超過60 ℃的范圍長度分別為30 、40 、120 m。

圖4 2.5 m/s風速下非火源側(cè)車道阻塞小型車時溫度分布

2.5和3.0 m/s縱向風速下隧道車道阻塞相同種類車型時,2 m處500 s時縱向溫度分布如圖5所示。由圖5可知,在不同風速下,火源范圍處溫度最高的均為兩側(cè)車道同時阻塞大型車的情況,溫度最低的均為阻塞小型車的情況。在隧道上游兩側(cè)車道阻塞相同車型時,各工況2 m高度處縱向溫度都隨著阻塞車型的增大逐漸增加,并且火源下游超過臨界溫度的范圍長度隨著阻塞車型和縱向風速的增大而增加。

(a) 2.5 m/s縱向風速

500 s時工況1、2、6、9在2 m高度處超過60 ℃的區(qū)域分別為火源至下游20、30、50、120 m。工況11、12、16、19在2 m高度處超過60 ℃的區(qū)域分別為火源至下游30、50、60、180 m。各工況2 m高度處超過60℃的范圍下火源至下游長度分布如表5所示。

表5 2 m高度處超過60 ℃的范圍

由表5可知,當隧道車道存在大型車阻塞時,2 m高度處超過60 ℃區(qū)域的長度均大于100 m。在2.5和3.0 m/s 2個縱向風速下超過60 ℃的范圍長度最大的均為火源側(cè)車道阻塞小型車,非火源側(cè)車道阻塞大型車的情況。因此,當隧道存在阻塞時,對于隧道下游人員的疏散需要考慮合適的縱向通風風速。

2.3 隧道能見度分析

2.5和3.0 m/s風速下隧道車道阻塞相同種類車型時,2 m高度處500 s時能見度分布如圖6所示。由圖6可知,各工況在火源至下游距離50 m處的能見度達到最大值,并且能見度最大值隨著阻塞車型的增大逐漸降低。隨著縱向風速增加,煙氣逆流長度減小,更多煙氣向下游流動,隧道下游煙氣分層逐漸被破壞,對比圖6(a)、圖6(b)可知,隧道火源下游100 m處至隧道下游出口區(qū)域的能見度隨著縱向風速的增加逐漸降低。2.5 m/s風速下非火源車道阻塞小型車時2 m高度處500 s時能見度分布如圖7所示。

(a) 2.5 m/s縱向風速

圖7 2.5 m/s風速下非火源側(cè)車道阻塞小型車時能見度分布

由圖7可知,各工況隧道2 m高度處能見度隨著縱向距離的增加呈現(xiàn)先增加后逐漸降低的趨勢。在隧道非火源側(cè)車道阻塞小型車時,2 m高度處能見度隨著火源側(cè)車道阻塞車型的增大逐漸降低,并且距離火源中心50 m處位置的隧道最大能見度也隨著阻塞車型的增加逐漸減小,50 m位置的能見度從15 m逐漸降低至臨界值之下。由圖6和圖7可知,各工況能見度都呈現(xiàn)先增大后逐漸減小的趨勢,主要由于火源區(qū)域煙氣溫度高,煙氣上浮至頂棚后沿隧道頂棚縱向流動,隨著煙氣流動距離的增加,煙氣溫度逐漸降低,煙氣難以維持穩(wěn)定的分層逐漸下沉,能見度逐漸降低。

2.4 最不利工況下可用安全疏散時間分析

當隧道發(fā)生火災時,若隧道內(nèi)存在阻塞,處于火源下游阻塞車輛中的人員須通過下游的橫通道進行逃生。通過分析可知,各工況500 s時2 m高度處超過60 ℃的范圍均未到達火源下游250 m處橫通道入口區(qū)域,隧道下游橫通道入口區(qū)域2 m高度處能見度低于臨界值10 m。因此隧道人員可用安全疏散時間由下游橫通道入口處能見度分布情況確定。隧道車道存在大型車阻塞時,2 m高度處超過60 ℃的范圍長度均大于100 m,并且明顯大于隧道阻塞其他車型時的范圍長度;隧道存在大型車阻塞時隧道2 m高度處能見度均低于其他工況。因此,對隧道車道存在大型車阻塞時的可用安全疏散時間進行分析。

典型工況橫通道入口處能見度隨時間變化曲線如圖8所示。由圖8可知,隧道無阻塞時,可用安全疏散時間為498 s;隧道火源側(cè)車道阻塞小型車,非火源側(cè)車道阻塞大型車時,可用安全疏散時間為386 s;隧道兩側(cè)車道同時阻塞大型車時,人員可用安全疏散時間為343 s。

圖8 典型工況橫通道入口處能見度隨時間變化

隧道車道存在大型車阻塞時的可用安全疏散時間如表6所示,由表6可知,隧道存在大型車阻塞時的人員可用安全疏散時間遠低于隧道無阻塞時的人員可用安全疏散時間。當隧道車道存在大型車阻塞時,對隧道人員疏散安全性影響最大。因此,隧道發(fā)生火災時,需要注意隧道中阻塞的車輛,并且對于阻塞的大型車要十分重視。對表6各工況用安全疏散時間進行對比發(fā)現(xiàn),縱向風速的增加會導致人員可用安全疏散時間減小,對于縱向通風隧道,當隧道內(nèi)存在阻塞時,需要合理考慮縱向風速。

表6 隧道存在大型車阻塞時的可用安全疏散時間

3 結(jié)論

1) 當隧道車道阻塞相同種類車型時,隧道溫度和2 m高度處超過60 ℃的范圍長度隨阻塞車型體積增大逐漸增加,能見度隨阻塞車型體積的增大逐漸減小;固定非火源側(cè)車道阻塞車型,改變火源側(cè)車道阻塞車型時,隧道能見度隨阻塞車型體積的增加逐漸降低,2 m高度處超過60 ℃范圍長度隨阻塞車型的增大逐漸增加。

2) 當增加隧道縱向風速時,火源下游2 m高度處超過60 ℃的范圍增大,能見度逐漸降低。縱向風速的增加會給下游人員疏散帶來不利。

3) 相對于隧道無阻塞的情況,隧道車道存在大型車阻塞時的可用安全疏散時間減少幅度最大,對火源下游人員疏散影響最大。縱向風速的增加會導致人員可用安全疏散時間的減小。因此,對于存在車輛阻塞的隧道,需要合理考慮縱向通風風速。