火灾工况下某特长城市地下道路疏散方案分析评估

李俊梅， 常　军， 黄宗浩， 王继东， 李炎锋

(1.北京工业大学建筑工程学院， 北京　100124； 2.北京市市政工程设计研究总院， 北京　100082)



火灾工况下某特长城市地下道路疏散方案分析评估

李俊梅1， 常军2， 黄宗浩1， 王继东1， 李炎锋1

(1.北京工业大学建筑工程学院， 北京100124； 2.北京市市政工程设计研究总院， 北京100082)

为了评估某特长城市地下道路火灾工况下人员疏散的策略，借助计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)模拟以及疏散模拟软件Building EXODUS对该城市地下道路设定的不同火灾疏散场景中可用的安全疏散时间与必需的安全疏散时间进行了模拟分析，并在此基础上对该城市地下道路的疏散方案进行了评估. 研究结果表明：烟气自由扩散时，除隧道出口附近的疏散场景外，各疏散场景中可用的安全疏散时间都小于必需的安全疏散时间，导致部分人员的安全疏散受到威胁. 因此，火灾发生时，必须及时启动烟气控制措施以保证内部人员的安全疏散. 对于火灾发生在隧道出口的场景，在启动烟气控制系统保证火源上游人员安全疏散的同时，火源下游还应有一定的保障措施使下游车辆能快速驶出起火隧道.

火灾； 城市地下道路； 疏散

随着城市交通用地日渐紧张、交通拥堵日益严重，修建城市地下道路成为缓解这些问题的主要手段之一. 在大规模建设城市地下道路的同时，与之相联系的道路安全、舒适、节能、环保运营等问题逐渐成为人们关心的主要问题，这其中火灾安全一直是人们重点关注的问题之一[1-2].

与一般的交通隧道相比，由于协调路网交通能力的需要，城市地下道路往往有多个出入口与地面道路或其他交通枢纽相连，其结构较为复杂，加上地处城区、交通量大，使得由于车辆自身的机械、电路故障、车辆自燃等原因或车辆相撞造成火灾的几率大大增加. 与地面建筑火灾相比，地下道路发生火灾后，由于其空间相对密闭狭小，火灾产生的热量不易散出，由此产生的高温环境可能会对内部的人员、车辆及隧道本体衬砌结构的安全造成威胁. 密闭狭小的空间还会造成燃烧不充分，火灾中产烟量相对较大，不利于人员的安全疏散[3-4]. 以往国内外发生过的隧道火灾事故也表明隧道火灾造成的人员伤亡和财产损失远比一般路面火灾严重. 城市地下道路内由于车流量大，隧道长时间处于超饱和交通状态，使得火灾情况下需疏散的人员数量大大增多，加上公路隧道横断面小，道路狭窄，人员行走更加困难. 如果烟气控制措施不当，疏散通道设置不合理，人们在高温有毒的烟雾中逃生，极可能会造成大量的人员伤亡[3-5]. 对于城市地下道路而言，对火灾工况下的疏散方案进行评估分析，是火灾危险性评估的关键.

1　疏散方案评估的依据

城市地下道路内发生火灾后, 其内部人员能否安全疏散主要取决于2个时间：可用的安全疏散时间ta和必需的安全疏散时间tr. 若ta>tr，则表明隧道内人员可安全疏散[6]. 可用的安全疏散时间即火灾发生到对人构成威胁所经历的时间，主要取决于火灾本身的特性以及城市地下道路内相应消防系统的设计和运行情况等；必须的安全时间是人员疏散到安全场所需要的时间，包括火灾报警探测时间、人员准备疏散时间、人员的移动时间等[7]. 对这2个时间相对准确的预测是评估城市地下道路疏散方案合理性的关键.

关于隧道内人员的疏散分析，其基础是基于普通建筑内人员疏散的研究结果. 此外，基于隧道火灾的特殊性，一些学者如Frantzich等[8]、 Nilsson等[9]Fridolf[10]、Seike等[11]等针对隧道火灾环境下内部人员的行为进行了研究；Ronichi等[12-13]通过4种不同的疏散软件FDS+Evac、STEPS、Simulex、Pathfinder对影响隧道疏散时间的因素进行了对比研究；Galsa等[14]用FDS+Evac对某短隧道的人员疏散进行了分析；Caliendo等[15]用疏散模拟软件STEPS结合计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)对火灾工况下某曲线双向交通隧道火灾工况下人员的疏散时间进行了模拟分析. 周健等[16]采用问卷调查和统计分析的方法对公路隧道内突发火灾时人员的疏散行为进行了分析研究；向月[17]通过搭建疏散实验平台结合疏散模拟对横通道的通行能力进行了研究；杨震[18]用区域模型CFAST结合疏散模拟软件Building EXODUS对公路隧道火灾时人员的安全逃生进行了分析；任博[19]借助于CFD火灾环境模拟的结果，对长大单洞隧道联络通道间距的设置进行了研究；李桂萍[20]用Fluent结合疏散软件STEPS对上海崇明越江隧道的火灾安全疏散进行了研究.

鉴于交通隧道个体的独立性，不同隧道由于结构、烟气控制策略、交通状况、车辆组成、隧道环境、消防设施等的不同，其火灾工况下人员的疏散策略也不尽相同. 基于此，本研究将以某特长多点进出城市地下道路为例，对其火灾工况下设定的人员疏散方案进行评估分析. 该地下道路有多个出入口匝道与地面或地下交通枢纽相连，火灾情况下烟气扩散具有特殊性. 本研究将在探讨火灾烟气扩散环境的基础上，对疏散方案的合理性进行分析，并给出改进建议. 论文的研究结果可为同类型交通隧道的人员疏散提供参考.

2　城市地下道路的概况及疏散方案

2.1工程概况

某城市地下道路为双洞单向隧道，左、右线隧道封闭段长均为4 685 m，有18个出入匝道与地面道路、其他地下道路或地下交通枢纽相连(见图1). 隧道内主要路段为三车道，净宽13.0 m，道路两侧设有0.75 m宽的检修道. 隧道内人员的疏散方式为两隧道互为逃生隧道. 隧道全线共设置9 处汽车横通道和22 处人行横通道，人行横通道宽2.0 m，高2.5 m，长10 m，纵向间距不大于250 m. 人行横通道的分布如图1所示. 车行横通道间距不大于500 m.

2.2疏散方案设定

该地下道路的烟气控制方式为分段式纵向排烟，其火灾工况下的疏散方案为火源上游的人员需要疏散，火源下游的人员假定可随车辆及时驶出隧道. 由于该地下道路出入匝道较多，驶出匝道的存在理论上对火灾工况下的车辆疏散有利，但当火灾发生在距驶出匝道入口下游一定距离，且由于烟气扩散导致该驶出匝道不能作为车辆和人员的疏散通道时，火灾点上游需疏散的人数较多，疏散相对困难. 基于此，该城市地下道路设定的火灾疏散场景如下：

1) 第1个火灾疏散场景设定为从隧道入口起，假定火灾发生在第1个驶出匝道(见图1中的外匝道)入口下游的第1个人行横通道处，此时，火灾点上游的所有人员都需要进行疏散，下游的车辆人员假定能顺利驶出.

第2个火灾疏散场景为假定火灾发生在第1个火灾场景下游的第1个驶出匝道(外匝道)入口下游的人行横通道处，此路段内的所有人员都需要疏散.

2) 以后的场景设定以此类推，最后1个火灾点设置在隧道出口附近.

依据上述设定方式，该城市地下道路左、右线隧道(见图1中上部红色标注隧道为右线隧道，下部蓝色标注隧道为左线隧道)共设置了9个火灾疏散场景，其中右线隧道有3个疏散场景，从右线隧道入口到出口3个场景依次表示为R1、R2和R3；左线隧道有6个疏散场景，从左线隧道入口到出口分别表示为L1、L2、L3、L4、L5和L6. 发生火灾时，内部人员需通过横通道疏散到对向隧道，并以疏散到地面作为最终的安全区域. 疏散方案中车行横通道不用于火灾时的人员逃生.

由于疏散是火灾工况下的疏散，但火灾发生后，一般事故通风系统由于与火灾报警系统联动并不能立即启动，此时，隧道内火源附近的人员发现火灾后进入自行疏散阶段. 在火灾发生后到事故通风系统启动前，隧道内烟气的扩散也可能会对人员的自行逃生产生影响. 本研究首先通过数值模拟对各火灾场景的烟气扩散进行分析，以此来评估可能的烟气环境对人员逃生的影响.

3　火灾工况下的疏散方案分析评估

3.1火灾工况下的疏散环境模拟分析

3.1.1模拟工况的设定

各疏散场景中的火灾环境模拟用火灾模拟软件FDS 6.0来实现. 各疏散场景对应的FDS中的隧道模型如图2所示. 疏散场景中字母“L”表示左线隧道场景，“R”表示右线隧道场景.

疏散场景R3和 L6分别对应右线隧道出口和左线隧道出口，坡度都为4.5%，见图2(a)，坡度段模拟长度400 m，火源位于距出口200 m处. R1、R2、L3、L4、L5场景对应模拟隧道模型见图2(b)，但各自匝道对应的坡度不同. R2、L3、L4场景对应匝道坡度6.5%，L5场景对应驶出匝道的坡度为7%，R1场景中驶出匝道的坡度为8%. 火源位于匝道分岔下游100 m处，火源下游长度150 m，上游250 m，驶出匝道长度100 m. L1和L2场景由于和地下枢纽相连，有单独的烟气控制策略，因此，没有考虑其烟气扩散过程.

由于城市地下道路一般限制运输危险品及大型载货车辆驶入，依据国内外现有的规范关于不同类型车辆火灾热释放率的推荐值[21-22]，模拟中火源功率设定为30 MW. 火源的大小设定为6.0 m×2.0 m×1.5 m(长×宽×高)，顶部着火. 为保证计算精度和效率，火源附近27.5 m范围内采用较小尺寸的网格，网格大小为0.15 m×0.15 m×0.15 m，其他区域网格尺寸为0.3 m×0.3 m×0.3 m. 考虑火灾起火初期，防排烟系统并未开启或排烟系统失效，烟气处于自由扩散的状态. 由于该地下道路出入口较多，在通风系统未开启的情况下，隧道计算断面边界及出口边界设定为自由边界.

3.1.2模拟结果分析

火灾工况下，R2、L3、L4场景对应的烟气扩散随时间变化如图3所示，烟气层高度Hg和距地面2 m高处烟气的温度Tg沿隧道的纵向变化分别如图4、5所示. 从图3～5可以看出，火灾刚发生时，烟气能自由向两侧扩散，保持很好的分层，有利于人员的疏散. 但随着火灾的发展，除火源附近烟气尚能保持烟气分层外，距火源较远处，由于高温烟气和隧道壁面的热交换及沿途卷吸下层的冷空气，使得烟气层的温度下降，烟气层厚度逐渐增加，高度逐渐降低. 在驶出匝道处，由于匝道坡度的烟囱效应，会有部分烟气沿匝道向隧道外部扩散. 由于匝道分流的影响，火源上游(图2(b)所示火源右侧)主隧道的烟气的浓度要小于同距离下游主隧道，但烟气保持分层的时间要长于下游. 起火300 s后，在火源上游160 m以外的地方，烟气层高度已下降到人员逃生的安全高度2 m以下，对该距离以外的人员逃生不利，尽管此时2 m高处的温度仍在40 ℃以下，但人员在烟雾中逃生时会吸入烟气，影响人员的逃生速度，此时，需及时开启通风系统将烟气控制在一定范围内.

疏散场景L5和R1中烟气的扩散过程与场景R2、L3和L4类似，两场景中烟气层高度Hg和隧道中心断面距地面2 m高处烟气的温度Tg的纵向变化如图6～9所示. 从图6、8可以看出，起火300 s后，在场景L5和R1中，火源上游160 m以外的地方，烟气层高度已下降到人员逃生的安全高度2 m以下，此时距地2 m高处的温度在40 ℃左右，见图7、9. 尽管温度对人员逃生的影响不大，但应注意烟气对人员逃生的影响，需及时开启通风系统控制烟气.

场景R3和 L6对应的隧道内烟气层高度Hg的变化以及隧道内距地面2 m高处温度Tg的变化如图10、11所示.可以看出，由于坡度烟囱效应的影响，在坡度路段上坡侧(如图2(a)所示火源左侧)，尤其是接近出口处，烟气层高度下降很快，烟气很快充满隧道断面，且隧道出口附近2 m高度处烟气的温度在2 min左右已接近50 ℃，坡度路段上坡侧能提供给人员逃生的时间相对较短，但对于火源上游而言，烟囱效应使得更多的烟气流向火源下游(上坡侧)隧道出口处，火源上游虽有烟气回流但烟气层高度较高，且烟气温度低，若不以隧道出口为疏散通道，火源上游人员获得的疏散时间相对较长.

3.2各疏散场景疏散时间的预测分析

本研究中各疏散场景的人员疏散模拟分析将采用疏散软件Building EXODUS完成. Building EXODUS是英国Greenwich大学开发的用于模拟建筑物内人员疏散的疏散软件. 该软件考虑了人与人，人与火灾，人与建筑物结构之间的相互影响，软件中主要包含5个子模型：人员模型、移动模型、行为模型、毒气模型、灾害模型. 在人员的疏散过程中，各模型之间相互影响[23-24]. 该软件自开发以来已经过多次验证，目前是疏散模拟研究中应用较为广泛的商业软件之一. Building EXODUS模拟中建筑物结构可以通过绘图软件导入，对结构较复杂的建筑，该软件能较准确地反映出建筑物的结构对人员逃生的直接影响.

3.2.1模拟参数的选取

模拟中假设该城市地下道路处于拥堵工况，由于禁止大货车及运输危险品的车辆驶入，通行的主要车辆类型为小型汽车和大客车，假定隧道内通行的车辆90%为小型汽车(包括小轿车和小货车)，其余为大巴车. 小轿车的尺寸为4.5 m×2.0 m (长×宽)，小型货车尺寸为6.0 m × 2.0 m (长×宽)，小型汽车内假定乘客2人；大巴车的尺寸为12 m × 2.5 m (长×宽)，定额45人. 车辆间的间距取2 m.

各场景需疏散的长度和人数的详细情况如表1所示.

表1　各疏散场景需疏散的长度和人数汇总

由于多数司机为男性，因此，需疏散人员中假定男性占60%，女性占40%. 年龄构成：20～30岁占35%，30～50岁占45%，其他占20%. 人员的具体分布由模拟软件随机设定.

隧道内离火源较近的人员可通过火光、辐射热、烟气等最先感知火灾，而离火源距离较远的地方需通过烟气的蔓延或者听到火灾的报警及前方人员的告知才能知晓火情，其对火灾的反应时间可能也相应长一些[25]. 基于此，本研究中人员的反应时间根据距火源距离的远近设定，见表2，远距离处根据一般火灾的探测时间设定为3 min.

表2　人员的疏散反应时间

参照文献[6]给出的各类型通道的最大单位流率的参考值，由于地下道路内的疏散环境与一般建筑相比相对较差，因此，模拟中疏散通道的单位流率取1.0人/(s·m).

3.2.2疏散时间预测

通过对各疏散场景的模拟，得到各场景所需的必须疏散时间以及排烟系统未开启时人员可用的疏散时间如表3所示. 若以最后达到无火灾隧道的时间为安全时间，从模拟结果可以看出大部分场景所需的疏散时间在9 min左右. L6场景中由于火灾位置假定在隧道出口处，该场景下隧道出口不能作为疏散出口，洞口附近的人仍需通过内部的横向通道到达无火灾隧道，需行走的距离较长，且该场景下可用的2个疏散通道使用不均，因此，L6所需的疏散时间较其他场景长. 模拟中由于未考虑烟气对人员疏散的影响以及探讨精确的火灾探测时间，模拟得出的时间应为该疏散场景下最短的疏散时间.

对比各疏散场景中火灾工况下烟气的模拟结果，对于有驶出匝道的场景，无通风时，距离火源150 m外人员可用的疏散时间约为4 min左右，而必需的9 min的人员疏散时间会使距离火源较远的横通道处的人员处于烟气中，即使在人员身高范围内烟气的温度并不高，但烟气中的有毒气体可能会对疏散人员造成伤害，且会引起疏散人员的心理恐慌，因此，火灾发生后，需及时开启通风系统，才能为火源上游的人员创造一个无烟的安全疏散环境. 对于场景R3和L6，当火灾发生在出口坡度路段时，烟囱效应的影响使得坡度路段环境很快变得不适于人员疏散，此时，应采取措施保障火源下游的车辆能快速驶出隧道. 火源上游人员应在通风排烟系统的帮助下，借用最近的横通道疏散到对向无烟隧道. 对于场景L6，应尽可能地改进疏散策略，或增加有效的烟气控制策略，以保证该场景下人员的安全疏散.

表3　各疏散场景所需的疏散时间

4　结论

本文以某特长城市地下道路为研究对象，通过CFD模拟及人员疏散模拟对其设定的不同火灾疏散场景中可用的安全疏散时间与必需的安全疏散时间进行了模拟分析，并在此基础上对该城市地下道路的疏散方案进行了评估. 研究结果表明：

1) 尽管该地下道路疏散通道的设置满足国家相关规范的要求，但若发生火灾时，火灾探测系统未能及时探测到火灾、排烟系统不能及时启动、人员处于自行疏散状态时，疏散方案R1、R2、L3、L4、L5中火源上游附近仍可能会造成一定的人员伤亡，及时开启烟气控制系统是人员安全疏散的保障.

2) 对于火源处于隧道出口附近的场景R3和L6，由于出口处坡度烟囱效应的影响，尽管火源上游下坡侧烟气仍有回流，但由于烟气层高度高，且烟气温度低，若不以隧道出口为疏散通道，即使不开启排烟系统对人员的疏散影响也不大. L6场景中人员疏散时间尽管较长，但仍能保证安全疏散. 但此种工况下火源下游车辆必须能保证及时驶离隧道.

3) 疏散场景R1、R2、L3、L4、L5中，若火源附近的驶出匝道通过一定的烟控措施获得无烟环境，可考虑将其作为车辆或人员的疏散通道，以缩短火源上游的疏散人数及隧道人员的逃生时间.

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(责任编辑郑筱梅)

Numerical Analysis of the Different Evacuation Strategy in Long Urban Underground Traffic Tunnel

LI Junmei1, CHANG Jun2, HUANG Zonghao1, WANG Jidong1, LI Yanfeng1

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute, Beijing 100082, China)

Evacuation strategies under different fire scenarios in a long urban underground traffic tunnel were evaluated by numerical methods in this paper. The available safety egress time under no ventilation condition and the required safety egress time were obtained. The results show that the required safety egress time in most scenarios are longer than the available safety egress time except in the scenarios where the fire happens near the tunnel exit portal. This might be dangerous for people who cannot evacuate safely. The smoke control system must be run in time for assuring the safety evacuation of the people at the upstream of the fire. For the scenarios near the exits of the tunnel, special measures should be taken to make the cars at the downstream of the fire drive out instantly as the smoke ventilation system is in operation.

fire; urban underground traffic tunnel; evacuation

2015- 11- 18

国家自然科学基金资助项目(51278018)； 北京市自然科学基金资助项目(8132011)； “十二五”科技支撑计划资助项目(2012BAJ01B03)

李俊梅(1970—)， 女， 副教授， 主要从事建筑火灾安全方面的研究， E-mail: lijunmei@bjut.edu.cn

TU 83

A

0254-0037(2016)05-0729-08

10.11936/bjutxb2015110057