设疏散平行导洞时超高海拔隧道的临界长度

焦卫宁，王雪霁，杨 帅，杨瑞鹏

(1.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065； 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075； 3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

随着西部大开发建设的持续推进，在3 500～5 500 m超高海拔地区的单洞双向交通公路隧道逐渐增多，如G318高尔寺隧道、G317斜拉山隧道、珠角拉山隧道和S303巴朗山隧道等。隧道是相对封闭的构造物，洞内一旦发生火灾，人员逃生和救援均较困难，因此隧道火灾造成的后果极为严重。其中最著名的勃朗峰隧道火灾，由于未设疏散通道和通风井，41人在火灾中丧生；奥地利山地列车隧道火灾，列车仅进入隧道600 m，旅客中仅9人安全逃生， 155人丧生，18人受伤；山西晋济高速岩后隧道(长约786 m)火灾造成40人死亡；威海陶家夼隧道内交通事故车辆起火，车内13人，12人死亡，1人重伤。

发生火灾时，最有效的逃生方法是尽快远离火灾点，进入安全区域。在超高海拔使人体机能下降和隧道长度较长的情况下，若火灾烟雾和热量扩散蔓延至正在疏散的人群，则易发生危险，此时隧道须设置平行导洞(简称平导)等人员逃生通道。因此，超高海拔地区的单洞双向交通隧道须设置多长的避灾疏散平行导洞，应当引起关注。

目前陈汉波[1]针对设置平导的巴朗山公路隧道火灾工况进行了模拟，给出了模拟场景下的通风控制方案及相关建议；严涛等[2]研究了在高海拔地区隧道内列车发生火灾时保证人员疏散安全的铁路隧道横通道间距；屈建荣[3]引入长大单洞双向交通隧道通风和逃生平导的模型，提出人员疏散时主隧道的控制风速及平导的控制风速，确定了单洞双向交通公路隧道的合理横通道间距。

上述研究着重分析了设置平导的公路、铁路隧道防灾救援及横通道间距，本文在此基础上，结合工程实际应用中的问题，通过数值模拟给出了超高海拔单洞双向交通隧道须设置避灾疏散平行导洞时隧道的临界长度，以期为类似工程提供参考。

1 超高海拔隧道的平导设置情况及其隐患

在现行公路、铁路隧道设计规范中，涉及平导的相关规定多是为辅助施工考虑的，如“长度在3 000 m以上或确有特殊需要的隧道，可采用平行导坑”，“长度在3 000 m以上或确有特殊需要的隧道，当不宜采用其他类型辅助通道时，可采用平行导坑”，“长度在4 000 m以上的长隧道，当不宜采用横洞时，应优先采用平行导坑。瓦斯隧道和特长隧道应优先采用平行导坑”等。

在公路隧道的实际应用中，平导的设置多结合隧道长度和通风规模，以隧道长度3 000 m为界进行考虑。

超高海拔地区车辆发动机燃烧不充分，尾气污染物排放量增加。《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D7012-01—2014)规定，海拔越高，隧道计算需风量越高。例如海拔4 000 m的隧道计算需风量是海拔2 000 m同样规模隧道需风量的1.59倍。故超高海拔地区隧道常需要布置平导，用于主隧道通风，兼作避灾疏散通道。

表1为国内部分超高海拔单洞双向交通公路隧道的平导设置情况和运营通风方案。

表1 超高海拔单洞双向交通隧道的平导设置

目前已建的大部分短于3 000 m的超高海拔地区隧道均没有设平导，如长拉山隧道(长2 400 m，海拔约4 500 m)等。若隧道内发生火灾，人员只能从隧道两端洞口逃生，加之高原上人体运动能力和器官机能下降,逃生能力会随之下降，若不能及时离开火灾点，人员面临的风险将急剧增加。

如山西岩后隧道，虽然隧道只有786 m长，但是发生火灾后，由于人员没能及时逃离火灾现场，导致伤亡惨重。同样，奥地利山地列车隧道虽然布置了逃生疏散通道，但是由于缺乏指示标识，乘客无人从横通道逃生，最终导致惨痛的后果。2017年5月28日发生的山西天河山特长隧道(长约8 500 m)火灾中，司乘人员及时离开了火灾点，避免了人员伤亡。

2 超高海拔隧道火灾发展模拟

采用FDS软件进行数值模拟，重点计算火灾中的烟气和热传递过程，研究热烟气层的高度、温度、浓度等状态参数随时间的变化。

FDS假定为：低速流动，马赫数小于0.3；矩形网格；指定热释放速率，精度80%～90%；燃烧模型为混合分数模型，适用燃料控制型火灾；辐射模型为采用有限容积法求解辐射方程RTE；连续方程

(1)

动量方程

(2)

组分方程

(3)

能量方程

(4)

模型假定单个火源，即火灾未发生蔓延，人群逃生取平均疏散速度，即速度不发生变化；洞内风速为火灾工况的控制风速2.5 m·s-1。

2.1 超高海拔隧道火灾计算模型

以某长度为3.6 km的单洞双向交通隧道为背景建立数值计算模型。如图1所示，计算模型长150 m，火源点位于隧道中部。

隧道两端为开放边界条件，压力设为一个标准大气压101 325 Pa，隧道内与外界初始环境温度为20 ℃。

隧道衬砌为混凝土材料，厚0.4 m，比热为880 kJ·kg-1·K-1，热导率为1.8 W·m-1·K-1，密度为2 300 kg·m-3，热膨胀系数为0.1 K-1。

图1 FDS隧道模型

依据公路隧道通风规范,火灾热释放率取30 MW；火灾模型考虑高原火灾发展的实际规律,采用快速火模式，α=0.187 6，火灾热释放率按Q=αt2变化，其中Q为火灾热释放率(kW)，α为系数，t为火灾发生的时间(s)。

洞内风速为火灾工况的控制风速2.5 m·s-1。

模拟火灾时,在隧道全长布置断面监测点，监测隧道内的温度和能见度等参数，从而分析火灾发展过程以及热量和烟雾在隧道内扩散的情况。

2.2 超高海拔隧道火灾烟雾扩散规律

通过FDS模拟得到各个时间段火灾发展的烟雾扩散情况，如图2所示。

图2 火灾后烟雾扩散分布

烟雾图形灰度代表烟雾浓度，分析烟雾分布数据可知，烟雾扩散先慢后快[4]。前240 s烟雾较为稀薄，影响范围较小；240～360 s后浓烟开始蔓延；烟雾受洞内火灾风速影响，向火灾点风向下游扩散，火灾发生后600 s，烟雾已蔓延到距离起火点1.7 km处。

2.3 超高海拔隧道火灾高温扩散规律

隧道洞内温度纵向分布云图如图3所示。

图3 火灾后温度纵向分布云图

结合火灾温度分布数据分析：火源点刚燃烧时，温度主要积聚在火源点附近；约120 s后火源点完全燃烧，火源点温度最高达220 ℃以上；受隧道内火灾风速影响，火源点下游200～300 m区段内温度快速升高，火灾发生600 s后，火灾点下游400 m内的温度已高于60 ℃。

3 超高海拔隧道火灾人员逃生安全距离

在4 000 m海拔地区调研多组人群(约500人)，主要为刚到高原的施工人员及部分常住居民，包括各年龄段的男性和女性，测试者无负重。基于测试和相关研究数据统计，得到不同年龄段男性和女性在海拔4 000 m的地区跑步的平均速度如图4、5所示。

图4 海拔4 000 m不同年龄段女性的跑步速度

图5 海拔4 000 m不同年龄段男性的跑步速度

考虑到隧道发生火灾事故时人员的紧张和慌乱情绪，综合性别和年龄差异，取平均速度2.1 m·s-1进行分析。

以安全疏散耗时最长的大客车为例，人员对火灾反应时间120 s和从大客车下车时间80 s，总计取200 s，即人员在火灾发生后200 s开始逃生。

按照高原火灾人员发生危险的条件为“公路隧道内1.7 m高处，若满足能见度低于10 m、温度髙于60 ℃任一条件时，即可认为达到危险状态”的要求，将FDS模拟的能见度和温度分布分别与人员逃生速度进行比较，如图6、7所示。

图6 人员逃生距离和可见度低范围随时间变化

图7 人员逃生和火灾高温随时间变化

从曲线可以得出，超高海拔条件下大部分人员逃生距离大于600 m时，可能会发生危险(能见度降低、烟雾窒息)，即当隧道长度大于1 200 m时，宜设置平行导洞等避灾通道。

同时可以得出，火灾温度扩散较慢,人员逃生速度大于热量扩散速度，即单纯从火灾高温的角度考虑，大部分人员可以安全逃生。

在应急管理措施到位、洞内人员能够听从管理引导的情况下，对即将到来的危险的反应时间较短，即当火灾发生便开始逃生，在不考虑人群疏散速度随体能下降而下降的情况下，大部分人员是能够安全逃生的[5-10]。

4 结 语

本文采用FDS软件模拟隧道中部发生火灾的情况，分析火灾蔓延、人员逃生距离和时间的关系，结果表明：当逃生距离达到600 m时，大部分人员不能安全逃生；超高海拔单洞双向交通隧道设置避灾疏散用平导时，隧道其长度不宜超过1 200 m，即1 200 m是基于避灾疏散要求设置平行导洞时隧道的临界长度。

超高海拔地区隧道火灾案例和相关试验研究匮乏，完全推演超高海拔单洞双向交通隧道火灾实际发展的复杂过程难度较大，因此文中的模拟分析做了一些简化假定，如单个火源未发生蔓延，人群逃生速度不发生变化和洞内风速为火灾工况的控制风速2.5 m·s-1。

鉴于超高海拔地区长、特长单洞双向交通隧道逐渐增多和近年来隧道火灾频发的实际情况，基于避灾疏散设置平行导洞时隧道的临界长度问题值得关注。这需要长时间地积累大量数据和进行试验研究，最终推动超高海拔隧道建设技术进步和规范的完善。