超大断面双层盾构隧道火灾特性及疏散救援研究——以深圳机荷高速公路隧道为例

孙 策

(深圳高速公路股份有限公司，广东 深圳 518038)

0 引言

长大公路隧道由于环境封闭和疏散救援困难，导致火灾成为其建设及运营管理全生命周期中的重大威胁。

国内已有学者对于公路隧道的消防疏散、排烟模式等开展了较多研究。胡隆华等[1]通过全尺寸隧道火灾试验对临界纵向风速模型进行了验证； 陈娟娟等[2]以某越江双层盾构隧道为例，分析了排烟口数量、面积、间距等重要参数的改变对侧向排烟口的设置和排烟效果的影响，并给出了相关排烟策略的建议； 王兆阳等[3]研究了排烟量对双层盾构隧道排烟效率的影响，通过评估不同排烟计算结果，从疏散救援角度给出了排烟量的临界指标。在隧道火灾的应急救援与人员逃生方面，相关研究或者采用理论计算和软件模拟等定量方法对人员逃生位置及疏散效率、消防救援位置、疏散逃生救援路径、应急资源的分配、安全设施和交通控制等进行分析[4]，或者采用定性方法对应急救援的指挥机制、制定应急救援计划时考虑的因素、救援指挥机制和相关政策等进行分析。陈岳明等[5]运用庞特里亚金最大值原理，成功解决了疏散路径选择和分配2个关键点； 曾艳华等[6]得出妈湾跨海盾构隧道楼梯疏散模式的最佳间距为80 m; 邓敏等[7]对上下层疏散联络通道不同间距情况下，人员从失火层隧道到达未失火层隧道的必需安全疏散时间进行了模拟计算； 李桂萍[8]分析了崇明隧道的防排烟系统和疏散系统的合理性和可靠度。

然而，目前的排烟研究主要集中于单断面隧道，对于分叉隧道研究较少；疏散研究偏重于事前疏散模型的研究，而火灾现场环境复杂多变，采用事前疏散模型缺乏时效性，无法应对瞬息万变的火灾场景。特别是，对于超大断面双层盾构隧道的相关研究仍较为缺乏。本文依托深圳机荷高速公路隧道工程，探讨超大断面双层盾构隧道的火灾防治和疏散救援方案，以期为今后类似的城市公路隧道疏散通道设计和风险评估提供参考。

1 依托工程概况

1.1 工程情况

机荷(深圳机场至荷坳段)高速公路属于G15沈海高速公路深圳段，是粤港澳大湾区东西向的交通中轴线。深中通道建成后，大量的过境及对外交通将汇集至机荷高速。机荷高速公路隧道采用了原位立体改扩建扩容方式，扩建后的机荷高速公路隧道交通量大，排烟疏散要求高。隧道平面和分段示意图见图1。隧道采用分段纵向排烟方式，在惠盐侧和机荷侧工作井处分别设置排烟机房，将隧道分为3段，最长通风区段长度为3 290 m。两侧工作井排烟机房内各设置3台大型可逆轴流风机，单台风机风量为200 m3/s，风机通过风口、联络风道与南北幅隧道的上下层均相连。风机正转时可为隧道排烟，风机逆转时可为隧道补风。当隧道发生火灾时，烟气通过就近的排烟机房和洞口排出。

图1 隧道平面和分段示意图(单位： m)

1.2 工程特点

与国内其他大断面盾构隧道工程(周家嘴路越江隧道、昆磨高速小磨隧道、上海上中路隧道、南京扬子江隧道、扬州瘦西湖隧道等)相比(见表1)，机荷高速公路隧道存在以下特点：

1)按照沿线段落和隧道工法，划分为暗挖段、盾构段和明挖段，全线隧道横断面复杂多变，交界处排烟疏散难度大。

2)中间盾构段断面直径达到17.3 m，对于超大断面双层盾构隧道，在发生火灾后进行隧道通风时，污染空气和烟雾上下层存在窜流现象，导致上下层互相影响，需要通过防火门和加压设置，保证烟雾不窜流。

表1 国内大断面盾构隧道工程概况对比

3)机荷高速公路隧道为双线隧道，其中左线隧道长约6 174 m，右线隧道长约5 585 m，排烟困难。隧道空间狭长，尤其对于叠层隧道下层来说，由于内部空间有限，火灾发生后，如果没有合理的排烟控制和排烟模式，火灾产生的烟气难以及时排出，从而给人员疏散和后续救援带来困难。

4)车辆类型多，交通量大，交通控制困难。由于长途货车的运输量较大，大货车和拖挂车逐渐成为货物运输主导车型，比例逐步增加，隧道运营风险较高。此外，火灾发生时，人员通过横通道疏散到有车辆通行的邻近隧道，存在人员安全隐患，且交通控制困难，对隧道管理要求较高。

2 超大断面双层隧道火灾特性

本文选取机荷高速公路隧道的盾构隧道标准段(见图2)和隧道Y型分叉处(见图3)开展研究。盾构隧道采用双层结构，上下层之间采用楼梯进行连接，相邻隧道之间通过横通道相连。隧道采用纵向通风模式，由于上下层隧道火灾烟气蔓延规律基本一致，因此，本文只对下层隧道纵向排烟进行FDS数值模拟。

图2 盾构隧道标准横断面(单位： mm)

图3 隧道Y型分叉交汇前横断面(单位： cm)

2.1 盾构隧道标准段火灾特性

2.1.1 模型设置

盾构隧道标准段模型网格划分如图4所示，FDS计算模型如图5所示。考虑到采用纵向通风模式时，烟气向火源下游扩散范围较广，因此，设置模型总长为650 m，并将火源中心布置在距上游边界150 m处，采用兼顾精度和效率的混合网格形式，根据模型距离火源位置划分网格尺寸。在火源附近由于热力学参数变化梯度大，此区域的网格进行加密处理； 在远离火源区域，隧道内的流场变化趋于平稳，网格尺寸也随之加大。

图4 盾构隧道标准段模型网格划分示意图(单位： m)

图5 盾构隧道标准段FDS模型

根据工程项目可行性研究报告，在隧道通行车辆中，中型车及以上车型比例为6.2%～8.27%，重型货车车型比例为3.43%～3.74%。参考规范要求和国内已建公路隧道的设计标准，考虑隧道内不利工况，火灾热释放率取50 MW。采用t2火模型描述火灾变化趋势，并假设火灾发展速率极快。火灾发生516.7 s后，HRR达到稳定值50 MW，保持HRR不变直到900 s时模拟计算结束。

火源尺寸根据汽车尺寸确定。参照汽车类型，经综合考虑，将数值模型中火源尺寸确定为12.0 m(长)×2.0 m(宽)×1.0 m(高)。

2.1.2 计算结果及分析

2.1.2.1 火灾温度和能见度特性

不同时刻盾构隧道标准段距离行车路面2 m高度处温度和能见度沿隧道长度方向分布情况如图6所示。由于双层隧道下层断面小，因此升温和烟气蔓延较快。从图6(a)可以看出，沿隧道纵向，温度分布近似呈递减规律； 300 s时，在纵向排烟模式下，火源下游距火源点50 m范围内会出现温度大于60 ℃的区域；从图6(b)可以看出，400 s后，火源下游距火源点50 m范围内会出现能见度小于10 m的区域。当火源达到最大强度且隧道内温度、能见度分布情况较为稳定时(600 s)，距火源点400 m范围内2 m高度处的温度基本上都大于60 ℃，距火源点425 m范围内2 m高度处的能见度基本上都小于10 m，低于人员逃生标准。

(a) 温度

(b) 能见度

2.1.2.2 烟气特性

从火灾烟气蔓延情况(见图7)来看：

1)烟气蔓延范围随火源强度的发展不断增大，在250 s左右，火灾烟气初步蔓延至隧道出口。火灾达到最大燃烧强度后烟气在隧道内不断扩散，400 s后隧道内烟气开始蔓延至整个隧道高度并趋于稳定状态。

2)在理论计算临界风速下，火灾发生时烟气只向下游方向流动。从火灾开始发生到火灾发展90 s时，烟气向隧道两侧以相同规律蔓延至距火源约15 m位置处；此后，隧道内的射流风机开启，150 s后火灾烟气未发生明显逆流现象，说明纵向风速大于火灾烟气临界风速，可有效控制烟气，保证上游区域人员安全疏散。

综上所述，在火灾工况下采用分段纵向排烟，临界风速按PIARC推荐的Danziger和Kennedy公式计算，可以满足排烟要求。

图7 盾构隧道标准段火灾烟气蔓延情况

2.2 隧道分叉处火灾特性

2.2.1 模型设置

火源点位于分叉隧道中部的FDS模型如图8所示。模型全长500 m，在模型入口输入射流风机形成的隧道纵向风，风速大小按理论计算的临界风速取值(3.0 m/s)； 设定火灾烟气直接由最近排烟口排出。模型中火源点位于距隧道入口240 m处。网格划分、火源尺寸、火源规模及热释放率设置均与2.1.1节相同。

图8 火源点位于分叉隧道中部FDS模型

2.2.2 计算结果及分析

2.2.2.1 火灾温度和能见度特性

不同时刻左侧、右侧分叉隧道距离行车路面2 m高度处温度和能见度沿隧道长度方向分布情况分别如图9和图10所示。

(a) 温度

(b) 能见度

(a) 温度

可以看到，随着火源强度的不断增大，隧道火源下游区域受烟气的影响程度不断加大，着火侧隧道和主隧道温度大于60 ℃和能见度小于10 m的区域增多，在着火侧隧道下游方向的一定距离内，2 m高度处的最高温度可达到近1 000 ℃；同时，在2条分支隧道的风速没有明显区别的情况下，除了短时间内有一定的烟气扩散外，着火侧隧道的火情发展以及烟气流动对于未着火侧隧道几乎没有影响。

从隧道内2 m高度处的温度分布可以看出，在纵向排烟模式下，着火侧隧道的火源下游距火源点50 m范围内在236 s时首次出现温度大于60 ℃的情况； 从隧道2 m高度处的能见度分布可以看出，火源下游距火源点50 m范围内在271 s时首次出现能见度小于10 m的情况。主隧道中部(隧道分叉处)温度最早达到60 ℃的时间为510 s，能见度低于安全能见度(10 m)的时间为530 s。

当火源达到最大强度且隧道内温度、能见度分布情况较为稳定时(即600 s时)，着火侧隧道火源点下游和主隧道范围内2 m高度处的温度基本上都大于60 ℃，火源点下游整个范围内2 m高度处的能见度基本上都小于10 m(584 s)。

2.2.2.2 烟气特性

从火灾烟气蔓延情况(见图11)来看：

1)火灾烟气蔓延范围随火源强度的发展不断增大，火灾烟气蔓延至隧道出口的时间为400 s左右，而500 s后隧道内烟气开始蔓延至整个隧道高度并渐渐趋于稳定状态。

2)风速控制在理论计算临界风速下，火灾发生时烟气只向下游方向流动，未发生逆流。从火灾开始发生到火灾发展到90 s，烟气向隧道上下游以相同规律蔓延至约15 m位置处；随着隧道内的射流风机开启，150 s后火灾烟气未发生明显逆流现象，说明纵向风速大于火灾烟气临界风速，可有效控制烟气，保证上游人员安全疏散。

3)火灾发展到300 s时，另一侧隧道在短时间内有一定烟气回流，不过短时间内便恢复，对于人员疏散影响较小。

综合以上分析可知，隧道纵向排烟模式下，按照理论计算临界风速设计，隧道内纵向排烟通风量可满足隧道内火灾烟气不发生逆流，保证隧道未发生拥堵时隧道内部火源上下游安全，满足隧道内车辆和人员安全疏散的要求，也可保证隧道发生拥堵时满足隧道内车辆和人员安全疏散的要求。在火灾发生后，未着火侧隧道的纵向通风风速可适当增大，以防止主隧道中的烟气回流。

图11 隧道分叉处火灾烟气蔓延情况

3 超大断面双层公路隧道火灾事故应急救援体系

尽管隧道内发生火灾的概率比道路其他路段发生火灾的概率小，但一旦发生火灾，造成的后果却要严重得多[9]。要完全杜绝隧道火灾的发生，从现有技术条件和水平看还很难，因此，需要通过建立隧道火灾应急救援体系来减轻火灾造成的损失。

深圳机荷高速公路隧道断面大，地面交通复杂，外部救援要求高。隧道西侧洞口外为互通式立交，仅东侧有1条上下匝道连接地面层，地面层由龙岗立交接深汕路。当隧道内发生火灾后，外部救援的开展需要考虑地面交通，对于地面交通控制与外部救援提出了很高的要求。

3.1 隧道人员疏散模拟

当隧道发生突发事件(如火灾)，将造成隧道车辆堵塞，人员荷载密度应考虑该工况条件下的人员疏散荷载情况。图12为深圳机荷高速公路隧道交通堵塞工况车辆布置示意图。

图12 隧道交通堵塞工况车辆布置示意图

隧道内发生火灾后，人员的疏散过程可分为察觉、行为和反应、运动3个阶段。本文报警探测时间根据DB 43-729—2012《公路隧道消防技术规程》取为60 s，人员响应时间参照世界道路协会(PIARC)研究成果取为60 s。隧道内人员移动速度服从正态分布，为1.25±3σ，σ=0.1 m/s。

假定最不利的疏散情形，即火灾发生在隧道中间某横通道入口处，导致该楼梯入口不可使用。假定人员随机分布于隧道内，主隧道内楼梯口处发生火灾，隧道内的人员通过其他楼梯口和横通道疏散到上层、下层或另一条隧道。取6.5倍的疏散楼梯间距作为模型的长度，工况设置如表2所示。

表2 疏散模拟工况设置

疏散模拟结果如图13所示。结合工程实际参数和数值模拟参数，依据机荷高速公路隧道车流量统计数据，确定发生火灾后车辆堵塞时滞留车辆与人员数量，可知： 随着疏散楼梯间距的增大，疏散时间有所增长；载客系数越大，疏散口的拥堵现象愈加明显，疏散时间增加。在车辆满载条件下，经计算模拟可得： 当疏散楼梯间距为80、100、120 m，横通道间距为250 m时，对应必须安全疏散时间依次为248、274.8、286.5 s，均小于FDS模拟所得的可用安全疏散时间(288、333、329 s)，此时隧道内部环境均处于安全状态。

图13 疏散模拟结果

3.2 隧道火灾救援体系框架

面对超大断面高速公路隧道火灾状况，如何清楚地掌握火灾危险性和发展特点、正确地进行灭火和疏散救援工作是消防人员需要重点考虑的事情。隧道火灾救援体系框架如图14所示，包括救援组织模块、消防系统、火灾工况通风控制系统、火灾工况人员与行车组织模块等[10]。

图14 隧道火灾救援体系框架

3.2.1 救援组织模块

救援组织包括基础数据库和救援预案。基础数据库是保证隧道火灾救援体系正确、可行的基本条件，是隧道进行应急救援预案制定的基础。基础数据库包括隧道基本情况数据库和救援基本信息数据库[11]。

隧道火灾救援预案一般包括人员疏散与救治预案、交通管控预案、通风照明控制预案、消防灭火预案等。隧道火灾救援预案每次执行后，应进行分析、总结，反馈修正并更新救援预案。

3.2.2 消防系统

消防设施采用固定式和移动式设备相结合的方式，以适应不同火灾规模、火灾发展的不同阶段和不同使用者操作。

3.2.3 火灾工况通风控制系统

接到火灾报警后，隧道设备控制中心迅速将隧道的射流风机以火灾临界风速进行供风，风向与行车风向一致，并根据火灾烟流状态逐步调整射流风机的开启数量。当烟气向火源上游发生逆流，增加风机开启数量；当火源下游烟气速度过快或被明显吹散，减少风机的数量，待火灾事故隧道内逃生人员完全安全撤离后，启动送风或排风系统，加大排烟风速； 未发生火灾事故隧道风机按正常运营通风量减半进行供风，出口射流风机反向供风，以保障火灾隧道内烟气不蔓延到相邻隧道[12]。

3.2.4 火灾工况人员与行车组织模块

隧道内部发生火灾时，需开启火灾上游的横通道来疏散上游的车辆，上游的车辆通过横通道进入相邻隧道或车内人员弃车通过人行横通道逃生； 在火灾下游段车速大于烟雾扩散速度时，下游车辆可以继续前行离开火灾事故隧道，若下游隧道发生阻塞，车内人员应弃车通过疏散通道进行逃生[13]。

3.3 隧道火灾救援行动实施路线

机荷高速公路隧道为双管叠层隧道，上下层各为1个防火分区；由于受到下层射流风机壁龛和柱间距影响，救援楼梯间距设置为80 m；由于救援车辆无法直接到达火灾现场，只能到达最近的楼梯口，消防人员要背负器材通过楼梯进入火灾现场，救援过程复杂，需要提前做好救援预案。

同时，针对隧道疏散救援情况，设置多种安全疏散设施保证人员安全：

1)机荷高速公路隧道断面形式为两车道+硬路肩设计，在火灾工况下，硬路肩可作为1条救援路径供消防人员救援使用。

2)在隧道2个工作井配备了消防摩托和消防车，以便在突发事故时第一时间响应，为隧道救援提供宝贵的时间。

3)按照不大于250 m的间隔设置人行横通道，按照80 m间距设置救援楼梯，并通过被动防火设计延长可用安全疏散时间，通过主动防火设计根据火灾点的不同、运行工况的不同提供机动的疏散策略和手段。

结合对机荷高速公路隧道形式、消防救援程序及救援疏散路线(见图15)的分析，提出隧道消防救援策略，如表3所示。

(a) 断面图

(b) 平面图

表3 隧道消防救援策略

3.4 隧道排烟疏散策略

根据机荷高速公路隧道的特点，将隧道分为如图16所示区段，具体排烟疏散建议如下。

图16 隧道区段划分示意图

3.4.1 火灾发生在①入口—B工作井段

如图17所示，当火灾发生在隧道①入口—B工作井段时，开启①入口—B工作井段射流风机，沿行车方向进行纵向排烟，火灾时控制纵向风速大于烟气回流的临界风速，火灾烟气由B工作井排出。经模拟计算临界风速为3.0 m/s，建议实际工程中设置为3.5 m/s。

图17 火灾发生在①入口—B工作井段

火灾发生后，发生火灾的隧道以及相邻隧道进入交通管制状态。若火源点下游车辆行驶速度小于10 km/h，即车辆行驶速度小于烟气纵向蔓延速度，则车辆应经由车行横通道驶入另一条隧道； 对于无法驶入另一条隧道的车辆，车内人员应当下车，经由竖向疏散楼梯疏散至上层(或下层)车道层，或者经由人行横通道疏散至另一条隧道。若火源点下游车辆行驶速度大于10 km/h，即车辆行驶速度大于烟气纵向蔓延速度，则车辆可沿隧道纵向继续行驶，直至驶出隧道。

对于火源点上游车辆，火灾发生后，隧道内部将产生拥堵，此时控制中心应禁止车辆由隧道入口继续驶入，隧道内部车辆若在车行横通道上游，则可由车行横通道驶入另一条隧道；车辆若在车行横通道下游，则车内人员应当下车，经由竖向疏散楼梯疏散至上层(或下层)车道层，或者经由人行横通道疏散至另一条隧道。

3.4.2 火灾发生在B工作井—A工作井段

如图18所示，当火灾发生在隧道B工作井—A工作井段时，开启火源上游射流风机，沿行车方向进行纵向排烟，火灾时控制纵向风速大于烟气回流的临界风速，火灾烟气由A工作井排出。经模拟计算临界风速为2.6 m/s，建议实际工程中设置为3.0 m/s。火灾发生后，发生火灾的隧道以及相邻隧道进入交通管制状态。火源上下游人员与车辆的疏散策略与火灾发生在①入口—B工作井段相同。

图18 火灾发生在B工作井—A工作井段

3.4.3 火灾发生在A工作井—②出口段

如图19所示，当火灾发生在隧道A工作井—②出口段时，开启火源上游射流风机，沿行车方向进行纵向排烟，火灾时控制纵向风速大于烟气回流的临界风速，火灾烟气由②出口排出。经模拟计算临界风速为2.4 m/s，建议实际工程中设置为3.0 m/s。火灾发生后，发生火灾的隧道以及相邻隧道进入交通管制状态。火源上下游人员与车辆的疏散策略与火灾发生在①入口—B工作井段相同。

图19 火灾发生在A工作井—②出口段

4 结论与建议

本文针对超大断面双层盾构隧道开展了火灾特性及疏散救援研究，主要结论与建议如下：

1)当隧道内部发生火源规模为50 MW的火灾时，若隧道内部未发生车辆拥堵，此时3.0 m/s临界风速可抑制烟气回流，保证火源上游区域温度和能见度处于安全范围，满足车辆和人员安全疏散的要求，火源下游区域车辆行驶速度大于烟气蔓延速度，人员驾驶车辆可安全驶出，因此在未发生车辆拥堵条件下，火灾发生后整个隧道内部车辆和人员均可安全逃生。

2)对出入口处Y型分叉隧道的纵向排烟进行模拟，研究了分叉隧道2条支路间的相互影响及火灾工况下分叉隧道的排烟策略，明确在2条分支隧道的风速没有明显区别的情况下，除了短时间内有一定的烟气扩散外，着火侧隧道的火情发展以及烟气流动对未着火侧隧道几乎没有影响。在火灾发生后，未着火侧隧道的纵向通风风速可适当增大，以防止主隧道中的烟气回流，给疏散和救援带来影响。

3)确定了机荷高速公路隧道疏散口设计宽度和疏散楼梯间距。当隧道疏散楼梯间距设置为80 m、疏散口宽度设置为0.8 m、横通道间距设置为250 m时，隧道内部车辆满载情况下，即载客系数为1.0，隧道内部必需安全疏散时间RSET为248 s；同时，当载客系数为0.7时必需安全疏散时间RSET为235.8 s。RSET均小于250 s，说明在采用纵向分段排烟模式下，当火灾规模为50 MW时，无论火灾发生在隧道何处抑或车辆发生拥堵与否，此时均可保证隧道内部人员安全疏散。

4)提出了隧道火灾救援体系框架，明确了救援体系的各部分内容，针对机荷高速公路双层盾构隧道，给出了消防救援策略以及不同区段发生火灾时的排烟疏散策略。

本文对于超大断面双层盾构隧道的排烟疏散模拟以下层隧道为例，下一步研究考虑将上下层隧道完全建模进行分析计算，研究上下层烟气流通及水喷淋响应后的火源燃烧衰减阶段，确保火灾情况下各系统联运的准确性和火灾模拟的真实性。