公路隧道火灾烟气运动模拟分析

李建军，姜 俊，李彩霞，金诗奇

（1.杭州市钱塘区交通运输发展中心，杭州 310000；2.杭州城投资产管理集团有限公司，杭州 310000；3.浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310000）

近年来，随着我国经济社会的快速发展，公路交通行业也在蓬勃发展，公路和城市交通隧道里程数也随之快速增加，近年来我国已建成大量的城市公路隧道。根据隧道相关设计规范，可以将其按长度分为4 类：长度大于3 000 m 为特长隧道，长度大于1 000 m 小于3 000 m 为长隧道，长度大于500 m 小于1 000 m 为中隧道，长度小于500 m 为短隧道。截至2019 年底，我国公路总里程突破500 万km，公路隧道总里程达1.89万km，其中长公路隧道数量超过4 700 座，总里程达0.8 万km，特长公路隧道数量超过1 100 座，总里程达0.5 万km[1]。公路隧道在缩短行车里程、提高交通效率、免除落石坍方等危害、保护生态环境和节约土地等方面具有重大作用。隧道的建设为人们交通出行提供了极大的便捷，但是隧道的结构和设施复杂、出入口少、疏散路线长、通风排烟及照明条件相对较差，导致在隧道内发生火灾事故时存在很大的危险性。

1 背景介绍

隧道作为一个较长的封闭空间，结构复杂、环境密闭，不同隧道的情况千差万别。大型隧道的地质条件一般都比较恶劣，城市地面主干道的交通繁忙，将给隧道带来非常高的施工风险及潜在的运营期风险。此外，隧道作为交通出行的便捷选择，高峰时期车辆众多，人流量极大，一旦发生火灾等紧急事故，隧道内极易产生大量烟气并且无法及时有效地排出，烟气会对隧道内人员的安全及心理形成极大威胁，同时对救援人员的进入也会产生危害，火灾事故最终往往都会造成重大的人员伤亡和财产损失。在国外，隧道的建设更早，20 世纪末，瑞士、美国、日本和法国等国家均发生过严重的隧道火灾事故，事故造成大量人员伤亡及财产损失[2]，见表1。

表1 国外隧道火灾案例表

近几十年来的国内外公路隧道火灾造成的危害引起了各国对隧道消防安全问题的高度重视，并先后组织力量对隧道的火灾行为及火灾防护进行了大量研究，取得了一定成果。对于道路隧道，根据其结构、设备安装情况及隧道内交通状况，引发火灾的原因一般有以下几种[3]。

一是在隧道内行驶的车辆，由于其本身的故障而引发火灾。道路隧道功能是供车辆行车，因此，隧道中的车辆是隧道内火灾最主要的火源，绝大部分隧道火灾都是由车辆着火引起的。查看近期的机动车火灾事故报道，超过一半是车辆自燃引起的。近年来，新能源汽车发展迅猛，但同时伴生的起火事件也不断发生。由于新能源汽车内部管线大部分为可燃物并且锂电池发生热失控后会持续放热并产生大量含有氢气、甲烷、乙烷等的可燃混合气体，起火后灭火难度较大。

二是交通事故引发火灾。隧道内部分区域视线不佳，通风状况较差导致地面湿滑等原因，车辆容易发生交通事故，从而引发火灾。

三是易燃易爆等危险品引发火灾。运输易燃易爆等化学危险物品的车辆在隧道内行驶时，因化学品存储不当、交通事故等各种原因引发火灾。

四是隧道内的设施、设备在运行过程中发生火灾。由于交通指挥、安防监控等要求，隧道内通常会安装许多电气设备及电线电缆，相关的设备及线缆由于短路或者老化等原因会引发电气火灾，进而导致隧道火灾发生。

五是人为因素引起火灾。在隧道施工过程或者维护过程中，由于人员违禁用火或者操作不当等引燃可燃物，最终导致火灾发生。

2 隧道排烟系统分析

隧道排烟系统一般分为自然排烟与机械排烟2 种最基本的方式。自然排烟是指将隧道顶部的洞口、通风口或者隧道两端的出入口作为自然排烟口，利用热烟自身的浮力将烟气排出隧道。自然排烟原理简单、操作便捷，但其一般仅适用于短隧道。针对于公路长隧道，需要采用机械排烟。机械排烟主要分为纵向排烟、横向排烟及重点排烟3 种方式，需根据隧道的类别、长度、通行方式和通风系统等多方面因素综合考虑确定具体的排烟方式。纵向排烟是指火灾时利用隧道风机迫使烟气沿着隧道方向流动的排烟方式，此时烟气一般会弥漫在2 个风井之间的一段区间内，是适用于单向隧道的一种最常用的排烟方式。临界风速为纵向排烟时防止烟气回流的最小速度，试验证明，纵向排烟在大于临界风速的条件下控制烟气的效果较好。但是，纵向排烟方式不适用于双向交通的隧道，因为在此情况下采用纵向排烟方式会使火源点下游烟气区中不能驶离隧道的车辆处于烟气中。横向排烟是指利用隧道中平时通风系统的排风风道进行排烟，但其造价较高、运营控制复杂，实际中在发生火灾时烟气控制效果也较差，目前国内基本上没有隧道采用该种通风排烟方式。重点排烟是在隧道内设置专用排烟风道，可以在火源附近将烟气快速有效地排出。该排烟方式可用于双向交通隧道，且适用于隧道内车流量较大、隧道较长并且经常发生阻滞的隧道。重点排烟的方式可以将烟气控制在较小的范围之内，有利于保证隧道内人员的安全疏散。

对于3 km 以下隧道多采用纵向排烟方式，3 km以上隧道纵向排烟和重点排烟均有采用。根据现行GB 50016—2014《建筑设计防火规范》，长度大于3 000 m的隧道，宜采用分段纵向排烟方式或重点排烟方式。国内外学者对于隧道消防安全问题，特别是隧道火灾时烟气运动情况及临界风速进行了针对性研究，并取得了一定的研究成果，使得隧道安全性得到了较大提升。随着计算机技术的发展，数值模拟的研究方法因其可操作性强、成本低、节约时间等诸多优点被越来越多的学者所采用。其中，计算流体动力学（CFD）模拟应用范围最为广泛。范磊等[4]采用计算流体动力学有限元软件针对设置有排烟道的隧道火灾时烟气蔓延情况进行了研究，对比分析了瞬态与稳态模型的不同点，为隧道火灾烟气控制提供了理论依据。张进华等[5]利用PHOENICS 软件分析了隧道火灾时不同纵向通风速度烟气的运动情况及不同区域的烟气浓度、温度分布情况，为控制火灾提供了参考依据及为人员安全疏散提出了优化措施。王克拾[6]采用FDS软件针对上海长江隧道发生汽车火灾的情形进行了研究，获得了汽车火灾时隧道内水平、纵向温度场的变化特性，对于人员疏散及通风系统设置提出了优化建议。

3 模拟分析

根据隧道结构图，利用FDS 建立隧道全尺寸模型，如图1 所示。FDS 模拟软件是美国国家标准与技术研究院（NIST）下设的建筑和火灾研究实验室开发的产品，广泛运用于建筑火灾烟气蔓延计算分析，其是一个由计算流体力学分析程序开发出来的专门用于火灾烟气传播的场模型，通过对同一网格使用有限体积法来计算热辐射及流体流动湍流现象，遵循连续性方程、动量方程及能量方程。FDS 模拟热驱动流体流动，包含了燃烧模型、热解模型、热辐射模型等多个模型，重点是计算火灾时的烟气运动与传热过程，通过大涡模拟（LES）方法模拟烟气流场的具体细节，具有较高的精度与计算效率，可以预测模拟三维空间内火灾中温度场分布、烟气运动情况及CO 等有毒气体浓度含量变化。

图1 隧道火灾位置示意图

隧道内的可燃物主要为通过隧道的客车及中小型货车，而车辆的火灾热释放速率也是隧道消防安全设计时的重要参数。不同车辆的火灾热释放速率不尽相同，国内外通过大量全尺寸试验获得了不同车辆的火灾热释放速率推荐值，本文模型按最危险等级考虑，设定火灾热释放速率峰值为30 MW，设置火源位置为隧道中部。火灾场景参数设计：隧道火灾最大热释放率为30 MW，火源面积15 m2，火灾热释放率为2 000 kW/m2，火灾的瞬态模拟采用t2火来模拟，即火灾增长系数为0.047 kW/s2，大约在800 s 后达到30 MW。隧道内排烟风机设置为速度入口边界条件，隧道两端设置为压力出口边界条件。设置火灾发生位置为隧道中部，火灾发生时交通封闭，车辆只出不进，人员可迎新风方向向最近疏散口疏散，采用FDS 模拟软件对隧道内烟气蔓延情况进行了模拟分析。经计算入口段纵向排烟时临界风速为3.5 m/s，出口段纵向排烟临界风速为2.8 m/s。提取400、500、1 800 s 不同时间下隧道内火灾蔓延时的能见度分布云图、烟气蔓延图及温度分布云图如图2—4 所示。

图2 能见度分布云图

图3 烟气蔓延图

图4 温度分布云图

发生火灾后，烟气到达隧道顶部后，逐步向隧道上下游蔓延，在机械排烟系统的作用下，烟气被控制在局部区域内，其中，沿行车方向，烟气被控制在距火源780 m 内；逆行车方向，烟气被控制在距火源330 m 内。

在模拟时间内，除火源附近区域外，隧道内有烟气存在的区域清晰高度处的能见度最低为1 m，温度最高为56 ℃，CO 含量最高为62 ppm，满足人员安全疏散的要求。

4 结束语

本文采用FDS 针对公路隧道进行了火灾模拟，分析了火灾时隧道内烟气运动、温度、能见度等参数变化，得到了如下结论，并提出相关建议。

1）除火源附近区域外，隧道内有烟气存在的区域各项参数均满足隧道内人员安全疏散的要求。

2）隧道排烟系统可以有效控制火灾时的烟气运动，应定期对于排烟系统等消防设施设备进行维护与保养。

3）根据隧道内发生火灾的位置，火源上游与下游应采取不同方向的疏散指示标志，同时通过广播辅助隧道内人员进行安全疏散。