车辆阻塞对隧道火灾中人员疏散的影响分析

杜 朋,吕 品,夏丁超,王金月

(安徽理工大学 安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001)

近年来,我国公路隧道的数量和里程呈不断增长趋势。根据交通运输部2021年统计数据显示[1],截止2021年底,全国公路隧道共有23 268处,比上一年增加1 952处,隧道总里程超过2 469.89万延米。随着隧道数量的增加,隧道火灾发生的频率也大幅增加。当阻塞的隧道发生火灾时,阻塞的车辆会占据隧道的部分空间[2],使得隧道内纵向通风过流面积减小,进而影响临界风速,并对隧道防排烟以及人员疏散造成困难。因此,研究纵向通风隧道内车辆阻塞对隧道火灾人员疏散的影响具有重要意义。国内外学者针对隧道内存在阻塞的情况进行了大量研究。Li等[3]研究阻塞比对隧道火灾的影响,结果表明临界风速和顶棚最高温度随着阻塞比的增大逐渐减小。Luo等[4]研究车辆阻塞场景对纵向通风隧道火灾烟气蔓延的影响,结果表明纵向风速相同时,随着堵塞长度的增加,隧道顶棚最高温度先降低后逐渐升高。Meng等[5]研究了隧道阻塞比对纵向通风隧道火灾特性的影响,提出了包含阻塞比因素的隧道顶棚最高温度预测公式。赵香玲等[6]采用FDS(Fire Dynamics Simulator)对堵塞效应下隧道火灾临界风速进行研究,结果表明火源上游处和火源处阻塞比的增加均会导致隧道临界风速的减小。唐伟[7]通过小尺寸试验研究障碍物对隧道火灾烟气逆流行为的影响,得到了障碍物存在情况下烟气逆流长度预测公式。梁华刚等[8]采用数值模拟对车辆阻塞效应下隧道火灾临界风速进行研究,结果表明在相同火灾规模下临界风速随阻塞比的增加逐渐减小。杨宇轩等[9]采用小尺寸隧道研究阻塞车辆对烟气温度分布特性的影响,结果表明阻塞效应会降低烟气向有阻塞物侧纵向蔓延的温度衰减速度。

不难发现,国内外学者主要研究隧道内阻塞车辆对隧道温度以及临界风速的影响,而对车辆阻塞下的人员疏散研究较少。因此,本文以鹰嘴岩隧道为研究对象,采用流体动力软件FDS按照实际参数建立隧道数值模型,选取3种常见车型,将阻塞车辆布置在火源上游两侧车道,通过改变两侧车道上车型组合,得到不同车型组合情况下隧道温度以及能见度的变化及分布情况,以研究隧道阻塞时上游阻塞车辆对隧道火灾人员疏散的影响。

1 数值模拟及工况设置

1.1 隧道模型建立

以鹰嘴岩隧道为研究对象,通过FDS数值模拟软件建立全尺寸隧道模型,该隧道为双洞单向隧道,采用纵向排烟模式。隧道横断面宽度为11.2 m,主要包括两条宽度为3.75 m的行车道和两条宽度1 m的人行道,隧道断面轮廓如图1所示。隧道模拟计算长度取600 m,包括两条人行横通道,两条人行横通道间距为250 m,第一条人行横通道距隧道入口处200 m。

图1 隧道断面轮廓(单位:mm)

1.2 火灾场景及工况设定

在公路隧道通行车辆中,火源功率最大的为货车和公交车。根据2017RO1EN世界道路协会的研究报告《公路隧道火灾特性设计》给出的建议值[10]如表1所示,考虑隧道内一辆货车起火的最不利情况,本文将火源设置为30 MW,火源尺寸为10 m×2.5 m×1 m。采用t2火模型,选择火灾增长系数为0.187 8,30 MW火灾达到最大热释放速率的时间为399 s。

表1 不同类型车辆热释放速率

实际隧道火灾中,着火的车辆通常位于隧道一侧车道上。因此,考虑隧道火灾发生时最不利情况,将火源设置在隧道一处人行横通道出口处,如图2所示。由于火源位于横通道入口处,该横通道始终为关闭状态,阻塞在火源下游的人员只能通过下游横通道进行疏散。选取2.5、3.0 m/s 2种纵向风速和3种常见车型,车型尺寸如表2所示。对火源上游车辆阻塞场景简化,将阻塞车辆布置在火源上游两侧车道,并改变两侧车道车型组合,模拟工况如表3所示。

表2 不同种类车型尺寸

表3 数值模拟工况

图2 隧道模型俯视

在火源至隧道下游出口400 m区域内靠近横通道的人行道2 m高度处每隔10 m布置温度探测器,每隔50 m布置能见度探测器,测量隧道温度和能见度变化情况。在顶棚下方0.1 m处布置温度探测器,测量隧道顶棚烟气温度。

1.3 危险临界值

火灾中烟气聚集容易使周围环境温度升高、能见度降低,对人员疏散带来阻碍。因此,选取离人2 m高度处温度和能见度作为隧道火灾中人员疏散安全性的判断标准[11]。表4为危险临界值。

表4 危险临界值

1.4 网格分析

根据FDS用户手册给出的建议[12],网格尺寸可以由火源特征直径D*来确定。火源特征直径D*的计算如式(1)所示。

(1)

式中:D*为火源特征直径;g为重力加速度;ρ∞为环境空气密度;T∞为环境温度;cp为空气比热容;Q为火源功率。

根据研究发现特征直径与网格尺寸的比值在4～16时,模拟结果与试验结果吻合。根据计算火源功率30 MW时,网格尺寸的取值在0.23～0.93 m之间。为了保证计算精度,并且缩短计算时间,选取0.30 m作为数值模拟网格尺寸,网格总数为1 846 736。

2 数值模拟结果与分析

2.1 隧道顶棚温度分析

隧道不同纵向风速下顶棚烟气温度分布曲线如图3所示。

(a) 2.5 m/s纵向风速

由图3(a)可知,在2.5 m/s纵向风速下隧道顶棚最高温度为工况6的749 ℃,顶棚最低温度为工况8的349 ℃。由图3(b)可知,在3.0 m/s纵向风速下隧道顶棚最高温度为工况16的629 ℃,顶棚最低温度为工况18的323 ℃。可见纵向风速的增加会导致顶棚最高温度降低。在2.5和3.0 m/s纵向风速下隧道下游顶棚烟气温度变化趋势趋于一致,都随着纵向距离的增加逐渐降低。当隧道无阻塞时,上游顶棚烟气温度最高,当隧道两侧车道均为大型车阻塞时,隧道上游顶棚烟气温度最低;固定非火源侧车道阻塞车型,改变火源侧车道阻塞车型时,随着火源侧车道阻塞车型的增大,火源上游烟气温度逐渐降低。因此,在相同纵向风速下,隧道上游烟气逆流长度随着阻塞车型的增加逐渐减小,上游烟气温度也逐渐降低。隧道无阻塞时烟气逆流长度最大,隧道两侧车道阻塞相同种类车型时,随着阻塞车型的增大,烟气逆流长度逐渐减小。固定非火源侧车道阻塞车辆类型,改变火源侧车道阻塞车型时,隧道烟气逆流长度随着火源侧车道阻塞车型的增大逐渐减小。对比图3(a)、图3(b)可知,隧道车道阻塞车型组合相同时,随着纵向风速的增加,隧道烟气逆流长度逐渐减小。

2.2 隧道温度分析

2.5 m/s风速下非火源车道阻塞小型车时,2 m高度处500 s时纵向温度分布如图4所示。由图4可知,火源范围处最高温度为工况2的192 ℃,当与火源距离超过20 m时隧道2 m高度处温度大幅下降,但仍然高于临界温度60 ℃。当火源侧车道阻塞小型车时,隧道2 m高度处温度随着非火源侧车道阻塞车型的增大逐渐增加,并且2 m高度处超过60 ℃的范围长度也逐渐增加。工况2、3、4在2 m高度处超过60 ℃的范围长度分别为30 、40 、120 m。

图4 2.5 m/s风速下非火源侧车道阻塞小型车时温度分布

2.5和3.0 m/s纵向风速下隧道车道阻塞相同种类车型时,2 m处500 s时纵向温度分布如图5所示。由图5可知,在不同风速下,火源范围处温度最高的均为两侧车道同时阻塞大型车的情况,温度最低的均为阻塞小型车的情况。在隧道上游两侧车道阻塞相同车型时,各工况2 m高度处纵向温度都随着阻塞车型的增大逐渐增加,并且火源下游超过临界温度的范围长度随着阻塞车型和纵向风速的增大而增加。

(a) 2.5 m/s纵向风速

500 s时工况1、2、6、9在2 m高度处超过60 ℃的区域分别为火源至下游20、30、50、120 m。工况11、12、16、19在2 m高度处超过60 ℃的区域分别为火源至下游30、50、60、180 m。各工况2 m高度处超过60℃的范围下火源至下游长度分布如表5所示。

表5 2 m高度处超过60 ℃的范围

由表5可知,当隧道车道存在大型车阻塞时,2 m高度处超过60 ℃区域的长度均大于100 m。在2.5和3.0 m/s 2个纵向风速下超过60 ℃的范围长度最大的均为火源侧车道阻塞小型车,非火源侧车道阻塞大型车的情况。因此,当隧道存在阻塞时,对于隧道下游人员的疏散需要考虑合适的纵向通风风速。

2.3 隧道能见度分析

2.5和3.0 m/s风速下隧道车道阻塞相同种类车型时,2 m高度处500 s时能见度分布如图6所示。由图6可知,各工况在火源至下游距离50 m处的能见度达到最大值,并且能见度最大值随着阻塞车型的增大逐渐降低。随着纵向风速增加,烟气逆流长度减小,更多烟气向下游流动,隧道下游烟气分层逐渐被破坏,对比图6(a)、图6(b)可知,隧道火源下游100 m处至隧道下游出口区域的能见度随着纵向风速的增加逐渐降低。2.5 m/s风速下非火源车道阻塞小型车时2 m高度处500 s时能见度分布如图7所示。

(a) 2.5 m/s纵向风速

图7 2.5 m/s风速下非火源侧车道阻塞小型车时能见度分布

由图7可知,各工况隧道2 m高度处能见度随着纵向距离的增加呈现先增加后逐渐降低的趋势。在隧道非火源侧车道阻塞小型车时,2 m高度处能见度随着火源侧车道阻塞车型的增大逐渐降低,并且距离火源中心50 m处位置的隧道最大能见度也随着阻塞车型的增加逐渐减小,50 m位置的能见度从15 m逐渐降低至临界值之下。由图6和图7可知,各工况能见度都呈现先增大后逐渐减小的趋势,主要由于火源区域烟气温度高,烟气上浮至顶棚后沿隧道顶棚纵向流动,随着烟气流动距离的增加,烟气温度逐渐降低,烟气难以维持稳定的分层逐渐下沉,能见度逐渐降低。

2.4 最不利工况下可用安全疏散时间分析

当隧道发生火灾时,若隧道内存在阻塞,处于火源下游阻塞车辆中的人员须通过下游的横通道进行逃生。通过分析可知,各工况500 s时2 m高度处超过60 ℃的范围均未到达火源下游250 m处横通道入口区域,隧道下游横通道入口区域2 m高度处能见度低于临界值10 m。因此隧道人员可用安全疏散时间由下游横通道入口处能见度分布情况确定。隧道车道存在大型车阻塞时,2 m高度处超过60 ℃的范围长度均大于100 m,并且明显大于隧道阻塞其他车型时的范围长度;隧道存在大型车阻塞时隧道2 m高度处能见度均低于其他工况。因此,对隧道车道存在大型车阻塞时的可用安全疏散时间进行分析。

典型工况横通道入口处能见度随时间变化曲线如图8所示。由图8可知,隧道无阻塞时,可用安全疏散时间为498 s;隧道火源侧车道阻塞小型车,非火源侧车道阻塞大型车时,可用安全疏散时间为386 s;隧道两侧车道同时阻塞大型车时,人员可用安全疏散时间为343 s。

图8 典型工况横通道入口处能见度随时间变化

隧道车道存在大型车阻塞时的可用安全疏散时间如表6所示,由表6可知,隧道存在大型车阻塞时的人员可用安全疏散时间远低于隧道无阻塞时的人员可用安全疏散时间。当隧道车道存在大型车阻塞时,对隧道人员疏散安全性影响最大。因此,隧道发生火灾时,需要注意隧道中阻塞的车辆,并且对于阻塞的大型车要十分重视。对表6各工况用安全疏散时间进行对比发现,纵向风速的增加会导致人员可用安全疏散时间减小,对于纵向通风隧道,当隧道内存在阻塞时,需要合理考虑纵向风速。

表6 隧道存在大型车阻塞时的可用安全疏散时间

3 结论

1) 当隧道车道阻塞相同种类车型时,隧道温度和2 m高度处超过60 ℃的范围长度随阻塞车型体积增大逐渐增加,能见度随阻塞车型体积的增大逐渐减小;固定非火源侧车道阻塞车型,改变火源侧车道阻塞车型时,隧道能见度随阻塞车型体积的增加逐渐降低,2 m高度处超过60 ℃范围长度随阻塞车型的增大逐渐增加。

2) 当增加隧道纵向风速时,火源下游2 m高度处超过60 ℃的范围增大,能见度逐渐降低。纵向风速的增加会给下游人员疏散带来不利。

3) 相对于隧道无阻塞的情况,隧道车道存在大型车阻塞时的可用安全疏散时间减少幅度最大,对火源下游人员疏散影响最大。纵向风速的增加会导致人员可用安全疏散时间的减小。因此,对于存在车辆阻塞的隧道,需要合理考虑纵向通风风速。