高海拔特长铁路隧道定点防灾救援研究

曹正卯，杨其新，郭 春

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031;2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

随着我国隧道工程建设的高速发展，涌现出越来越多的长大隧道，长大隧道投入运营的同时，由于隧道工程的特殊性，其防灾救援研究也越来越受到重视。近年来，对于长大公路隧道、铁路隧道的防灾救援研究取得了不少成果。国内学者对长大隧道的防灾救援进行了一系列的研究［1-5］，取得了许多可借鉴的成果，部分学者对长大隧道防灾救援的电气及通信设备的研究成果，对于救援实施及工程设计具有很好的参考和借鉴作用［6－8］。但对于处于高海拔地区的特长铁路隧道防灾救援研究较少，高海拔地区防灾救援有两大特点:一方面高海拔地区空气密度小、气压低、温度低，火灾燃烧特性有别于一般隧道;另一方面，由于高海拔地区含氧量低、空气稀薄、气候条件恶劣，在进行人员疏散时，人的运动能力受到很大限制，救援难度比一般隧道高。针对高海拔特长隧道的特殊性，依托西格二线新关角隧道对其防灾救援及人员疏散进行研究。

1 工程概况

西格二线新关角隧道全长32.645 km，位于海拔3 300 m以上的青藏铁路西宁至格尔木段，穿越青海南山，是目前为止世界上罕见的高海拔特长铁路隧道。新关角隧道为两座平行的单线隧道，主隧道线间距为40 m，隧道进口段为上坡，坡度为8‰，在岭脊以后，以9.5‰的坡度连续下坡，在隧道中部设置有紧急救援横通道，定点救援横通道中心间距70 m。隧道通过地区自然环境条件特殊，属青藏高原亚寒带半干旱气候区，存在诸多不同于一般隧道地区的特点，如高寒、缺氧、人烟稀少、风沙大、干旱等。由于处于高原地区氧气稀薄，发生火灾时，烟气流动及人员运动能力相对于平原地区有特殊性。

2 防灾救援设计基本方法

采用CFD数值模拟方法对西格二线新关角隧道进行防灾救援设计，对隧道内较危险的火灾场景进行模拟计算并分析，研究各种计算工况下隧道内火灾发展过程及烟气在主隧道及救援横通道内的扩散规律，由此得到火灾过程中可用安全疏散时间。利用疏散软件对火灾期间疏散救援过程进行模拟，可得到各火灾场景下人员疏散至安全区域所需时间，即必需疏散时间，与可用安全疏散时间进行比较，进一步判断在不同火灾工况下，定点救援横通道的设置是否能满足人员高海拔条件下的疏散要求。

2.1 火灾发展特点

火灾发展具有其特定规律，主要表现在火源热量的释放，通常用热释放速率Q对火灾发展状况进行描述［9］。

式中 Q——热释放速率，MW;

α——火灾发展速率，MW/s2;

t——火灾的发展时间，s;

t0——临界时间，s。

火灾发展速率与多方面因素有关，一般可将火灾发展快慢分为4种类型，对应不同的火灾发展速率(表1)。

表1 火灾发展速率 W/s2

隧道内火灾热释放速率Q随燃烧车辆的不同有明显差异，对于高海拔特长隧道内列车火灾，考虑最危险的火灾情况，将火灾增长类型设定为超快速增长型火灾，即取表1中火灾发展速率为0.187 6 kW/s2。

2.2 高海拔地区火灾特性

由于高海拔地区空气稀薄，其密度比平原地区低，且含氧量少，火灾燃烧特性与平原地区有区别，相对于平原地区，高海拔地区的火灾燃烧主要有以下特点:

(1)火灾燃烧的热释放速率与燃烧物质的质量无关，与着火面积成正比;

(2)对于相同尺寸的火源，在高海拔地区其燃烧的火焰尺寸比平原条件下高;

(3)对于同一燃烧物，不同海拔高度下热释放速率有差异，在高海拔条件下的热释放速率比在平原地区燃烧时低;

(4)对于同一燃烧物，处于高海拔地区条件下着火后的燃烧持续时间较平原地区的燃烧时间长［10］。

2.3 隧道内火灾危险状态判定标准

火灾中烟气的高温性、烟气毒性和烟气遮光性是致人死亡的主要因素。对于火灾危险状态的判定，应综合考虑火灾过程中烟气层高度及烟气层以下空气中CO浓度、能见度、烟气辐射量及空气温度作为人员安全的判定标准，丁良平在《高速铁路长大隧道列车火灾安全疏散研究》中的研究显示，火灾中烟气温度达到危险状态的时间与人眼高度处烟气体积浓度达到危险状态的时间基本一致［9］。本文着重对烟气温度达到危险状态的时间进行探讨。

当人处于高温环境时，极易出现疲劳乏力，很快出现脱水状况，当超过人体所能承受的温度时就会导致死亡。因此有必要确定火灾发展过程中人体能承受的最大温度，即临界温度。

根据《建筑火灾安全工程导论》，当人体所处环境中空气温度超过65℃时，正常人便无法呼吸;当空气温度达到100℃时，人体在这种环境中只能忍受短短几分钟;《火灾风险评估方法学》中对于火灾临界温度值的确定，低于人眼特征高度处的火灾临界温度一般为110～120℃，高于人眼特征高度处的火灾临界温度一般为180℃。由于处于高海拔地区，人体机能有较大下降，将火灾危险临界温度设定为“隧道地面以上1.6 m处人眼特征高度平面的平均温度超过80℃”。

2.4 疏散救援模式

长大铁路隧道火灾过程中救援疏散模式主要有两种。

(1)停车疏散模式。列车在隧道内发生火灾过程中，由于列车动力系统无法工作或其他突发因素使得列车必须停止，人员通过隧道内防灾救援设施以及紧急逃生通道逃生至安全区域。

(2)继续运行疏散模式。即列车在隧道内发生火灾后，并不停止运行，而是将列车以一定的速度拉出隧道外，人员在隧道外进行逃生。若隧道太长不能及时驶出隧道时，须将列车运行至定点救援站进行人员疏散。

本文对继续运行疏散模式情况下，由于隧道太长无法及时将列车驶出隧道，继续运行至定点救援站进行人员疏散。此过程中，火灾发展至列车停止期间，人员疏散至相邻较安全车厢，待列车驶入救援站之后，人员从车厢疏散至安全区域。

3 救援站火灾数值计算模型建立

3.1 模型建立及网格划分

通过对设计图进行简化，采用直角坐标系建立CFD计算模型。计算模型见图1。

建立救援站模型总长度为700 m，救援横通道长度为36 m，横通道横向间隔为70 m，左线隧道及右线隧道内纵向设置温度探测器，每个温度探测器间隔为100 m。在每个救援横通道中部设置1个温度探测器。网格划分为正六面体网格，纵向网格大小为1 m，横向网格大小为0.5 m。网格划分见图2。温度探测器分布见图3。

图1 计算模型示意

图2 网格划分示意

图3 温度探测器分布示意

3.2 参数设置

由于隧道处于高海拔地区，大气压强、空气密度等参数与平原地区有较大差异，应根据关角隧道所处地区实际情况，结合当地气象监测数据，进行初始条件设置，主要计算参数设置如下。

(1)压力:定点救援站所处地区大气压强为61.3 kPa，温度为6.7℃;

(2)空气密度:受气压和温度影响，根据ρ=0.003 84P/T计算得到海拔3 700 m地区空气密度为0.785 kg/m3;

(3)隧道内壁面平均粗糙度取5 mm;

(4)坡度:右线隧道处于9.5‰的上坡段，列车停车位置在救援站中部，火源处于列车中部车厢。

(5)火灾规模:定义火灾为超快速增长型火灾，取热释放发展速率α为0.187 6 kW/s2，对四种最大热释放速率进行计算，即50、40、30、20 MW 4种火灾规模，在各种火灾规模下考虑救援横通道数量分别为9、7、6、5时的火灾场景。

(6)通风排烟风速:火灾期间开启射流风机进行通风排烟，隧道内断面平均排烟风速为v1=v2=v3=4 m/s，风向如图4所示。

4 火灾模拟计算及可用安全疏散时间确定

图4 火灾期间列车位置及隧道内通风风向示意

在火灾发展速率为0.187 6 kW/s2的情况下，分别考虑最大热释放速率Q为50、40、30、20 MW 4种火灾规模下不同横通道数量时进行数值模拟计算，图5为火灾发展期间隧道内烟雾分布图。可以看出，由于机械通风的作用，烟雾主要分布在火灾下游区段，其余区域烟雾浓度较小。

图6为最大热释放速率20 MW时各测点温度随时间变化曲线。

通过不同工况下数值模拟计算，隧道内火灾发展期间除4号测点和5号测点温度超过临界温度80℃，其余测点均未超过80℃，4号测点距着火点5 m，5号测点距着火点100 m，故只对4号测点和5号测点进行重点分析。图7为4号测点在各工况下到达临界温度时间随热释放速率变化曲线。

可以看出，由于4号测点距火源点较近，由于火源的脉冲能量影响，表现出的规律性不是很强，但总体趋势为随着热释放速率的增大，测点温度达到临界温度的时间逐渐缩短，即在进行疏散救援时的可用安全时间(ASET)减少，在热释放速率为50 MW的情况下，最快达到临界温度的时间仅228 s。

图5 火灾期间烟雾分布

图6 最大热释放速率20 MW时各探测点温度随时间变化曲线

图7 不同工况下4号测点温度到达临界温度时间

图7显示测点4为火源点附近的温度变化，在进行可用安全疏散时间确定时，采用距火源点100 m的测点5进行判定，各工况下测点5温度达到临界温度时间见表2。

仅对可用安全时间进行研究显然不能准确判定各火灾工况下是否满足疏散救援要求，还必须对各工况下的必需安全疏散时间(RSET)进行研究。

表2 不同工况下可用安全疏散时间 s

5 人员疏散模拟

5.1 必需安全疏散时间(RSET)确定

报警探测时间、人员响应时间和人员疏散行程时间三部分构成必需的人员安全疏散时间(RSET)，表示自起火时刻起到人员疏散到安全区域的总时间。其表达式为

式中 Talarm——报警探测时间，s;

Tresp——人员响应时间，s;

Tmove——人员行程时间，s。

5.1.1 火灾报警探测时间

火灾报警探测时间(Talarm)为火灾开始发展到人员察觉火灾的这段时间，与火灾发展规模、列车内火灾报警系统以及火源距探测器的距离等多种因素有关，其表达式

式中 Tmax——烟气最高温度，℃;

RTI——火灾探测器的特征响应时间指数，m0.5s0.5;

umax——烟气最大速度，m/s;

T0——所处环境温度，℃;

T——探测器的响应温度，℃。

本次模拟列车车厢内火灾计算中，设定火灾为超快速增长型火灾，其发展迅速，较易被发现。考虑到火灾发展1 min后着火点周围的温度和烟气的浓度已非常高，取火灾报警探测时间为60 s。

5.1.2 人员响应时间

人员响应时间(Tresp)与人员年龄、人员的心理行为特征、人员身体状况、人员对环境的熟悉程度、人员的集群特征以及人员的灵敏性等多种因素有关。

在海拔4 000 m左右地区，由于高海拔缺氧的影响，人体反应较一般情况慢，根据《建筑火灾安全工程》的大量统计数据和经验推荐值，取人员响应时间为120 s。

5.1.3 列车运行时间

列车继续运行模式情况下，若列车驶入隧道距离较近时发生火灾，此时可制动逆行将列车拉出隧道外进行人员疏散。考虑最不利的情况下，即列车驶过隧道洞口与定点救援站中点时，需继续运行至定点救援站。西格二线新关角隧道总长32.645 km，定点救援站位于隧道中部，考虑发生火灾最不利情况下列车行驶至定点救援站距离为8 km。

新关角隧道设计时速为160 km，可得最不利情况下列车运行至定点救援站需3 min。期间可完成火灾探测报警及人员响应，人员疏散至相邻较安全的车厢，等待列车驶入定点救援站后进行下一步的人员疏散。

5.1.4 人员疏散运动时间

可由现场实测或仿真模拟计算得到，国内外对于高海拔地区疏散救援的实测研究极少，本次采用疏散模拟对人员疏散运动时间进行确定。在平原地区的疏散救援与在高海拔地区的疏散救援有差异，主要体现在高海拔地区人员运动能力降低。尤其当人员急进高原地区时，运动能力因为急性缺氧现象下降更加明显，人体的运动能力在海拔4 000 m左右地区，下降为平原地区的 70%［11］。

本次疏散模拟参数设置如下。

(1)列车及车厢参数设定:每节车厢长度为26.6 m，总共为20辆编组列车，车辆宽度为3.328 m，车辆高度为4.04 m，列车行驶方向为格尔木至西宁方向，处于坡度为9.5‰的右线隧道上坡段。

(2)人员参数设定:列车内乘客及列车内相关工作人员共1 680人，其中男性占60%，女性占40%;人员年龄段设定为:17岁以下年龄段人员占10%，处于17～29岁年龄段占35%，处于30～50岁年龄段占35%，50岁以上年龄段人员占20%。着火点位置处于5号横通道和6号横通道之间的列车中部车厢，由火灾数值模拟计算可将安全区域确定为左线隧道处，相关设置见图8。

图8 人员疏散模拟计算相关设置示意

根据对不同热释放速率及不同横通道数量情况下的火灾数值模拟计算，得到隧道内各温度探测点的温度随时间变化规律，在进行人员疏散时，应尽可能快地离开发生火灾的主隧道，经由救援横通道到达安全区域等待下一步的救援。救援横通道不同时的疏散线路如图9所示。

图9 疏散线路示意

表3为利用疏散救援软件EXODUS模拟火灾期间人员疏散过程的结果，设置5座救援横通道时疏散救援过程耗时最长为453.2 s，随着救援横通道数量的增加，疏散救援所需时间逐渐减少。由疏散线路可以看出，由于本次模拟20辆编组的列车总长度约为532 m，当救援横通道数量≥8座时，其疏散线路是一致的。此外，根据在海拔4 000 m左右地区，人的平均运动能力降低为平原地区的70%左右，在与可用安全时间对比时，应将必须疏散时间按海拔高度进行换算。

表3 人员离开火灾隧道的疏散模拟结果

5.2 可用安全疏散时间(ASET)与必需安全疏散时间(RSET)比较

从表4计算结果看出，当救援横通道数量为5座和6座时，由于各种火灾规模下的可用疏散时间小于必需疏散时间，即在隧道内温度达到临界温度时不能将人员全部疏散至安全区域，横通道数量过少，不满足防灾救援要求;当救援横通道数量为7座时，满足热释放速率为20 MW和30 MW条件下的救援要求;当横通道数量为9座时，若热释放速率为50 MW，则不能满足防灾救援要求。

表4 不同工况下计算结果 s

综合以上计算结果及分析，高海拔特长隧道在进行防灾救援设计时，救援横通道数量建议设置为8～9 座［12］。

6 结论

通过对多种不同火灾场景下火灾发展的数值模拟计算，得到隧道内火灾发展与各测点温度随时间变化的规律，由此得到人员疏散的可用安全疏散时间，将其与必需安全疏散时间进行比较，可得到如下结论:

(1)对于火灾期间进行机械通风排烟的双洞隧道，发生火灾后，无火灾主隧道是相对安全的;

(2)发生火灾时，随着热释放速率的增大，测点温度达到临界温度的时间逐渐缩短，即在进行疏散救援时的可用安全时间(ASET)减少;

(3)对于间距为70 m的定点救援横通道，在高海拔特条件下，其数量为5座和6座时，不能满足防灾救援要求;

(4)建议进行高海拔特长铁路隧道定点防灾救援设计时，紧急救援横通道数量设置为8～9座。

［1］孙海富.石太铁路客运专线太行山、南梁长大隧道防灾救援设计研究［J］.铁道标准设计，2009(11):93-96.

［2］颜志伟.武广客运专线大瑶山隧道群防灾救援疏散设计研究［J］.铁道工程学报，2011(8):7-12.

［3］罗章波.包兰铁路青天寺隧道运营通风及防灾救援设计［J］.地下空间与工程学报，2011(7):185-193.

［4］谢勇涛，丁祥.香山特长隧道运营通风及防灾救援方案设计研究［J］.铁道标准设计，2010(4):81-84.

［5］于晨昀.张呼客运专线桥隧密集段防灾救援疏散设计研究［J］.铁道标准设计，2012(S):42-44.

［6］于莉.关角隧道通信防灾救援方案探讨［J］.兰州交通大学学报，2013(4):51-55.

［7］杨剑.铁路隧道防灾救援系统电气设计［J］.铁道标准设计，2013(4):110-114.

［8］李钰龙.铁路隧道防灾救援辅助信号系统设计探讨［J］.铁道标准设计，2013(12):112-114.

［9］丁良平.高速铁路长大隧道列车火灾安全疏散研究［D］.上海:同济大学，2008.

［10］张念，谭忠盛.高海拔特长铁路隧道火灾烟气分布特性数值模拟研究［J］.中国安全科学学报，2013(6):52-57.

［11］次旦晋美，米玛顿珠，卞力强.特高海拔运动生理研究［J］.西藏大学学报，2000(2):74-77.

［12］曹正卯.关角隧道运营通风防灾技术研究［D］.成都:西南交通大学，2011.