某过江隧道变截面段火灾烟气流动及逃生分析

高　原 王子云 刘秦见 王　松 孟　曦



某过江隧道变截面段火灾烟气流动及逃生分析

高原 王子云 刘秦见 王松 孟曦

（四川大学建筑与环境学院 成都 610065）

针对某城市过江隧道中出现的多匝道变截面段，首先利用FDS大涡模拟方法，对上行及下行线在不同工况下的烟气羽流进行模拟；然后结合经验公式计算的主隧道段临界风速，分析了3m/s纵向通风风速下烟气羽流随时间变化情况，以及不同的坡度、纵向通风风速下，隧道变截面段的火灾烟气回流长度变化；最后，结合理论计算的逃生时间，对隧道变截面段火灾控制风速进行了分析。得到了在纵向应急通风时，控制变截面段烟气回流及保证逃生安全所需的主隧道临界风速比用修正的Heselden﹠Kennedy公式计算所得值大，需要对变截面段火灾通风系统进行特定模拟分析，以满足其烟气控制要求，研究结果对各种隧道变截面段的火灾烟气和逃生分析有一定的参考价值。

隧道火灾；变截面；数值模拟；纵向通风；烟气

0 引言

我国隧道工程在建设规模和数量上呈不断增长趋势，长大隧道和跨越水域的隧道工程日益增加。至今，公路隧道建设里程已超过1×104km[1]，世界运营最长的洛达尔隧道长度达24510m[2]。由于城市交通隧道的复杂交通属性和结构形式，使得火灾成为其安全使用的最大威胁。火灾事故发生的概率小但造成的人员及经济损失大，对隧道衬砌结构、设施等产生破坏。1999年Tauern隧道发生火灾，造成12人死亡，40辆车被烧毁[3]；2014年晋济高速岩后隧道火灾造成了40人遇难[1]。由此做好隧道通风、火灾防控及逃生救援等方面的研究十分重要。

国内外学者对隧道中火灾的烟气回流情况、温度分布及逃生方案进行了大量研究。周庆等通过FDS数值模拟和缩尺寸模型试验，研究坡度对临界风速的影响[4]；胡隆华通过数值模拟和全尺寸现场试验建立了烟气温度纵向分布规律的预测模型，并总结出“远端补气、近端排烟”的优化管理策略[5]；夏永旭等结合火灾时逃生情况修正了传统的克拉尼公式，并详细研究了隧道风速和火灾规模对安全逃生区域和消防救援位置的影响[6]；周孝清等利用PHOENICS数值模拟分析得出了纵向通风速度和逆流层长度的变化关系式和三种形状截面隧道的临界风速[7]。

但是目前对变截面隧道中的火灾烟气特性及逃生救援特点的相关研究还相对较少[7]，而随着城市交通隧道的结构复杂化，多匝道交叉或分支部分出现的变截面隧道逐渐增多。为积极应对隧道火灾事故，本文以某过江隧道中出现的变截面段为研究对象，利用FDS数值模拟讨论变截面隧道中的火灾烟气特性，分析其逃生救援特点并给出相应建议，为今后的各种变截面隧道的进一步研究提供参考。

1 模型建立

1.1 物理模型

图1为某城市过江隧道变截面段平面示意图，整个隧道分成了上下两层，上层为行车区，下层为安全逃生通道（图中未示出），本文以上层行车区的长116.63m变截面段隧道和10m主隧道为研究对象，按1:1建模，模型x方向长126.63m；变截面段内高（z方向）：8.41m；内宽（y方向）：大截面端18.83m、小截面端13.3m。主隧道段内高6.91m、内宽12.3m。主隧道为拱形，变截面横断面如图1（b）所示。模拟分析中对上行、下行隧道分别建立物理模型。上行隧道行车方向向右，坡度为4.5%，下行隧道行车方向向左，坡度为-4.5%，纵向通风方向与行车方向一致。模型中网格大小为0.37m×0.37m×0.37m，火源放在隧道靠中部位置，其中，上行隧道火源中心位于（66m，9.47m，1.85m），下行隧道火源中心位于（66m，5.08m，1.85m）。

图1 （a）某过江隧道变截面段平面图（b）A-A横断面图（单位：m）

1.2 数学模型

目前在数值求解瞬态低马赫数流动的方程上，高精度的模拟方法有直接模拟（DNS）和大涡模拟（LES）两种模拟方法[8]。LES方法在求解浮力驱动的流场上，能得到比较好的结果，且能对流体动力学方程给出足够精确的计算结果，本模型采用LES方法进行数值模拟计算[9]。软件采用以FDS和Smokeview为内核的Pyrosim火灾动态仿真模拟的软件。

大多数火灾的初始增长阶段采用Heskestad提出的时间平方理论计算，本模型采用不稳定火源，忽略潜伏期时间，火灾成长曲线简化为[10]：

HRR=2（1）

HRR为火源热释放速率，kW；为火灾的增长系数，kW/s2。按照的大小，可将火灾分为慢速、中速、快速和超快速四种类型，该模型中设定火灾为快速增长，取大小为0.04698[10]，为火灾持续的时间（s）。本模型的火灾规模设定为赫塞尔登火灾规模中的一辆大客车20MW火源[11]，结果显示增长到最大火灾规模需要652.47s。火源采用软件中单位面积的热释放速率参数“HRRPUA”命令输入火源热释放速率的最大稳定值[5]，热释放率曲线如图2所示。

图2 模拟中输入的热释放率曲线

1.3 参数设定

在对某过江隧道变截面段进行火灾模拟分析时，考虑通风气流方向、主隧道风速和隧道坡度三种因素的影响，具体工况设置如表1所示。

表1 隧道变截面段火灾模拟工况（20MW）

注：X表示下行方向，S表示上行方向

隧道风速设定，根据该工程实际情况，考虑相同火灾热释放率20MW的情况下，分别对下行、上行方向的烟气流动进行分析；其次，除实际坡度外，为对比烟气流动情况，同时对无坡度情况进行分析；对于变截面隧道的临界风速，其理论计算公式尚未有成熟的研究，这里利用修正的Heselden﹠Kennedy公式[12]计算主隧道临界风速并分别计算出对应的变截面隧道段风速：

式（2）中，v即临界风速，m/s；k为坡度修正系数，平坡、上坡取1.0，下坡取1+0.0374grade0.8，grade4.5；=0.61；g=9.81m/s2；Q为火源热释放速率，20000kW；为主隧道断面水力高度，=8.89m；=1.165Kg/m3；c=1.005kJ/(kg·K)；m2；0=303K。由迭代计算的结果可知，主隧道理论临界风速：下行方向-4.5%坡度时为2.67m/s，下行无坡度及上行方向均为2.34m/s。

另外，当火灾热释放率为20MW时，相关规范中推荐的临界风速取值为2-3m/s[13]，据此，本文的主隧道风速设定以推荐值2m/s起，逐渐增大至8.27m/s的20个工况，直到变截面段中回流长度为0m。

2 隧道变截面段烟气流动分析

2.1 临界风速下烟气流动分析

自然状态下，火灾烟气在浮升力作用下向上流动，空气由两端进入燃烧区下部，随热烟气一起向上流动进行补充，由于隧道内空间有限，烟气羽流到达隧道顶部后向两侧蔓延扩散；当纵向通风风速大于临界风速后，烟气向下游流动，最终由隧道的一端排出，而通风风速小于临界风速时，上层烟气会有不同程度的反向流动，形成回流，其中描述回流烟气最重要的两个参数是回流长度和回流层的厚度[14]。

下行方向坡度为-4.5%时，在烟囱效应的作用下，火灾中产生的热烟气易向上坡方向扩散，使得该侧的烟气影响范围远大于无坡度工况，对控制烟气回流不利。该工况主隧道临界风速由（2）式计算所得为2.67m/s；由模拟得到在主隧道风速为3m/s时，火灾烟气的产生及发展过程如图3所示。从图3可以看出，在主隧道风速稍大于计算临界风速时，火灾发展初期，在纵向风速的影响下，烟气向下游流动，影响范围随时间增长逐渐扩大；在近282.6s时，变截面段中烟气即开始产生回流，并逐渐向上游扩散，回流层厚度逐渐增加，这是由于烟气在扩散过程中不断卷吸低温空气，使烟气温度逐渐降低，而往下部扩散；在近572.4s时，烟气蔓延全部隧道段，且回流烟气已触及隧道地面，对上游人员逃生、车辆安全撤离及救援不利。由此可知，变截面段烟气流动有其特殊性，纵向通风控制烟气回流需要更大的隧道通风风速，难度增加。

2.2 烟气回流长度分析

通过对下行线隧道变截面段11种工况，和上行线隧道变截面段9种工况（见表1）的烟气流动进行分析，得到了各工况下烟气的回流长度如图4所示。

（a）下行线

（b）上行线

图4 各工况回流长度分析

Fig.4 Anlysis of back-layering length

从图4（a）可以看出，随纵向通风风速增大，回流长度显著降低。下行方向隧道坡度为-4.5%，纵向通风在主隧道风速为6m/s以上时，烟气回流长度控制在19m以内；无坡度时，纵向通风主隧道风速为5m/s以上时，烟气回流长度由44m显著降低，6m/s时回流长度为0m；从（b）可以看出，上行4.5%坡度时，回流长度与纵向通风主隧道风速近似线性关系，且回流长度随主隧道风速增大而减小，风速为5m/s时回流长度为0m；上行无坡度的回流长度在主隧道风速为5m/s时可减短到10m。这是因为坡度隧道的烟囱效应有利于烟气向上坡方向流动，却使下行方向隧道易于产生回流，对上游逃生人员撤离不利。整体可得，（1）相同主隧道风速下，烟气回流长度随上坡度的增大（下坡度减小）而减小，且上坡度越大（下坡度越小），控制烟气回流所需的纵向通风速度越小。（2）对比图4中，无坡度、主隧道风速相同，两种通风方向回流长度相比，可见下行方向控制烟气回流所需的主隧道风速更大。由于烟气回流前锋是否继续向前运动，取决于前锋的热驱动力△P和纵向风作用力P的相对大小，若△P=P时，则回流前锋不再向前运动，若△P大于P时，则回流前锋继续向前运动[5]，相同主隧道风速，下行方向与上行方向回流前锋与火源距离相同，下行方向截面积更大，热浮力驱动力相同时，下行方向纵向风作用力P更小，则更易于继续向前运动。（3）模拟结果与用修正的Heselden﹠Kennedy公式计算的临界风速结果（即下行方向-4.5%坡度时为2.67m/s，下行方向无坡度及上行方向时为2.34m/s）对比，模拟所得变截面段控制烟气回流的纵向通风所需临界风速更大，各工况主隧道风速都在4m/s以上。这主要是因为用当量直径法修正的Heselden﹠Kennedy公式是针对一固定尺寸的隧道断面提出的，模拟结果与计算结果的差异说明其不适用于变截面隧道，控制变截面隧道烟气回流的临界风速需要进一步研究。

3 人员逃生特点

在分析人员逃生时，通过对危险来临时间t与人员疏散所需时间t进行比较，若满足t＞t，则可判断逃生人员能够安全疏散，否则可视为对逃生不利。其中，人员疏散时间可按下式计算[15]：

T=t+t+t（3）

式中，t为人员觉察反应及下车所需时间，45人的大客车t=177s；t为人员到达逃生口所需时间，若速度为1.2m/s，忽略坡度对行走速度的影响，则最不利情况t=67s；t为人员在逃生通道入口处，由于阻塞需等待的时间[16]：

t=(-0.4) （4）

式中，为前往逃生通道入口的逃离人数。本工程中隧道为双车道，且每隔80m设置一个逃生通道入口，按最不利情况，火源离逃生通道入口80m，通过隧道的车型比例如表2所示。

表2 车型比例预测

车间距取为制动安全距离，即两车停止后前车尾到后车头之间的距离，一般可取5m[17]，根据表2，设置1辆大客车、3辆中客车、11辆小客车，各车辆上的人数按照大客车45人，中客车19人，小客车4人，其他车2人计算确定，则总人数为146人；为逃生安全口数量，取1人；为人流平均速度，约1.2-1.5人/(m·s)，本文取最不利1.2人/(m·s)；为入口宽度，取0.8m，可得t=304.2s。

由于t+t＜t，安全逃生时间可取为阻塞等待时间t，加上离逃生通道入口最近、最先逃离的第一人的反应及下车所需时间t，则疏散所需时间为481.2s，其中忽略了距离火源最远，并最先逃离的人的反应时间比离火源较近处人员反应时间更长。

为呈现疏散时间内的火灾发展情况，取下行隧道坡度为-4.5%，不同主隧道风速下，火灾发生481s时的烟气分布图对比分析：

从图5可以看出，烟气回流长度随纵向风速增加而减小，且回流层下底面高度逐渐增大，这是由于风速增加，抑制热烟气向上游流动等能力增加，促进空气从往下游方向补充，同时促使烟气向隧道下游扩散。主隧道风速为2m/s时，烟气迅速蔓延，并在481s时充满隧道变截面段；在主隧道风速为3m/s时，回流层下底面与地面仅有0.5m的距离，逃生人员很难安全撤离；主隧道风速为4m/s时，在481s时烟气回流长度达35.3m，回流层厚度（即烟气层下界面距隧道顶部距离）约为4.4m，则离地面4m高度范围内无烟气，逃生人员可安全疏散；主隧道风速为5m/s时，在481s时基本无回流产生；由此可知，为使逃生人员在疏散时间内安全撤离，主隧道风速需控制在4m/s及以上时，基本能保证变截面段出现火灾时，人员安全疏散。

4 结论和建议

隧道截面是否变化对烟气的分布及蔓延有影响，本文通过数值模拟交通隧道变截面段，上行线和下行线不同工况下的烟气流动及逃生情况，得到以下结论：

（1）模拟结果与用修正的Heselden﹠Kennedy公式计算的主隧道临界风速对比，变截面段纵向通风排烟所需临界风速更大；尤其下行线所需控制风速更大，该工况下主隧道风速在近计算临界风速时，变截面段中烟气在近282.6s时即开始产生回流，并迅速蔓延，在近572.4s时蔓延至整个隧道段，且烟气回流会触及地面，对上游人员逃生，车辆安全及救援不利。

（2）无坡度、主隧道风速相同的两种风通方向，对比回流长度可知，下行方向控制烟气回流所需的主隧道风速更大。

（3）为使逃生人员在疏散时间内安全撤离，下行线主隧道风速需控制在4m/s及以上。

（4）变截面段烟气流动有其特殊性，纵向通风控制烟气回流所需风速大，难度增加，特别是下行大坡度时，需要进行特殊考虑。

（5）可对变截面段通风系统进行分析，以便能够满足其火灾工况所需控制风速，也可考虑采取增加逃生通道入口数量或间距、以及单独设置排烟井、或在该段内改设横向排烟等措施，充分保证城市交通隧道安全。

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Research on Smoke Movement and Rescue of Tunnel Fire in VaryingCross-section Portion of a Tunnel Under River

Gao Yuan Wang Ziyun Liu Qinjian Wang Song Meng Xi

( College of architecture and environment, Sichuan University, Chengdu, 610065 )

Firstly, a numerical model of tunnel fire in varying cross-section and multi-strand ramp portion of an urban traffic tunnel under river was developed to simulate smoke movement of different condition of upline and downline by large eddy simulation in FDS. And then, smoke propogation over time with 3m/s velocity of longitudinal ventilation was studied.The influence of variable slope, velocity of longitudinal ventilation on the back-layering length in the model was also investigated, conbining with the critical velocity in primary tunnel calculated by empirical formula. Finally, the control velocity of tunnel fire in varying cross-section tunnel was studied conbining with theoretical escape time. It was found that the control velocity got from simulation in primary tunnel which prevents smoke from flowing back and propogation in the varying cross-section tunnel was lager than that was calculated by theory. So it is necessary to simulate and analyze on fire ventilation system of varying cross-section tunnel particularly to meet the demands of control on smoke propogation.The results of this research will provide reference to further study on tunnel fire in varying cross-section tunnel.

tunnel fire; varying cross-section tunnel; numerical simulation; longitudinal ventilation; smoke

1671-6612（2017）03-307-06

U458.1/X928.7

A

高原（1992.09-），女，在读研究生，E-mail：1191833392@qq.com

王子云（1972.11-），男，博士，副教授，E-mail：wzyfirst@163.com

2016-03-09