特长公路隧道单通道互补式通风的火灾扩散特征

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(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

0 引言

特长隧道互补式通风采用一个或多个联络风道，将上下行隧道联通形成网络通风，使需风量相差悬殊的两个单洞中的污染浓度得到平衡，从而降低整座隧道的需风量。互补式通风对于交通量不大的双向分离式特长公路隧道，是一种经济、节能、有效的通风方案，近年来在我国逐步得到推广应用，如大别山隧道[1,2]、两河口隧道[3]、西秦岭隧道[4,5]等。互补式通风由于采用网络通风模式，洞内空气流动较为复杂，特别是采用单个联络风道时，隧道火灾的扩散特征及相应的救援逃生策略更为复杂。本文结合安徽省岳武高速明堂山隧道开展单通道互补式通风条件下的火灾扩散特征研究。

1 工程概况及通风方案

明堂山特长隧道为岳西至武汉高速公路安徽段的控制性工程，采用分离式双向四车道方案，设计速度80 km/h，右线全长为7 531 m，纵坡为+1.994%/240 m、+0.80%/7 291 m；左线全长7 548 m，纵坡为-0.80%/7 309 m，-1.994%/239 m。

根据隧道近远期交通量及组成，计算获得不同工况条件下的需风量如表1所示。从中可以看出：左线最大需风量由换气工况控制，为410 m3/s，稀释有害气体的需风量仅为216 m3/s(近期)和256 m3/s(远期)；隧道右线最大需风量近期由换气工况控制，为410 m3/s，远期由稀释有害气体的需风量控制，为475 m3/s。左右线稀释有害气体需风量存在显著差异(约为1∶1.85)，适合采用互补式通风。

表1 明堂山隧道需风量计算结果项目需风量/(m3·s-1)正常及阻滞工况换气工况(3次)火灾工况左线近期216410196远期256410196右线近期400409196远期475409196

明堂山隧道单通道互补式通风方案[6](图1)具体如下：

1)隧道右线采用单竖井集中送排式通风，左线采用全射流风机通风，左右线通过12#人行横洞(距岳西端4 815 m、距武汉端2 716 m)实现互补式通风。

2)竖井轴流排风机近期配置3台(2用1备)，总功率近期790.47 kW、远期1 042.20 kW；轴流送风机近期配置2台(1用1备)，总功率近期757.92 kW、远期1 061.54 kW。

3)右洞近期配置射流风机22台，功率合计660 kW；远期配置射流风机26台，功率合计780 kW。风机分别布设在K17+590～K18+610段(7组14台，含远期2台)、K21+590～K21+760段(2组4台)、K24+211～K24+721段(4组8台，含远期2台)。

4)左洞近期和远期均配置射流风机54台，功率合计1 620 kW。风机分别布设在ZK17+591～ZK19+121段(1 530 m，10组20台)、ZK20+655～ZK21+675段(1 020 m，7组14台)、ZK23+209～ZK24+7739段(1 530 m，10组20台)。

图1 明堂山隧道单通道送入式通风方案示意图

2 火灾模拟分析方案

2.1 模拟分析方法

火灾模拟分析采用美国科学院研制的FDS火灾模拟系统。该系统是经历了多年的发展及结合实际的火灾参数修正，目前已经成为模拟火灾的最主要工具，可以模拟三维空间内空气的温度、速度和烟气的流动情况等。FDS火灾动力模拟软件由两部分组成，分别是FDS和Smokeview部分。其中，FDS部分主要是用来完成对火灾场的创建和计算阶段，而Smokeview部分则是对FDS计算结果的可视化，以三维动态的形式显示火灾发生的全过程。

2.2 火灾危险状态判定

火灾烟气对人员的危害主要体现在3个方面：高温、遮光和有毒。对隧道中的人员来说，火灾危险条件通常按以下情况之一确定：

1)高温：若隧道内某处2 m高度的气体温度超过60 ℃，或地面高度处辐射热通量超过2.5 kW/m3，认为已达到了火灾危险状态。

2)遮光：依据澳大利亚《消防工程师指引》，若隧道内某处能见度小于10 m，认为该位置已达到了火灾危险状态。

3)烟气毒性：采用通用的简化处理方法，即和烟气遮光性判据结合使用。

当隧道内某个位置达到上述3个条件的任何一个，认为该处已经达到了火灾的危险状态。达到危险状态的时间减去着火时间便是该位置的可用人员安全疏散时间。

2.3 火灾模拟工况

为了保证特长公路隧道的运营安全，在运营中通常需要对特殊危化品车辆采取禁行或管制通行措施，因而主要火灾仍是一般客货车火灾。不同车型的车辆火灾，火源功率如表2。模拟分析时主要考虑一辆大型车着火，火源功率为30 MW，火灾临界风速取3.0 m/s，火源面积5 m×4 m。在部分工况考虑了其他车型车辆的火灾。具体工况如表3。

表2 不同车型火源功率车辆类型火源功率/MW小型轿车32～3辆小型轿车8小型货车15大型货车30

表3 火灾模拟工况火灾工况火源功率/MW起火位置通风排烟方式130隧道入口段洞内3m/s，排烟口280m3/s230排烟道上游100m附近洞内3m/s，排烟口280m3/s330隧道出口段洞内3m/s，不开启排烟口430排烟道上游100m附近洞内1m/s，排烟口280m3/s515排烟道上游100m附近洞内3m/s，排烟口280m3/s左线615排烟道上游100m附近洞内1m/s，排烟口280m3/s715隧道中部通风排烟系统失效8 8排烟道上游100m附近洞内3m/s，排烟口280m3/s9 8排烟道上游100m附近洞内1m/s，排烟口280m3/s10 3排烟道上游100m附近洞内3m/s，排烟口280m3/s11 3排烟道上游100m附近洞内1m/s，排烟口280m3/s130隧道入口段洞内3m/s，排烟口280m3/s右线230排烟道下方洞内3m/s，排烟口280m3/s330隧道出口段洞内3m/s，不开启排烟口430隧道中部通风排烟系统失效

3 隧道内火灾烟气流动扩散特征

3.1 火灾高温和烟气扩散分析方法

通过数值模拟可以获得各工况在起火后不同时间的温度分布(如图2，限于篇幅，不一一列出)和烟气分布(如图3)，结合火灾危险状态判定条件，可以获得不同工况的危险状态、范围以及安全疏散时间。

图2 左线工况2隧道内温度分布

图3 左线工况2隧道内烟气分布

3.2 各工况下高温和烟气扩散特征

3.2.1 左线隧道火灾烟气扩散分析

1)隧道入口段火灾(工况1)。

在3 m/s的纵向通风条件下，烟气向火区下游迅速蔓延，上游较小距离内有烟气回流。起火后30 min内，通风带来了大量的冷空气对烟气进行了冷却，隧道内只有火源附近温度超过120 ℃。

2)排烟口上游100 m火灾(工况2)。

在3 m/s的纵向通风条件下，烟气向火区下游迅速蔓延，很快从排烟口进入排烟道，大部分会从排烟道排出，极少部分继续向下游蔓延，但是会稳定在下游一定范围之内。火源位置温度较高，火源下游，距离火源越远，隧道内温度越低。起火后30 min内，通风带来了大量的冷空气对烟气进行了冷却，只有火源附近温度超过120 ℃。

3)隧道出口段火灾(工况3)。

在3 m/s的纵向通风条件下，烟气回流不明显。火区上游射流风机开启，由于起火地点靠近隧道出口，在纵向通风的作用下，烟气不到5 min就充满了起火位置至隧道出口段。火区上游平均温度较低，火源距下游出口约280 m，火源附近温度高于120 ℃，隧道出口处温度仍然高于60 ℃，火源下游高温危害非常明显。

4)排烟口上游大型货车火灾(工况4)。

在流速为1 m/s的纵向风速和280 m3/s的排烟风量条件下，烟气回流非常明显。一部分烟气沿排烟口进入排烟道，从排烟道排出，另一部分发生回流，不到5 min已蔓延至火源上游200 m处。排烟口下游几乎无烟气，下游平均温度较低，火源附近及上游平均温度偏高，火源上方温度超过170 ℃，火源上游距离火源200 m处温度仍超过50 ℃。对比工况2，隧道内排烟口上游大型货车发生火灾，3 m/s的纵向风速，其排烟效果明显优于1 m/s。

5)排烟口上游小型货车火灾(工况5，3 m/s风速)。

在3 m/s的纵向风速和280 m3/s的排烟风量条件下，几乎无烟气回流。大部分烟气沿排烟口进入排烟道，从排烟道排出，另一部分在纵向射流通风作用下，向排烟口下游蔓延，一段时间后稳定在下游一定范围内。排烟口下游烟气浓度较小，平均温度较低，火源至排烟口位置，烟气浓度较大，靠近顶棚位置温度较高，超过90 ℃。

6)排烟口上游小型货车火灾(工况6，1 m/s风速)。

在流速为1 m/s的纵向风速和280 m3/s的排烟风量条件下，烟气回流非常明显。一部分烟气向下游蔓延至排烟口位置，沿排烟口进入排烟道，从排烟道排出，另一部分向火区上游蔓延，起火后5 min将蔓延至火源上游200 m处。排烟口下游几乎无烟气，下游平均温度较低，火源附近平均温度较高，火源上方温度超过120 ℃，火源上游距离火源200 m处平均温度不超过30 ℃。

对比工况5和工况6，隧道内排烟口上游小型货车发生火灾，1 m/s的纵向风速作用下，几乎无烟气蔓延至排烟口下游，火源上游200 m内有烟气回流，从节能的角度分析，排烟口上游小型货车发生火灾时，只需开启部分射流风机，使隧道内风速达到1 m/s。

7)排烟口上游小型货车火灾(工况7，无风状态)。

排烟口上游小型货车发生火灾后，由于通风系统失效，隧道内烟气自由蔓延。由于坡度的存在，烟气沿隧道两侧蔓延不对称，浮力效应使烟气沿上坡方向蔓延速度较快，沿下坡方向蔓延速度较慢。在自由蔓延情况下，烟气温度随着与火源距离的增大而降低，火源上方的烟气温度较高。温度分布逐渐向上坡侧发生偏移，呈不对称分布，与火源相同距离处上坡侧烟气温度要高于下坡侧烟气温度，表明坡度使烟气流动产生一定的偏离，对沿程温度分布具有一定的影响。隧道下坡方向的烟气温度逐渐降低，隧道上坡方向的烟气温度则逐渐升高，这是因为坡度的存在，使得火羽流逐渐向隧道上坡方向倾斜，更多的热烟气向上坡方向蔓延，上坡侧烟气温度升高。

8)排烟口上游2～3辆小型轿车火灾(工况8，3 m/s风速)。

在3 m/s的纵向风速和280 m3/s的排烟风量条件下，几乎无烟气回流。大部分烟气沿排烟口进入排烟道，从排烟道排出。由于隧道内风速太大，部分烟气被吹至排烟口下游，向下游蔓延，一段时间后稳定在下游一定范围内。排烟口下游烟气浓度较小，平均温度较低，火源至排烟口位置，烟气浓度较大，靠近顶棚位置温度较高，超过55 ℃。由于隧道内风速太大，隧道内平均温度较低。

9)排烟口上游2～3辆小型轿车火灾(工况9，1 m/s风速)。

在1 m/s的纵向风速和280 m3/s的排烟风量条件下，烟气会发生回流。大部分烟气向下游蔓延至排烟口位置，沿排烟口进入排烟道，从排烟道排出，另一部分向火区上游蔓延，起火后5 min蔓延至火源上游约180 m处。排烟口下游几乎无烟气，下游平均温度较低，火源附近平均温度偏高，火源上方温度超过120 ℃，火源上游距离火源180 m处平均温度不超过30 ℃。

对比工况8和工况9，隧道内排烟口上游2～3辆小型轿车发生火灾，1 m/s的纵向风速作用下，几乎无烟气蔓延至排烟口下游，火源上游180 m内有烟气回流。从节能的角度分析，排烟口上游2～3辆小型轿车发生火灾时，只需开启部分射流风机，使隧道内风速达到1 m/s。

10)排烟口上游小型轿车火灾(工况10，3 m/s风速)。

在3 m/s的纵向风速和280 m3/s的排烟风量条件下，完全无烟气回流。大部分烟气沿排烟口进入排烟道，从排烟道排出，由于隧道内风速太大，部分烟气被吹至排烟口下游，向下游蔓延，一段时间后稳定在下游一定范围内。排烟口下游烟气浓度较小，平均温度较低，火源至排烟口位置，烟气浓度较大，靠近顶棚位置温度超过30 ℃。由于隧道内风速太大，隧道内平均温度较低。

11)排烟口上游小型轿车火灾(工况11，1 m/s风速)。

在1 m/s的纵向风速和280 m3/s的排烟风量条件下，烟气会发生回流。大部分烟气向下游蔓延至排烟口位置，沿排烟口进入排烟道，从排烟道排出，另一部分向火区上游蔓延，起火后5 min蔓延至火源上游约100 m处且稳定在该范围内。排烟口下游无烟气蔓延，下游平均温度较低，火源附近平均温度偏高，火源上方温度超过55 ℃，火源上游距离火源100 m处平均温度不超过30 ℃。

对比工况10和工况11，隧道内排烟口上游小型轿车发生火灾，1 m/s的纵向风速作用下，完全无烟气蔓延至排烟口下游，火源上游100 m内有烟气回流。从节能的角度分析，只需开启部分射流风机，使隧道内风速达到1 m/s。

3.2.2 右线隧道火灾烟气扩散分析

1)隧道入口段火灾(工况1)。

隧道内温度分布和烟气分布规律与左线工况1相同，烟气向火区上游蔓延不明显。烟气的高温危害仅在火区下游存在，只有火源附近烟气温度超过120 ℃。

2)排烟道下方火灾(工况2)。

由于排烟通道是考虑左线隧道火灾排烟方面的不足，自右线竖井引入的，火源位置在排烟通道下方时，对右线隧道烟气蔓延并无影响。但是火区下游的排风口，在发生火灾后，作用相当于排烟口，会将一部分烟气排出隧道，另一部分烟气继续向火区下游蔓延，隧道内温度分布和烟气分布规律与左线工况2相似，烟气向火区上游蔓延不明显。烟气的高温危害仅在火区下游存在，只有火源附近烟气温度超过120 ℃

3)隧道出口段火灾(工况3)。

在3 m/s 的纵向通风条件下，烟气回流不明显。由于起火地点靠近隧道出口，在通风的作用下，烟气不到5 min就充满了由起火位置至隧道出口的路段。火区上游隧道内的平均温度较低，火源距下游出口不到300 m，火源下游高温危害非常明显，隧道出口处温度仍然高于60 ℃。

4)隧道中部火灾(工况4，排烟失效)。

隧道内烟气及温度分布规律与左线工况7相同，由于火源功率比左线工况7大，火源上方平均温度更高，超过170 ℃。

3.3 隧道内火灾的车辆间蔓延特征

火灾往往会造成隧道内车辆的堵塞，与着火车辆相邻近的车辆，由于受到火焰及上层热烟气的热辐射，有可能被引燃从而引发更大规模的火灾。本部分内容将对与着火车辆相邻车辆的受热和引燃问题进行分析。

3.3.1 隧道火灾中车辆的受热引燃分析

与着火车辆相邻近的车辆的受热来源于3种基本形式，即热传导、热对流和热辐射。引燃邻近车辆的热量主要来源于着火车辆的热辐射(Iflame)和热烟气的辐射(Ismoke)。当辐射热通量之和超过车辆着火的临界辐射热通量(Ic)时，车辆将被引燃。因此保证邻近车辆不被引燃的临界条件为：

Iflame+Ismoke

车辆着火的临界热通量与汽车表面材料性能、车辆所装载货物的热物性有关。本研究以汽车表面材料的着火临界辐射热通量作为汽车着火临界辐射热通量的代表值。 现代汽车大多数都在表面涂上聚氨酯之类的热塑性材料，汽车着火的临界辐射热通量取为16 kW/m2。

3.3.2 模拟计算及结果

在相同的通风条件下，起火车辆周围目标位置的热通量与火源的强度以及离火源的位置有关，而与火源在隧道中的位置关系不大。因此，车辆之间的火灾蔓延需对不同火源功率和通风条件工况进行分析，即选取机械通风工况下火源功率为30 MW和自然通风工况下火源功率分别为30、15、3 MW进行分析，火区尺寸分别为为5 m×4 m、5 m×3 m和3 m×2 m。

对每个火灾场景需分上(下坡方向)、下游(上坡方向)分别计算目标位置受到的热通量，在火源中心线上、下游车道地面高度处各取若干个目标点，分别考察目标点在火灾过程中受到的最大辐射热通量。离火区最近的目标点距火区边缘1 m，相邻目标点间距为1 m。各目标点受到的最大辐射热通量可以绘成如图4所示的热通量分布图。

3.3.3 车辆引燃临界距离

通过数值模拟，获得不同火源功率时的车辆引燃临界距离如表4所示，为了不使火灾在车辆之间蔓延扩大，前后车辆之间的停靠距离(前车后边缘和后车前边缘的距离)至少要大于车辆引燃临界距离。

从本部分的隧道内火蔓延分析看到，在通风作用下，火区上游相对安全，车辆停车距离只要不低于3 m，车辆就不会被辐射引燃；而火区下游车辆停车距离大于8 m才不会被引燃，相对较危险。不过由于隧道是单向行驶的，火区下游的车辆在火灾发生后能够很快离开隧道，不会受到火灾的影响。只有当火区下游隧道被完全堵塞或车辆突然抛锚的情况下，需要考虑下游车辆的停靠距离。

a)机械通风(3 m/s)

b)自然通风

图4火源功率为30MW不同目标点受到的最大热通量(距离负值为上游)

表4 不同火源功率时的车辆引燃临界距离位置Lc/m机械通风自然通风火源功率30MW火源功率30MW火源功率15MW火源功率3MW上游3421下游8532

不考虑机械通风时，火灾时车辆引燃临界距离随着火源功率的增大而增加，沿上坡方向的辐射热通量明显大于下坡方向；对于火源功率为30 MW(大货车)的火灾，引燃临界距离上游不大于4 m、下游不大于5 m；对于火源功率3 MW(小轿车)的火灾，引燃临界距离上游不大于1 m、下游不大于2 m。发生火灾后，起火车辆附近的其他车辆为防止被辐射引燃，应与起火车辆保持超过该临界值的安全距离。另外，考虑到实际火灾中的飞火等随机火蔓延现象的存在，未着火车辆应尽量远离着火车辆。

4 结论

采用数值模拟方法，对明堂山隧道内不同火灾工况下洞内的烟气流动与火蔓延开展了模拟研究，获得如下规律：

1)隧道内火灾烟气控制效果由火灾规模(起火车辆)与纵向通风风速共同决定。对本研究中考虑的火灾规模(30、15、8、3 MW)，采用纵向通风方式(设计纵向特征风速为3 m/s)基本可以满足火灾条件下的烟气控制要求：烟气沿火源下游流动进入排烟竖井或通过隧道出口流出，火源附近烟气不出现明显回流。此种模式下，火源上下游车辆人员均可不受火灾影响：下游人员随车辆快速离开隧洞，而上游车辆人员由于烟气未发生明显回流，在保证与起火车辆安全距离的前提下，有足够的时间通过疏散横通道进入相邻隧道。

2)火源功率越大，纵向通风风速越小，火灾烟气回流长度越长，火源上游人员受到威胁越大。从保护火源上游人员安全角度来说，纵向通风风速越大越好，而从经济性与隧道保护角度来看，过大的纵向通风风速会造成机电设备投资的增加，而且采用纵向-送排烟控方案时，当火灾发生在排烟口上游，过高的纵向风速将导致烟气在排烟口下游蔓延影响范围增大，对隧道保护不利。因而较合适的烟气控制系统设计参数可采用如下组合方式：纵向通风风速稍大于火源功率与隧道尺寸所对应的临界风速，轴流风机净排烟量不小于隧道纵向气体流量。

3)考虑最不利情形，隧道内机械通风失效时，着火车辆通过热辐射引燃周围车辆的引燃临界距离随着火源功率的增大而增加，沿上坡方向的辐射热通量明显大于下坡方向；对于30 MW(大货车)火灾，引燃临界距离上游不大于4 m、下游不大于5 m；对于3 MW(小轿车)火灾，引燃临界距离上游不大于1 m、下游不大于2 m。发生火灾后，起火车辆附近的其它车辆为防止被辐射引燃，应与起火车辆保持超过该临界值的安全距离。

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