长大铁路隧道火灾模型试验与防灾救援研究

石 峰

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室， 四川成都 610031； 2.西南交通大学土木工程学院， 四川成都 610031)

铁路隧道的建设在最近几年成为土木工程建设的重点，隧道长度和海拔高度屡创新高。截至2015年，我国已建有超过200条长度在3 km以上的长大隧道，总长度超过6 000 km。随着隧道规模和数量的不断增加，运营阶段的安全隐患和人员安全保障问题也日益严峻。

火灾作为隧道运营阶段最大的安全隐患，一旦发生，高温和有毒烟气对人员安全造成巨大威胁，尤其长大隧道中，较大的隧道长度使得人员难以及时逃出隧道，这让灾后救援和疏散变得更为艰难。所以，在大规模建设长大隧道的时代背景下，进行隧道火灾发生后的灾情模拟和人员救援设计是有重大意义的。为此，本文主要研究了以下内容：

(1)拱顶和隧道内部在火灾中的温度对比情况。

(2)火区温度随时间和火源距离的变化规律。

(3)火区温度随火灾规模的变化规律。

(4)人员定点救援疏散的设计。

1 长大隧道火灾模型试验

烟雾的扩散和传播是火灾发生后最明显的特征，也是对人体最致命的因素。烟雾的危害主要体现在其携带的高温和高浓度有毒气体。为了保障人员的人身安全，也为了改进隧道中灭火设施的位置，本文对火灾中温度场和烟雾场的分布规律进行研究，以便了解温度和烟气浓度随时间的变化，更好地制订制定人员疏散和救援计划。

1.1 试验系统布置

1.1.1 试验装置

本试验的模型隧道采用钢筋混凝土管段模拟，混凝土强度等级取C30，模型隧道长80 m，内径1.5 m，壁厚10 cm。管段内部施作混凝土涂层，以此模拟真实隧道的衬砌结构。管段断面接近马蹄状，符合实际隧道的断面形状。

(1)为更真实地模拟隧道中发生火灾的情况，设置燃烧筒进行实验，燃烧筒内注有汽油和油布，通过控制燃料筒的尺寸，模拟实际火灾中的不同规模。本次试验研究以下两种规模的火灾：

①一辆小型汽车着火(70 L汽油)。

②一辆重型卡车着火(180 L汽油)。

(2)根据热量相似，模型试验分别通过点燃两种规格的燃烧筒来模拟：

①A规模：40 cm×40 cm×10 cm。

②B规模：60 cm×60 cm×10 cm。

隧道内的通风情况由上风段口的旋转式风机提供，可提供风速范围为0～10 m/s。

1.1.2 测点布置

试验设置5个测试断面，温度测点25个，烟雾浓度测点10个。纵断面与横断面测点布置图分别如图1、图2所示。

图1 纵断面测点布置

图2 横断面测点布置

1.2 火灾模型试验的结果与分析

1.2.1 试验中火焰的燃烧特性

隧道中由于通风系统的存在，火焰的燃烧性态与洞内风速也呈一定的相关关系。由图3可知，在隧道内风速几乎为0，也就是不通风条件下，火焰的朝向一直保持向上，燃烧过程也较为稳定，火焰燃烧高度相对来说也更高；如图4，隧道中的自然风风速为3 m/s，火焰被吹至倾斜，火焰顶部高度有所降低；当继续加大风速至6 m/s时，火焰倾斜程度加大，但火势的蔓延速度也大大提高。

图3 不通风条件下火焰燃烧性态

图4 风速逐渐加大时的火焰燃烧性态

1.2.2 火灾区段划分

(1)根据发生火灾时隧道内烟气的流动状态和明火的发展方向，将隧道划分为三个区段：

①上风区。位于火场燃烧区域的上风方向，一般不受到火灾烟气的影响，但区内温度、风速和压力等会随着火灾的发生而产生一定变化。

②火场区。明火燃烧的区段，这里是烟气产生的源点，也是温度最高的地段。

③下风区。位于火场燃烧区域的下风方向，由于隧道内通风的影响，烟气会在下风区蔓延，浓度剧烈上升，隧道内的阻力系数发生变化。

(2)同时，隧道内的空间较大，为了方便研究温度场和烟气场的发展规律，按空间位置将隧道划分为以下两个区段：

①拱顶段。拱顶位于整个隧道上部，是火苗接触和烟气上升的位置，拱顶还与外部围岩接触，会产生频繁的热量交换。

②隧道中部段。这里是隧道内部空间，是人员和设备所处的部位，其温度和烟气浓度的变化对防灾救援来说都是最重要的，所以本文主要研究中部段的温度烟气规律。

1.2.3 火灾温度场分布

对隧道内不同条件火灾发生时的温度测点数据进行统计，可以看出不同火灾规模和通风条件下，隧道内的温度分布规律各不相同(图5～图8)。

图5 A规模，不通风条件下的温度分布规律

图6 B规模，不通风条件下的温度分布规律

图7 A规模，通风3m/s条件下的温度分布规律

图8 B规模，通风6m/s条件下的温度分布规律

从时间阶段上来看，发生火灾后的隧洞温度可以分为急剧上升、保持稳定和缓慢衰减三个阶段。图5～图8描述了不同通风条件下，隧道内距火源不同距离处的温度随时间变化的散点图，同样经历上述三个阶段。

当隧道处于不通风条件下时，由图5、图6可以看到距火源点相同距离的上下游测点处温度是基本相同的。这是由于隧道内不存在通风，导致火灾产生的烟气向隧道两侧较为均匀地扩散，从而使得上下游的温度随时间的变化规律类似。

当隧道通风风速为3 m/s时，比较图5和图7可以看到距火源点相同距离的上下游测点温度是不同的。这是由于通风动力使得火灾烟气向下游方向集聚，烟气携带的热量更多地传递给了下游方向的洞壁，使得距火源点相同距离处下游方向温度要高于上游。随着通风风速的增大，火源附近的温度有所下降，而沿程方向的最高温度和温度上升趋势都有所增加。如图7所示，风速由0上升为3 m/s的过程中，火源区(下风1 m)处的最高温度由96.1 ℃降低为84.3 ℃；沿程(下风3 m处)的最高温度由55.2 ℃升高为62.3 ℃。这是由于通风动力带走一部分火源区热量，转移聚集到下游段而导致的。

值得注意的是，当通风风速超过一定阀值时，高速流动的烟气将阻碍热量集聚，导致火灾发生之后各点温度都将有所降低，如图6和图8所示，在6 m/s风速的条件下，隧道内各点的最高温度都较不通风情况下更低。但此时有毒气体将迅速蔓延至整个隧道截面，对人员逃生疏散极为不利，故必须权衡温度上升和烟气扩散两个因素，选择合适的通风速度。

随着火灾规模的增大，温度场的纵向传播范围也逐渐扩大。由图5、图6可以看出，随着火灾规模的增大，同距离处的温度上升变快，且各点达到的最高温度也有所提高。所以规模的增大对于整个隧道安全的影响是十分大的，无论是温度升高的速率，还是最高温度，都是更为致命的。

故对隧道内发生火灾的温度场变化规律，本文得出如下结论：

(1)同等火灾规模下，随着通风风速的增大，烟气逐渐向下游集聚，火源区附近温度下降，沿程温度上升；但风速高于5 m/s时，洞内最高温度有所下降，但洞内温度的传播和升高变得更快，这会对人员的逃生产生不利影响；结合以上两点，火灾发生时隧道内最佳通风速度应为2～3 m/s。

(2)同等风速下，规模越大，温度上升趋势越快，最高温度也越高。

(3)随着通风风速的增大，火灾持续的时间不断减少。

1.2.4 火灾烟雾场分布

尽管火灾发生后人们最直观的感受是高温，但相关数据却表明，隧道火灾中致死率最高的是火灾造成的高浓度烟气。高温烟气夹杂着有害气体，一旦进入人体，将使人员迅速丧失逃生能力，从而命丧火场。本文对通风速率为3 m/s，两种规模下的烟气随时间和空间的分布规律进行研究，以便为人员疏散逃生提供可行意见。

烟雾浓度测点布置在人鼻一般高度处(1.6 m)，(图9、图10)给出了不同规模下烟气浓度监测值随时间变化的沿隧道纵向分布的曲线图。由图可以看出，火灾刚开始时，烟气浓度在靠近火源的地方很高，但在纵向距离的影响并不大，此时较远的地方的烟气浓度较小，基本不构成对人员的危害；但随着火灾过程的延续，较远位置处的烟气浓度开始逐渐增大。

在整个纵向方向，隧道上风段的烟气浓度变化较小，浓度较低，但在下风段的变化则很大，这主要是通风动力造成的烟气向下游方向集聚。

如图9所示，当发生A规模火灾，通风风速为3 m/s条件下时，隧道内的烟气在480 s时间内蔓延至火源下风口500 m远处。并且根据测量，在隧道上风口100 m到下风口200 m的范围内烟气浓度超过400 mg/m3，这种浓度的烟气已经足以威胁一个人的呼吸，阻碍其逃生；在隧道上风口20 m到下风口60 m的范围内的烟气浓度可以超过1 200 mg/m3，这是人体在逃生过程中可承受的最高烟气浓度，此时隧道内的视野逐渐丧失，逃生人员很难找到疏散之路。

根据测量结果，如果火灾继续进行，隧道内的温度和烟气浓度将会进一步显著增大。当火灾规模由A增大到B时，烟气的集聚速率将会有所提高，如图10所示。故针对隧道火灾发生中的烟气变化分布规律，提出以下建议：

(1)当火灾发生在不远处，且具备通过火源区能力时，尽量驾车冲出火源区，进入隧道上风区段，这是最为安全的做法。

(2)不具备进入上风区段条件的时候，必须在火灾发生480 s之内疏散到远离火源下风口60 m以外的地方。

图9 A规模，通风风速3m/s时火灾烟气浓度分布规律

图10 B规模，通风风速3m/s时火灾烟气浓度分布规律

2 灾后定点救援设计

长大隧道因为其长度较长，故一旦发生火灾，列车很难继续开出隧道。根据《铁路隧道防灾救援设计规范》，长度在20 km以上的特长隧道必须设置定点救援通道。救援通道一般位于隧道中部，由若干条等间距的横通道组成。当火灾发生时，为保证隧道内人员的安全，应迅速组织人员疏散往隧道内的救援通道，等待救援人员的到来。

2.1 定点疏散的计算模型

横通道间距是定点救援设计里最重要的参数，参考国内外特长隧道的横通道设置情况，拟采用：50 m、60 m、70 m和80 m这四种不同间隔来分别计算不同疏散场景下的所需时间，本文使用STEPS软件进行场景模拟。不同间隔下的救援通道参数见表1。

表1 救援通道参数

为了分析在不同状况下人员的定点疏散情况，本文选择2个火灾场景来进行计算模拟：

(1)烟气浓度较大时，人员疏散到联络通道。

(2)烟气浓度较小时，人员疏散到联络通道。

人员荷载在计算中依据满荷载来模拟，根据铁路列车的设计，满荷载下的人员荷载取974人。此外，为便于对列车中乘客的数据进行统计和分析，简化模拟，本文根据乘客年龄来分组，按老人、中青年人、小孩分成三组。不同组别人员的特性参数(表2)。

表2 人员特性参数

2.2 定点疏散的计算结果与分析

使用STEPS软件对不同场景和联络通道间隔条件下的人员的疏散时间和最大人员浓度进行计算，比较曲线见图11、图12。由图11，可以看出，不同联络通道间隔和火灾场景条件下对应的人员疏散时间是不一样的。

图11 不同场景下横通道间距与疏散时间关系

图12 场景1下横通道间距与避难点人员密度关系

在相同场景下，联络横通道间隔越大，人员的疏散时间越长，每条通道内的人员越多。经计算，即使在情况较差的场景1中，当联络通道间隔为80 m时，避难点人数最多为742人，洞内可用疏散空间为1 400 m2，故最大人员密度为0.53 人/m2。这个数值是相对安全的，不会造成人员的拥挤和滞留。同时，由图11可以看出，两种场景下的最长疏散时间为330 s左右，符合低于480 s的逃生标准。

计算结果表明，在50 m和60 m两种联络通道间隔条件下，隧道内人员的疏散效果较好，对应的联络通道数目分别为11条和9条。间隔为60 m时，联络通道数量相对较少，工程投入也较少，故更为经济；间隔为50 m时的联络通道数量相对较多，但更为安全。综合考虑长大隧道内发生火灾后错综复杂的环境因素和施工成本问题，建议一般的特长隧道定点救援疏散采用横通道避难形式，横通道间距取60 m为最佳，此时定点横通道数量为9个，定点长度取为480 m。

3 结论

本文对长大隧道内发生火灾时的火灾燃烧特性，以及人员在火灾发生之后的疏散时间与安全性进行了深入研究，通过研究，本文得到以下结论，并对长大隧道中的防灾救援提出了自己的建议：

(1)根据测试结果，隧道内的火灾可以分为3个阶段：发展阶段、稳定阶段和衰减阶段。火灾一旦进入发展阶段，人员应该迅速疏散到安全的避难场所。

(2)火灾模型试验和数值模拟的结果表明：长大隧道中火灾一旦发生，在靠近火源点处的温度和烟气浓度都会剧烈上升，随后高温烟气迅速蔓延至隧道下风区段，可视度急剧下降，人员必须在此之前尽快疏散出去。我们将8 min(480 s)作为高海拔长大隧道火灾疏散中的安全上限时间。

(3)纵向风对火灾温度的传播有重要作用。由于通风动力的存在，火源点下风段的温度将迅速攀升，而上风段的变化较小，所以在火灾发生时，如果可以，人员应当避免向下风口逃离，而是疏散往上风口。

(4)建议在一般的特长隧道中设置定点救援横通道，通道间隔为60 m，数量9条为宜。