基于烟囱效应的高海拔超长公路隧道横通道设计参数研究

张晟斌，李雪峰，刘夏临，舒恒，冯春蕾

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

近年来，隧道工程技术的不断成熟，中国隧道建设正处于高速发展时期，隧道里程和数量正不断刷新记录，现已成为世界上隧道数量最多的国家。随着西部地区的大力开发，越来越多的高海拔特长隧道得以在西部地区实施修建[1-2]。

隧道内空间狭长，产生的高温烟气不易及时排出，并且由于隧道内的烟囱效应，会使高温烟气分布更为广泛，对人员疏散及隧道结构与功能上造成巨大的破坏[3]，对人员疏散造成更大的困难。考虑到安全疏散的需要，特长公路隧道一般采用双管隧道，两条并行主隧道间会设置联络横通道，当一条隧道内发生灾害时，人员可以通过联络横通道至另一条隧道内，以实现互为救援的目的。横通道的设计是人员安全疏散的核心问题,因此横通道宽度与间距的合理设计对人员安全疏散意义重大，尤其是高海拔低温低压低氧环境下温度与烟气的分布规律与平原地区大不相同，更有必要进行研究。

针对隧道横通道的设计参数，很多学者也进行了相应的研究。孙策[4]以深圳机荷高速双层盾构隧道为依托，运用仿真模拟法对疏散工况进行计算，确定了机荷高速公路隧道疏散口设计宽度和疏散楼梯间距；王军[5]采用统计分析法对隧道车流进行统计，分析火灾发生时的疏散人员，计算疏散的时间和所占比例，在此基础上提出人员安全疏散的建议；张奥宇等[6]为确定水下盾构隧道疏散滑梯间距，采用Pathfinder疏散仿真软件建立人员疏散模型，确定了隧道内的最佳疏散间距；王文等[7]采用Pathfinder软件对客车内、救援站站台内的人员疏散进行模拟，给出了满足人员安全疏散的横通道间距和宽度；王智文等[8]为研究海峡特长铁路隧道疏散设施对人员疏散时间的影响，利用Pathfinder人员疏散模拟软件以横通道宽度、间距、疏散通道宽度及疏散人数为变量，对不同变量影响下的人员疏散时间的变化趋势进行了分析；张品等[9]系统分析了公路隧道间距与人员的逃离时间、逃生速度的关系，并给出了高海拔公路隧道人性横通道间距的计算公式；杨松等[10]通过fire dynamics simulator软件校验了螺旋隧道内横通道间距是否满足人员疏散要求。

综上所述，目前学者们对于隧道横通道设计参数的相关研究多集中在低海拔隧道，对于高海拔低温低压低氧环境下超长公路隧道的横通道结构参数研究较少，因此有必要对此条件下的横通道结构参数进行专门研究。现以天山胜利隧道为例，重点探究高海拔多折线超长公路隧道内，烟囱效应对横通道设置间距与宽度的影响，并给出天山胜利隧道横通道设计参数的推荐值，为高海拔公路隧道横通道研究提供一定参考。

1 工程概况

天山胜利隧道是目前世界上最长的高海拔高速公路隧道，建成后将打通南北疆交通运输屏障，对促进经济的发展具有重要意义。隧道全长22.13 km，进口海拔程2 772 m，出口海拔高程2 897 m，属于高海拔超长高速公路隧道。隧道由左、右线及中间服务隧道组三部分成，隧道上下行分离，并列布置，洞身左右线间距不小于55 m。天山胜利隧道的洞口效果图如图1所示。

图1 天山胜利隧道洞口效果图

天山胜利隧道坡度有5个，整理呈人字坡，具体坡度及长度设计参数如表1所示。

表1 天山胜利隧道纵坡分布长度

2 天山胜利隧道火灾蔓延规律及可用安全疏散时间

2.1 火灾烟气模拟方法

采用FDS(fire dynamics simulator)模拟天山胜利隧道内的火灾，FDS专门针对火灾过程中的流体运动进行模拟，对与计算火灾过程中的烟气流动和热传递有很强优势[11-12]。模拟遵循的基本控制方程如下。

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程为

(2)

能量守恒方程为

(3)

状态方程为

(4)

式中：ρ为气体密度，kg/m3；g为重力加速度；t为时间，s；u为速度矢量，m/s；f为外部力矢量，N；τij为牛顿流体黏性应力张量，N；hs为显焓，J/kg；P为压力，Pa；qm为单位体积的热释放速率，W/m3；qn为热通量矢量，W/m2；ε为耗散函数；R为理想气体常数；W为气体混合物相对分子质量。

2.2 火源设置

通过天山胜利隧道的交通量预测报告，明确大型车比例为27.6%，中型车比例为9.5%，小型车比例为62.9%。考虑到火灾串燃引燃侧方及前后车辆，并且最多只有一辆大型车燃烧，确定火灾规模为35 MW，而考虑到高海拔低温、低压、低氧环境对火灾规模的影响[13]，最终确定火源规模为22 MW。

2.3 模型建立

以天山胜利隧道作为依托，建立不同坡度(0.5%、1.0%、1.367%和1.8%)时的火灾燃烧模型，隧道长度取1 000 m，火源位于500 m处，主隧道内轮廓为半径650 cm半圆，单洞不设仰拱净空断面面积70.50 m2。气压设置为70 107.48 Pa，温度为15 ℃。加密区网格为0.5 m×0.5 m×0.5 m，非加密区网格为1 m×1 m×1 m。模型如图2所示。

图2 天山胜利隧道模型

2.4 火灾温度及烟气分布规律

通过在隧道拱顶及人眼特征高度(2 m)处设置的温度及可视度监测点，计算得到不通风模式下离火源不同距离的温度及可视度分布曲线，如图3所示。

负半轴对应火源上坡方向侧；正半轴对应火源下坡方向侧

由图3(a)、图3(b)可知：隧道内温度随着远离火源逐渐下降，火源点上方拱顶最高温度达到约1 371 ℃、人眼特征高度处约1 203 ℃；火源上坡方向隧道内温度上升速度大于下坡方向，人眼特征高度处，上坡方向温度高于60 ℃的范围达到近300 m，下坡方向除坡度0.5%为40 m外，其余均不超过10 m；随着隧道坡度的增加，火源点上方拱顶最高温度总体呈现降低趋势，当坡度为0.5%时，最高温度达到1 264 ℃，当坡度为1%时，最高温度达到1 371 ℃，当坡度为1.367%时，最高温度达到965 ℃，当坡度上升至1.8%时，拱顶最高温度降到813 ℃。

由图3(c)、图3(d)可知：隧道内可视度随着远离火源逐渐上升，火源点上方拱顶最低可视度达到约4.3 m、人眼特征高度处可视度约4.1 m；由于烟囱效应影响，上坡方向可视度远低于下坡方向，随着坡度的增加，烟囱效应越明显，烟气流动速度越快；随着隧道坡度的增加，隧道内可视度逐渐升高，人眼特征高度处，当坡度为0.5%时，上坡方向隧道内可视度达到约7 m，当坡度为1%时，上坡方向隧道内可视度达到约9 m，当坡度为1.367%时，上坡方向隧道内可视度达到约10 m，当坡度上升到1.8%时，拱顶最低可视度上升到约11 m。

2.5 可用安全疏散时间

根据《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》(TB 10020—2017)可知，可用安全疏散时间的确定应满足隧道内人眼特征高度2 m处，烟气温度不超过60 ℃且可视度不小于10 m的规定[14]。由于火源上坡方向相比于下坡方向更危险，因此，提取火源上坡方向基于温度和可视度综合影响下的可用安全疏散时间曲线，得到各坡度下的可用安全疏散时间如图4所示。

图4 各坡度可用安全疏散时间

由图4可知：随着远离火源，可用安全疏散时间逐渐增加，当距离火源20 m范围内，可用安全疏散时间变化率极大，在20～400 m范围，可用安全疏散时间平稳增长，由350 s左右上升至约500 s；随着隧道坡度的增加，可用安全疏散时间逐渐减少，当坡度为0.5%、1%、1.367%和1.8%时，距离火源250 m位置处的可用安全疏散时间分别为496、456、430、415 s。

3 天山胜利人员疏散规律及必需安全疏散时间

3.1 人员仿真模拟方法

Pathfinder软件专用于人员疏散仿真模拟，主要包括SFPE模式和Steering两种模式，而Steering更加符合人员疏散的实际过程。因此，采用Steering模式，通过对人员基本属性、隧道及隧道内车辆各项参数的设定，模拟高海拔公路隧道火灾模式下的人员的疏散。

3.2 疏散人员属性参数确定

3.2.1 人员疏散速度确定

(1)高海拔环境对人员疏散速度影响。根据PIARC给出人员疏散的速度在0.5～1.5 m/s[15]，取儿童疏散速度为0.8 m/s，成年男性疏散速度为1.2 m/s，成年女性疏散速度为1.0 m/s，老人疏散速度为0.72 m/s。高海拔地区低氧环境会对人员疏散造成很大的影响，根据高海拔地区人员逃生速度测试，得到不同海拔人员疏散速度，与平原地区人员逃生速度相比，得出高海拔环境对疏散速度的折减系数[16]，如表2所示。

表2 高海拔环境下疏散速度的折减系数

结合高海拔环境下疏散速度的折减系数，得到各海拔人员疏散速度如表3所示。

表3 不同海拔人员的疏散速度

天山胜利隧道海拔高度取 2 800 m，结合各海拔人员的疏散速度，采取线性插入得到儿童疏散速度为0.77 m/s，成年男性疏散速度为1.154 m/s，成年女性疏散速度为0.967 m/s，老人疏散速度为0.693 m/s。

(2)火灾烟气对人员疏散速度影响。火灾烟气对人员疏散速度会有较大影响，主要体现在烟气的消光系数Ks对人员疏散的影响，火灾烟气中人员的疏散速度可根据式(5)进行计算[17]。

(5)

天山胜利隧道火灾烟气中人员疏散速度如表4所示。

表4 天山胜利隧道火灾烟气中人员疏散速度

3.2.2 疏散人员数量确定

(1)车辆类型及载客量。大型车、中型车、小型车的尺寸根据《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[18]拟定，如表5所示。具体载客量如表6所示。

表5 各类型车辆尺寸

表6 各类型车辆载客量

(2)疏散人员数量。考虑最不利情况，火灾发生后，隧道内车辆发生严重阻塞，车辆前后间距较正常行驶情况要小得多，取1 m；车辆类型按照天山胜利隧道车型比例选取，建立双车道车辆模型及乘客数量如表7所示。

表7 各类型车辆尺寸

3.3 人员疏散模式确定

隧道发生火灾后，隧道内通风方向与车流方向一致，火源下游车辆向前继续行驶，由隧道出口离开事故隧道；火源上游车辆由前方最近的车行横通道离开事故隧道；临近火源附近车辆若没有车行横通道，则人员需下车，步行有人行横通道离开隧道；若火源上游距离最近的横通道是车行横通道，为了人车分离疏散，防止二次事故发生，此时的车行横通道需改为人行横通道使用。

基于上述原则，结合天山胜利隧道横通道类型组合情况，分析得到了最不利的疏散模式为当火源点在人行横通道口，上游相邻横通道依次为人行横通道和车行横通道，此时人员疏散的压力最大，火源点相邻人行横通道需要疏散2倍横通道间的人数，如图5所示。

图5 最不利工况疏散模式

3.4 人员疏散三维模型建立

取横通道间距为180、200、220、250、300 m，横通道宽度为1.2、1.5、1.8、2、2.2、2.5 m，组合后的工况如表8所示，人员疏散模型图如图6所示。

表8 工况

图6 Pathfinder人员疏散二维模型图

3.5 必需安全疏散时间

人员必需安全疏散时间为隧道内最后一个人到达横通道防护门口离开隧道的时间，通过对不同工况下人员疏散进行模拟，整理得出不同工况下人员必需安全疏散时间如表9所示，对比曲线如图7、图8所示。

表9 不同工况下的人员疏散时间

图7 不同横通道宽度下人员疏散时间

图8 不同横通道间距下的疏散时间

由表9、图7、图8可知，隧道内人员疏散时间与横通道宽度和间距密切相关。

(1)当横通道间距相同时，人员必需安全疏散时间随着横通道宽度的增大而减小。当横通道间距为220 m时，在横通道宽度2.5 m相比于1.2 m，人员必需安全疏散时间减少51.7%；当横通道宽度为2 m以上时，人员必需安全疏散时间减少率降低。

(2)当横通道宽度相同时，人员必需安全疏散时间随着横通道间距的增大而增大，当横通道宽度为2 m时，横通道间距300 m相比于180 m，人员必需安全疏散时间增加65.6%；当横通道间距大于250 m时，人员必需安全疏散时间增加率降低。

4 横通道结构尺寸设计参数建议值

根据人员安全疏散准则：可用安全疏散时间大于必需安全疏散时间时，人员安全。由此可以将两个时间进行对比，基于安全等级给出了天山胜利隧道横通道间距及宽度的结构尺寸推荐值，具体如表10所示。

表10 不同工况下横通道设计参数推荐值

由表10可知，当隧道坡度为0.5%时，建议横通道间距为250 m，横通道宽度为2 m，如果有条件可以选取横通道间距为220 m，此时横通道宽度设置1.8 m，虽然横通道间距设置为300 m、宽度为2.2 m时也基本可以满足人员疏散要求，但由于是高海拔地区，人员疏散机能下降，长距离疏散存在人员体力不支的风险，因此建议仅在建设困难条件下采取横通道间距为300 m的情况；当隧道坡度为1.0%，建议横通道间距为250 m，横通道宽度为2.2 m，如果有条件可以选取横通道间距为220 m，此时横通道宽度设置2 m；当隧道坡度为1.367%时，建议横通道间距为220 m，横通道宽度为2 m，如果有条件可以选取横通道间距为200 m，此时横通道宽度设置2 m；当隧道坡度为1.8%时，建议横通道间距为220 m，横通道宽度为2.2 m，如果有条件可以选取横通道间距为200 m，此时横通道宽度设置2 m。

5 结论

以天山胜利隧道为依托，通过对高海拔超长公路隧道火灾模式下横通道设计参数的研究，得到如下主要结论。

(1)隧道坡度越大，烟囱效应越明显，火源上坡方向温度上升及可视度下降速度越快，可用安全疏散时间越少。

(2)考虑高海拔环境及火灾烟气对人员疏散的影响，确定儿童、成年男性、成年女性及老人的疏散速度分别为0.72、1.07、0.91、0.65 m/s。

(3)随着横通道间距的增加和宽度的减少，人员必需安全疏散时间逐渐增加，当横通道间距为220 m时，横通道宽度2.5 m相比于1.2 m，人员必需安全疏散时间的减少51.7%，当横通道宽度为2 m时，横通道间距300 m相比于180 m，人员必需安全疏散时间增加65.6%。

(4)随着隧道坡度的增加，满足人员安全疏散的横通道间距减少，宽度增加。当隧道坡度为0.5%时，建议横通道间距为250 m，横通道宽度为2 m；隧道坡度为1.8%时，建议横通道间距为220 m，横通道宽度为2.2 m。