城市大断面隧道火灾情况下人员疏散过程仿真研究

安 柯,汪振伟,周学勇,王霖瑞,周元辅,李林杰

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司,重庆 401123;2.中建隧道建设有限公司,重庆 401123;3.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074)

近年来,我国公路隧道尤其是城市大断面隧道持续增长.城市大断面隧道具有车流量大、通行速度快的特点,如果隧道发生火灾,容易造成隧道拥堵的情况发生,增大了救援难度.如何做好城市大断面隧道火灾情况下的通风排烟和人员疏散方案设计,对于减少隧道火灾情况下的人员伤亡和财产损失有重要实践意义.

目前,国内外很多学者对城市大断面隧道火灾情况进行了研究,为城市大断面隧道通风以及火灾防控提供了宝贵的经验.GIDHAGEN等[1]通过建立公路隧道三维模型,研究城市运营公路隧道内风流流场的分布规律.KHOSRO等[2]通过Fluent数值模拟与现场测试等方法,对公路大断面隧道内CO分布及扩散规律进行研究,发现两种试验方法的数据结果基本一致.HWANG等[3]基于CFD软件模拟隧道发生火灾时的通风情况,研究隧道火灾中的临界通风速度.PETER等[4]利用CFD软件对公路隧道通风进行研究,通过改善风管的配置以及风机的位置从而优化通风系统.NIKOLAUS等[5]通过控制风机运行,使隧道内发生火灾时能产生一定速度的风流,从而保证隧道内满足安全逃生能见度的要求.SOUFIEN等[6]利用FDS软件研究隧道火灾,发现影响隧道内逆流层流动的主要因素为放热率、风速、车辆阻塞等,为隧道内发生火灾时的通风运行提供了参考依据.

在隧道火灾人员疏散研究方面,疏散设计的一个重要标准是人员能否在危险来临之前疏散到安全地点[7].李宇辉等[8]基于FDS和Pathfinder模拟的手段,建立地铁隧道火灾模型和人员疏散模型,研究了疏散门间距和疏散通道宽度对人员疏散效率的影响.叶成豪等[9]探究火灾产物对人员疏散的影响,他们建立火灾产物下的人员疏散速度模型,并基于修正后的人员疏散速度开展更加符合实际的人员疏散模拟.

城市大断面公路隧道越来越多,但对城市公路隧道的消防安全研究相对较少.本文针对城市大断面隧道通风控制,采用数值计算软件对隧道内发生火灾时隧道内烟气扩散情况进行数值模拟计算,在不同火灾规模下模拟隧道内烟气运动情况、人员疏散情况,通过对不同火灾限制条件的设置计算出模拟结果并分析,研究成果可为城市大断面隧道火灾通风设计提供借鉴和参考.

1 数值模型

1.1 模型参数设置

(1)火源热释放速率.《公路隧道消防技术规范》规定:公路隧道火灾最大热释放率应按表1确定.运煤专用通道、客车专用通道等特殊隧道火灾最大热释放速率取值宜根据实际条件具体确定.

表1 公路隧道火灾最大热释放速率取值

对于隧道内火灾,因燃烧车辆的不同,隧道火灾热释放速率Q有明显差异.本研究中的隧道为城市道路隧道,通行以小客车为主.根据美国国家防火协会(NFPA)、国际道路协会隧道委员会(PIARC)的相关推荐值,以及国内以客运为主的城市道路隧道选用火灾规模的调查结果,参照最新《公路隧道消防技术规范》,考虑不利工况,设计选用50 MW的火灾热释放率作为设防标准.

(2)火源位置.假定只有一辆汽车燃烧,火源面积为车辆平面积,取车辆的火源面积为6 m×2 m,火源的隧道纵向位置示意图如图1所示,火源燃烧面的中心位置为隧道纵向x=0 m、横向y=0 m及竖向z=1.45 m处.

图1 火源示意图

(3)模拟工况设置.采用数值计算软件对主隧道内发生火灾时隧道内烟气扩散情况进行数值模拟计算,在不同火灾规模下模拟隧道内烟气运动情况,通过对不同通风风速的设置计算模拟结果并分析,得到不同条件下的排烟效果及人员安全疏散可用时间.图2模拟隧道的尺寸为1 000 m(长)×15.3 m(宽)×8.5 m(高),其中隧道壁面厚度为0.45 m.

图2 模型横断面图

考虑主隧道内只有一处发生火灾的情况,着重分析火源燃烧并增加机械通风后隧道内的烟气分布,及其对隧道中人员疏散的影响.模型横断面尺寸取隧道实际尺寸,为缩短计算时间,着重考虑距火源点1 000 m范围内的烟气分布情况,模型纵向长度取1 000 m.主隧道两端边界设置为开口边界,相对大气压为0 Pa,模拟隧道左侧设有风机,火灾发生后t=50 s时刻起进行通风排烟,隧道中心位置处设置6 m×2 m×1 m的模块,并在该模块的上表面添加50 MW的火源,以模拟小型车辆火灾发生情况.在隧道左端设置风速,大小分别为0、1.5、3、5 m/s,且在火灾发生50 s后启动,直至模拟结束.

在隧道纵向中轴线(y=0 m)处、距路面1.8 m高度(z=2.25 m)处、距火源中心0、10、30、50、150、250 m(X轴方向)处布置温度、速度、烟气和CO浓度切片,以观测火灾发生后隧道内的现象.在距火源中心0、10、30、50、100、150、200、250 m(X轴方向)且距拱顶1 m和距路面1.8 m处布置温度、CO浓度和烟气测点,距路面3.8 m处布置速度测点,以便测量火灾发生后隧道内各现象的实际值,参数如表2所示.

表2 模型参数表

1.2 火灾情况下人员疏散模型

通常情况下,隧道发生火灾时造成的人员伤亡多数是被高温烟气灼烧、CO中毒导致的窒息死亡,以及能见度不清晰导致人员在慌乱中发生踩踏事故等造成的伤亡.在隧道火灾的模拟计算中,通常采用一部分烟气指标是否达到火灾危险临界状态来判别模拟工况的安全性,以此来确定不同工况下的人员可用安全疏散时间.火灾的危险临界状态是火灾环境严重影响人员生命财产安全的状态.综合国内外学者关于隧道火灾疏散常用指标,选择规定的人员危险状态临界条件为:在人眼特征高度处(距隧道地面1.8 m)烟气温度为60 ℃、CO浓度为1 500 ppm、能见度为10 m.只要隧道火灾在模拟时间范围内,在人眼特征高度处达到上述三项指标中的任一临界值,即认为该隧道发生火灾时在模拟时间范围内不安全.

火灾状态下的人员安全疏散是指火灾烟气在达到危害人体安全之前,人员已通过安全疏散通道撤离.如图3所示,本文所用的软件为Pathfinder,用于进行火灾情况下人员安全疏散模拟.

图3 Pathfinder人员疏散模拟

车辆数量及布置情况如下:

车辆配比:小客车∶中客车∶大客车∶货车=70%∶10%∶5%∶15%;

核载人数:小客车∶中客车∶大客车∶货车=4人∶9人∶45人∶2人;

车身长度:小客车∶中客车∶大客车∶货车=4.5 m∶10 m∶12 m∶12 m;

考虑到计算方便及最不利工况,每辆车上人员数量为满员人数,每辆车身宽2 m,堵塞间距为3 m.

根据其他研究者的研究经验,将人员构成及比例设定为男性40%、女性40%、儿童10%、老人10%.右洞隧道尺寸长×宽×高=3 989 m×15.3 m×5 m,8个人行横道,人行横道宽2 m,如图4所示.火源在人行横道处不利位置.火源大小为6 m×2 m,火源周围5 m不能通人.在模拟时,出于不利情况的考虑,假设每辆车人员为满载,火源位置的改变减少车辆堵塞长度,隧道内人员也随之减少.

图4 人行横道位置平面示意图

2 实验结果分析

2.1 不同通风速度情况下火灾烟气对人员疏散的影响

模拟实验通过分析不同通风速度情况下,火灾烟气对隧道中人员疏散的影响.对比分析在不同通风风速条件下距隧道路面1.8 m高度处的烟气温度、CO浓度、能见度分布等情况,考察其是否满足隧道火灾中人员疏散的要求.

(1)温度分布情况.图5表示了在火源功率为50 MW、火源燃烧600 s的隧道温度分布情况.在纵向通风速度为0 m/s的情况下,火灾发生后,隧道内的温度随烟气扩散逐渐增大,且呈对称性分布.靠近火源附近的温度远高于其他部位.在纵向通风速度为3、5 m/s的情况下,隧道内纵向通风使得隧道中的高温烟气向火源上游蔓延受到的抑制增大,火源上游为环境温度.在纵向通风速度为1.5 m/s的情况下,火灾发生后,距路面1.8 m高度处温度高于60 ℃的区域大量出现在隧道火源的上游和下游,使得隧道不能满足人员疏散对空气温度的要求.

图5 燃烧600 s温度分布情况

(2)CO分布情况.图6表示了在火源功率为50 MW、火源燃烧600 s的隧道CO分布情况.在纵向通风速度为0、1.5、3、5 m/s的情况下,火灾发生后,距路面1.8 m高度处一氧化碳浓度均低于1 500 ppm,满足人员疏散对空气中一氧化碳浓度的要求.

图6 燃烧600 s CO分布情况

(3)能见度分布情况.图7表示了在火源功率为50 MW、火源燃烧600 s的隧道能见度分布情况.在纵向通风速度为0 m/s的情况下,火灾发生后,距路面1.8 m高度处能见度低于10 m的区域主要集中在火源处,其他位置能见度均高于10 m,满足人员疏散对空气能见度的要求.纵向通风速度为3、5 m/s的情况下,火灾发生后,距路面1.8 m高度处能见度低于10 m的区域主要集中在火源和火源的下游,火源上游的能见度均大于10 m,满足隧道纵向通风情况下人员疏散对火源上游空气能见度的要求.纵向通风速度为1.5 m/s的情况下,火灾发生后,距路面1.8 m高度处能见度低于10 m的区域大量出现在隧道火源的上游和下游,使得隧道不能满足人员疏散对空气能见度的要求.

图7 燃烧600 s能见度分布情况

模拟结果表明,在火源功率为50 MW、纵向通风速度为1.5 m/s的工况下,火灾发生后,距路面1.8 m高度处能见度低于10 m、温度高于60 ℃的区域大量出现在隧道火源的上游和下游,使得隧道不能满足人员疏散对空气能见度和温度的要求.在这种工况下,由于火源功率较大,纵向通风速度相对较小,纵向通风的风速不足以将烟气完全控制到火源的下游,另一方面通风的扰动又使得火源上游的烟气产生沉降,使得火源上游距路面1.8 m高度处的能见度和温度不满足隧道火灾中人员疏散的要求.对于其他的工况,隧道火源上游都满足隧道火灾情况下人员疏散对烟气温度、CO浓度和能见度的要求.

在火源功率为50 MW、纵向风速为1.5 m/s场景下,隧道起火361 s时,隧道火源上游的温度会大于60 ℃,因此温度超过临界值的时间为361 s;各工况CO浓度均低于1 500 ppm,因此CO浓度因素对人员疏散没有影响.火源功率为50 MW,纵向风速为0、3、5 m/s时,能见度低于10 m的地方在火源下游,滞留人员集中在火源上游,能见度对人员疏散没有影响.图8表示了纵向通风速度在1.5 m/s时隧道能见度随时间变化分布情况,火源功率为50 MW,纵向风速为1.5 m/s,火源上游在200 s能见度开始低于10 m,因此能见度超过临界值的时间为200 s.结合温度、CO浓度、能见度三种因素火灾数值模拟结果,可以得到火源功率为50 MW、纵向风速为1.5 m/s场景下隧道火灾可用安全疏散时间为200 s.

图8 风速1.5 m/s时能见度分布情况

2.2 基于Pathfinder的隧道火灾情况下的人员疏散研究

利用Pathfinder软件对隧道发生火灾时的人员疏散情况进行模拟分析,选择最不利情况为火灾发生在某人行横道处,在此情况下,隧道可用疏散通道只有火源上游的人行横道及隧道入口通道(考虑隧道内部进行纵向排烟,火源下游的人行横道以及隧道出口禁止人员通行),分别考虑隧道火灾发生在隧道的不同人行横道处,对不同火灾工况下各疏散通道的人流率、疏散人员密度等情况进行分析研究,以便优化隧道应急疏散过程,改善拥堵情况.

(1)各通道疏散完成时间.图9表示了火灾发生在各个人行横道处需要的人员疏散时间和隧道内部堵塞人数,横坐标为着火点发生在不同人行横道的位置,左纵坐标为火灾发生在不同人行横道时隧道中堵塞人数,右纵坐标为火灾发生在不同人行横道时隧道内人员疏散所需时间.对比分析结果可知,最不利位置是当火灾发生在3号人行横道处,此时需要的疏散时间最多,为762 s.此外,火灾位置发生在1号通道时的疏散时间与其他火灾工况相差较大,这是因为当火灾发生在1号通道处时,人员只能从隧道入口处逃生,而隧道入口的宽度远大于人行横道,疏散能力也远大于人行横道;其余各位置的疏散时间相差在100 s左右,这是由于各相邻通道之间的距离不相等,导致人员运动时间存在差异,但整体差别不大.

图9 各疏散通道人员疏散运动时间

(2)可用安全疏散时间情况下人员疏散模拟.火源功率为50 MW、纵向风速为1.5 m/s场景下的可用安全疏散时间为200 s,其余工况均不会低于危险值,人员可安全疏散.图10表示了可用安全疏散时间内不同着火位置人员疏散情况.在火源功率为50 MW、纵向风速为1.5 m/s场景下,无论着火位置发生在哪个人行通道,人员均未安全疏散完毕.除了1号通道靠近隧道入口,疏散能力远大于人行横道,在200 s时人员安全疏散比达到0.69;其他工况下在200 s时人员疏散比未达到0.5,大量人员被困在隧道内部,此时隧道内的能见度低于10 m,温度也在不断增加,隧道内部环境持续恶化.因此,当火源功率为50 MW、纵向风速为1.5 m/s、可用安全疏散时间为200 s场景下的火灾发生时,可能导致大量人员伤亡.当火源功率较大、纵向通风速度较小时,纵向通风不能控制烟气逆流,并且纵向通风还会破坏火源上游烟气层的稳定性,使得火灾情况下人员疏散的可用安全疏散时间远小于必要安全疏散时间,给隧道内人员疏散带来巨大困难,可能造成大量的人员伤亡,是需要避免的情况.

图10 可用安全疏散时间内不同着火点位置人员安全疏散情况

3 结论

城市大断面隧道火灾中,不同通风情况对隧道内温度、能见度控制效果有较大的影响.本研究采用数值模拟方法,选用不同纵向通风速度对火灾控制的效果以及不利条件下人员疏散情况进行研究,结论如下:

(1)在人员疏散方案中,应该引导疏散人员向离自己最近的上游一个疏散出口疏散,而不是选择离自己最近的一个疏散出口疏散,这样可以避免在疏散过程中人员拥堵在着火点附近的疏散通道,减少人员疏散所用时长.

(2)对于火源功率很大、纵向通风速度较小的工况,人员疏散的可用安全疏散时间远小于必要安全疏散时间,安全逃生比较低,火灾人员疏散困难,需要避免这种情况发生.

(3)考虑隧道火灾对隧道结构的破坏和对人员疏散的影响,结合数值模拟和人员疏散研究的结果,建议在隧道火灾规模较大的情况下(火源功率在30～50 MW),隧道内开启纵向通风风机,并保持3 m/s以上的纵向通风风速.