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长大公路隧道火灾安全疏散研究

文档作者：王华牢1 刘学增2 马小君2 文档来源： 1．北京交科公路勘察设计研究院有限公司 2．同济大		点击数：	更新时间： 2021年09月23日
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第27卷第ll期公路交通科技VoL 27 No．11
2010年11月Journal of Hiighway and Transportation Research and Development
Nov．2010
文章编号：1002—0268(2010)11-0083—05
长大公路隧道火灾安全疏散研究
．
王华牢1，刘学增2，马小君2
(1．北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京100191；2．同济大学土木T程学院，上海200092)
摘要：为研究长大公路隧道运营期火灾发生时人员的安全疏散，首先对隧道火灾发生的原因、特点以及影响安全疏
散的主要因素进行分析探讨。其次以莱特长公路隧道为例，基于计算流体动力学模型，利用CFD软件对隧道进行火
灾的数值模拟，研究了火灾时隧道内的烟雾、温度场的纵向分布扩散规律。并根据计算结果对隧道结构的通风防灾
系统进行人员的安全疏散模拟。结果表明，在3 m／s的纵向通风条件下，当出现最不利火灾工况时，原有的通风防
灾系统满足人员疏散的要求。
关键词：隧道工程；长大隧遣；数值模拟；安全疏散；火灾
中图分类号：U458 文献标识码：A
Research on Safe Evacuation in Long Road Tunnel during Fi怕
WANG Huala01，LIU Xuezen92，MA Xiaojun2
(1．RIOH Transport Consultants Ltd．，Beijing 100191，China；
2．School of Ci’ril Engineering，Ton商i University，Shanghai 200092。China)
Abstract：The problem of personal safe evacuation from long road tunnel during fire in operation period was
studied．First，the cause$，characteristics of the fire a8 well聃the main influencing factors of safe evacuation
were analyzed．Second，based on one long road tunnel，the tunnel fire was numerical simulated by CFD
software and the computational fluid dynamics(CFD)simulation model to find out the distribution and spread
pattern of smoke and temperature field during tunnel fire，and the simulation of safe evacuation w鹪
performed．According to the calculation results，the simulation of personal safe evacuation was carried out to
test the tunnel ventilation and fire prevention system．The simulation results show that(1)under the 3 m／s
longitudinal ventilation condition，the designed fire prevention system could satisfy the requirements for
evacuation when the worst fire case breaks out．
Key words：tunnel engineering；long tunnel；numerical simulation；safe evacuation；fire
0引言
近年来，随着交通运输业的高速发展，隧道交
通也在快速发展。目前我国已成为世界上隧道最多、
最复杂、发展最快的国家。据交通部公布的数据。
我国现有公路隧道6 139座，总长度394．2万m，其
中特长隧道190座，总长度超过82万m(2009年底
统计数据)。隧道公里数不断增加，行车速度和行车
密度日益加大，使得公路隧道内发生火灾的危险性
也呈上升趋势。尤其对于长大隧道，隧道内一旦发
生火灾将对人员的生命安全造成极大威胁，并且给
疏散救援工作带来极大困难⋯。1977年3月，我国
上海打浦路隧道发生火灾，一辆满载乘客的客车燃
烧，多人伤亡(确切数据不详)[2 J。2001年10月24
日。被认为当时欧洲“最安全的隧道”瑞士阿尔卑
斯山圣达哥隧道(全长16．9 km)车祸引发火灾，造
收稿日期：2010一∞一16
基金项日：交通运输部两部交通建设科技资助项目(2008318494 50)
作者简介：王华牢(1961一)．男．陕西蒲城人．教授级高级f1I程师．从事公路隧道设计与研究工作．(hLwang@rioh．cn)
万方数据
公路交通科技第27卷
成1 1人死亡，128人失踪，40辆车被烧毁，隧道结
构遭到严重破坏H1。
本文根据长大公路隧道火灾原因及特点，对安
全疏散的基本判据进行分析并寻找影响安全疏散过
程的主要影响因素。结合某特长公路隧道，以发生
火灾时确保所有人能够安全疏散为目标，对其火灾
危险性进行定量评价，并根据基本判据对防灾系统
进行安全评估。
1 隧道火灾原因及安全疏散因素分析
1．1 长大公路隧道火灾原因及特点
隧道火灾本质上是一种伴随发热、发光的剧烈
燃烧过程，其发生需同时具备3个条件：可燃物、
助燃物和火源旧】。隧道内火灾事故的危险性与隧道
的长度和交通量成正比。引发隧道火灾的原因是多
种多样的，但概括起来主要有以下几种：隧道内电
气线路、设备等故障起火；车辆自身的机电设备故
障起火；汽车交通事故起火；车上装载的可燃、易
燃物品起火；纵火等人为因素引发火灾以及其他
原因。
隧道发生火灾后，洞内烟雾大、温度高、疏散
和扑救困难。众多火灾案例表明，火灾烟气毒性、
缺氧使人窒息、悬浮微粒以及高温和辐射热是致人
伤亡的主要因素，如图1所示。
图1火灾中对人生命造成危险的因素
Fig．1 Hazardous factors to human life during fire
由于隧道位置的特殊性和空间的局限性，其封
闭的环境使隧道火灾和地面火灾的特征明显不
同¨。1，主要表现在：
(1)失火爆发成灾的速度快，一般为2—
10 rain，且火灾持续时间长，它与隧道外的环境有
关，一般在30 min至几个小时之间。
(2)隧道火灾温度高，隧道内一旦起火，顺风
下侧的空气温度可高达l 000℃以上，导致下侧可能
出现跳跃式的新火点。隧道火灾将极大的影响隧道
内空气压力的分布，如果风速不够大，上层的热气
流将逆通风方向产生回流现象，阻碍救火工作的
进行。
(3)隧道火灾产生的烟气毒性强，并且由于隧
道火灾过程一般为不完全燃烧，使得产生的烟雾浓
度大，能见度低。
(4)隧道火灾使衬砌混凝土强度降低，衬砌结
构的整体性受到破坏，影响隧道的安全使用。
(5)隧道属于地下建筑，其空间受到了限制，
因此隧道内的救火工作及安全疏散困难，极易发生
次生灾害。
1．2火灾安全疏散判定准则及影响因素分析
疏散就是在发生紧急情况下人员通过意识到最
后行动的一个连续的过程。在工程中可以把上面的
连续过程分为3个阶段：察觉阶段、确认与反应阶
段和行动阶段。本文主要研究疏散行动阶段的影响
因素。
1．2．1 火灾危险临界条件
在隧道火灾中，烟气是威胁人员安全的主要因
素。当烟气层中某些参数增大到一定值时，便会对
人员构成危害”】。因此可以根据影响人员疏散安全
的参数，如：烟气层温度、CO浓度、可视度等确定
隧道内火灾对人员构成危险的条件。综合前人研究
资料阳‘7]，隧道内火灾危险临界条件可按以下情况
分别确定：
(1)上部烟气层的热辐射强度能对人体构成危
险，一般取辐射强度达到2．5 kW／m2；
(2)当烟气温度超过80℃，烟气可直接灼伤人
体呼吸道和表皮；
(3)有毒燃烧产物的浓度达到对人体构成伤害
的危险浓度，典型的是CO的浓度达到0．25％；
(4)减光度达到影响人员行动的极限值，典型
判据取隧道内最低能见度为10 m。
1．2．2人员疏散的安全性基本判据
隧道发生火灾后，人员能否安全疏散主要取决
于2个时间[B】：(1)火灾发展到对人构成危险所需
的时间L， (2)人员疏散到安全场所需要的时间
￡。如果人员能在火灾达到危险状态之前全部疏散
到安全区域，便可认为该隧道对于火灾中人员疏散
是安全的。
从火灾发生到人员疏散结束，一般来讲要经过3
个时间段：探测时间死、反应时间瓦和行动时间l。
所以，从火灾发生到人员全部疏散为止，总的疏散
时间为：
￡=死+t+瓦o (1)
人员疏散的安全性基本判据为：
万方数据
第11期王华牢，等：长大公路隧道火灾安全疏散研究85
·Tf>L。(2)
在隧道中每个可能受到火灾威胁的区域都应尽
可能满足式(1)、(2)。
1．2．3安全疏散行动过程的影响因素
火灾发生时，对疏散行动的影响因素很多，比
如建筑物的特性、火灾的特性、人员的特性等，综
合起来主要有以下几方面因素：
(1)隧道设计参数：隧道窄间尺寸，人员可用
疏散通道数鼍、宽度、通风系统以及设计交通量等。
(2)火源位置、类型参数：火源位置，火灾规
模、功率等。
(3)火灾现场人员、车辆参数：着火车辆类型，
所载人员数量等。
(4)火灾初期状态参数：探测报警时间，人员
反应时间等。
2隧道运营期火灾安全疏散评估
隧道火灾研究国内外主要采用的方法有3种：
模型试验法、通过废弃隧道模拟实际火灾和采用计
算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamics)进
行数值模拟，以获得隧道内烟雾和温度场分布规律，
从而对隧道通风方式及安全疏散进行研究一一3J。其
中CFD数值模拟技术具有减少地面试验工作量、缩
短研制周期、节省试验费用等方面的优点，其正确
性可以与模型试验结果相比较。是目前隧道火灾通
风研究中应用广泛的一门技术。本文以某特长公路
隧道为工程实例，利用Smartfire软件(CFD火灾模
拟软件)对隧道内的火灾蔓延和烟气扩散进行模拟
计算，并利用building EXODUS软件分析火灾发生的
位置、火灾规模、人员分布情况以及隧道通风防灾
系统4个因素对隧道正常运营期火灾工况下人员疏
散的影响。计算模型图2所示。
图2隧道模型示意图
Fig．2 Schematic diagram of tunnel model
2．1 工程概况
某特长隧道推荐线全长约13．8 km，分离式双向
4车道隧道，设计人行横通道与车行横通道间距均为
650 m。具体计算参数如表1所示。
表l隧道横通道计算参数l单位：m)
Tab．1 Calculation parameters of tunnel CI'O鸽
pA．ssage(unit：m)
隧道通风系统采用射流风机诱导型纵向通风结
合重点排烟的通风方式。射流风机提供3 m／s的最小
纵向风速，排烟量150 m3／s。其通风系统如图3
所示。
第l区段第2区段3’风井第3区段第4区段
圈3隧道通风系统
Fig．3 Ventilation system of tunnel
2．2火灾场景设计
根据设计要求，取最大火灾规模为25 MW，火
灾按快速增长火发展，火源尺寸为6 m×2．5 ITi x
3．75 m；射流风机提供3 m／s的纵向风速，设计排烟
量150 m3／s。设置最不利火源位于车行横通道路口
处；取隧道模型长度为650 m，宽10．25 m，车间距
l m，根据隧道设计交通茸可换算得650 111长的隧道
内共有l 040人(含人员性别及年龄的差异性)。
2．3隧道火灾时人员安全疏散评估
火灾发生在隧道内某个车行横通道处，该车道
万方数据
公路交通科技第27卷
不能用于人员和车辆疏散，火灾上游相邻车行横通
道之间的车辆通过车行横通道进入安全区域，人员
下车通过人行横通道和车行横通道的人行道到达安
全区域；火灾下游车辆继续前行。在计算疏散时，
只需考虑两人行横通道之间的人员疏散即可，如图4
所示，图4中l—15为疏散模型设置的分析区间。
图4人员疏散示意图
啦4 Schemtic dUlgram of evacuation
将上述隧道火灾场景相关设计参数输入计算软
件中，得出隧道内的火灾蔓延和烟气扩散规律，如
图5所示。由图5可知，在3．0 m／s的纵向风速时，
热烟气的逆流得到了很好的抑制，在600 s内几乎没
有热烟气向上游扩散，这为上游人员的疏散逃生提
供了很好的条件。
图5隧道纵向温度及烟雾随时间分布云图
№5 Nephogram of temperature and smmke
distribution al鸣tunnel tength
图6为在纵向通风3 m／s时，0～600 8纵向上火
源中心温度及烟雾扩散过程。
最终通过计算得出，l 040人全部通过上下游人
蟹
、、
型
赠
时间／s
(a)温度变化
时间／s
(b)烟雾变化
图6火源中心带温度和烟雾变化曲线
n孚6 Temperature curve and smoke curve at
fire center
行通道安全疏散，所用的时间为367．27 8，即
6 min 7 8。虽然疏散时间较长，超过了6 rain，但由
于隧道内的通风排烟系统很好地抑制了烟气的回
流，从而为火源上游人员的逃生提供了一个比较有
利的环境。
此外，应将人员反应时间这个因素纳入逃生时
间计算中。根据相关数据显示，选取2 min为反应时
间，再加上6 min 7 s的逃生时间总共逃生所需时间
为8 min 7 S。而Smart fire模拟25 MW火灾结果显示
10 min时能维持1．8 m高左右的清晰层，即人员在此
时间范围内可以安全地、理性地走到最近的安全通
道。所以正常运营工况下发生火灾时该隧道的防灾
系统满足人员疏散的要求。
3结论
(1)本文在前人研究的基础上分析了长大隧道
发生火灾的主要原因及特点，给出了火灾时人员逃
生的判别条件以及影响安全疏散的主要因素，为长
大公路隧道火灾中人员逃生研究提供帮助。
(2)本文以某特长公路隧道为例，采用CFD软
万方数据
第11期王华牢，等：长大公路隧道火灾安全疏散研究
件对隧道运营期的防灾系统进行数值模拟，研究了
隧道内火灾的烟雾场、温度场的分布扩散规律，并
以此进行人员疏散模拟。评估结果表明，在最不利
火灾工况下，原设计防灾系统满足人员疏散的
要求。
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