引言

近年來隨著我國隧道建設的不斷發(fā)展以及公路交通流量的日益增長，公路隧道發(fā)生火災的頻率也在不斷增加，這些頻發(fā)的火災事故給隧道的結構帶來了巨大的損害，同時對人員的生命財產安全造成了巨大的威脅。隧道火災中影響人員逃生的主要因素是高溫有毒煙流的蔓延。本文以pyrosim火災仿真軟件為平臺，對建立的隧道火災場模型進行仿真模擬，重點分析了火災中煙流的蔓延情況，得出臨界風速，并在此基礎上，探討了隧道火災時溫度和CO濃度的分布規(guī)律，從而得出發(fā)生火災時在各影響因素綜合作用下人員的安全逃生時間及逃生區(qū)域。

1公路隧道火災場模型

1.1隧道模型

本文選取高5.2m，坡度2%,雙洞單向行車，人行橫洞間距約為400m，并采用全射流風機縱向式機械通風方式的隧道。取該隧道長度為400m的一段對其進行數值模擬?；鹪丛诼分醒耄嚯x入口50m，并且選擇火源點在射流風機下游的情況下進行模擬。

1.2火源設定

我國現(xiàn)行的《公路隧道通風照明設計規(guī)范》中規(guī)定火災時排煙風速可按2m/s?3m/s取值，此取值設計的前提是隧道火災功率為20MW的中型火災規(guī)模。一般情況下隧道消防系統(tǒng)的設計也是針對該中型火災規(guī)模。因此，本文火災數值模擬也選取中型火災規(guī)模且采用如下火災模型來表示非穩(wěn)態(tài)火災。

式中：Q是火災功率，單位為KW；a是火災增長系數，單位為KW/s2,可取0.1878；是燃燒時間，單位為s。

由式（1）可算出，當燃燒時間大于326s，火災功率大于20MW時，火源才能處于完全燃燒狀態(tài)，之后，火災功率可視為恒定不變。

1.3模擬邊界條件

隧道兩側墻壁設為厚25cm的鋼筋混凝土結構，混凝土層的外部為巖土層，內部為導熱模型，且內外溫度都設為20。。的恒溫。導熱模型的導熱系數為1.8W/m-k，定壓比熱為1.04kJ/kg-k?隧道的進口設有縱向式通風，風速采用臨界風速；出口為開放條件。隧道內的初始環(huán)境溫度設為20初始氣壓為一個標準大氣壓。

2公路隧道火災模擬分析

隧道發(fā)生火災時，由于在臨界風速條件下，火源上游是安全的，所以主要研究火源下游，并以斷面上人體高度位置處的溫度、CO濃度作為研究對象，分析其分布規(guī)律。

2.1煙流蔓延

此次模擬火災為中型火災，在模擬過程中，采用插入法,從2m/s開始不斷增大縱向風速，速度值最小為0.1m/s。在火災穩(wěn)態(tài)狀況下，煙流正好不發(fā)生回流時的縱向風速即確定為臨界風速。下面的通風風速為2.5m/s和2.8m/s時的模擬煙流蔓延如圖1所示。

根據模擬結果顯示當t=327s達到穩(wěn)態(tài)時，風速為2.5m/s的煙流模擬出現(xiàn)了明顯的回流現(xiàn)象，而風速為2.8m/s時，直至t=327s時，煙氣充滿整個空間都沒有發(fā)生明顯的回流現(xiàn)象。由此可得，當縱向風速為2.8m/s時，可抑制火災時煙氣的回流,即可確定火災功率為20MW時的臨界風速為2.8m/s。

2.2溫度分布

圖2和圖3分別給出了隧道火災時，在臨界風速下，距地面高度為1.75m處，離火源不同距離的各斷面溫度的橫向和縱向分布圖。

從分析可知：隧道火災時，隧道頂部溫度較高，而底部溫度偏低；火源下游的溫度在距火源150m之內主要集中在200?300°C左右，150m以外主要集中在150°C左右，且溫度隨著離火源距離的增大而降低。

2.3CO濃度分布

火災中主要產生的有毒氣體為CO,如果人員長時間處于高濃度CO的環(huán)境中，容易造成人體重要器官嚴重缺氧而導致窒息甚至死亡。在臨界風速的通風模式下，模擬距火源不同距離處CO濃度的橫向分布圖如圖4所示。

分析上圖可得出：各斷面CO濃度在距火源100m之內時，隨著離火源距離的增大而增大，在距火源100m以外時,隨著離火源距離的增大而減??；其變化規(guī)律基本上關于隧道中心線呈對稱分布，且CO濃度在隧道中心線附近較低，而隧道兩側墻壁較高。由此可知隧道火災時人員應沿著隧道中心線方向逃生。

3隧道火災時人員的逃生研究

3.1隧道火災時人員逃生的判定條件

隧道發(fā)生火災時，隧道內的人員能否迅速逃至安全區(qū)域由兩個因素決定，一個是個人的自身條件，包括人的心理素質、反應速度、安全常識等；另一個是火災時隧道內的惡劣環(huán)境,如產生的高溫空氣、有毒煙氣、較低的光線能見度等。當隧道發(fā)生火災時，影響人員逃生的主要環(huán)境因素有隧道內產生的高溫和濃烈的煙霧，通過對這兩影響因素的研究，將分別得到以下兩個人員逃生的判定條件。

3.1.1克拉尼公式

克拉尼公式反映的是人在高溫環(huán)境中的最大忍受時間與溫度的對應關系。本文采用周勇狄的碩士論文中提出的的克拉尼公式作為人員逃生的判定條件(T為空氣的溫度)[5]:

由此公式可繪出如圖5所示的人員忍受極限時間與溫度之間的關系圖。

3.1.2FED窒息模型

FED窒息模型反映的是人員的最大忍受時間與煙氣(主要為CO)濃度的對應關系。本文采用衛(wèi)巍論文中提出的FED窒息模型作為人員逃生的判定條件:

當FED=0.3時，為CO導致人員失能的極限值；當FED=0.01時，表示CO導致人員失能的可能有1%。由此公式畫出的人員忍受極限時間與CO濃度之間的關系如圖6所示。

由圖5可以看出，發(fā)生火災時，隧道內某位置的溫度隨時間變化位于圖5所示曲線的下方，即該位置各時刻的溫度所對應的人員忍受時間均小于人員的極限忍受時間，則表示該位置是安全區(qū)域。

由圖6可以看出，發(fā)生火災時，隧道內某位置的CO濃度隨時間變化位于圖6所示曲線的下方，即該位置各時刻的CO濃度對應的人員忍受時間均小于人員的極限忍受時間，則表示該位置是安全區(qū)域。

由于隧道火災時溫度和CO濃度都會影響人員的逃生,所以本文將同時以公式（2）、（3）和圖5、6作為隧道火災時人員逃生的判定條件。

3.2人員逃生模擬分析

在本文建立的隧道模型基礎上，經模擬仿真計算后，可以得到隧道發(fā)生火災時，隧道內各斷面位置的溫度與CO濃度隨時間的變化關系。然后結合圖5和圖6,綜合繪出的火災時隧道各斷面溫度和CO濃度分別與人員極限忍受時間的關系如圖7所示。

從圖7中可以看出，各斷面在5min后的溫度均在人員忍受極限值的上方，這說明如果逃生人員在5min內還未逃離危險區(qū)域，那么他將面臨生命危險。火源下游200m外CO濃度在人員忍受極限值的下方，均能逃離危險區(qū)域，其他區(qū)域的逃生人員如果在7min內還沒有逃離危險區(qū)域，那么他們就面臨CO中毒窒息的危險，并最終導致死亡。

3.3人員逃生研究

根據以上兩個判定條件，經計算可得火災時人員平均忍受溫度和CO濃度的時間及從火災處逃離至各處的時間，并由此可以得出，火源下游的逃生人員在火災發(fā)生1min后逃生的最遠區(qū)域及可能的逃生區(qū)域如表1和表2所列。

由表1和表2可以看出，在火源下游，火源附近的逃生人員如果在1min內逃不至離火源50m夕卜，那么他將有生命危險；火源下游離火源100m處的人員最多能逃至200m外,只有離火源150m以外的人員，才能逃至安全區(qū)域。從最壞的情況考慮，假設火源在人行橫洞口，那么如果每300m設有人行橫洞，貝映源下游一部分人員可逃離至下一個橫洞口；但如果每350m設有人行橫洞，那么只有離火源150m以外的人員才能逃離至下一個橫洞口，其他位置的人員將有生命危險，因此合理的人行橫洞的設置對火災時人員的逃生有很大幫助。

4結語

本文在建立的隧道中型火災模型下，研究了隧道火災時的煙流蔓延、溫度及CO濃度的綜合分布規(guī)律，得出了以下結論：隧道發(fā)生火災時，縱向通風風速為2.8m/s比較合適，此時火源附近的人員，選擇往火源上游方向逃生均能到達安全區(qū)域；而選擇往火源下游方向逃生則應盡量沿著隧道中心線方向逃離，如果在1min內逃不至離火源50m夕卜，那么他將有生命危險；火源下游只有離火源150m以外的人員，才能逃至安全區(qū)域。由此隧道內發(fā)生火災時，火源下游的橫洞應及時開啟，使下游逃生人員在1min后逃得更遠，對于長大隧道中內置橫洞間距設為300m時，更有利于人員的逃生。

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