孫 策

(深圳高速公路股份有限公司，廣東 深圳 518038)

0 引言

長(zhǎng)大公路隧道由于環(huán)境封閉和疏散救援困難，導(dǎo)致火災(zāi)成為其建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理全生命周期中的重大威脅。

國(guó)內(nèi)已有學(xué)者對(duì)于公路隧道的消防疏散、排煙模式等開展了較多研究。胡隆華等[1]通過全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)對(duì)臨界縱向風(fēng)速模型進(jìn)行了驗(yàn)證； 陳娟娟等[2]以某越江雙層盾構(gòu)隧道為例，分析了排煙口數(shù)量、面積、間距等重要參數(shù)的改變對(duì)側(cè)向排煙口的設(shè)置和排煙效果的影響，并給出了相關(guān)排煙策略的建議； 王兆陽(yáng)等[3]研究了排煙量對(duì)雙層盾構(gòu)隧道排煙效率的影響，通過評(píng)估不同排煙計(jì)算結(jié)果，從疏散救援角度給出了排煙量的臨界指標(biāo)。在隧道火災(zāi)的應(yīng)急救援與人員逃生方面，相關(guān)研究或者采用理論計(jì)算和軟件模擬等定量方法對(duì)人員逃生位置及疏散效率、消防救援位置、疏散逃生救援路徑、應(yīng)急資源的分配、安全設(shè)施和交通控制等進(jìn)行分析[4]，或者采用定性方法對(duì)應(yīng)急救援的指揮機(jī)制、制定應(yīng)急救援計(jì)劃時(shí)考慮的因素、救援指揮機(jī)制和相關(guān)政策等進(jìn)行分析。陳岳明等[5]運(yùn)用龐特里亞金最大值原理，成功解決了疏散路徑選擇和分配2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)； 曾艷華等[6]得出媽灣跨海盾構(gòu)隧道樓梯疏散模式的最佳間距為80 m; 鄧敏等[7]對(duì)上下層疏散聯(lián)絡(luò)通道不同間距情況下，人員從失火層隧道到達(dá)未失火層隧道的必需安全疏散時(shí)間進(jìn)行了模擬計(jì)算； 李桂萍[8]分析了崇明隧道的防排煙系統(tǒng)和疏散系統(tǒng)的合理性和可靠度。

然而，目前的排煙研究主要集中于單斷面隧道，對(duì)于分叉隧道研究較少；疏散研究偏重于事前疏散模型的研究，而火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜多變，采用事前疏散模型缺乏時(shí)效性，無法應(yīng)對(duì)瞬息萬變的火災(zāi)場(chǎng)景。特別是，對(duì)于超大斷面雙層盾構(gòu)隧道的相關(guān)研究仍較為缺乏。本文依托深圳機(jī)荷高速公路隧道工程，探討超大斷面雙層盾構(gòu)隧道的火災(zāi)防治和疏散救援方案，以期為今后類似的城市公路隧道疏散通道設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考。

1 依托工程概況

1.1 工程情況

機(jī)荷(深圳機(jī)場(chǎng)至荷坳段)高速公路屬于G15沈海高速公路深圳段，是粵港澳大灣區(qū)東西向的交通中軸線。深中通道建成后，大量的過境及對(duì)外交通將匯集至機(jī)荷高速。機(jī)荷高速公路隧道采用了原位立體改擴(kuò)建擴(kuò)容方式，擴(kuò)建后的機(jī)荷高速公路隧道交通量大，排煙疏散要求高。隧道平面和分段示意圖見圖1。隧道采用分段縱向排煙方式，在惠鹽側(cè)和機(jī)荷側(cè)工作井處分別設(shè)置排煙機(jī)房，將隧道分為3段，最長(zhǎng)通風(fēng)區(qū)段長(zhǎng)度為3 290 m。兩側(cè)工作井排煙機(jī)房?jī)?nèi)各設(shè)置3臺(tái)大型可逆軸流風(fēng)機(jī)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為200 m3/s，風(fēng)機(jī)通過風(fēng)口、聯(lián)絡(luò)風(fēng)道與南北幅隧道的上下層均相連。風(fēng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)可為隧道排煙，風(fēng)機(jī)逆轉(zhuǎn)時(shí)可為隧道補(bǔ)風(fēng)。當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣通過就近的排煙機(jī)房和洞口排出。

圖1 隧道平面和分段示意圖(單位： m)

1.2 工程特點(diǎn)

與國(guó)內(nèi)其他大斷面盾構(gòu)隧道工程(周家嘴路越江隧道、昆磨高速小磨隧道、上海上中路隧道、南京揚(yáng)子江隧道、揚(yáng)州瘦西湖隧道等)相比(見表1)，機(jī)荷高速公路隧道存在以下特點(diǎn)：

1)按照沿線段落和隧道工法，劃分為暗挖段、盾構(gòu)段和明挖段，全線隧道橫斷面復(fù)雜多變，交界處排煙疏散難度大。

2)中間盾構(gòu)段斷面直徑達(dá)到17.3 m，對(duì)于超大斷面雙層盾構(gòu)隧道，在發(fā)生火災(zāi)后進(jìn)行隧道通風(fēng)時(shí)，污染空氣和煙霧上下層存在竄流現(xiàn)象，導(dǎo)致上下層互相影響，需要通過防火門和加壓設(shè)置，保證煙霧不竄流。

表1 國(guó)內(nèi)大斷面盾構(gòu)隧道工程概況對(duì)比

3)機(jī)荷高速公路隧道為雙線隧道，其中左線隧道長(zhǎng)約6 174 m，右線隧道長(zhǎng)約5 585 m，排煙困難。隧道空間狹長(zhǎng)，尤其對(duì)于疊層隧道下層來說，由于內(nèi)部空間有限，火災(zāi)發(fā)生后，如果沒有合理的排煙控制和排煙模式，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣難以及時(shí)排出，從而給人員疏散和后續(xù)救援帶來困難。

4)車輛類型多，交通量大，交通控制困難。由于長(zhǎng)途貨車的運(yùn)輸量較大，大貨車和拖掛車逐漸成為貨物運(yùn)輸主導(dǎo)車型，比例逐步增加，隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較高。此外，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，人員通過橫通道疏散到有車輛通行的鄰近隧道，存在人員安全隱患，且交通控制困難，對(duì)隧道管理要求較高。

2 超大斷面雙層隧道火災(zāi)特性

本文選取機(jī)荷高速公路隧道的盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段(見圖2)和隧道Y型分叉處(見圖3)開展研究。盾構(gòu)隧道采用雙層結(jié)構(gòu)，上下層之間采用樓梯進(jìn)行連接，相鄰隧道之間通過橫通道相連。隧道采用縱向通風(fēng)模式，由于上下層隧道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律基本一致，因此，本文只對(duì)下層隧道縱向排煙進(jìn)行FDS數(shù)值模擬。

圖2 盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位： mm)

圖3 隧道Y型分叉交匯前橫斷面(單位： cm)

2.1 盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段火災(zāi)特性

2.1.1 模型設(shè)置

盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段模型網(wǎng)格劃分如圖4所示，F(xiàn)DS計(jì)算模型如圖5所示?？紤]到采用縱向通風(fēng)模式時(shí)，煙氣向火源下游擴(kuò)散范圍較廣，因此，設(shè)置模型總長(zhǎng)為650 m，并將火源中心布置在距上游邊界150 m處，采用兼顧精度和效率的混合網(wǎng)格形式，根據(jù)模型距離火源位置劃分網(wǎng)格尺寸。在火源附近由于熱力學(xué)參數(shù)變化梯度大，此區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理； 在遠(yuǎn)離火源區(qū)域，隧道內(nèi)的流場(chǎng)變化趨于平穩(wěn)，網(wǎng)格尺寸也隨之加大。

圖4 盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段模型網(wǎng)格劃分示意圖(單位： m)

圖5 盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段FDS模型

根據(jù)工程項(xiàng)目可行性研究報(bào)告，在隧道通行車輛中，中型車及以上車型比例為6.2%～8.27%，重型貨車車型比例為3.43%～3.74%。參考規(guī)范要求和國(guó)內(nèi)已建公路隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，考慮隧道內(nèi)不利工況，火災(zāi)熱釋放率取50 MW。采用t2火模型描述火災(zāi)變化趨勢(shì)，并假設(shè)火災(zāi)發(fā)展速率極快?；馂?zāi)發(fā)生516.7 s后，HRR達(dá)到穩(wěn)定值50 MW，保持HRR不變直到900 s時(shí)模擬計(jì)算結(jié)束。

火源尺寸根據(jù)汽車尺寸確定。參照汽車類型，經(jīng)綜合考慮，將數(shù)值模型中火源尺寸確定為12.0 m(長(zhǎng))×2.0 m(寬)×1.0 m(高)。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1.2.1 火災(zāi)溫度和能見度特性

不同時(shí)刻盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段距離行車路面2 m高度處溫度和能見度沿隧道長(zhǎng)度方向分布情況如圖6所示。由于雙層隧道下層斷面小，因此升溫和煙氣蔓延較快。從圖6(a)可以看出，沿隧道縱向，溫度分布近似呈遞減規(guī)律； 300 s時(shí)，在縱向排煙模式下，火源下游距火源點(diǎn)50 m范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)溫度大于60 ℃的區(qū)域；從圖6(b)可以看出，400 s后，火源下游距火源點(diǎn)50 m范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)能見度小于10 m的區(qū)域。當(dāng)火源達(dá)到最大強(qiáng)度且隧道內(nèi)溫度、能見度分布情況較為穩(wěn)定時(shí)(600 s)，距火源點(diǎn)400 m范圍內(nèi)2 m高度處的溫度基本上都大于60 ℃，距火源點(diǎn)425 m范圍內(nèi)2 m高度處的能見度基本上都小于10 m，低于人員逃生標(biāo)準(zhǔn)。

(a) 溫度

(b) 能見度

2.1.2.2 煙氣特性

從火災(zāi)煙氣蔓延情況(見圖7)來看：

1)煙氣蔓延范圍隨火源強(qiáng)度的發(fā)展不斷增大，在250 s左右，火災(zāi)煙氣初步蔓延至隧道出口?；馂?zāi)達(dá)到最大燃燒強(qiáng)度后煙氣在隧道內(nèi)不斷擴(kuò)散，400 s后隧道內(nèi)煙氣開始蔓延至整個(gè)隧道高度并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)在理論計(jì)算臨界風(fēng)速下，火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣只向下游方向流動(dòng)。從火災(zāi)開始發(fā)生到火災(zāi)發(fā)展90 s時(shí)，煙氣向隧道兩側(cè)以相同規(guī)律蔓延至距火源約15 m位置處；此后，隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)開啟，150 s后火災(zāi)煙氣未發(fā)生明顯逆流現(xiàn)象，說明縱向風(fēng)速大于火災(zāi)煙氣臨界風(fēng)速，可有效控制煙氣，保證上游區(qū)域人員安全疏散。

綜上所述，在火災(zāi)工況下采用分段縱向排煙，臨界風(fēng)速按PIARC推薦的Danziger和Kennedy公式計(jì)算，可以滿足排煙要求。

圖7 盾構(gòu)隧道標(biāo)準(zhǔn)段火災(zāi)煙氣蔓延情況

2.2 隧道分叉處火災(zāi)特性

2.2.1 模型設(shè)置

火源點(diǎn)位于分叉隧道中部的FDS模型如圖8所示。模型全長(zhǎng)500 m，在模型入口輸入射流風(fēng)機(jī)形成的隧道縱向風(fēng)，風(fēng)速大小按理論計(jì)算的臨界風(fēng)速取值(3.0 m/s)； 設(shè)定火災(zāi)煙氣直接由最近排煙口排出。模型中火源點(diǎn)位于距隧道入口240 m處。網(wǎng)格劃分、火源尺寸、火源規(guī)模及熱釋放率設(shè)置均與2.1.1節(jié)相同。

圖8 火源點(diǎn)位于分叉隧道中部FDS模型

2.2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.2.1 火災(zāi)溫度和能見度特性

不同時(shí)刻左側(cè)、右側(cè)分叉隧道距離行車路面2 m高度處溫度和能見度沿隧道長(zhǎng)度方向分布情況分別如圖9和圖10所示。

(a) 溫度

(b) 能見度

(a) 溫度

可以看到，隨著火源強(qiáng)度的不斷增大，隧道火源下游區(qū)域受煙氣的影響程度不斷加大，著火側(cè)隧道和主隧道溫度大于60 ℃和能見度小于10 m的區(qū)域增多，在著火側(cè)隧道下游方向的一定距離內(nèi)，2 m高度處的最高溫度可達(dá)到近1 000 ℃；同時(shí)，在2條分支隧道的風(fēng)速?zèng)]有明顯區(qū)別的情況下，除了短時(shí)間內(nèi)有一定的煙氣擴(kuò)散外，著火側(cè)隧道的火情發(fā)展以及煙氣流動(dòng)對(duì)于未著火側(cè)隧道幾乎沒有影響。

從隧道內(nèi)2 m高度處的溫度分布可以看出，在縱向排煙模式下，著火側(cè)隧道的火源下游距火源點(diǎn)50 m范圍內(nèi)在236 s時(shí)首次出現(xiàn)溫度大于60 ℃的情況； 從隧道2 m高度處的能見度分布可以看出，火源下游距火源點(diǎn)50 m范圍內(nèi)在271 s時(shí)首次出現(xiàn)能見度小于10 m的情況。主隧道中部(隧道分叉處)溫度最早達(dá)到60 ℃的時(shí)間為510 s，能見度低于安全能見度(10 m)的時(shí)間為530 s。

當(dāng)火源達(dá)到最大強(qiáng)度且隧道內(nèi)溫度、能見度分布情況較為穩(wěn)定時(shí)(即600 s時(shí))，著火側(cè)隧道火源點(diǎn)下游和主隧道范圍內(nèi)2 m高度處的溫度基本上都大于60 ℃，火源點(diǎn)下游整個(gè)范圍內(nèi)2 m高度處的能見度基本上都小于10 m(584 s)。

2.2.2.2 煙氣特性

從火災(zāi)煙氣蔓延情況(見圖11)來看：

1)火災(zāi)煙氣蔓延范圍隨火源強(qiáng)度的發(fā)展不斷增大，火災(zāi)煙氣蔓延至隧道出口的時(shí)間為400 s左右，而500 s后隧道內(nèi)煙氣開始蔓延至整個(gè)隧道高度并漸漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2)風(fēng)速控制在理論計(jì)算臨界風(fēng)速下，火災(zāi)發(fā)生時(shí)煙氣只向下游方向流動(dòng)，未發(fā)生逆流。從火災(zāi)開始發(fā)生到火災(zāi)發(fā)展到90 s，煙氣向隧道上下游以相同規(guī)律蔓延至約15 m位置處；隨著隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)開啟，150 s后火災(zāi)煙氣未發(fā)生明顯逆流現(xiàn)象，說明縱向風(fēng)速大于火災(zāi)煙氣臨界風(fēng)速，可有效控制煙氣，保證上游人員安全疏散。

3)火災(zāi)發(fā)展到300 s時(shí)，另一側(cè)隧道在短時(shí)間內(nèi)有一定煙氣回流，不過短時(shí)間內(nèi)便恢復(fù)，對(duì)于人員疏散影響較小。

綜合以上分析可知，隧道縱向排煙模式下，按照理論計(jì)算臨界風(fēng)速設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)縱向排煙通風(fēng)量可滿足隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣不發(fā)生逆流，保證隧道未發(fā)生擁堵時(shí)隧道內(nèi)部火源上下游安全，滿足隧道內(nèi)車輛和人員安全疏散的要求，也可保證隧道發(fā)生擁堵時(shí)滿足隧道內(nèi)車輛和人員安全疏散的要求。在火災(zāi)發(fā)生后，未著火側(cè)隧道的縱向通風(fēng)風(fēng)速可適當(dāng)增大，以防止主隧道中的煙氣回流。

圖11 隧道分叉處火災(zāi)煙氣蔓延情況

3 超大斷面雙層公路隧道火災(zāi)事故應(yīng)急救援體系

盡管隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的概率比道路其他路段發(fā)生火災(zāi)的概率小，但一旦發(fā)生火災(zāi)，造成的后果卻要嚴(yán)重得多[9]。要完全杜絕隧道火災(zāi)的發(fā)生，從現(xiàn)有技術(shù)條件和水平看還很難，因此，需要通過建立隧道火災(zāi)應(yīng)急救援體系來減輕火災(zāi)造成的損失。

深圳機(jī)荷高速公路隧道斷面大，地面交通復(fù)雜，外部救援要求高。隧道西側(cè)洞口外為互通式立交，僅東側(cè)有1條上下匝道連接地面層，地面層由龍崗立交接深汕路。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，外部救援的開展需要考慮地面交通，對(duì)于地面交通控制與外部救援提出了很高的要求。

3.1 隧道人員疏散模擬

當(dāng)隧道發(fā)生突發(fā)事件(如火災(zāi))，將造成隧道車輛堵塞，人員荷載密度應(yīng)考慮該工況條件下的人員疏散荷載情況。圖12為深圳機(jī)荷高速公路隧道交通堵塞工況車輛布置示意圖。

圖12 隧道交通堵塞工況車輛布置示意圖

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，人員的疏散過程可分為察覺、行為和反應(yīng)、運(yùn)動(dòng)3個(gè)階段。本文報(bào)警探測(cè)時(shí)間根據(jù)DB 43-729—2012《公路隧道消防技術(shù)規(guī)程》取為60 s，人員響應(yīng)時(shí)間參照世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)研究成果取為60 s。隧道內(nèi)人員移動(dòng)速度服從正態(tài)分布，為1.25±3σ，σ=0.1 m/s。

假定最不利的疏散情形，即火災(zāi)發(fā)生在隧道中間某橫通道入口處，導(dǎo)致該樓梯入口不可使用。假定人員隨機(jī)分布于隧道內(nèi)，主隧道內(nèi)樓梯口處發(fā)生火災(zāi)，隧道內(nèi)的人員通過其他樓梯口和橫通道疏散到上層、下層或另一條隧道。取6.5倍的疏散樓梯間距作為模型的長(zhǎng)度，工況設(shè)置如表2所示。

表2 疏散模擬工況設(shè)置

疏散模擬結(jié)果如圖13所示。結(jié)合工程實(shí)際參數(shù)和數(shù)值模擬參數(shù)，依據(jù)機(jī)荷高速公路隧道車流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定發(fā)生火災(zāi)后車輛堵塞時(shí)滯留車輛與人員數(shù)量，可知： 隨著疏散樓梯間距的增大，疏散時(shí)間有所增長(zhǎng)；載客系數(shù)越大，疏散口的擁堵現(xiàn)象愈加明顯，疏散時(shí)間增加。在車輛滿載條件下，經(jīng)計(jì)算模擬可得： 當(dāng)疏散樓梯間距為80、100、120 m，橫通道間距為250 m時(shí)，對(duì)應(yīng)必須安全疏散時(shí)間依次為248、274.8、286.5 s，均小于FDS模擬所得的可用安全疏散時(shí)間(288、333、329 s)，此時(shí)隧道內(nèi)部環(huán)境均處于安全狀態(tài)。

圖13 疏散模擬結(jié)果

3.2 隧道火災(zāi)救援體系框架

面對(duì)超大斷面高速公路隧道火災(zāi)狀況，如何清楚地掌握火災(zāi)危險(xiǎn)性和發(fā)展特點(diǎn)、正確地進(jìn)行滅火和疏散救援工作是消防人員需要重點(diǎn)考慮的事情。隧道火災(zāi)救援體系框架如圖14所示，包括救援組織模塊、消防系統(tǒng)、火災(zāi)工況通風(fēng)控制系統(tǒng)、火災(zāi)工況人員與行車組織模塊等[10]。

圖14 隧道火災(zāi)救援體系框架

3.2.1 救援組織模塊

救援組織包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和救援預(yù)案。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是保證隧道火災(zāi)救援體系正確、可行的基本條件，是隧道進(jìn)行應(yīng)急救援預(yù)案制定的基礎(chǔ)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括隧道基本情況數(shù)據(jù)庫(kù)和救援基本信息數(shù)據(jù)庫(kù)[11]。

隧道火災(zāi)救援預(yù)案一般包括人員疏散與救治預(yù)案、交通管控預(yù)案、通風(fēng)照明控制預(yù)案、消防滅火預(yù)案等。隧道火災(zāi)救援預(yù)案每次執(zhí)行后，應(yīng)進(jìn)行分析、總結(jié)，反饋修正并更新救援預(yù)案。

3.2.2 消防系統(tǒng)

消防設(shè)施采用固定式和移動(dòng)式設(shè)備相結(jié)合的方式，以適應(yīng)不同火災(zāi)規(guī)模、火災(zāi)發(fā)展的不同階段和不同使用者操作。

3.2.3 火災(zāi)工況通風(fēng)控制系統(tǒng)

接到火災(zāi)報(bào)警后，隧道設(shè)備控制中心迅速將隧道的射流風(fēng)機(jī)以火災(zāi)臨界風(fēng)速進(jìn)行供風(fēng)，風(fēng)向與行車風(fēng)向一致，并根據(jù)火災(zāi)煙流狀態(tài)逐步調(diào)整射流風(fēng)機(jī)的開啟數(shù)量。當(dāng)煙氣向火源上游發(fā)生逆流，增加風(fēng)機(jī)開啟數(shù)量；當(dāng)火源下游煙氣速度過快或被明顯吹散，減少風(fēng)機(jī)的數(shù)量，待火災(zāi)事故隧道內(nèi)逃生人員完全安全撤離后，啟動(dòng)送風(fēng)或排風(fēng)系統(tǒng)，加大排煙風(fēng)速； 未發(fā)生火災(zāi)事故隧道風(fēng)機(jī)按正常運(yùn)營(yíng)通風(fēng)量減半進(jìn)行供風(fēng)，出口射流風(fēng)機(jī)反向供風(fēng)，以保障火災(zāi)隧道內(nèi)煙氣不蔓延到相鄰隧道[12]。

3.2.4 火災(zāi)工況人員與行車組織模塊

隧道內(nèi)部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，需開啟火災(zāi)上游的橫通道來疏散上游的車輛，上游的車輛通過橫通道進(jìn)入相鄰隧道或車內(nèi)人員棄車通過人行橫通道逃生； 在火災(zāi)下游段車速大于煙霧擴(kuò)散速度時(shí)，下游車輛可以繼續(xù)前行離開火災(zāi)事故隧道，若下游隧道發(fā)生阻塞，車內(nèi)人員應(yīng)棄車通過疏散通道進(jìn)行逃生[13]。

3.3 隧道火災(zāi)救援行動(dòng)實(shí)施路線

機(jī)荷高速公路隧道為雙管疊層隧道，上下層各為1個(gè)防火分區(qū)；由于受到下層射流風(fēng)機(jī)壁龕和柱間距影響，救援樓梯間距設(shè)置為80 m；由于救援車輛無法直接到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，只能到達(dá)最近的樓梯口，消防人員要背負(fù)器材通過樓梯進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，救援過程復(fù)雜，需要提前做好救援預(yù)案。

同時(shí)，針對(duì)隧道疏散救援情況，設(shè)置多種安全疏散設(shè)施保證人員安全：

1)機(jī)荷高速公路隧道斷面形式為兩車道+硬路肩設(shè)計(jì)，在火災(zāi)工況下，硬路肩可作為1條救援路徑供消防人員救援使用。

2)在隧道2個(gè)工作井配備了消防摩托和消防車，以便在突發(fā)事故時(shí)第一時(shí)間響應(yīng)，為隧道救援提供寶貴的時(shí)間。

3)按照不大于250 m的間隔設(shè)置人行橫通道，按照80 m間距設(shè)置救援樓梯，并通過被動(dòng)防火設(shè)計(jì)延長(zhǎng)可用安全疏散時(shí)間，通過主動(dòng)防火設(shè)計(jì)根據(jù)火災(zāi)點(diǎn)的不同、運(yùn)行工況的不同提供機(jī)動(dòng)的疏散策略和手段。

結(jié)合對(duì)機(jī)荷高速公路隧道形式、消防救援程序及救援疏散路線(見圖15)的分析，提出隧道消防救援策略，如表3所示。

(a) 斷面圖

(b) 平面圖

表3 隧道消防救援策略

3.4 隧道排煙疏散策略

根據(jù)機(jī)荷高速公路隧道的特點(diǎn)，將隧道分為如圖16所示區(qū)段，具體排煙疏散建議如下。

圖16 隧道區(qū)段劃分示意圖

3.4.1 火災(zāi)發(fā)生在①入口—B工作井段

如圖17所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道①入口—B工作井段時(shí)，開啟①入口—B工作井段射流風(fēng)機(jī)，沿行車方向進(jìn)行縱向排煙，火災(zāi)時(shí)控制縱向風(fēng)速大于煙氣回流的臨界風(fēng)速，火災(zāi)煙氣由B工作井排出。經(jīng)模擬計(jì)算臨界風(fēng)速為3.0 m/s，建議實(shí)際工程中設(shè)置為3.5 m/s。

圖17 火災(zāi)發(fā)生在①入口—B工作井段

火災(zāi)發(fā)生后，發(fā)生火災(zāi)的隧道以及相鄰隧道進(jìn)入交通管制狀態(tài)。若火源點(diǎn)下游車輛行駛速度小于10 km/h，即車輛行駛速度小于煙氣縱向蔓延速度，則車輛應(yīng)經(jīng)由車行橫通道駛?cè)肓硪粭l隧道； 對(duì)于無法駛?cè)肓硪粭l隧道的車輛，車內(nèi)人員應(yīng)當(dāng)下車，經(jīng)由豎向疏散樓梯疏散至上層(或下層)車道層，或者經(jīng)由人行橫通道疏散至另一條隧道。若火源點(diǎn)下游車輛行駛速度大于10 km/h，即車輛行駛速度大于煙氣縱向蔓延速度，則車輛可沿隧道縱向繼續(xù)行駛，直至駛出隧道。

對(duì)于火源點(diǎn)上游車輛，火災(zāi)發(fā)生后，隧道內(nèi)部將產(chǎn)生擁堵，此時(shí)控制中心應(yīng)禁止車輛由隧道入口繼續(xù)駛?cè)耄淼纼?nèi)部車輛若在車行橫通道上游，則可由車行橫通道駛?cè)肓硪粭l隧道；車輛若在車行橫通道下游，則車內(nèi)人員應(yīng)當(dāng)下車，經(jīng)由豎向疏散樓梯疏散至上層(或下層)車道層，或者經(jīng)由人行橫通道疏散至另一條隧道。

3.4.2 火災(zāi)發(fā)生在B工作井—A工作井段

如圖18所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道B工作井—A工作井段時(shí)，開啟火源上游射流風(fēng)機(jī)，沿行車方向進(jìn)行縱向排煙，火災(zāi)時(shí)控制縱向風(fēng)速大于煙氣回流的臨界風(fēng)速，火災(zāi)煙氣由A工作井排出。經(jīng)模擬計(jì)算臨界風(fēng)速為2.6 m/s，建議實(shí)際工程中設(shè)置為3.0 m/s?；馂?zāi)發(fā)生后，發(fā)生火災(zāi)的隧道以及相鄰隧道進(jìn)入交通管制狀態(tài)?；鹪瓷舷掠稳藛T與車輛的疏散策略與火災(zāi)發(fā)生在①入口—B工作井段相同。

圖18 火災(zāi)發(fā)生在B工作井—A工作井段

3.4.3 火災(zāi)發(fā)生在A工作井—②出口段

如圖19所示，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道A工作井—②出口段時(shí)，開啟火源上游射流風(fēng)機(jī)，沿行車方向進(jìn)行縱向排煙，火災(zāi)時(shí)控制縱向風(fēng)速大于煙氣回流的臨界風(fēng)速，火災(zāi)煙氣由②出口排出。經(jīng)模擬計(jì)算臨界風(fēng)速為2.4 m/s，建議實(shí)際工程中設(shè)置為3.0 m/s。火災(zāi)發(fā)生后，發(fā)生火災(zāi)的隧道以及相鄰隧道進(jìn)入交通管制狀態(tài)?；鹪瓷舷掠稳藛T與車輛的疏散策略與火災(zāi)發(fā)生在①入口—B工作井段相同。

圖19 火災(zāi)發(fā)生在A工作井—②出口段

4 結(jié)論與建議

本文針對(duì)超大斷面雙層盾構(gòu)隧道開展了火災(zāi)特性及疏散救援研究，主要結(jié)論與建議如下：

1)當(dāng)隧道內(nèi)部發(fā)生火源規(guī)模為50 MW的火災(zāi)時(shí)，若隧道內(nèi)部未發(fā)生車輛擁堵，此時(shí)3.0 m/s臨界風(fēng)速可抑制煙氣回流，保證火源上游區(qū)域溫度和能見度處于安全范圍，滿足車輛和人員安全疏散的要求，火源下游區(qū)域車輛行駛速度大于煙氣蔓延速度，人員駕駛車輛可安全駛出，因此在未發(fā)生車輛擁堵條件下，火災(zāi)發(fā)生后整個(gè)隧道內(nèi)部車輛和人員均可安全逃生。

2)對(duì)出入口處Y型分叉隧道的縱向排煙進(jìn)行模擬，研究了分叉隧道2條支路間的相互影響及火災(zāi)工況下分叉隧道的排煙策略，明確在2條分支隧道的風(fēng)速?zèng)]有明顯區(qū)別的情況下，除了短時(shí)間內(nèi)有一定的煙氣擴(kuò)散外，著火側(cè)隧道的火情發(fā)展以及煙氣流動(dòng)對(duì)未著火側(cè)隧道幾乎沒有影響。在火災(zāi)發(fā)生后，未著火側(cè)隧道的縱向通風(fēng)風(fēng)速可適當(dāng)增大，以防止主隧道中的煙氣回流，給疏散和救援帶來影響。

3)確定了機(jī)荷高速公路隧道疏散口設(shè)計(jì)寬度和疏散樓梯間距。當(dāng)隧道疏散樓梯間距設(shè)置為80 m、疏散口寬度設(shè)置為0.8 m、橫通道間距設(shè)置為250 m時(shí)，隧道內(nèi)部車輛滿載情況下，即載客系數(shù)為1.0，隧道內(nèi)部必需安全疏散時(shí)間RSET為248 s；同時(shí)，當(dāng)載客系數(shù)為0.7時(shí)必需安全疏散時(shí)間RSET為235.8 s。RSET均小于250 s，說明在采用縱向分段排煙模式下，當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為50 MW時(shí)，無論火災(zāi)發(fā)生在隧道何處抑或車輛發(fā)生擁堵與否，此時(shí)均可保證隧道內(nèi)部人員安全疏散。

4)提出了隧道火災(zāi)救援體系框架，明確了救援體系的各部分內(nèi)容，針對(duì)機(jī)荷高速公路雙層盾構(gòu)隧道，給出了消防救援策略以及不同區(qū)段發(fā)生火災(zāi)時(shí)的排煙疏散策略。

本文對(duì)于超大斷面雙層盾構(gòu)隧道的排煙疏散模擬以下層隧道為例，下一步研究考慮將上下層隧道完全建模進(jìn)行分析計(jì)算，研究上下層煙氣流通及水噴淋響應(yīng)后的火源燃燒衰減階段，確?；馂?zāi)情況下各系統(tǒng)聯(lián)運(yùn)的準(zhǔn)確性和火災(zāi)模擬的真實(shí)性。