（道路与铁道工程专业论文）集中排烟模式下长大公路隧道火灾及人员安全疏散研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 在隧道火灾中，主要的致灾因子是燃烧产生的高温有毒烟气，而通风排烟是 抑制火灾烟气蔓延，降低其危害的重要手段之一。目前隧道火灾的通风排烟模式 主要有纵向通风排烟和集中排烟两种，在理论上，采用集中排烟模式的防灾安全 性能要优于采用纵向通风排烟模式，鉴于此，有必要对其进行重点研究。 以某高速公路7 6k m 特长大隧道防火设计为研究背景，采用数值模拟方法， 对隧道火灾集中排烟模式下，排烟阀开启方式和开启范围不同时的烟流特性进行 了分析研究研究表明，集中排烟模式可有效地抑制火灾烟气在隧道内的蔓延扩 散，降低其危害性。 根据人员安全疏散的判定准则，计算隧道火灾时人员的所需安全疏散时间 t m t 及可利用安全疏散时间t 娜，对不同通风排烟模式下人员的安全疏散进行了分 析研究。研究表明，采用集中排烟模式有利于隧道火灾发生后人员的安全疏散。 同时数值模拟结果也表明了集中排烟模式在通风组织和结构耐火等方面存在尚 未得到有效解决的问题，有待于进一步的深入研究。 关键词：隧道火灾，烟气扩散，集中排烟，排烟阀，纵向通风排烟，人员疏散 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt u n n e lf i r e ，t h em o s th a z a r d o u sf a c t o ri st h el a r g e q u a n t i t i e s o fh i g h - t e m p e r a t u r et o x i cs m o k eg e n e r a t e df r o mb u r n i n g ，a n dv e n t i l a t i o ni so n eo ft h em o s t m e t h o d st oc o n t r o ls m o k ep r o p a g a t i n ga n dr e d u c et h ed a m a g e c u r r e n t t y , t h e r ea r et w o m a i nv e n t i l a t i o nm o d e sw h e nt u n n e lf i r eo c c u r s ：t h el o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o na n d c e n t r a ls m o k ee x t r a c t ，t h el a t t e rh a sm u c hb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ef o r m e ro nf i r e s a f e t yi nt h e o r y , t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt oe m p h a s i z eo nt h er e s e a r c ho fc e n t r a l s m o k ee x t r a c t t h e p a p e rf o c u so nt h er e s e a r c ho fv e n t l a t i o nm o d e sa n dp e o p l ee v a c u a t i o ni nf i r e b a s e do n al o n g - s i z e dh i g h w a yt u n n e l ( 7 6k m ) ，a n dt h es m o k ec h a r a c t e r i s t i c si nt u n n e l f i r ew i t hc e n t r a ls m o k ee x t r a c ti sa n a l y z e du s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw h e nt h e t u m - o np a t t e r na n dr a n g eo fe x t r a c t i o nd a m p e rc h a n g e d b yt h er e s e a r c h ，i tf i n d st h a ti t c a nb ee f f e c t i v et or e s t r a i nt h es m o k ep r o p a g a t i o na n dr e d u c et h ec a l a m i t yu s i n g c e n t r a le x h a u s t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fp e o p l ee v a c u a t i o n ，i ti se a s yt og e tt h et r e s t ( r e q u i r e ds a f ee g r e s st i m e ) a n dt a s e t ( a v a i l a b l es a f ee g r e s st i m e ) 埘t hd i f f e r e n t v e n t i l a t i o nm o d e si nt u n e lf i r et or e s e a r c ht h ep e c u l i a r i t yo fp e o p l ee v a c u a t i o n ，a n db y t h er e s u l t s i ts h o w st h a ti ti sh e l p f u lf o rp e o p l et oe v a c u a t e 、析t i lc e n t r a ls m o k ee x t r a c t w h i l et u n n e lf i r eo c c u r s ，t h er e s u l t sa l s os h o w st h a tt h e r ei sp r o b l e mw h i c hi ss t i l l e f f e c t i v e l yu n s o l v e do ns u c ha st h ev e n t i l a e do r g a n i z a t i o na n dt h ef i r e t - r e s i s t i n go f s t r u c t u r ew h e nu s i n gc e n t r a ls m o k ee x t r a c t ，s om o r ed e e p l yr e s e a r c hi tn e e d e d k e y w o r d s ：t u n n e lf i r e ，s m o k ep r o p a g a t i o n ，c e n t r a ls m o k ee x t r a c t ，e x h a u s td u c t ， l o n g i t u d i n a lv e n t i l a t i o n ，p e o p l ee v a c u a t i o n i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盗姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签 撕瓤一月7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保 学位论文 签字日期 适用本授权书) 导师签 日 黼飙矽踞6 月7 日 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文完成之际，仅借微薄之词对所有关心帮助我的师长、朋友和亲人表 示真诚的感谢! 喜悦背后却更多了一丝留恋，感谢你们陪我一路成长。 首先，我要感谢导师黄志义教授两年来对我的指导和帮助。导师渊博的知识、 敏锐的科学洞察力、严谨的科研作风、忘我的工作精神以及对科学孜孜不倦地追 求都给我留下了深刻的印象，无形中也影响着我为人、做学问的态度。 在此还要特别感谢我们课题组成员对我的鼓励和帮助，特别是吴珂博士对我 的耐心指导和帮助让我受益非浅。还有细致耐心的杨仲轩博士、吕朝峰博士、梅 振宇博士；写论文期间给我很大帮助的梁晓莉、苏生、华爱娅、粟弼国、朱颖、 朱兴一；以及叶冬明、魏晓东、于伟达等无论是学习、工作还是生活方面都给了 我很多帮助的可爱的师弟师妹们。 在我读硕期间，还得到了许多其他老师和同学的关心与帮助。项贻强教授、 王福建副教授、王金昌副教授、彭勇副教授、赵阳讲师以及土木系的众多师兄弟 如胡立科、梁旭、郑建灿、孙新民、顾森华、章利军、代恒军等都给了本人无私 的帮助。 还要特别感谢我的室友詹伟、王建强一直以来对我的包容、鼓励和帮助；一 直在我身边支持我的好友吕晓刚、蒋建、张毅、徐轶慷、张欣、刘志贤、金明彦 等，你们的出现让我的人生长河更加绚烂多彩，在此一并表示感谢。 最后，我要衷心感谢我亲爱的爸爸妈妈姐姐及女友，无论何时你们总在我的 身边，给予了我无私的关怀和支持。 感谢所有在学习和生活中给予我关心和帮助的老师、同学和朋友! 李想 2 0 0 8 年6 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 近年来，我国公路建设事业迅猛发展，随着公路等级的提高，公路隧道无论 是从数量上还是长度方面都有显著的增长。截至到2 0 0 5 年底，我国现有公路隧 道达2 8 8 9 座，总长度1 5 2 7 公里，其中3 0 0m 以上的特长公路隧道已经超过4 3 座n 1 。可以说，目前我国已成为世界上隧道最多、最复杂、发展最快的国家。随 着交通运输业的快速发展，在今后的一段时期内，还将会有一大批的公路隧道建 成投入使用，因此，公路隧道的防灾安全性能日显重要。 公路隧道由于其位置和结构的特殊性，相对于其他路段来说，更易发生火灾。 据国外统计，隧道火灾频率为：1 0 - 1 7 次( 亿辆车k m ) b 1 ，这虽然是一种小概率 事件，但由于隧道属于狭长的筒状封闭结构，内部空间小，一旦发生火灾而得不 到有效控制，温度将在极短的时间急剧升高，同时伴随产生大量的有毒烟气，不 仅严重毁坏隧道设施和结构、中断交通，而且由于火灾时，隧道内逃生空间小， 将严重威胁到人们的生命财产安全，造成难以估计的经济损失。国内外曾经发生 过多起由隧道交通事故引发的火灾，都造成了灾难性的后果。随着公路隧道越修 越多，越修越长，公路隧道的火灾问题越来越受到人们广泛的重视，特别是对特 长大公路隧道，火灾问题已成为所需解决的首要问题。 1 1 1 公路隧道火灾的状况 作为交通道路上的关键线路和控制性节点，公路交通隧道火灾一直是国内外 交通安全界所关注的热点问题。在世界上许多国家均发生过非常严重的隧道火灾 事故，造成了巨大的经济影响和极其惨重的经济损失。 在国外，据不完全统计，1 9 4 9 - 1 9 8 4 年间共发生了9 起交通隧道重大火灾事 故，日本、英国、法国、意大利、奥地利、美国和德国等国都发生过严重的公路 隧道火灾事故并导致大量人员伤亡。进入上世纪9 0 年代后，人们对隧道的火灾 安全性能逐渐开始重视起来，但是仍然发生了许多大火灾，其中，比较重大的隧 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 道火灾事故有：1 9 9 5 年1 0 月，阿塞拜疆地铁大火，造成2 9 8 人死亡；1 9 9 9 年3 月2 4e l 发生的位于法国和意大利之间的勃朗峰( m o n tb l a n c ) 隧道火灾，死亡 4 1 人，4 3 辆车被烧毁，大火燃烧长达5 3 小时，隧道关闭近三年；1 9 9 9 年5 月 2 9 日发生在奥地利中部穿越阿尔卑斯山的陶恩公路隧道( t a u e r nm o t o r w a y t u n n e l ) 火灾，大火持续燃烧十几个小时，造成4 2 辆汽车烧毁，1 2 人死亡，另 外还有4 9 人受伤；2 0 0 1 年1 0 月2 4 日，发生在瑞士阿尔卑斯山区的圣哥达隧道 ( s tg o t h a r d ，被认为是欧洲最安全的隧道) 火灾，造车1 1 人死亡，1 2 8 人失踪， 4 0 辆车被烧毁n 们。表1 - 1 统计了世界近5 0 年发生的主要公路隧道火灾事故： 表1 - 1 世界公路隧道火灾事故情况 隧道结构 时间隧道名称长度( m )国家地区持续时间 破坏程度 1 9 4 9h 0 1 l a n d2 2 5 0 美国纽约4 小时隧道严重损坏2 0 0 m 19 7 4m o n tb i a n t1 1 6 0 0 法国一意大利 15 分钟 1 9 7 9n i h o n z a k a2 0 4 5 日本 1 5 9 小时隧道严重损坏1 10 0 m 1 9 8 2c a l d e c o t t1 0 2 8 美国奥克兰 约3 小时严重损坏5 8 0 m 19 8 6l a r m e1 1 0 5 法国尼斯隧道设备严重损坏 1 9 9 0r o l d a l4 6 5 6 挪威r o l d a l1 小时略微损坏 1 9 9 3h o v d e n1 2 9 0 挪威h o y a n g e r 1 小时1 1 1 l m 隔热材料被毁 1 9 9 4 h u g u e n o t3 9 1 4 南非1 小时 隧道严重毁坏 1 9 9 5p f a n d e r6 7 1 9 澳大利亚1 小时隧道严重毁坏 隧道严重毁坏，关闭 1 9 9 9m o n tb l a n c1 1 6 0 0 法国一意大利5 3 小时 3 盔 严重毁坏，6 0 0 m 范围结 1 9 9 9t a u r n6 4 0 1 奥地利 17 小时 构被烧坏 2 0 0 1 p r a p o n ti n 4 4 0 9 意大利关闭7 天 隧道严重受损，圆拱顶 2 0 0 1s tg o t t h a r d1 6 9 1 8 瑞士3 天 部塌陷，关闭2 个月 2 0 0 2 a 8 6 双层隧道 1 0 0 0 0 法国巴黎8 0 m 范围混凝土脱落 2 0 0 5 f r e j u s 1 3 0 0 0 法国一意大利 6 小时 隧道设施严重毁坏 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 国内也曾发生过多起公路隧道火灾事故。如：1 9 7 7 年上海延安路打浦路隧道 火灾，造成5 人死亡，2 3 人受伤；1 9 9 1 年上海延安东路隧道发生火灾；1 9 9 9 年 浙江大溪岭隧道发生火灾；1 9 9 8 年7 月7 日福建省盘陀山第二公路隧道因货车在 隧道内起火发生火灾；2 0 0 2 年1 月1 0 日浙江甬台温高速公路猫狸岭隧道发生火 灾事故，大火持续燃烧近2 小时，隧道壁瓷砖和混凝土面层约1 0 0 多米脱落破损， 中断交通1 8 天n 盯。 1 1 2 公路隧道火灾的原因 随着公路隧道尤其是长大公路隧道的不断涌现和隧道交通量的逐渐增大，火 灾发生的频率也在逐渐增加，因此，为了制定有效的隧道火灾预防、救援方案， 研究掌握隧道火灾发生发展的原因、特性是及其必要的。 从国内外已经发生的案例来看，车辆碰撞起火是导致隧道火灾的主要原因之 一。由于隧道路面一般比较狭小，视觉空间小，能见度较差，相对于公路交通的 其它路段来说，更容易发生车辆相撞事故。而一旦发生交通事故，极容易由此诱 发车辆燃烧从而导致隧道的火灾事故，譬如1 9 7 8 年的荷兰凡尔逊隧道火灾，1 9 7 9 年的日本烧津隧道火灾，都是由于发生交通事故，车辆相撞而引发的隧道火灾。 行驶在隧道内的货车上的货物燃烧是引发隧道火灾的另一主要原因。若货车 上所载的货物是可燃或易燃物品，车辆相撞或遇到明火以及自燃都能引发货物的 燃烧，从而诱发隧道火灾。例如1 9 4 9 年发生在美国纽约的h o ll a n d 公路隧道火 灾，造成6 6 人死亡，4 8 人受伤，9 辆卡车被烧毁，中断交通达5 6 小时，正是由 于其隧道内的货车所载货物遇火种引起燃烧造成的。 车辆由于长时间行驶，很容易由于自身机电的设备老化起火引发车辆燃烧， 进而引起隧道火灾。英国消防研究中心的统计资料表明：隧道火灾大约每行车 1 0 0 0 万公里平均发生o 5 - 1 5 次。 诱发隧道火灾的另一个原因是由隧道本身结构设施、电器设备和线路故障引 起。此外，人为因素( 如行车过快、纵火、抽烟、恐怖主义等) 也是引发隧道火 灾一个方面的原因。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 3 隧道火灾的特点 通过分析调研国内外相关的隧道火灾事故案例以及相关的研究，隧道火灾有 以下几个特点 耵： 1 、燃烧猛烈，短时间内温度急剧升高，持续时间与隧道环境有关，烟气毒 性大，火灾扑灭难度大； 2 、受隧道净空限制，火焰向水平方向延伸，炽热气流可顺风传播很远，可 燃的能量最多1 0 传给烟气，大部分传给衬砌和围岩，烟气温度随距离的增加而 迅速下降。由于壁面被加热后辐射热的作用，温度可以保持相当长一段时间； 3 、隧道火灾一般会出现两种类型：富氧型还是燃料丰富型。较小的火灾更 容易产生大量的烟雾并充满整座隧道，即使使用强力照明( 泛光灯) 的条件下， 能见度也只在1 0m 以内。同时，有毒烟雾的传播，将使人员中毒死亡； 4 、隧道内一旦起火，由于烟囱效应，温度和烟雾会迅速传播，其大部分能 量用来加热通风空气，下风侧的空气温度可高达1 0 0 0 以上。炽热的空气在流 经途中可以把热量传递给任何易燃或可分解的材料上，这样，燃烧将从一个燃料 火源“跳跃”一个长度而引燃下一个着火点。试验中已观察到这个“跳跃”的长 度可达隧道直径的5 0 倍； 5 、隧道火灾将极大的影响隧道内空气压力的分布，导致隧道内通风气流的 流动加速、减速或完全逆向流动。由于烟的逆向流动，将极大的阻碍抢险救灾工 作的顺利进行； 6 、火灾发生后，产生的热量大部分被隧道壁和拱顶吸收，隧道内的温度迅 速上升，最高温度甚至超过10 0 0 。在如此高的温度下，车辆和隧道内的电力、 通信等设备将基本被烧毁，隧道衬砌支护结构在骤然升温和长时间的高温下也将 产生相当严重的破坏。 1 1 4 隧道火灾的危害 由于隧道位置的特殊性和空间的局限性，一旦发生火灾，其封闭的特殊环境 将使得生成的烟气很难排出且对外部灭火也十分的不利，因此，危害性极大。从 不断发生的隧道火灾事故，大致可将其危害归纳为b 3 1 6 ”1 ： 4 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 、高温烟流对人体构成极大威胁。火灾烟气具有较高的温度，人们在6 5 时，可短时忍受；在空气温度高达1 2 0 的情况下，1 5 分钟就将致命；在几百 摄氏度的高温烟气中则是一分钟也呆不下去( 见表i - 2 ) 。通过分析国内外的隧道 火灾案例，我们发现，隧道( 尤其是长大隧道) 内一旦发生火灾，如果不加控制， 在极短的时间内会急剧升高，局部甚至高达i 0 0 0 以上( 见表i - 3 ，部分火灾 事故中隧道内的温度乜们) ，因此对对生命安全的威胁极大。此外，火灾时人员可 能因为头部烧伤或吸入高温烟气而使口腔及喉头肿胀，以致引起呼吸道阻塞窒 息； 表i - 2 人体对不同高温的耐受时间 时问 5 m i n5 m l n3 0 m i i i2 h4 - 8 h 2 7 - 7 2 h 温度( ) 1 5 01 4 01 0 06 5 - 8 01 6 - 6 53 5 - 4 1 表i - 3 部分火灾事故中隧道内的温度 隧道名称 国家 用途火灾温度( ) 日本大坂隧道日本 公路6 0 0 - 10 0 0 卡尔德哥兹多隧道美国 公路 平均9 4 5 ( 局部1 0 3 8 ) 勃朗峰隧道 法国一奥地利公路 10 0 0 以上( 局部1 8 3 2 ) 陶恩隧道奥地利 公路1 0 0 0 以上 圣哥达隧道瑞士 公路 1 2 0 0 表i - 4c o 浓度对人员的影响 c 0 浓度( )t 时间( m i n )c t ( m i n )人员对c 0 浓度的反应 0 0 21 2 0 - 1 8 02 4 - 3 6 中等头痛 o 0 84 53 6 中等头痛 o 3 21 0 - 1 53 2 - 4 8 头晕目眩 o 6 9i - 20 6 9 - i 3 8 头晕目眩 1 2 80 i ( 2 - 3 次呼吸) o 1 2 8 失去知觉 1 2 8 1 - 31 2 8 - 3 8 4 死亡 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 2 、火灾所产生烟气中含有一定的有毒有害物质，譬如一氧化碳( c o ) 、二氧 化硫( s o ：) 、氯化氢( h c l ) 、光气( c o c l ：) 等，当吸入量过多时，会造成人员中 毒伤亡，统计资料表明，火灾中的死亡人数大约8 5 是由于吸入有毒气体而导致 的。即使吸入较少量，也会因缺氧而发生头痛无力以及呕吐恶心等症状，从而可 能导致不能及时逃离火场而丧失求生的机会拍们； 表卜5 空气中0 2 浓度对人员的影响 空气中o ，浓度( ) 时间t 0 2 浓度对人员的影响 17 - 2 1 没有影响 1 4 - 1 72 h 脉搏跳动快、头晕 1 1 1 4 3 0 m i n 恶心、呕吐、全身无力 95 m i l 1 失去知觉 61 - 2 m i n死亡 3 、火灾发生后，隧道内将充满高温烟雾，不仅阻挡光线，降低隧道内的可 见度，影响视线，而且会刺激人的眼晴、鼻和喉，使得人的视力下降且呼吸困难， 不易辨别方向和路线，导致人员疏散困难，极易发生次生灾害同时火灾发生后， 人们情绪紧张，思考和分析能力下降、会造成拥挤、交通混乱等情况，进而导致 发生意外伤亡事故； 4 、隧道的特殊结构特性使得排烟与散热条件差，火灾后温度高且上升快， 会毁坏隧道内部装修，对衬砌造成极大损坏，致使结构的承载能力降低甚至完全 丧失，且会破坏防排水系统，造成不同程度的渗水，影响隧道的正常运营及其功 能的充分发挥。 5 、隧道火灾将阻断交通。作为交通道路上的关键线路和控制性节点，隧道 一旦发生火灾，必将一定程度上阻断交通，如果其内部结构毁坏严重，短期内难 以修复甚至会使得交通运输陷于瘫痪状态。例如，陶思隧道( t a u e r n ) 的修复花 了三个月的时间，而勃朗峰隧道( m o a tb l a n c ) 因为检查机关的调查和修复，关 闭长达3 年之久，这些，都造成了极大的经济损失。 6 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 长期以来，试验研究一直是隧道火灾领域中的重要研究手段之一，针对火灾 时期的隧道通风状态及烟流控制等问题，国外做了大量的研究工作，调查分析了 各种不同条件下隧道内的不同类型火灾。在这些研究工作中，最全面的要数欧洲 上世纪7 0 年代开始启动的e u r e k - p r o g e c te u 4 9 9 ：f i r e t u n n0 1 项目( 简称e u r e k a 项目) 以及美国于1 9 9 3 年在西弗吉利亚州废弃的m e m o r i a l 公路隧道启动的有名 的m e m o r i a lt u n n e lf i r ev e n t il a t i o nt e s tp r o g r a m ( m t f v t p ) 项目n 蚰。在这 些研究中，人们调查了在各种不同通风条件下，隧道内火灾及其产生烟雾的行为， 以及隧道火灾下温度场的分布情况，得出了一系列重要的成果乜1 圳n 习n 4 】： 高温不仅会造成人员的伤亡，而且会破坏隧道内部的结构。因此，隧道火灾 产生的高温气体是研究的一个重要方面。尽管国际标准化组织在上个世纪七十年 代给出了一条碳氢化合物燃烧的温度一时问曲线( h c 曲线) ，但研究表明，像汽车 燃料和车辆所运载的石油化工产品、液化石油气等碳氢化合物或其他化学物质的 燃烧释放率、火场温度梯度与可能达到的最高环境温度与该升温曲线所描述的情 况有很大差异，因此隧道内的结构设计与耐火保护就需要与这种情况相适应。为 此，各国发展了一系列不同隧道火灾类型的温度一时间曲线n 们。例如德国根据 e u r e k a 发展的r a b t z t v 曲线，荷兰在t n o 实验室研究结果基础上研究出来的r w s 曲线，在瑞士，由于山岭隧道更长且远离消防队，采用r w s 曲线，设计时间则延 长到1 8 0m i n ，此外法国采用的隧道升温曲线与r w s 类似，只是其最高温度为13 0 0 。这些曲线都没有经过实际尺寸下隧道火灾的验证。a n d e r sl o n n e r m a r k 等 ( 2 0 0 5 ) 采用四种不同的材料作为燃料，热释放率为6 6 - 2 0 2i ，进行实际尺寸 下隧道载重卡车火灾试验，得到隧道内顶棚的最高温度达到了1 2 8 1 - 13 6 5 ， 并给出了距离火源不同位置处的温度随时间变化图和温度随时间变化的经验公 式。 表1 - 3 已经给出了几起重大火灾事故中隧道内的最高温度，基于对隧道火灾 事故的调查和对试验研究的分析，认为温度超过1 0 0 0 的隧道火灾事故现场， 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 要迅速进行灭火是非常困难的。火灾对于车辆和隧道结构的损害程度取决于车辆 的类型，顶部由钢铁制成的车辆可以抵制住热的作用，而对于顶部是玻璃纤维加 筋塑料或铝的汽车，在火灾早期已完全被烧毁。 确定隧道火灾规模时，要考虑的因素很多，而且大部分是非定量化的，因此 要全面的来考虑各方面的因素( 如车辆类型、载货的性质等) 。各种火源的火灾 规模可以以瑞典或挪威的火灾热释放试验为基础进行计算。表1 - 6 为 e u r e k a p r o j e c te u 4 9 9 f i r e t u n 项目提供的用于近似衡量火灾规模的指标乜7 1 ： 表1 - 6 车辆火灾的最高温度和最大的热释放量( h r r ) 车辆类型最高温度( ) 最大热释放率( h r r ) 小客车 4 0 0 5 0 03 - 5 公共汽车卡车 7 0 0 - 8 0 01 5 - 2 0 装有可燃物的重型车 1 0 0 0 - 1 2 0 05 0 - 1 0 0 注：可燃物中不包括汽油或其他危险品 通风条件对热释放率也会造成很大的影响，在不同等级热释放率条件下，通 风速度对于热释放率的影响是不同的。由重型卡车造成的火灾。在3m s 通风速 度时的热释放率大约为自然通风情况下的4 - 5 倍，而在1 0m s 通风速度下的热 释放率则为自然通风下的1 0 倍。一般小轿车造成的火灾，1 5m s 的通风速度对 于热释放率以及燃烧时间的影响并不大。而对于油池造成的火灾，则需分为两种 情况进行考虑：油池比较大时，热释放率随通风速度的增大而增大，在1 0m s 的情况下，热释放率会增加5 0 左右；油池比较小时，增大通风速度反而会减少 热释放率d 们。 由于隧道火灾的复杂性和特殊性，要进行试验需要耗费很大的精力和财力， 由于实验条件的限制，得到的结果也不完全精确，这在一定的时间内极大的限制 了隧道火灾研究的进展。随着计算机技术与数值模拟技术的改进和发展，出现了 计算流体力学、计算传热学以及计算燃烧学等一批新的相关学科分支，正事由于 这些相关学科的发展，越来越多的科研工作者开始把数值模拟技术应用到火灾事 故中去。早期的研究如b r a n d e y j 和b e r g m a l n n d j d ”( 1 9 8 3 ) 采用数值燃烧模 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 型对各种火灾通风方案进行了二维数值模拟研究，接着英国火灾研究中心的 s k u m a r 和g c o x 等( 1 9 8 7 ) 对发生在伦敦k i n g sc r o s s 地铁的车辆火灾做了 大量的调查工作后进行了三维非稳态问题的烟气流动模型町3 5 1 ，并开发了 j a s m i n e 程序。之后，随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟被越来越多的应用 于隧道火灾研究中，w o o d b u r n p j 和b r i t t e rr e ( 1 9 9 6 ) 利用c f d 技术模拟了 纵向通风情况下隧道火灾的温度分布h 5 1 4 6 日本的m d o b a s h i 和t i m a i 等人运用 数值模拟方法对采用纵向和横向混合通风系统的隧道在火灾模式下的事故通风 进行了研究d 7 1 ，并将研究成果应用到日本当年正在建设的h i g a s h i y a m a 隧道， j u r i jm o d i c ( 2 0 0 3 ) 采用计算机模拟研究了通风和不通风情况下隧道内纵向温 度分布，并且模拟了火灾中衬砌壁的温度分布n3 1 。除此外，法国科研人员 f d e m o u g e 和d l a c r o i x 利用c f d 方法对横向火灾通风下的烟气流动进行了数值 模拟d 射，美国的s s l e v y 和j r s a n d z u m i e r 利用c f d 方法进行了三维瞬态模拟钉， 瑞士c r u d i n 研究了特长隧道的烟气扩散问题们，c o o p e r ( 1 9 9 0 ) 以及n e l s o n 等( 1 9 9 1 ) 也采用区域模型模拟了隧道内的火灾d 6 1 ，等等。可见在国外运用数值 模拟方法进行隧道火灾方面的研究以及积累了丰富的经验，发展了一些较为先进 的计算模型，隧道火灾的计算机数值模拟研究正在成为隧道安全研究的热点。 由于以往隧道火灾事故的惨痛教训，国外的研究也十分注重隧道火灾的防 治。表1 - 7 和1 - 8 为一些发达国家目前的隧道火灾防治情况n ”： 表1 - 7 国外公路隧道防灾现状 国家防灾法规耐火对策探测和报警系统 澳大利 没有 无特别规定 建筑规则和消防厅的指导 亚 无特别规定，各个隧道单独 公路隧道基本采用安大略省 无特别规定，采用由设置，异常用照明和警报装 运输局的公路结构标准，加拿 加拿大 合同双方认可标准置的辅助电源供给，或者设 大防灾指南和建筑标准也使 所承认的耐火材料置才有发电机和涡轮发电 用 机 追加技术合同条件和公路 隧道技术指南( z t v - t u n n e l ) 根据追加技术合同 对于长度3 5 0 m 以上的公路 德国 中记载了有关防灾功能。1 9 9 4 条件以及公路隧道 隧道，除手动警报装置外， 年发行关于隧道的设备和运 技术指南 还应设置自动火灾探测器 和自动报警系统 营指南( r a b t ) 第一卷 9 浙江大学硕上学位论文 第l 章绪论 没有特别标准，一般情况下必 无特别规定，原则上 须满足安全法和特别技术标 无特别规定意大利使用认可的耐火材 准的规定 料 原则上行车道空间 使用耐火材料，对重 公路隧道以瑞典公路协会的要的安全设施，采用 3 m w 规模的火灾必须在l m i n 瑞典 隧道标准和斯德哥尔摩环形 1 h 的耐火材料，爆 内监测出来 线标准作为标准炸性物质、压缩气体 及汽油运输车必须 有车辆伴行 作为国内法而未对标准作规 定。指南、建议、设计方法明 确记于f l e a 高速公路隧道火 灾的防灾报告上，1 9 9 1 年根据情况要限制可手动报警装置的间距为 美国 a s h r a e 手册，h v a c 建议的第燃物质的运输通行 9 0m 以上 1 3 章，封闭空间的车辆设施， n f p a 5 0 2 ，干线公路，隧道， 桥梁，高速公路 公路隧道以公路法) ) 为标 准，斌消防法和( ( 建筑标准 法不适用根据公路法第 无特别规定，各隧道单独设 4 6 条，延长5 0 0 0m 以上的隧 无特别规定，原则上置，按隧道等级决定是否设 日本 道和水下隧道可禁止载有危 使用建设省认可的 置各种设备。在隧道区外， 险物品的车辆通过 耐火材料本系统也包含提供引道区 间情报 表1 - 8 国外公路隧道防灾现状 紧急救援、疏散、 国家防灾区间设定烟雾控制 安全确保系统 澳大利 无特别规定，接受消防厅指导 无特别规定，接受消无特别规定，接受消防厅的 亚防厅的指导指导 根据n f p 指南设置 适当的供水系统、排 与有关机关协议( 消防厅、 设紧急疏散梯，隧道内任何地 风扇的保护、换气系 警察等) 等) 车辆拖离和故 加拿大方到安全出口的距离都不应 统和湿度的调节，对 障车辆的保管问题，建筑法 所有隧道中设置的 在1 5 0 0f t ( 约4 5 0m ) 以上的标准以及消防厅与警察 紧急换气装置必须 局的框架协议 证明是有效地控制 烟气流动 i o 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 根据公路随道的设 备利还用指南的规 定，在考虑将延长长 7 0 0 m ( 单车道) 的隧 德国不详道纳入4 0 0 m 以上不详 ( 双车道) 隧道的场 合，由机械通风机进 行异常时的烟雾控 制 意大利无特别规定无特别规定 不详 隧道主要部分、疏散通道的安 在设定为10 0m w 规 每隔10 0 - 5 0 0m 设置疏散通 瑞典 模火灾中按3m s 全区间各自独立道，采用残疾人适用设备。 的纵向通风设计。 设置能在3 0m i n 内紧急火灾时的方案，采用交 喷出泡沫灭火剂的通管制系统检杳通行车辆， 灭火装置。即使在隧配置隧道紧急情况时用的 美国不详道内的任一地方也特别作业车，洒水器不能自 可供给至少1 h 的动工作，在公路两侧按9 0 m 4 2 0k p a 、19 9l m i n 间隔设置容量为9k g 以上 的消防用水的便携式灭火器 按交通量和隧道延长分成从对于防止安全空间在有关法规范围内建立基 级到d 级5 个等级。a 级以上烟火侵入，需采用通本系统以及与有关机关( 消 的隧道应设安全出口、疏散联风机等进行相应处防厅、警察局等) 协商之后 络通道等，多数情况下，水雾理，具有机械通风设最终决定，根据通风方式和 喷洒设各以5 0 i n 为1 个区间。备的隧道在以平常烟雾控制系统的关系以及 日本 另外，也需设置广播和通讯设为前提的通风能力与安全出口等设置状况的 备 范围内可设定对烟关联，建立防灾系统，并与 雾的控制形式，以有有关机关达成协议后最终 效发挥排烟设备的决定。制定消防队、警察等 功能其他途径的救援指南 1 2 2 国内研究现状 我国公路隧道火灾研究起步比较晚，开始于上世纪8 0 年代初，在许多方面 都明显落后于发达国家，尤其公路隧道防灾方面的经验甚少，至今公路隧道防火 规范尚未制定。在借鉴国外成功经验的基础上，近十年来我国相关部门开始针对 隧道防火安全性问题展开深入研究，并取得了一系列成果d 0 1 刈。 香港理工大学的j s m l i 和w k c h o w 通过对香港两起隧道火灾事故的调查 分析，提出了对隧道的火灾安全性能监控和消防措施手段的一些建议。y h y a n g 和s k 1 e e 等人结合台湾南部一座3 6 0 0m 的隧道工程，采用三维c f d 数值模拟 和1 8 0 的比尺模型试验，就火灾工况下，所采用的不同通风组合方式对烟气流 l l 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 动的作用进行了研究1 9 9 3 年，清华大学李先庭等学者建立了场模型模拟地铁隧 道的烟气流动。1 9 9 8 年，兰州铁道学院的高梦理对隧道射流通风与防灾进行了研 究，提出了以调控气流控制烟雾扩散浓度和扩散区域的方法。2 0 0 0 年以来，西南 交通大学杨其新、王明年和阎治国等人对秦岭终南山隧道的防灾救援技术进行研 究，对隧道采用纵向通风方式下的火灾问题进行了火灾模型试验。2 0 0 1 年，华南 理工大学的舒宁和徐建闽以京珠高速公路粤境南段隧道工程为依托，对纵向式火 灾通风条件下的烟气流动状况进行了二维稳态仿真，2 0 0 2 年，北京工业大学的田 沛哲和戴国平对二郎山本横向通风特长公路隧道进行了数值分析和计算，得出发 生火灾时不同通风阻力条件下隧道中的风速及流量分布，给出了火灾控制方案。 中国科学技术大学与香港理工大学的李元洲、霍然等( 2 0 0 4 ) ，运用场模拟和区 域模拟的方法，通过假定一个2 0 0 m 长的隧道火灾算例，分析了集中不同情况下 的隧道火灾的烟气发展情况，等等。 从国内外的研究现状来看，虽然对于火灾中隧道内温度场的发展变化规律进 行了一系列的研究，并取得了相当的成果，但是由于不同的研究成果对应的研究 条件不同，得到的成果也没有系统的反应出隧道火灾的规律，存在着不足之处， 因此，为了更好的采取对隧道火灾事故的防灾抢险措施，还必须进一步的研究其 规律，探讨其特性，才能知己知彼，做到万无一失。 1 2 3 国内外在隧道火灾方面的技术要求和标准 隧道火灾不仅严重威胁人的生命安全和财产安全，而且对交通设施，人类的 生产活动造成了巨大的损害。因此，世界各国在近几十年来都投入了相当的力量 对隧道火灾规律及其防护措施方面进行了广泛的研究，并取得了一系列的成果， 制定了一些技术要求和标准n 们。 在国内，目前设计隧道防火要求的规范主要有2 0 0 3 年颁布的国家现行标准 ( ( 地下铁道设计规范；2 0 0 1 年颁布的铁道部现行标准铁路隧道设计规范；2 0 0 4 年发布的交通部现行标准( ( 公路隧道设计规范。这些标准分别对地铁、铁路隧 道和山岭公路隧道的防火与疏散做了部分规定，但均不够完善。2 0 0 6 年颁布的国 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 家标准建筑设计防火规范( g b 5 0 0 1 6 - 2 0 0 6 ) 对于城市交通隧道( 地铁除外) 的防火设计要求也做出了相关的规定。 在国外，荷兰编制了t n o 报告9 8 一c v b a 1 1 6 1 隧道防火以及t n o 测试标 准隧道防火测试方法，规定了隧道的火灾场景确定方法与相关消防安全工程 设计方法及隧道的耐火测试方法德国1 9 9 4 年制定了g r a b t 公路隧道设施及运 行准则，其中对隧道火灾规模做出了规定。1 9 9 5 年又制定了z t v 一隧道，关于 公路隧道建设补充技术条款及准则，其中第10 章“建筑防火”规定了隧道内的 升温曲线以及建筑结构和其内部系统应采取的防火措施，英国制定了( b d 7 8 9 9 公路及桥梁设计手册，用于指导运用消防安全工程方法度隧道进行防火设计， 美国消防协会制定了g n f p a s 0 2 公路隧道、桥梁及其他限行公路标准，其中规定 了不同类型隧道的消防要求，并要求长度超过2 4 0m 的隧道应根据特定的隧道的 设计参数( 如长度、横截面、分级、主导风、交通流向、货物类型、设计火灾参 数等) ，采用工程分析方法设计其通风设施。日本制定了日本建设省道路隧道 紧急用设施设置基准，该基准按公路隧道长度及汽车交通量将隧道进行分级， 并根据不通等级规定了公路隧道的火灾防护安全。日本的规范中对隧道的设计也 有一些相应的防火要求，但是实际情况，这些要求并不能满足工程实际的需求， 因此在日本，许多隧道采用的是类似性能化设计的方法来提出综合性的防火对策 来解决问题。 1 3 本文主要研究内容 我们已经了解，公路隧道尤其是长大公路隧道，一旦发生火灾，很容易产生 灾难性的后果，因此，隧道火灾是隧道防灾安全性研究的重点。研究表明，在隧 道火灾中，主要的致灾因子是燃烧产生的高温有毒烟气，而通风排烟是抑制火灾 烟气扩散，降低其危害的重要手段之一。隧道火灾的通风排烟模式主要有纵向通 风排烟和集中排烟两种，目前国内的公路隧道火灾时采用的主要是纵向通风排烟 方式，因此，国内对隧道火灾的研究也主要集中在纵向通风排烟方面，而对于集 中排烟方式的研究则相对较小，且研究的水平也大大落后于发达国家。理论上的 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 研究表明，采用集中排烟模式的防灾安全性能要优于纵向通风排烟模式，有着很 好的应用前景，有鉴于此，有必要其进行重点研究。 台缙高速公路苍岭隧道，为平行分离式、双向四车道山岭公路特长隧道。其 左线长为7 5 3 6m ，右线长为7 6 0 5m 。隧道顶部设置了专门的排烟道，排烟道与 行车道之问通过排烟阀相连，在火灾工况下可以通过排烟阀的启闭将火灾车辆产 生的烟雾通过排烟道及时排出。排烟阀尺寸为2h ix1 2 5m ，纵向间距2 5h i 。同 时为了降低造价，在隧道左右线进出口各1 5 0 0m 长的范围内不设排烟道，其余 中间段设置排烟道。当火灾发生在隧道中间段有排烟道时，火灾烟气直接通过排 烟阀抽离形成通道，通过排烟道排出，为典型的集中排烟模式。依托此工程背景， 本文对苍岭隧道在火灾工况下采用集中排烟方式下的温度场及烟气的流动特性 进行了研究，同时，由于人们对人身安全和生命健康的重视的提高，本文还对采 用集中排烟模式下人员的安全疏散进行了分析研究，具有一定的工程参考意义。 本文的主要研究内容如下： 1 、隧道发生火灾时，集中排烟模式下排烟阀开启方式不同时火灾烟流特性 的研究； 2 、隧道发生火灾时，集中排烟模式下排烟阀开启范围不同时火灾烟流特性 的研究； 3 、隧道发生火灾时，集中排烟模式下与纵向通风排烟模式下人员安全疏散 的对比研究。 浙江大学硕士学位论文第2 章通风及其烟气流动的相关理论 第2 章通风及其烟气流动的相关理论 2 1 隧道中流体研究的相关假定 公路隧道的通风计算以及烟气特性的研究是以空气动力学基本理论为基础， 为了便于研究，必须对隧道内流体做相应的一些假定m ： 1 、流体是连续的 从分子物理学的观点来看，流体和其他物质一样都是由大量做无规则运动的 分子组成的，分子和分子之间存在着空隙。严格地来说，流体是不连续的，描述 它的物理量( 密度、速度、压强等) 在空间的分布也是不连续的，而且流体分子 运动的随机性又导致任一空间点的物理量对于时间也是不连续的。然而在标准条 件下，1c 一气体中约有2 7 1 0 1 个分子，1c m 3 的水中约有3 3 1 0 3 3 个水分子， 由此可见，流体分子和分子之间的距离都是极其微小的。我们研究流体是在于从 宏观上来研究整个流体的特性极其运动