螺旋型隧道火灾蔓延规律及人员安全疏散规划

科学术与工程Science Technology and Engineering Vol.19No.25Sep.2019 @2019Sci.Tech.Engrg.
第19卷第25期2019年9月
1671—1815(2019)025-0351-07
引用格式:杨松，冯佳琳，陈h,等•螺旋型隧道火灾蔓延规律及人员安全疏散规划％J&.科学技术与工程，2019$19(25)：351-P57 Yang Song,Feng Jialin,Chen Fan,ct al.Firc spreading law and s—e evacuation strategy in spiral tunnel%J&.Science Technology and Engi-neeing,2019,19(25):351-P57
螺旋型隧道火灾蔓延规律及人员安全疏散规划
杨松1冯佳琳2陈飢1艾祖斌1李玉2$
（中电建路有1,100048；重庆大学资境科学学院2，重庆400044）
摘要为研究特殊线型的螺旋隧道中火灾蔓延规X,提出人员安全疏散规划，基于数值模拟软件FDS（fire dynamics simula­tor）,以旋隧道一一咪的村隧道为例，模拟20MW火灾模式下，临界风速通风时螺旋隧道上行、下行隧道发生火灾后的火灾蔓延情况，重点分析螺旋隧道和烟气浓度的分布。

根模拟提出螺旋隧道火灾模式安全疏散规划，进行咪的村隧道人行横通道设计校验。

，旋隧道发生火灾时，的逃生方向与隧道上、下行及
有关，应按照火灾蔓延烟气流动规X,有序的易撤离方向逃生；根据模拟，建以900s作旋隧道可用安全疏散时间，验咪的村螺旋隧道人行横通道设计距离安全疏散。

关键词螺旋型隧道数值模拟火灾蔓延人员安全疏散
中图法分类号U492；文献标志码A
路隧道因其具有可路线技术标准、减少急弯、缩路线里程点，最近十年取得了长足的发展,并逐渐转向“长”“”“特型”
方向（受空间、较为密闭的环境制约,公路隧道发生火灾时燃雾大，难然；且燃
量不易散发,在小空间内温上升［1，2］（,道运营密集，多，火灾期间、车散困难，扑救难，易成巨大的伤亡财，对社会的危害性极大。

减少道火灾所造成的伤亡，除了采取消防安全防火灾事故外，火灾发生后如何安全地进散，已来越受们的重视%4—6］（
有的关于隧道火灾蔓安全疏散内容，都基于直线型隧道展开,对于特型的隧道火灾救援少。

然而，在旋隧道中，由于其线型特殊，火灾发展蔓生的实际危害，且散遇到的困难。

现依南省红咪的旋隧道，基于FDS数值模拟软件,对旋隧道上道、下道在中型火灾规模20MW火灾模式下展开以下：①模拟上i 道、下道在临界风速下的火灾蔓延，包括隧道内温度、随间发展情况;②模拟的高温烟气
2019年1月2日收到
:杨松（1980—），男，贵州纳雍人，高级工程师、高级经济师（E-mail：yangsong277@0
$通信作者简介：李玉（1995—）,女，江西宜春人（E-mail：1154668091@0发展规律及相关规定，优化螺旋隧道（上、下
道）安全疏散方案；③咪的旋隧道火灾模式下横通道设计，制旋隧道内火灾散救援措施。

1
安全性判据
道火灾中，高温是威安全的
因素。

层威安全的 参数增一值时将发生危险，因此可影响散安全的参数，如：层温度、、可，道内火灾危界条件（综合资料%7—9］结合现有经示：路道内人眼（定为1.6m）处温70Z,1200my/ m3时，足以对人体的生命健康造成威胁，对受困人员安全疏散、撤离产生阻碍（考虑旋隧道
型将对散、安全撤离造成干扰，采用下两个值作为危界指标:①旋隧道内人眼处，温70Z;②旋隧道内人眼高度处，烟气浓度不超过1200my/m3。

在隧道内发生火灾后，受否安全疏散撤离两间决定%10］,分别是：可用安全疏散时间（y—Wbla safety egres s/esccpa Sma,ASET）和必需安全疏散时间（required safety egress/esccpa Smv,RSET）。

其中REST部分组成，即火灾探间（B e）、散间（B-）散运间（B ev）。

其中，散间（B-）又由
352科学技术与工程19
受在发生火灾时的认识时间(B-)反间(B e)成。

因此，火灾时所需安全疏散时间REST可由式(1)求得。

REST二B irm+(Beg+Besp)+Bove(1)二间满足：RSEToASET时，其义为隧道内发生火灾后，受可以在火灾发对人体造成危可以安全疏散撤离至安全地带,由此可认为道的防火防灾设计满足发生火灾时的散需求，该判断过程示意图见图1。

发生完毕极限
图1人员安全疏散时间判断依据
Fig.1Judgment basis for personnel safety ewcuation hmc 2螺旋隧道火灾高温烟气蔓延数值模拟
依托云南省红河州咪的村螺旋隧道开展研究,该隧道为双线分离式螺旋隧道，左线(Z3K35+ 076〜Z3K38+906)长3830m,右线(K35+110〜K39+080)长3970m,进出口80m,隧道纵为-2.08%、-2.05%(单)隧道口方147。

，深366m,属深埋特道。

道计算模型断面咪的道实际尺寸,道横断面半径为5.5m,总7m,隧道断面示意图如图2所示。

隧道计中每300m置横通道，本道火灾关注对象为无横通道区域,因此，模型选取300m。

方低指)和下道(方指向低)两方面展开。

中国的《路道通风设计细则》(JTG/TD70/2—2014)中对纵向风速的规定是：般道火灾产生热量20MW来控制风。

因此，选取20MW 的火灾规模旋隧道的数值模拟。

2.1初始边界条
(1)模拟初始条件。

隧道内火灾的属于非方程,求解时，场中的每一点在初刻时的参数。

中,设定火灾工况初刻为B0,道内的初始温度Q>20Z。

此外，由于咪的螺旋隧道口有80m的，自然下隧道内会存在自然风速,因此在初始条
,道模型内的重。

(2)界条。

对于道火灾模式下的数值模拟计算，边界条置如下'隧道地面和壁面为无滑壁面，规范给出的设计要求选取，壁面为混凝;道口为界条件;隧道出口为压力界条。

2.2上行延模拟
咪的旋道左道为上道,道左
径为710m，曲率1/710, 2.05。

低
界为隧道入口，界为隧道出口，火位置设置在隧道入口60m处，模型300m,上道火源位置及平面示意图如图3(a)所示,数值模拟划分情况如图3(b)所示。

车行方向
(a)火源位置及隧道平面示意图
图2隧道断面示意图Fig.2Tunnel section schematic
(b)网格划分模型
*
车行方向
---
220m
(c)测点分布
图3迷的村上行螺旋隧道火源位置及测点分布Fig.3The five source location and the measuring point distribution in Mid-uphJ l spiml tunnel
Lf等%11&的界风
可知，隧道上坡段、下段的临界风温发展蔓延规律，因此将从上道(车
工况下上旋隧道通风风 3.6m/s及以上时，不会。

考界风速3.6m/s通风时,上旋隧道发生火灾事故后危
25杨松，等:螺旋型隧道火灾蔓延规律及人员安全疏散规划353
参数的纵向分布,设置火源上游50)20m处和下
20)80)140)240m处采点，具体测试点的分布如图3(c)所
利用数值模拟软件FDS模拟上道20MW 火灾规模下,临界风风。

随间化如图4所示，监控试点的温化化如图5所示。

图5可，在道内发生火灾时,1.6m 处的温度对人体的生命并没有构成威胁，火灾的发生对于初期的人眼处的温度影响，且初期
图4上行螺旋隧道临界风速下烟气流动情况Fig.4Spreading of smoke under the cihcat ventilation
velocity in uphh t spiral tunnel
距火源位置/m
(d)温度
距火源位置/m
(b)烟气浓度
图5不同时刻上行隧道1.6m高度处温度及烟气
纵向分布规律
Fig.5Longitudinal distribution of temperature and smoke concentration at1.6m height in uphh t
spiral tunnel at dihemnt times
道内除了火源附近以外的其他处的温度变化情况
随道内火灾时间的不断，在道内人眼 1.6m处的温断上升，且火灾对火源上、下的影响范围也随之增大。

当火灾发生时间持续到900s时，在火源的上游位置，温受影响范围较小，下受温度影响；火下游35m的范围内，人眼 1.6m处的温度已经70Z，构成火灾危域。

与此，临界风速下火源上游
为零，不会对受的疏散造成威，但是火源下游的有较大的变化。

随
火灾的断发，上道火下眼
1.6m处的间的增正相关的关系;纵范围内，随距火源位置增下降(火灾发生时间900s时，火下游40m范围内的人眼 1.6m处的已经达到1200mg/m3，对人体健康造成威胁，可见度下降给隧道内的疏散、撤离带来巨大难度。

2・3行延模拟
咪的旋隧道左、右道参数基本，考虑下道临界风，火位置，改
方向即为咪的村下道(方指向低)，如图6(a)所界置为隧道口，低界设置为隧道出口。

火源位置设置在隧道出口60m处，模型长度300m，曲率p为1/710，下道火源位置及平面示意图如图6(a)所示，数值模拟划分情况如图6(b)所|。

经数值模拟计算，该工下旋隧道通风风
4.8m/s及以上时，不会。

考界风速4.8m/s通风条件下，下旋隧道发生火灾事故后危险参数的纵向分布，设置在火源上游20)80)150)230m处和下游50)20m处采点，采点 1.6m。

具体测试点的分布图6 (c)。

利用数值模拟软件FDS模拟下道20MW 火灾规模下，界风，控试点的温化化。

下旋道随间
化如图7所示，监控试点的温度化化如图8所示。

据图8可，下道中临界风速略大于上道中的通风风速，在下道中温度的扩散要比咪的村上行隧道中温的散。

但下道中火灾发体规律与上道。

火灾发生时间为900s时，在火源下游45m 处至上游30m范围内，人眼 1.6m处的温70Z，构成了火灾危域。

与此，
临界风
354科学技术与工程19卷车行方向
(a)火源位置及隧道平面示意图
车
(b)网格划分模型
车行方向
距火源位置/m
220m
(c)测点分布
图6咪的村下行螺旋隧道火源位置及测点分布
Fig.6The fire source location and the measuring point
distribution in Mid-downhJ l spiml tunnel
图7下行螺旋隧道临界风速下烟气流动情况
Fig.7Spreading of smoke under the catical
ventilation velocity in downhJl spXal tunnel
下火源上游位置的为零,这为隧道内火源上游的受的安全疏散、撤离提供了充足的条件，但是火源下游50m范围内的
化范围。

在火灾发间900s时，火
下游50m范围内的烟气浓度超过1200mg/m3，为了能够 、安全地对隧道内的受散,在咪的村下道发生火灾的900s内，应将咪的下道火下的受撤离至火下50m外的安全横通道内，以此保证隧道内受的生命安全。

综合温两个因素考虑，在下道发生火灾时，为了保证受的生命安全，火
上在900s内迅速撤离至30m范围外，火源下在900s内迅速撤离50m外并安全横通道内逃岀，以此保证受困人员的生命安全。

2.4时安
对比间咪的上下道火上
的温可以发现:上道发生火灾时，火上游的温都在可以忍受的范围以内，下游温度影响范围大;但下行隧道发生火灾
(TUL3UD/
超
理
¥
耍
图8不同时刻下行隧道1.6m高度处温度及
纵向分布规律
Fig.8Longitudinal distribution of temperature and
smoke concentration cl1.6m height in downhJ l
spiml tunnel cl difemnt tim
,仅下游影响范围大，火源上游30m的范围内的温界温度70Z o此外，螺旋道下道发生火灾造成影响的区域比上道的影响域大，对散的要求。

在临界风速下，火位置处
值，随火灾时间的,逐渐向火源下游蔓，而火源上游没有蔓，因此，在上行、下
道发生火灾时，上受
规律向上游方散，而下游受在规定的时间内疏散至安全位置。

因此对应的生方法是:①上道中，火上游受直接向上游尽快有序撤离;下受在900s内迅撤离至火源下游40m外并安全横通道内。

②下道中，火上在900s内迅速撤离30m范围外，火下在900s内迅撤离50m外并安全横道内，此保证受的生命安全。

25杨松，等:螺旋型隧道火灾蔓延规律及人员安全疏散规划355
3咪的村模式下人行横通道设计校验
道内,为方便左右线隧道洞内的联系和发生故时的救援，置横通道［12，13］（道发生火灾时，左右相作为救援通道。

咪的
旋隧道施工方案中，设置10处横通道和4处车横通道，横间距离为300m o 3.1用安全时
对咪的 旋隧道在20MW火灾规模下的数值模拟结果分析可知：20MW的火灾规模下，若咪的旋隧道内的纵风风速满足临界风速的条，发生火灾散时的可用安全疏散时间（ASET）为900s。

3.2必须安全时间
隧道火灾必须安全疏散时间（REST）由火灾探测时间（B-J、人员疏散准备时间（B-）以及疏散运间（B ev）相得到。

3.2.1测时间（t alarm）
火灾探间（B—m）,可被称为火灾察觉间，指的是从隧道发生火灾时开始，到有发现火灾之间的时间间隔（火灾探间道内火灾探警系统的程度、受的认水平和相关管理的反决定。

在隧道内发生火灾后，发火情的方式主有两种:一种方式是闻到火灾产生的
火火灾产生的大量；种方式是隧道内的火灾探测系火灾信号并道内发信号。

但是隧道内发生火灾时，由于火源位置发现火情的时间存在性，一般下，隧道内发生火灾后，二种方式发现火。

而隧道内火灾探测系统的报警时间警装置的类型在隧道内的布置有关。

在咪的 道中发生火灾引起，这种火灾发展迅速，相对是很容易被发现的，因此在咪的旋隧道火灾模式下的火灾报警探间B—m设定为60S。

3.2.2准备时间（B c）
道内发生火灾后，所散间主是由受的心理和生理反映、应对间的经在发生火灾时的具体有关，因素存在的性，在道防火设计时，主历史数推算。

在道内突遇火灾，经历认识、证实、、评估、抉择评估心理的过程。

间的会因发生火灾的建筑类型、受性特征警装置等因素有关。

表1给了筑物类型警系统时的火灾认识时间［14］（
于螺旋隧道具有的弯度，因此驾乘人员会保持清醒,对咪的道火灾散的研究中，将散间即B l为120s。

3.2.3运动时间（B ev）
在道内发生火灾开散，
程是运动阶段，是受撤离出危域的过程。

运间B ev的有三种方法：模拟实量、经式法计算。

消防工程实务,疏散运间可由式（2）。

B cv=E t（2）式（2）中：Q-为疏散行动时间,指受困人员从疏散行散结束所间;E为安全系数，考虑到场景
中的性，考虑足够的安全余量，安全系数一般取1.5~2，本取2。

在咪的旋隧道中，考虑发生火灾的极
况,火源位置在两个横通道中间的位置，如图9所示，火下游的受下150m的距离近的横通道。

2中年龄人的散，取受的散为0.8m/s，
可推算，在咪的道种火灾模式下，散运间为375s。

表1不同种类建筑物以及报警系统的火灾认识时间
Table1Fire awareness time for different types of buildings with various alarm systems
序号建筑物用途及特性
响间/m in W1W2W3
1办公楼、商业或工业厂房，学校（居民处于清醒状态，对建筑物、报警系统和疏散措施熟悉）<13>4
2商店、展览馆、博物馆、休闲中心等（居民处于清醒状态，对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉）<23>6
3旅馆或寄宿学校（居民可能处于清醒状态，但对建筑物、报警系统和疏散措施熟悉）<24>5
4旅馆、公寓（居民可能处于清醒状态，对建筑物、报警系统和疏散措施不熟悉）<24>6
5医、养其他社会构（有相数量的助）<35>8注:W1表示闭路电视系统的现场广播，或由工作人员所发出的实时指令，假设所有疏散这都可以接收到上述信息;W2表示非指令性的语音信息，例如制的广播系可视警报指示牌;W3表示警铃、警笛或其他类警装置。

356科学技术与工程19
图9咪的村螺旋隧道极端火灾情况
Fig.9Extreme fire situation in Midi spiml tunnel
表2不同类型人员疏散速度
Table2Evacuation speed of different types of personnel 人员类型幼儿成年男性成年女性老年人散/(n/-1)0.8 1.2 1.00.72
则隧道火灾必须安全疏散时间(REST#由三部 分时间相加，为555s。

3・3行横通道
2节的分析，咪的旋道的可用安全疏散时间(ASET为900s),于必需安全疏散时间(RSET为555s)的小，咪的旋隧道在20MW的火灾模式下，计中的安全通道设置,道置在300m左右，可满足咪的村旋隧道火灾模式下的应急安全疏散要求。

4结论
基于FDS数值模拟软件,模拟咪的旋隧道在20MW火灾模式下的火灾高温蔓；结合散安全性判据,对上道和下道进火灾下散规划；对咪的旋隧道的横通道设计安全，针对性地提岀散救援。

结论如下。

(1)旋道发生火灾时，隧道内
所处位置和火灾蔓规律,有序地易撤离方生;其中，上受上游方
散，而下游受在规定的时间内疏散至安全位置。

(2)咪的村上旋隧道在20MW火灾模式下的疏散方式为:火上游受直上游尽快有序撤离;下受在900s内迅速撤离至火源下游40m外并安全横通道内。

(3)咪的村下旋隧道在20MW火灾模式下的疏散方式为：火上在900s内迅速撤离至30m范围外，火下在900s内迅撤离50m外并安全横通道内逃岀，以此保证受的生命安全。

(4)咪的旋隧道横通道设计距离300m左右，其模拟计算得岀的可用安全疏散时间(ASET)为900s,大于必需安全疏散时间(RSET)555s,计距离经安全可行。

(5)道运营期间，应考虑正常运营
道，制、有效、有针对性的疏散救援,发生隧道火灾，立即执行，确保安全，减小财。

参考文献
1石芳•城市隧道火灾消防对策初探%J&•消防技术与产品信息，2003,11(3)：9-11
Shi Fang.Initial probing the countermeasures aaainst fire protection of urban tunnels%J&•Fire Technique and Products Information,2003, 11(3):9-11
2王克拾•基于CFD模拟分析的大断面公路隧道汽车火灾温度特性％D]•上海：同济学，2008
Wang Keshi.CFD based simulation analysis on research of tempera­ture properties of vehicle fire in large cross-section road tunnel%D]•Shanghai:Tongi University,2008
3刘青清•城市铁路隧道火灾人员安全疏散仿真研究％D]•上海:同济大学，2009
Liu Qingqing.Simulation study on safety evacuation of metropolis railyay tunnel Sires%D]•Shanghai:Tongi University,2009
4Barth U.Managerial and technical aspects of tunnel safety regarding normal and emergence mode%J]•International Conference Tunnel Safety and Ventilation,2002(8):8-10
5田玉敏•人群疏散中“非适应性”行为的研究%J]•灾害学，2006,21(2):114-120
Tian Yunin.Study on non-adaptive behaviors in crowd evacuation %J]•Journal of Catastmphology,2006,21(2):114-120
6杨高尚，彭立敏,彭建国，等•隧道火灾时人员安全疏散的模拟研究％J]•灾害学，2006,21(4):8-13
Yang Gaoshang,Peng Limin,Peng Jianguo,et al.Simulation of how people escape safely from tunnel fire%J]•Journal of Catastmphology, 2006,21(4):8-13
7Hartzell G E.Engineering analysis of hazards to life safety in fires: The fire effuent toxicity component%J]•Safety Science,2001,38
(2):147-155
8Purser D A,Bensilum M.Quantification of behavior for engineering design standards and escape time calculations%J]•Safety Science, 2001,38(6):157-182
9刘茂，王振•行人和疏散动力学研究现状及进展％J].安全与环境学报,2006,6(增刊1):121-125
Liu Mao,Wang Zhen.Progress and state of pedestrian and evacuation dynamics%J]•Journal of Safety and Environment,2006,6(S1): 121-125
10日本建筑省编•建筑物综合防火设计%M]•孙金香，高伟,译•天津：天津科版社公司，1994
Japanese Architecture Province•Building compre-hensive fire pro­tection design%M]•Sun Jinxiang,Gao Wei,trans.Tianjin:Tianjin Sconc3and T3chnooogyToansoaioon PubooshongCompany,1994
11Li Y Z,Lei B,Haukur I.Study of critical velocity and backlayering length in longitudintly ventilated tunnel fires%J]•Fire Safety Jour­nal,2010,45 (6):361-370
12胡忠日安全疏散研究的动态和发展趋势％J]•消防科学与技术，2001(6):
6-7
25杨松，等:螺旋型隧道火灾蔓延规律及人员安全疏散规划
357
Hu Zhongri. The current situation and development tendency cf the
firc evacuation % J]. Firc Science and Technology , 2001" 6 # : 6-713 Bendelius A G. Tunnel firc and lie s —ety within the world road as ­
sociation (PIARC ) % J ]. TunnOling and Underground Space Tech ­
nology , 2002(17) : 159-161
14马骏驰.火灾中人群疏散的仿真研究％ D ].上海：同济大
学,2007
Ma Junchi. InvesSgation and simulation on crowd evacuation in firc disaster% D]. Shanghai : Tongji University , 2007
Fire Spreading Law and Safe Evacuahoe Strategy in Spiral Tueeel
YANG Sony 1, FENG Jin-lin 2, CHEN Fan 1, AI Zu-bin 1, LI Yu 2*
(Power China Road Bridge Group Cw , Ltd. 1 , Beping 100048 , China ；
College cf Resources and Environmental Science , Chongqing University 2 , Chongqing 400044, China )
%
Abst r a ct
] In ordvr to study tha 1— spreadingaw in tha special linexr tunnel ( spiral tunnel ) and pmpost a s —a
evveuation strategy for personnel , tha numoWcl simulation software fire dynamics simulator ( FDS ) was used to
investigata how tha fire spreadiny in tha uphhl and downhhl spiral tunnels undvr tha citicyl ventilation velocity and
at tha 20 MW fire moda , takiny tha typiccl spiral tunnel-Midi tunnel vs an exampla. Tha longitudinal distribution of
temperature and smoko concentration i n tha spiral tunnel was focused. Accordiny to simulation results , a safety a-vveuaton strategy undvr tha spiral tunnel fire moda was proposed , and tha design verification of tha distance bo- tween pedestSyn cmss-channel of Midi tunnel is ccried out. Tha results shows that when there being a fire disastor in a spiral tunnel , tha direction of tha person to escapo is related to tha uphhl or downhhl typo and tha location of
tha personnel in tha tunnel; It should bo escaped in a more orderly direction accordiny to tha law of fire smoko
spreadiny. It is recommended to taka 900 s vs tha ASET ( vvvilablv safety escapo Smo ) in spiral tunnel and tha do- signed distance between pedestSyn cmss-channel of tha Midi spiral tunnel meets tha requirements for personnel
safety evveuation.
%
Key w or d s
] spiral tunnel numeiccl simulation f- spreadiny personnel safety evveuation。