鐵路主隧道與斜井風流耦合作用下的火災模型試驗研究

李 琦,王明年,李自強,于 麗,嚴 濤，謝文靜

(1.四川農業大學 建筑與城鄉規劃學院，四川 都江堰 611830；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；3.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；4.重慶科技學院 建筑工程學院，重慶 401331)

我國是多山國家，隨著鐵路交通網覆蓋面的擴大，穿山鐵路隧道里程逐年增加，長大鐵路隧道(長度大于10 km)數量更是迅猛增長。長大鐵路隧道內空間狹長且相對封閉，可供人員疏散的出口有限，一旦發生火災，隧道內環境會迅速升溫并充滿煙氣，可造成大量的人員傷亡以及財產損失。鐵路隧道內發生火災并停車疏散的情景，主要分為兩類：一類是定點停車疏散，即在緊急救援站進行停車疏散，此時，救援站內一般設置有較完備的控煙措施，疏散通道數量多且集中，但緊急救援站的設置間距一般為20 km，數量較少；另一類就是隨機停車，即在斜井、橫洞、聯絡橫通道等緊急出口處進行停車疏散，由于通風設備配置簡單、出口數量僅為1～2個，疏散安全成為主要問題。因此，國內外學者在長大鐵路隧道防災救援方面進行了大量的研究。

文獻[1]進行隧道的火災燃燒原型試驗，對不同種類物質燃燒時隧道內煙氣層高度以及溫度的分布規律進行研究，并給出了隧道火場內CO氣體的分布情況。文獻[2]通過隧道火災的縮尺模型試驗，研究不同火災規模、不同風速條件下火場的溫度及煙氣分布，得到了與火源距離增加隧道內沿程溫度的衰減規律。文獻[3]進行全尺寸的隧道火災燃燒試驗，將以不同比例混合的燃料作為火源，研究隧道內煙氣溫度、厚度等參數的變化規律，并建立了隧道頂棚溫度隨火災發展的衰減模型。文獻[4]通過隧道火災縮小比例模型試驗得到火源上下游煙流蔓延長度與通風速度的關系并提出了理論模型。文獻[5]采用1∶9的縮尺模型，進行不同火源釋放率條件下的隧道火災燃燒試驗，探究不同火源條件下隧道內溫度的分層規律，獲得火源面積、通風條件等參數對隧道內溫度的抑制作用表現。文獻[6]進行1∶50的隧道火災縮尺模型試驗，對豎井不同通風模式下隧道內火場的溫度、煙流規律進行研究，提出火災情況下隧道內的風流組織控制方法。文獻[7-8]對隧道火災的溫度、煙氣分布規律進行大量研究，同時對火災時人員疏散及救援方面也做了許多研究。

綜上可知，在眾多鐵路隧道火災研究中，關于斜井對主隧道內火災溫度分布、煙氣蔓延等影響的研究并不多，而斜井作為緊急出口時，需要向主隧道通風以保證主隧道內人員的氧氣需求并產生防煙作用，因此，研究斜井氣流對主隧道火災環境的影響，對預測人員在隨機停車情況下的安全性以及完善鐵路隧道防災救援設計都具有現實意義。

1 隧道火災模型試驗系統

1.1 模型相似比

1.1.1 相似準則

受限空間火災模擬多采用弗勞德尺度準則[9-10]。欲使模型和原型滿足流體動力相似，則必須保證兩者的弗勞德數相等。定義弗勞德數

(1)

式中：v為流速；g為重力加速度；L為定性長度。

利用弗勞德尺度準則得到縮尺模型與原型間的尺度關系如表1所示，表1中下標m表示縮尺模型，p表示原型。

表1 弗魯德模型縮尺關系

1.1.2 相似比確定

要實現模型與實際隧道內空氣的流動相似，流動雷諾數(Re)一般要大于105 [11]，即

(2)

umdmν>105

式中：u為特征風速，m/s；d為當量直徑，m；ν為流體運動黏性系數，m2/s。

1.2 試驗裝置

1.2.1 模型參數

(1)模型主材選擇

隧道壁由熱軋鋼板(4 mm和2 mm)+防火玻璃(厚12 mm)/亞克板(厚10 mm)制作，見圖1。考慮到試驗實際情況，在火源附近使用4 mm厚熱軋鋼板，其余部分使用2 mm厚熱軋鋼板，其主材鋼板的選取滿足隧道壁面沿程摩阻系數范圍的規范要求[12]。

圖1 隧道材料示意(單位：m)

(2)模型長度確定

隧道模型長25 m[12]，由10節拼裝組成，每節長2.5 m,見圖2。

(3)模型橫斷面尺寸

模型隧道主隧道斷面為馬蹄形，寬度0.9 m，高度0.65 m，坡度2%，見圖3。斜井斷面為矩形，寬度0.5 m，高度0.35 m，長度6 m，坡度12%。含斜井的隧道現場模型見圖4。

圖2 隧道組成示意 (單位：m)

圖3 主隧道橫斷面示意(單位：m)

圖4 隧道現場模型

1.2.2 火源參數

模型采用油池火模擬火源，主要燃燒物質為乙醇。油盤尺寸決定火源的熱釋放速率，采用燃燒失重法計算火源的熱釋放速率，根據文獻[13-14]的油盤尺寸試驗結果，得到油池盤尺寸與火源熱釋放速率的關系，見圖5[12]。

圖5 油盤池面積與火源熱釋放速率關系

由圖5可知，燃燒擬合曲線為

A=34.208Q+6.3683

(4)

式中：A為油池面積，cm2；Q為火源熱釋放速率，kW。

由式(4)得到試驗油池盤的尺寸，如表2所示。

表2 試驗油池盤尺寸

1.3 采集設備

本次試驗采用TST 3826E擬靜態數據采集系統(2臺共120個采集信號通道)，溫度測量選用插入式鎧裝熱電偶，測試范圍選擇0～500 ℃和0～1 200 ℃兩種。

1.4 測點布置

主隧道縱向布置10個煙氣溫度測試斷面(ZW1～ZW10)，每個斷面有5個測點，其中每個斷面在拱頂位置布置1個測點，除各斷面拱頂共布置的10個測點外，主隧道頂部另布置31個測點，即主隧道拱頂共布置41個測點(Z1～Z41)；斜井內設置2個溫度測試斷面(XW1、XW2)，每個斷面有3個測點；共計87個溫度測點。溫度測點布置見圖6、圖7，溫度傳感器布置見圖8。

1.5 測試工況

通過不同的火災規模(15 MW、20 MW)、斜井風速(不通風、1 m/s、2 m/s、3 m/s)、主隧道風速(不通風、2.5 m/s)的組合，共進行了16組試驗，主隧道坡度為2%，斜井坡度為12%。具體工況如表3所示。

圖6 主隧道內溫度測點布置(單位：m)

圖7 斜井內溫度測點布置(單位：m)

圖8 溫度傳感器布置

工況火源規模/MW斜井風速/(m·s-1)主隧道風速/(m·s-1)1150(不通風)22031514200(不通風)515262071538209150(不通風)10201115112202.5131521420151531620

2 隧道火災模型試驗結果分析

2.1 主隧道溫度變化

2.1.1 隧道升溫規律

火災規模為20 MW時，燃燒持續15 min，火源上方拱頂處溫度隨時間變化曲線見圖9，試驗現場見圖10、圖11。

圖9 火災規模20 MW的拱頂溫度曲線

圖10 主隧道

圖11 火源

由圖9可知，在火災開始幾十秒內，主隧道內拱頂溫度急速上升，由30 ℃升至330 ℃，在第10 min達到最高溫度，約580 ℃，隨后火源溫度衰減過程大約持續5 min，溫度降至250 ℃，最后溫度緩慢降低。

2.1.2 火災規模對溫度的影響

主隧道不通風條件下，提取火災規模為20 MW和15 MW時主隧道拱頂的溫度變化曲線，二者對比見圖12。其中，橫坐標零點代表火源位置，橫坐標取正值代表有斜井段，橫坐標取負值代表不含斜井段，下文同。

圖12 不同火災規模下主隧道拱頂的溫度曲線

由圖12可知，主隧道不通風時，拱頂溫度變化較對稱，火源處溫度最高，火源兩側溫度逐漸降低，且主隧道上坡方向溫度大于下坡方向。隨著火災規模的增大，火源上方拱頂最高溫度升高。火災規模為20 MW和15 MW時，主隧道拱頂最高溫度分別為580 ℃和450 ℃。

2.1.3 主隧道風速對溫度的影響

火災規模為20 MW時，分別提取主隧道內不通風和風速2.5 m/s兩種工況下的主隧道拱頂溫度，兩條變化曲線對比見圖13。

圖13 不同主隧道風速下主隧道拱頂的溫度曲線

由圖13可知，主隧道內通風時的拱頂溫度低于不通風工況。主隧道內不通風和風速2.5 m/s時，拱頂最高溫度分別為580 ℃和440 ℃。

2.1.4 斜井風速對溫度的影響

火災規模為20 MW條件下，主隧道內不通風時，分別提取斜井不同風速(不通風、1 m/s、2 m/s、3 m/s)時主隧道拱頂溫度，4條溫度變化曲線對比見圖14。

圖14 不同斜井風速下主隧道拱頂的溫度曲線

由圖14可知，斜井向主隧道內送風的風速越大，帶有斜井主隧道段內的拱頂溫度越低，風速對不帶有斜井主隧道段溫度的影響較小。火源處最高溫度隨斜井送風風速的增加而降低。斜井不送風和送風風速1、2、3 m/s時，主隧道內拱頂的最高溫度分別達到580、560、540和500 ℃。

2.2 斜井煙流長度的變化

2.2.1 斜井風速對煙流長度的影響

火災規模為20 MW條件下，提取不同風速(不通風、1 m/s、2 m/s、3 m/s)時斜井內的煙氣蔓延長度，4條變化曲線對比見圖15，斜井煙氣蔓延的試驗現場見圖16、圖17。

圖15 不同斜井風速下的斜井內煙流長度曲線

圖16 斜井內煙流擴散情況

圖17 斜井出口煙氣蔓延情況

由圖15可知，煙氣在斜井內的蔓延長度隨斜井送風風速的增大而減小。由圖16可知，斜井內的火災煙氣呈現出明顯的分層現象，上部煙氣濃度大且擴散速度快，下部煙氣濃度小且擴散速度慢。當斜井不向主隧道送風時，450 s時火災煙氣的實際蔓延長度為78 m；當斜井風速為1 m/s時，在180 s時火災煙氣的實際蔓延長度為4 m；當斜井送風風速為2 m/s時，火災煙氣基本不進入斜井內；當斜井送風風速為3 m/s時，無煙氣進入斜井。因此可知，若將斜井設置為緊急出口，確保火災煙氣不進入斜井的臨界風速為2 m/s。

2.2.2 主隧道風速對煙流長度的影響

火災規模為20 MW、斜井不通風條件下，提取主隧道不通風和通風風速2.5 m/s時的斜井內火災煙氣蔓延長度，二者變化曲線對比見圖18。

圖18 不同主隧道風速下的斜井內煙流長度曲線

由圖18可知，與主隧道內不通風情況相比，主隧道內通風時，火災煙氣更容易侵入斜井。主隧道內不通風時，煙氣大約在火災發生后20 s侵入斜井；主隧道內風速為2.5 m/s時，煙氣大約在火災發生后15 s進入斜井。

3 模型試驗與數值模擬結果對比分析

采用火災動力學模擬軟件FDS，建立與試驗模型參數相同的隧道計算模型，見圖19、圖20。圖20中，綠點代表拱頂溫度測點。

圖19 計算模型

圖20 主隧道內部模型

主隧道內不通風、斜井不同風速(不通風、1 m/s、2 m/s、3 m/s)時，主隧道內拱頂溫度的試驗及數值計算結果對比見圖21。

圖21 主隧道內拱頂溫度曲線對比

由圖21可知，當斜井不通風時，主隧道拱頂最高溫度數值模擬結果為710 ℃；當斜井通風風速為1 m/s時，主隧道拱頂最高溫度數值模擬結果為650 ℃；當斜井通風風速為2 m/s時，主隧道拱頂最高溫度數值模擬結果為580 ℃；當斜井通風風速為3 m/s時，主隧道拱頂最高溫度數值模擬結果為550 ℃。拱頂最高溫度數值模擬結果隨斜井通風速度的增大而降低，與試驗結果一致。數值模擬的主隧道拱頂最高溫度高于模型試驗結果，主要由于隧道模型的制作主材為鋼材，燃燒時熱量損失較實際情況多，但二者變化規律基本一致。

4 結論

通過對含斜井特長鐵路隧道火災模型試驗的研究，得到如下結論：

(1)隨著火災規模的增加，火源上方拱頂最高溫度將增大。火災規模為20 MW和15 MW時，主隧道拱頂最高溫度分別為580 ℃和450 ℃。

(2)主隧道內通風工況的拱頂溫度低于不通風工況。主隧道內不通風和通風風速2.5 m/s時，拱頂最高溫度分別為580 ℃和440 ℃。

(3)斜井向主隧道內送風的風速越大，帶有斜井主隧道段內的拱頂溫度越低，斜井送風風速為3 m/s時火源拱頂最高溫度比不送風時降低80 ℃，斜井送風風速對不帶有斜井的主隧道段溫度影響較小。

(4)煙氣在斜井內的蔓延長度隨斜井送風風速的增加而減小。與不送風時相比，送風風速為1 m/s時斜井內煙氣長度減少74 m。

(5)確保火災煙氣不進入斜井式緊急出口的臨界風速為2 m/s。