電纜敷設方式和火源位置對不同防火分區長度的綜合管廊火災影響研究

肖 洋 鄧志輝 范登鑫

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

綜合管廊是用于容納電力、通信、給水等工程管線的城市地下構筑物，由于地上空間的緊張，綜合管廊已經在各大城市開始展露其重要性[1,2]。但是綜合管廊由于自身的特點，內部存在大量的可燃物，艙室內一旦發生火災將會直接、間接的造成巨大的經濟損失[3]。因此，有必要對綜合管廊的火災特性和發展進行研究，對減少財產損失，提升公共安全具有重要意義。

國內雖然對綜合管廊火災的研究起步較晚，近些年也取得了豐碩的研究成果。李政等研究了防火隔板對電纜艙在火災時的火勢發展及溫度分布的影響[4]；徐志勝等進行了綜合管廊電纜艙在不同起火位置時的人員安全性分析[5]；郭雄對綜合管廊發生火災時的煙氣逆流長度和臨界風速進行了規律性的研究[6]。以上研究的綜合管廊防火分區長度均不超過200m，但是在某些復雜的路況下，如十字路口、跨江管廊和穿山管廊，地面條件不支持布置風井，這時需要對綜合管廊的防火分區進行延長。住建部最新頒布的《城市地下綜合管廊建設規劃技術導則》也對長距離區間進行了說明。

基于以上分析，本文采用FDS 軟件對不同防火分區長度的綜合管廊電纜艙進行數值模擬，分析其在不同敷設方式和不同火源位置發生火災時的熱釋放速率，溫度分布，火災蔓延情況，熄滅時間的規律，為綜合管廊在實際工程中的火災防治提供參考。

1 火災模擬參數

1.1 FDS原理

本文選用美國國家標準與技術研究院（NIST）開發的FDS 來進行數值計算。FDS 中的湍流模型一般分為直接數值模擬和大渦模擬，直接數值模擬需要非常精細的網格和龐大的計算機資源，不適用于大型火災場景，因此本文所選用的湍流模型為最常用的大渦模擬，燃燒模型為混合分數燃燒模型。

在FDS 對綜合管廊火災的適用性方面，陳炳元、杜長寶等人分別進行了綜合管廊火災的實體實驗，并與數值模擬進行比較，結果表明擬合效果較好[7,8]。

1.2 物理模型

選取廣州市某綜合管廊電纜艙為研究對象，如圖1所示。設置不同的防火分區長度，分別為200m，300m，400m，斷面尺寸為3.2m（寬）×3.6m（高），混凝土厚度為0.3m。按照規范要求，并結合實際工程中的電纜布置情況，在艙室兩端安裝長為0.75m 的支架，層間距為0.4m，支架底部距離管廊為0.3m，頂層電纜支架距頂棚的距離符合轉彎半徑的要求，通道寬度為1.1m[9,10]。

圖1 管廊布局Fig.1 Layout of utility tunnel

1.3 火源設置

按照規范，初始火源功率設為275kW，為使其能引燃更多的電纜，火源設置在中部左側電纜的底部[11]。為符合實際，用電纜中厚度最大的絕緣材料交聯聚乙烯（XLPE）作為燃料。根據Clayton Huggett 的實驗表明，XLPE 消耗每單位質量的氧氣所釋放的熱量為13100 kJ/kg[12]，美國消防工程師協會也給出，XLPE 在燃燒時的煙產率平均值為0.12kg/kg，CO 產率的平均值為0.11kg/kg[13]。

1.4 網格尺寸

在使用FDS進行火災數值模擬時，網格尺寸一般通過火源特征直徑*D來確定，火源特征直徑的公式如下：

其中，Q為火災熱釋放速率，kW；ρ∞為空氣密度，kg/m3，c∞為空氣比熱容，(kJ/kg·K)；T∞為環境溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

在模擬過程中，網格尺寸越小計算精度越高，但同時會導致計算時間的增加，李政在全尺寸的數值模擬中設置網格尺寸為0.2m[4]；王明年在研究中選取網格尺寸為0.2m×0.2m×0.1m[3]。綜合考慮計算機資源以及計算精度，本文在發生火災區段60m內的網格尺寸為0.1m×0.1m×0.1m，其他區段的網格尺寸為0.2m×0.2m×0.1m。

1.5 材料和邊界條件設置

王明年和郭雄等人研究發現，電纜在燃燒過程中護套和絕緣層的熱釋放貢獻在90%以上[3,6]。110kV 高壓電纜多為單芯電纜，其絕緣層厚度最大，如圖2 所示。本文把電纜簡化為厚度最大，燃燒熱釋放量最多的XLPE，密度為920.0kg/m3，比熱容為2.5（kJ/kg·K），熱導率為0.48（W/m·K）。NIST 按照美國核監管委員會的要求進行了名為CHRISTIFIRE 的大型電纜燃燒項目，得到了不同材料電纜的，本文按照XLPE 電纜的燃燒試驗來選擇熱釋放速率曲線[14]。

圖2 高壓電纜截面Fig.2 Cross section of high voltage cable

本文考慮無檢修人員進入廊內的火災情況，并按照規范設置了感溫火災探測器，在感溫火災探測器響應之后的30s內，聯動關閉風口位置的防火閥，使管廊內部形成密閉空間，實現窒息滅火[9]。考慮最不利因素，在本文的研究中沒有設置自動滅火系統。

2 平行敷設方的結果分析

2.1 平行敷設方式的電纜火災發展

如圖3 所示，密閉的管廊電纜艙的火災主要分為兩個階段，發展階段與衰退階段，其火災熱釋放速率峰值達到了2710kW。為能清晰地看到火災發展過程，選取火源中間30m 的區段。如圖4 所示，由于高壓單芯電纜的特性，不能緊密排布，火焰在浮力作用下，不斷引燃上層電纜，在200s 時，最頂層電纜被引燃；在這之后火焰持續不斷地撞擊頂棚，出現了頂棚射流現象，伴隨著煙氣層溫度的升高和熱輻射的共同作用下，使得頂層電纜在縱向方向上被引燃的長度增加，對側電纜則是由上至下的被點燃，在879s 時火災熱釋放速率達到峰值；此時艙室內的氧氣已經不足，火災逐漸熄滅；在1146s時，火災熱釋放速率下降到0，艙室內無明火，火災已經熄滅。

圖4 電纜火災發展過程Fig.4 Development process of cable fire

當廊內發生火災時，過高的火場溫度不僅會引燃更多的電纜，還會對其他附屬設施以及艙室的結構造成一定的破壞，所以有必要對溫度分布進行分析，為便于觀察，選擇火源中區段40m 處。如圖5所示，在200s 時火災已經形成了300℃以上的高溫煙氣撞擊頂棚并沿著管廊縱向蔓延，此時火焰還沒有直接撞擊頂棚；隨著頂層電纜被引燃數量的增多，在400s 時，已經形成800℃以上的頂棚射流；在火災規模最大的879s 時，雖然火勢不斷地向兩側蔓延，但由于氧氣的消耗，火源中心的溫度已經下降；1000s 時，艙室最高溫度下降到600℃以下，高溫煙氣范圍也在縮小，在這之后火災發生熄滅。

圖5 縱向截面溫度場Fig.5 The temperature field of longitudinal section

2.2 不同防火分區長度對火災的影響

如圖6 所示，由于防火分區長度的改變使得整個艙室內氧氣含量增多，因此造成了火勢的進一步擴大。300m 的電纜艙在1083s 時火災熱釋放速率達到峰值，為3781kW，在1416s 時火災熄滅；在400m 的情況下，1192s 時火災熱釋放速率達到峰值，為4640kW，在1713s 時火災熄滅。同時，當防火分區長度發生改變之后，火災熱釋放速率的增長率也發生了改變，在電纜被引燃之后的800s 以內，其增長率幾乎恒定，為3.12kW/s，在800s～1000s 內，增長率平均值為3.99kW/s，在1000s～1200s 內，增長率為6.55kW/s，火災熱釋放速率的增長率與防火分區長度呈正相關。

圖6 不同防火分區的電纜火災熱釋放速率Fig.6 Heat release rate of cable fire in different compartments

由表1 可以看出，在火焰頂棚射流和高溫煙氣的共同作用下，防火分區長度的改變對頂層電纜影響最大，其火災蔓延長度近似等比例增加，且氧氣含量的增多也使得對側頂層電纜也更多的被引燃，從而導致火災熱釋放速率增長率在800s 之后的增加。位置越靠近下層影響越小，底部三層的電纜火災蔓延長度在不同長度的防火分區下幾乎不變。

表1 電纜火災蔓延長度Table 1 Spread length of cable fire

3 品字形敷設方式對火災的影響

高壓電纜在廊內敷設時，另一種常見的敷設方式為品字形敷設方式。高壓電纜多為單芯電纜，三相電纜呈品字布置時，在空間上三相電流的矢量和為零，可以提高電纜的載流量。但是，品字形敷設方式相較于平行敷設方式，電纜之間的過度擁擠會使得散熱效果變差，可能會具有更大的火災危險性[15]。

3.1 品字形敷設方式的電纜火災發展

如圖7 所示，在火災發展初期，品字形敷設的電纜排布緊密，底層電纜燃燒時火焰只能通過兩側向上蔓延，導致品字形敷設的電纜在豎向方向上火焰蔓延速度小于平行敷設方式，因此初期的火災熱釋放速率增長率較小，在300s 內的火災熱釋放速率的平均增長率為2.26kW/s。但同樣是由于電纜排列緊密，燃燒時由于熱傳導和熱輻射的影響，橫向電纜火災蔓延速度較平行布置較快，隨著火勢的發展品字形敷設方式的火災熱釋放速率增長較快，在300s～792s 期間的火災熱釋放速率的平均增長率為5.25kW/s。且在792s 時達到火災熱釋放速率峰值為3540kW，由于火勢更大，消耗艙室內的氧氣更快，在1032s 時火災熱釋放速率下降到0，火災熄滅。

圖7 不同敷設方式的電纜火災熱釋放速率Fig.7 Heat release rate of cable fire with different laying methods

3.2 不同防火分區長度對火災的影響

與平行敷設方式相同，當火災位于中心位置時，更長的防火分區長度導致密閉空間有更多的氧氣含量，火災規模擴大。由圖8 可以看出，防火分區長度為300m 時在1011s 到達其火災熱釋放速率峰值，為4103kW，在1342s 時火災發生了熄滅；防火分區長度為400m 時的電纜艙在1136s 到達其火災熱釋放速率峰值，為4720kW，熄滅時間為1609s。

圖8 不同防火分區的電纜火災熱釋放速率Fig.8 Heat release rate of cable fire in different compartments

在400m 內的防火分區長度，品字形敷設方式的電纜火災熱釋放速率峰值始終大于平行敷設方式，但是其差值呈逐漸減小的趨勢，分別是830kW，322kW 和80kW。出現這種現象是品字形敷設方式的電纜兩側間距較遠，引燃對側電纜更加困難。品字形敷設方式的電纜火災在防火分區長度為200m和300m 時都沒有引燃對側電纜，當防火分區長度為400m 時對側頂層電纜的電纜火災蔓延長度也沒有超過4m，遠小于平行敷設方式下的11.5m。

4 不同火源位置對火災的影響

4.1 不同火源位置的火災發展

在實際的火災場景中，火災可能發生在不同的位置，本節考慮火災發生在端部，分析其火災特性。如圖9 所示，火災在不同的位置下熱釋放速率的曲線相差不大，在777s 達到其火災釋放速率峰值，為2890kW，在1020s 時火災熄滅。

圖9 不同位置的電纜火災熱釋放速率Fig.9 Heat release rate of cable fire at different locations

但是，如圖10 所示，當火災發生在端部時，火勢并非呈對稱發展，且下層火焰向近壁端產生一定的傾角，類似通風速度使得火焰發生傾斜。通過分析，出現這種現象的原因是由于靠近端部的煙氣更快地撞擊近壁端產生回流，熱損失較小，下層電纜的左側溫度高于右側，形成了壓力差。但近壁端氧氣含量較少，很快被消耗，所以使得頂層電纜火災向遠壁端蔓延。

圖10 火焰傾斜和溫度分布Fig.10 Flame tilting and temperature distribution

4.2 不同防火分區長度對火災的影響

當防火分區長度改變時，如圖11所示，火災熱釋放速率曲線幾乎相同，說明電纜火災蔓延范圍沒有擴大，氧氣在更長的防火分區下并沒有被完全消耗。考慮到是煙氣壓迫所導致的火災熄滅，選擇煙氣前端120m～200m范圍的溫度分布來進行觀察。

圖11 不同防火分區長度的電纜火災熱釋放速率Fig.11 Heat release rate of cable fire in different compartments

選擇觀察120m～200m 的煙氣溫度分布，如圖12 所示。在200s 時，煙氣已經蔓延到120m 處。隨著火勢的擴大，使得管廊內壁被加熱，導致熱損失減小。在600s、800s 時，可以看出溫度分布沒有明顯的變化，說明在與冷空氣的熱量交換以及壁面的吸熱作用下，煙氣前端溫度已經下降到環境溫度，煙氣縱向流動過程很緩慢，無法卷吸更多的遠端空氣進入火源區段，使得火勢逐漸下降；同時因為火源處的溫度降低導致煙氣前進動量減少，沉降速度加快，火災發生了熄滅。所以，位于電纜艙端部的火災發生熄滅并不是由于整個艙室內的氧氣不足所致，而是煙氣壓迫阻礙空氣進入所導致，當防火分區長度發生改變時火災的危害性沒有擴大。

圖12 煙氣在120m-200m的溫度分布Fig.12 Temperature field of smoke in 120m-200m

5 結論

（1）當火災發生在電纜艙中部時，火災發展和溫度都呈對稱分布，且平行敷設方式的電纜火災熱釋放速率的增長率隨著防火分區長度的增加而增大。

（2）品字形敷設方式的電纜火災規模在400m內始終大于平行敷設方式，但由于平行敷設方式的電纜與對側電纜的距離較近，使得火災熱釋放速率的峰值差距隨著防火分區長度的增加而減小。

（3）當火災發生在電纜艙端部時，火焰在下層電纜由于兩端的溫度差形成了一定的火焰傾角，且由于煙氣的沉降，防火分區長度的改變并沒有擴大電纜火災的規模，所以在整個綜合管廊中更應該注重艙室中部的防火設計。