不同封堵方式下隧道火災火焰自熄行為試驗研究

趙戰(zhàn)豐

（中信建設有限責任公司 北京 100027）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和城市建設的加快，大量的隧道被建設以緩解交通壓力，隧道在方便出行的同時，也帶來了安全隱患，其中隧道火災是其中最危險的災害之一。以2017年中國香港地鐵縱火事件為例，導致18人直接受傷[1]。由此可見一旦發(fā)生火災將對公共安全造成嚴重危害。

由于隧道特殊的狹長結構，火災發(fā)生后，火焰燃燒產(chǎn)生的高溫有毒煙氣將在隧道內聚集，將會對隧道內人員安全及隧道結構產(chǎn)生極大的威脅，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，火災中約85%的受害者是死于高溫有毒煙氣。隧道通風排煙系統(tǒng)被廣泛用于控制隧道火災煙氣，如縱向通風系統(tǒng)、橫向通風系統(tǒng)和半橫向通風系統(tǒng)。研究人員通過試驗和數(shù)值模擬對隧道通風系統(tǒng)的各種關鍵問題進行了多項研究，包括臨界風速[2-5]，最高煙氣溫度[3,6]，縱向溫度分布[7,8]以及點式排煙[1,9-11]等。

隧道通風可以有效控制火災煙氣，但火焰仍持續(xù)燃燒直到可燃物耗盡，持續(xù)燃燒會對隧道結構和設施造成危害。當隧道發(fā)生火災時，在距離隧道火源一定距離處進行封堵，可以通過降低火焰區(qū)域的氧含量來有效撲滅隧道火焰，降低燃燒時間從而減少損失。例如，成寶鐵路隧道因油罐車燃油泄漏而起火，最終采用封堵隧道成功撲滅火焰，但整個過程仍耗時9天，造成了巨大的經(jīng)濟損失[12]。因此，有必要進一步研究隧道在封堵條件下的火焰燃燒特性及自熄特性。

已有一些關于隧道火災封堵的文獻，大多集中在封堵率對火災行為的影響上。陳長坤在1:9的模型隧道中進行了一系列的封堵試驗，研究了不同封堵率下隧道頂壁下方最高煙氣溫度，并提出了臨界封堵率的概念[13,14]。姚永征等人提出了一個經(jīng)驗模型來預測隧道入口封堵條件下的頂壁下方最高煙氣溫度，結果表明，最大煙氣溫升與無量綱火源功率存在3/4次冪關系[15,16]。黃有波等人通過數(shù)值模擬的方法，模擬了在不同火源功率和封堵率下火災煙氣溫度變化，隧道頂壁下方的最高煙氣溫度沿著隧道縱向方向呈指數(shù)衰減[17]。

然而，在隧道封堵條件下，隧道火焰自熄時間、封堵距離、封堵策略等影響隧道封堵條件下火焰特性的因素的研究較少。本文開展了一系列試驗，研究了隧道封堵率、火源功率、封堵距離、封堵策略對隧道內火焰自熄行為的影響。

1 模型試驗

隧道內發(fā)生火災時，隧道內的煙氣流動和傳熱過程比較復雜，在全尺寸隧道中進行火災試驗是研究煙氣流動和傳熱最有效的方式之一，但由于全尺寸火災試驗花費高且破壞性大，很難開展。基于Froude準則數(shù)相等的小尺寸試驗被廣泛應用于隧道火災研究中。模型隧道與全尺寸隧道中火源熱釋放速率、煙氣溫度的對應關系可以分別用式（1）、（2）表示。

式中：Qm為隧道模型中火源功率，kW；Qf為全尺寸隧道的火源功率，kW；α為隧道縮尺比例；Tm為模型隧道中的煙氣溫度，℃；Tf為全尺寸隧道中的煙氣溫度，℃。

1.1 隧道模型

本文試驗采用1:10的縮尺隧道模型，如圖1所示。模型隧道長12m，寬0.5m，高0.5m，隧道下方安裝30cm高支架，隧道一側為1cm厚鋼化玻璃，便于觀察試驗現(xiàn)象，隧道的頂部、底部、側面采用10mm厚防火板，運用石膏板作為封堵材料進行封堵。隧道火源位于隧道中心位置，煙氣溫度采用直徑為1mm的K型熱電偶，熱電偶精度為±1.5℃，測溫范圍為0～1300℃，采用Agilent 34980 A采集溫度數(shù)據(jù)，采樣間隔為5s。在該1:10的模型隧道中，熱電偶布置于隧道頂壁下方2cm處，沿隧道橫向中心線縱向布置，熱電偶間距10cm。

圖1 隧道模型Fig.1 Tunnel model

在試驗中采用高度為2cm的正方形甲醇油池火來模擬火源，火源功率可以通過式（3）計算得到。

式中：χ為燃燒效率；mf為燃料質量損失率，g/s；ΔH為燃燒熱，kJ/g。

甲醇燃料的燃燒效率可以被認為是1，其燃燒熱為19.93kJ/g，根據(jù)已有試驗研究，甲醇燃料在隧道內燃燒的質量損失率平均值約為0.0016g/(s·cm2)。試驗中不同尺寸油盤的火源功率詳見表1。

表1 火源功率Table 1 Heat release rate

1.2 工況設計

為了研究隧道火焰在封堵情況下，火焰燃燒狀態(tài)及隧道頂壁下方煙氣溫度變化，試驗中采用50%～100%的7種封堵率和兩種不同的封堵策略，本文中將封堵率定義為封堵面積占隧道橫截面積的比例；封堵策略分別是從隧道底部到頂部封堵，叫做下封堵，另一種是從隧道頂板到隧道底部封堵，稱為上封堵，部分封堵工況可見圖2。試驗中均采用放火石膏板進行封堵。

圖2 封堵示意圖Fig.2 Sealing diagram

在封堵試驗中，每組試驗結束后由于隧道兩側入口封堵，隧道內氧氣含量降低，隧道內溫度升高。為了保證每組試驗開始時隧道內初始環(huán)境一致，我們在每組試驗結束后對隧道進行至少一小時的通風，以此來降低隧道內溫度及含氧量對試驗結果的影響。詳細的試驗列于表2。

表2 試驗工況統(tǒng)計Table 2 Experiment conditions

2 試驗結果及討論

2.1 火焰特性

通過一側的鋼化玻璃可以觀測到隧道內的火焰燃燒狀態(tài)。火焰熄滅主要有兩種情況，一種情況是燃料耗盡；另一種情況是氧氣含量極低不足以維持燃燒，該種情況被定義為火焰自熄。該系列試驗中主要通過隧道內火焰熄滅后油盤內燃料是否剩余來判斷是否發(fā)生自熄。試驗工況中發(fā)生自熄的工況見表3。

表3 自熄工況統(tǒng)計Table 3 Self-extinguish conditions

通過表3分析可知，在本文的試驗中，當隧道封堵率大于等于80%時隧道內火焰才會發(fā)生自熄。且封堵率越大、火源功率越大，火焰越容易發(fā)生自熄。主要原因是隧道封堵率越大，火焰燃燒中可提供的新鮮空氣越少，供氧量越少，火焰更容易發(fā)生自熄。同一封堵率下，火源功率越大，火焰維持燃燒需要的氧氣含量越高，因此火源功率越大，隧道內火焰越容易發(fā)生自熄。

對于70%以上封堵率的工況，隧道內火焰燃燒5min之后，燃燒火焰不連續(xù)出現(xiàn)斷層，如圖3所示，該現(xiàn)象被認為是“鬼火”現(xiàn)象，與Foote等人觀察現(xiàn)象一致[18]。“鬼火”現(xiàn)象主要是高溫環(huán)境下隧道內汽化燃燒在隧道內燃燒導致的，表明隧道內火焰燃燒不充分，氧氣含量低。

圖3 試驗中“鬼火”現(xiàn)象Fig.3 “Ghosting fire”in some tests

2.2 隧道頂壁下方煙氣溫度

圖4為不同火源功率及不同封堵率下，火源處煙氣溫度隨時間變化規(guī)律。從圖中可以，在封堵試驗中，除100%封堵工況外，隧道頂壁下方的煙氣溫度隨時間變化趨勢基本相似。主要的差別在于，隧道封堵率越大，煙氣溫度的相對穩(wěn)定段越短；火源功率越大，相同封堵率下煙氣溫度的波動越大。

圖4 不同火源功率及封堵率下煙氣溫度變化Fig.4 Smoke temperature change with time at different HRRs and sealing ratios

通過對比分析，隧道頂壁下方煙氣溫度變化可分為5個階段。以4.37kW火源功率在90%封堵率下的溫度變化為例，如圖5所示。第一階段為快速發(fā)展階段，該階段與無封堵隧道發(fā)展狀態(tài)基本相同，火焰高度和煙氣溫度都在快速增長。第二階段為“準穩(wěn)態(tài)”燃燒段，在此階段隧道內火焰穩(wěn)定燃燒，煙氣溫度也保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。但在不用的火源功率及封堵工況下，該階段的持續(xù)時間差別較大。第三階段為二次發(fā)展階段，在此階段隧道頂壁下方煙氣溫度先降低后開始緩慢上升，同時火焰開始一定程度的擺動。第四階段為“二次穩(wěn)定段”，煙氣溫度在該階段再次保持相對穩(wěn)定，此階段的持續(xù)時間隨著火源功率和封堵率的不同而不同。最后階段為熄滅階段，火焰高度和煙氣溫度逐漸降低，直至火焰完全熄滅。

圖5 4.37kW火源功率在90%下封堵工況時頂棚下方煙氣溫度變化Fig.5 The smoke temperature change with time under the tunnel ceiling of the fire source 4.37kw with the tunnel entrances 90%down sealed

理論上，隧道內氧含量是隧道封堵與開放條件下火焰特性和煙氣溫度變化不同的主要原因。在前兩個階段，隧道內的氧氣含量相對比較充足，火焰形態(tài)變化和溫度變化與開敞隧道內火焰變化相似。經(jīng)前兩個階段的燃燒后，火源附近的氧氣量不足以維持火源的持續(xù)穩(wěn)定燃燒，火焰不斷震蕩且火苗不斷增高以增大與氧氣的接觸面積。但隨著隧道入口處的新鮮空氣不斷向火源處移動，火源附近的氧氣量增加，保證火焰在一定時間的穩(wěn)定燃燒。持續(xù)的燃燒導致隧道內氧氣量不斷減少，火焰被拉伸成細長形并開始逐漸變小，當隧道內氧氣量不足以保證燃料燃燒或者油盤內燃料燃燒殆盡時，隧道內火焰熄滅。

2.3 封堵方式對隧道內火焰形態(tài)的影響

試驗中采用了兩種封堵方式，一種是從隧道底部到頂部的封堵，被稱為下封堵；另一種是從隧道頂板到隧道底部的封堵，被稱為上封堵。兩種封堵方式不同，導致隧道內煙氣流動形式也有不同。通過對比隧道內火焰自熄時間及頂壁下方煙氣溫度變化，分析隧道不同封堵策略對火災發(fā)展特征的影響。

由表4可以看出，相對于下封堵方式，上封堵條件下，隧道內火焰更容易發(fā)生自熄，這是由于在兩種工況下隧道內通風與煙氣流動方式不同造成的。

表4 不同封堵策略下自熄工況統(tǒng)計Table 4 Self-extinguished conditions with different sealing strategies

在上封堵隧道中，火焰產(chǎn)生的煙氣沿隧道兩側擴散。擴散至隧道兩側封堵處時，煙氣無法排除隧道外而在隧道封堵處不斷沉降，當沉降至封堵隧道開口處時，隧道內煙氣在外界補風的作用下被吹向火源方向，一定程度上阻止了新鮮空氣補充進隧道內。隨著煙氣的不斷流動，煙氣在隧道火焰附近不斷積聚，氧氣量減小。因此在上封堵隧道中火焰更容易發(fā)生自熄，上封堵隧道內的氣體流動方式如圖6（a）所示。

而在下封堵隧道內，火災煙氣沿隧道縱向擴散至隧道兩側后，煙氣可沿隧道上側出口直接排除隧道。隧道下部的空氣流動至火源位置，為火焰燃燒提供氧氣，這是下封堵隧道壁上封堵隧道燃燒時間長的主要原因，下封堵隧道內的氣體流動方式如圖6（b）所示。

圖6 隧道內氣體流動示意圖Fig.6 Schematic diagram of gas flow in tunnel

2.4 封堵距離對隧道內火焰形態(tài)的影響

設置3組封堵距離試驗來研究封堵距離對隧道內火焰自熄的影響。由于試驗條件的限制，只對下封堵工況進行改變封堵距離對比試驗分析，試驗結果見表5。

表5 不同封堵距離下自熄工況統(tǒng)計Table Self-extinguished conditions with different sealing distances

在同一火源功率和同一封堵率下，封堵距離越短，隧道內的火焰就更加容易熄滅。主要原因是封堵距離越短，隧道內的氧氣量就越少，同時封堵距離限制了隧道內的空氣流動，火焰燃燒氧氣供應量不足，火焰燃燒也就更容易熄滅。

3 結論

通過一系列的縮尺試驗和理論分析，研究了不同火源功率、封堵率、封堵方式和封堵距離下封堵隧道火焰特性，主要結論如下：

（1）隧道封堵率越大、火源功率越大、封堵距離越小，火焰越容易發(fā)生自熄。

（2）在不同的封堵率下，隧道頂壁下方的煙氣溫度變化趨勢相似。封堵條件下隧道內煙氣溫度變化經(jīng)歷大致五個過程，隧道內煙氣溫度變化與隧道內氧氣含量相關。

（3）隧道上封堵條件下，火焰更容易自熄，這是隧道內煙氣流動造成的，這也意味著，隧道火災采用封堵滅火時，適宜采用上封堵策略。

本文對封堵隧道的火焰行為進行試驗研究，可以為隧道火災封堵滅火提供一定的技術支持。為了進一步為實際工程的封堵滅火提供設計依據(jù)，尚需對隧道頂壁下方最高煙氣溫度、封堵滅火時間等方面進行深入研究。