縱向通風(fēng)地鐵隧道火災(zāi)頂棚煙氣溫度試驗(yàn)研究

摘要：要實(shí)現(xiàn)地鐵隧道主體結(jié)構(gòu)的有效防火保護(hù)，關(guān)鍵在于研究隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)頂棚下方煙氣溫度的變化特性。按照Froude模型的原理，搭建小尺寸隧道模型，運(yùn)用溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)、模型火源設(shè)計(jì)與試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)等試驗(yàn)方法，針對(duì)隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)，隧道頂棚煙氣縱向溫度和通風(fēng)風(fēng)速、火源功率之間的聯(lián)系開(kāi)展研究。試驗(yàn)成果顯示，通風(fēng)風(fēng)速與火源功率對(duì)隧道火災(zāi)時(shí)頂棚縱向煙氣溫度的影響顯著，以縱向通風(fēng)方向作為考慮方向，隧道頂棚溫度的變化呈現(xiàn)出沿隧道上下游兩側(cè)相對(duì)對(duì)稱分布的特征，溫度隨隧道中間位置距離的增大而逐漸降低；當(dāng)設(shè)備風(fēng)機(jī)的風(fēng)速增大時(shí)，隧道頂棚的煙氣溫度會(huì)逐漸下降；隨著隧道火災(zāi)火源功率的增加，隧道頂棚的煙氣溫度則會(huì)逐步上升。

關(guān)鍵詞：小尺寸模型；隧道頂棚；煙氣溫度；通風(fēng)風(fēng)速；火源功率

中圖分類(lèi)號(hào)：U231+.96" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2025）07-0010-03

0 引言

在城市化快速發(fā)展的當(dāng)下，軌道交通已成為人員高度聚集的公共區(qū)域，其安全問(wèn)題備受關(guān)注。在眾多災(zāi)害類(lèi)型里，火災(zāi)在軌道交通系統(tǒng)所發(fā)生的災(zāi)害中頗具代表性。據(jù)相關(guān)資料，隧道內(nèi)火災(zāi)事故數(shù)量（包括列車(chē)車(chē)廂內(nèi)部火災(zāi)事故）占總體地鐵火災(zāi)事故的52%[1-2]。在軌道交通系統(tǒng)中，地下站臺(tái)和區(qū)間隧道內(nèi)的燃燒狀況，以及煙氣與有毒有害物質(zhì)的傳播擴(kuò)散，成為突出的安全隱患。城市軌道交通的區(qū)間隧道空間相對(duì)封閉，可視性較差。在這樣的環(huán)境中，一旦發(fā)生火災(zāi)，產(chǎn)生的煙氣難以在短時(shí)間內(nèi)排出。此外，因其客運(yùn)量大、乘客集中，運(yùn)營(yíng)環(huán)境相對(duì)封閉，一旦列車(chē)運(yùn)行中發(fā)生火災(zāi)被迫停在區(qū)間隧道內(nèi)，火勢(shì)蔓延速度快，極易造成人員傷亡[3-4]。鑒于火災(zāi)對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)造成的破壞以及后續(xù)修復(fù)面臨的諸多難題[5-6]，對(duì)隧道主體結(jié)構(gòu)實(shí)施有效的防火保護(hù)措施已刻不容緩。因此，針對(duì)火災(zāi)時(shí)影響隧道頂棚下煙氣最高溫度的相關(guān)因素展開(kāi)深入研究，對(duì)于完善隧道防火保護(hù)措施具有至關(guān)重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 模型試驗(yàn)

1.1" 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团_(tái)設(shè)計(jì)

按照Froude模型原理，搭建一個(gè)幾何比例為1：10的小型隧道模型。這個(gè)小比例的模型隧道，主要由3部分構(gòu)成：長(zhǎng)度為15m的區(qū)間隧道、長(zhǎng)度達(dá)10m的排煙風(fēng)道，以及一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)。其中，區(qū)間隧道縱向斷面尺寸為490mm×530mm，經(jīng)計(jì)算可得其斷面面積為0.2597m2，而實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团_(tái)的斷面系數(shù)是0.88。在區(qū)間隧道模型設(shè)計(jì)方面，其縱向長(zhǎng)度設(shè)定為15m。實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，通過(guò)把15個(gè)長(zhǎng)度均為1m的長(zhǎng)方體進(jìn)行拼接組裝，以此構(gòu)成完整的區(qū)間隧道模型。區(qū)間隧道模型的支架設(shè)計(jì)充分考慮與區(qū)間隧道模型的縱向長(zhǎng)度、寬度保持一致。在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，選用5段長(zhǎng)度為3.0m、高度為1.0m的材料，采用型鋼焊接的工藝將它們連接起來(lái)。為確保實(shí)驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)固，在安裝過(guò)程中，對(duì)每一段材料均使用螺絲釘固定在地板上。區(qū)間隧道模型斷面寬0.49m，高0.53m。

1.2" 溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

火災(zāi)工況中，一般選用K型鎧裝熱電偶來(lái)測(cè)量隧道內(nèi)空間點(diǎn)溫度。熱電偶布置在隧道頂棚下方0.5cm處，沿縱向每隔20cm設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。此外，挑選8個(gè)典型斷面，各個(gè)斷面的水平間距分別為20、20、10、20、10、20、20cm。在8個(gè)具有代表性的斷面中心，依照高度方向來(lái)布置熱電偶樹(shù)。在每一棵熱電偶樹(shù)上，總共設(shè)置5個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，依次標(biāo)記為a、b、c、d、e點(diǎn)。其中，最高位置的熱電偶a點(diǎn)，安置在距離隧道拱頂下方0.5cm處；另外4個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)b、c、d、e點(diǎn)與最高測(cè)點(diǎn)a點(diǎn)的高度間隔分別是11.5、21.5、31.5、41.5cm。實(shí)驗(yàn)中，比例隧道模型的風(fēng)速數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字風(fēng)速儀對(duì)測(cè)點(diǎn)截面進(jìn)行測(cè)量。此次通風(fēng)風(fēng)速測(cè)量共需獲取4個(gè)風(fēng)速截面的風(fēng)速數(shù)據(jù)，在15m長(zhǎng)的小比例隧道模型中，每3m設(shè)置一個(gè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)截面，數(shù)字風(fēng)速儀測(cè)點(diǎn)在隧道截面上共布置4個(gè)。隧道通風(fēng)風(fēng)速最終取自風(fēng)速測(cè)點(diǎn)隧道斷面圖數(shù)字風(fēng)速儀測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值。

1.3" 模型火源設(shè)計(jì)與試驗(yàn)工況安排

為在燃燒時(shí)獲取比較穩(wěn)定的熱釋放速率，在區(qū)間隧道模型實(shí)驗(yàn)中，模擬火源采用工業(yè)甲醇，其純度為94%。同時(shí)，為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可靠性及實(shí)用性，并探究火災(zāi)煙氣在小尺度隧道模型中的擴(kuò)散規(guī)律，本文通過(guò)燃燒發(fā)煙餅?zāi)M火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣生成過(guò)程，系統(tǒng)觀測(cè)煙氣在受限空間內(nèi)的整體流動(dòng)特性。基于實(shí)驗(yàn)確定的火災(zāi)功率，設(shè)計(jì)了3款油盤(pán)。這3款油盤(pán)高度均為4cm，長(zhǎng)寬尺寸分別為7cm×7cm、9cm×9cm、11cm×11cm，油盤(pán)采用6mm厚的焊接鋼板制作。為深入研究火災(zāi)工況下隧道頂棚煙氣縱向溫度的變化情況，共設(shè)計(jì)了15組實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)在1.1節(jié)所設(shè)計(jì)的模型臺(tái)中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)方案中的變量為火源熱釋放速率和縱向通風(fēng)速度，火源變化通過(guò)改變油盆大小來(lái)控制，其熱釋放速率分別為1.59kW、3.19kW和4.78kW；縱向通風(fēng)速度變化通過(guò)調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)量來(lái)控制，風(fēng)速控制在0.11～0.61m/s之間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)各工況的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在同等條件下，隧道頂棚煙氣縱向溫度會(huì)隨火源功率和通風(fēng)風(fēng)速的改變而變化，三者之間存在一定關(guān)聯(lián)。圖1～3為相同火源功率下不同通風(fēng)風(fēng)速對(duì)隧道頂棚煙氣縱向溫度的影響[7]。圖表橫坐標(biāo)中-6～0m為隧道上游位置，火源位于隧道中心位置，0～6m為隧道下游位置。在圖1～3中，當(dāng)火源功率分別為1.59、3.19、4.78kW時(shí)，通風(fēng)風(fēng)速范圍為0.11～0.61m/s。受左側(cè)隧道上游通風(fēng)風(fēng)速影響，隧道煙氣由隧道上游向中間火源位置和右側(cè)隧道下游擴(kuò)散，受縱向風(fēng)速影響，隧道內(nèi)煙氣羽流上升方向及形式發(fā)生變化，隧道頂棚最高煙氣溫度出現(xiàn)在隧道下游0.5m處。當(dāng)火源功率為1.59kW時(shí)，通風(fēng)風(fēng)速為0.11～0.47m/s，隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速升高，隧道頂棚最高煙氣溫度由85℃降至70℃。而在隧道上游位置，由于風(fēng)機(jī)安裝于隧道上游處，靠近風(fēng)機(jī)處風(fēng)速較大，通風(fēng)效果明顯。隧道頂棚煙氣溫度隨距離風(fēng)機(jī)越近而越低。在隧道上游2m附近煙氣開(kāi)始逆流，通風(fēng)風(fēng)速達(dá)到臨界風(fēng)速后，煙氣不再向隧道上游擴(kuò)散，因此隧道上游3～6m處隧道頂棚煙氣溫度分布大體一致。而在靠近火源位置，隧道上游1m處，隧道頂棚煙氣溫度逐漸升高。這是因?yàn)樵谒淼乐校L(fēng)機(jī)縱向通風(fēng)方向與火災(zāi)煙氣產(chǎn)生的熱浮力效應(yīng)方向相反，導(dǎo)致隧道上游1m處出現(xiàn)與縱向通風(fēng)方向相反的煙氣流動(dòng)阻力。在隧道下游位置，煙氣產(chǎn)生的熱浮力效應(yīng)方向與隧道上游的通風(fēng)方向一致。這種同向性加快了火災(zāi)煙氣的排出速率，使得該區(qū)域溫度相較于相同風(fēng)速條件下的水平隧道更低。這個(gè)趨勢(shì)隨著通風(fēng)風(fēng)速增加而愈發(fā)明顯。隨著通風(fēng)風(fēng)速的上升，隧道下游頂棚煙氣溫度逐漸降低。

圖4展示了在通風(fēng)風(fēng)速保持恒定的條件下，不同火源功率對(duì)隧道頂棚煙氣縱向溫度分布的影響[8]。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速分別為0.21、0.31、0.41m/s時(shí)，火源功率范圍為1.59～4.78kW，受左側(cè)隧道上游通風(fēng)風(fēng)速的影響，隧道煙氣由隧道上游向中間火源位置和右側(cè)隧道下游擴(kuò)散，隧道頂棚最高煙氣溫度出現(xiàn)在隧道下游0.5m處。當(dāng)通風(fēng)風(fēng)速為0.21m/s時(shí)，火源功率范圍為1.59～4.78kW，隧道頂棚最高煙氣溫度隨著火源功率的變化由75℃升高至122.1℃。由此可見(jiàn)，隧道頂棚最高煙氣溫度與火源功率的大小存在一定關(guān)系。在隧道上游位置4～6m處，隧道頂棚煙氣溫度基本維持在20℃左右。在靠近火源位置，隧道上游1～3m處，當(dāng)火源功率為1.59kW時(shí)，隧道頂棚煙氣溫度仍然在20℃左右波動(dòng)。隨著火源功率的升高，隧道頂棚煙氣溫度逐漸升高，但仍在40℃左右波動(dòng)。在隧道下游1～6m處，當(dāng)火源功率升高時(shí)，隧道頂棚煙氣溫度隨之升高。當(dāng)離火源位置越遠(yuǎn)，隧道頂棚煙氣溫度越低。當(dāng)火源功率為3.19、4.78kW時(shí)，兩者的頂棚煙氣溫度在40～60℃之間，且相差值不大。在開(kāi)啟風(fēng)機(jī)的縱向通風(fēng)工況下，通風(fēng)帶走煙氣熱量，因此隧道上下游頂棚煙氣溫度變化不大。當(dāng)火源功率相差不大，或火源功率較小時(shí)，對(duì)隧道上下游遠(yuǎn)離火源位置的頂棚煙氣溫度影響較小。

3 結(jié)論

基于上述討論，本文的核心結(jié)論可歸納為3點(diǎn)：①風(fēng)機(jī)工況下，受通風(fēng)風(fēng)速方向影響，隧道頂棚煙氣最高溫度位于隧道下游0.5m處，將隧道下游0.5m處設(shè)定為中間位置，針對(duì)不同火源功率及不同縱向通風(fēng)風(fēng)速的工況，隧道頂棚溫度沿隧道上下游兩側(cè)相對(duì)對(duì)稱變化，且隨著距離中間位置越遠(yuǎn)而逐漸降低。②隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，若火源功率維持恒定，隨著通風(fēng)風(fēng)速逐漸增大，隧道頂棚煙氣溫度會(huì)緩慢降低。由于火源產(chǎn)生煙氣的熱浮力效應(yīng)與隧道上游通風(fēng)方向存在差異，在靠近風(fēng)機(jī)的隧道上游區(qū)域，頂棚煙氣溫度有所下降；而在隧道下游，熱浮力效應(yīng)與通風(fēng)效應(yīng)相互疊加，加速了煙氣排出，致使該區(qū)域溫度低于相同風(fēng)速條件下的水平隧道。隨著通風(fēng)風(fēng)速不斷升高，這一變化趨勢(shì)愈發(fā)顯著。③在通風(fēng)風(fēng)速工況恒定的條件下，隧道頂棚最高煙氣溫度與火源功率呈正相關(guān)關(guān)系。火源功率越大，隧道頂棚最高煙氣溫度越高；當(dāng)設(shè)定的火源功率數(shù)值相差不大或火源功率較小時(shí)，對(duì)隧道上下游遠(yuǎn)離火源位置的頂棚煙氣溫度影響較小。

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