傾斜隧道火災時高溫煙氣流蔓延特征研究

苑香剛

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433）

傾斜隧道火災時高溫煙氣流蔓延特征研究

苑香剛

（上海公路橋梁（集團）有限公司，上海市 200433）

利用FDS數值計算手段，針對傾斜隧道發生火災時隧道內的環境場進行數值模擬。通過分析火災時隧道內煙氣蔓延規律、溫度分布，以及能見度變化特征，研究隧道傾斜段對火災時隧道內環境場的影響。結果表明：隧道坡段的存在對高溫煙氣的蔓延、溫度，以及能見度具有較大的影響，并且給隧道內人員的疏散逃生帶來新的問題。

隧道火災；煙氣蔓延；溫度分布；能見度；傾斜隧道

0　引言

隧道發生火災時，產生大量的熱與濃烈的煙氣，受到隧道結構的限制，高溫煙氣流在熱浮力的驅動下將迅速積聚在隧道頂部，并沿隧道縱向方向蔓延［1］。對于隧道有坡度的情況下，坡度產生的煙囪效應使得煙氣沿隧道的沿縱向，以及沉降蔓延更加復雜［2］，尤其是沿上坡方向，煙氣的蔓延更加劇烈，并且會對下坡方向的煙氣蔓延造成一定影響，使得人員在逃生過程中需要判斷出正確的路徑。

趙望達等［3］以獅子洋隧道為背景利用FDS研究了隧道坡度對火災的影響，得出隧道坡度對煙氣蔓延的影響隨著隧道坡度增大而增大，而且存在臨界突變，并且煙氣蔓延至最大又存在回流現象。趙建賀［4］通過小尺寸及中尺寸傾斜通道火災實驗，以及FDS數值計算對隧道內溫度分布及煙氣蔓延進行了研究，發現煙氣溫度沿傾斜通道縱向呈冪指數衰減。趙紅莉等［5］研究了隧道坡度對煙氣流縱向分布，以及最高溫度的影響，研究結果表明隧道的坡度對隧道坡度上下游溫度分布都有影響，既有可能加速火災的燃燒，也有可能降低隧道內的溫度。前人對隧道坡度影響煙氣蔓延的影響已有研究，但受到坡度大小的限制，以及研究內容的不同，隧道坡度對煙氣蔓延、溫度分布的影響仍需進一步進行研究。

本文針對大坡度5%市政隧道發生火災時煙氣蔓延、特征高度的溫度、能見度進行研究。以某隧道工程為依托，利用CFD-FDS數值計算的手段對發生在隧道坡段的火災進行仿真模擬，通過對隧道內煙氣蔓延、溫度場分布及能見度變化的研究，揭示隧道出入口坡段發生火災時，隧道內環境場的變化，為隧道發生火災時，煙氣的控制及人員疏散逃生提供參考和理論依據。

1　隧道模型及參數

1.1隧道模型及網格劃分

以某道路盾構隧道為研究對象，該隧道直徑為10.36 m，長543 m，行車道凈高為6.66 m。入口處下坡坡度為4.95%，長約180 m；出口處上坡坡度為4.9%，長約170 m；中間段為1%的上坡連接入口與出口坡段。該項研究以實際工程尺寸進行建模，研究實際隧道發生火災時，煙氣及溫度、能見度的變化。為了降低計算時間成本，將隧道簡化為直墻拱形，隧道模型如圖1所示。

圖1　隧道建模示意圖

隧道模型尺寸：凈寬x=10.36 m，縱向長y=543 m，凈高z=6.66 m；

網格尺寸為：x方向0.5 m，y方向0.5 m，z方向0.5 m，該網格既可以保證計算穩定，也不需太長的計算時間。

1.2火源設定

根據《道路隧道設計規范》，建議的火災熱釋放率（HRR）：對于小轎車取3～5 WM；對于長途汽車或公交車取20～30 MW［6］。考慮道路隧道內的實際通行情況，主要以小汽車和公交車為主，選取20 MW作為火源的熱釋放速率模擬公交車火災。火源熱釋放速率采用公式［7］：

式中：α為火災熱釋放率增長系數，取0.187 5；t為火災發生的時間，當時間為320 s左右時達到最大火災熱釋放率20 MW，文中取900 s作為計算時間。

火源尺寸簡化為6 m、2 m、1 m的長方體［8］。環境初始溫度為20℃，壓強為1.0 atm。

1.3火源位置

針對隧道兩個不同位置的火災進行考慮，分別為隧道坡段位置及隧道的中間位置，即隧道洞口以內100 m的位置及270 m的位置。隧道坡段中間位置可以推廣至入口的下坡段或是出口的上坡段，火源位置示意圖如圖2（a）、（b）所示。

圖2　隧道火源位置示意圖

2　計算結果與分析

2.1煙氣蔓延規律

通過FDS對隧道火災進行數值計算，模擬煙氣在隧道內的蔓延情況，初步得出煙氣的蔓延規律。該項目研究分別選取隧道發生火災至達到穩定階段的特征時刻100 s、300 s、500 s、900 s，圖3（a）、（b）分別為工況一和工況二下隧道火災的蔓延特征。

圖3　隧道火災典型時刻煙氣蔓延圖

由圖3（a）可見，當隧道坡段發生火災時，隧道內的煙氣蔓延與水平隧道火災時的煙氣蔓延存在較大的差別。當火災發生在坡段時，在相同時間內沿上坡方向煙氣蔓延的距離較長，即蔓延速度較快。在熱浮力作用，以及“煙囪效應”下，大量的煙氣沿隧道坡段上坡方向蔓延，而在隧道下坡方向煙氣僅蔓延一定的距離，之后便達到穩定狀態，不再繼續蔓延。究其原因，一方面煙氣在下坡段其蔓延方向與熱浮力向上的驅動作用相反，導致其蔓延速度降低；另一方面，上坡方向的煙氣在煙囪作用下形成低壓區，對下坡段煙氣存在“抽吸”作用，在某些情況下甚至出現“回流”［4］。由圖3（b）可知，當火災發生在隧道中間位置時，火災初期由于坡度較小（1.0%），煙氣呈對稱蔓延，當隨著持續時間的增加，右側煙氣蔓延明顯大于左側煙氣蔓延并先于側煙氣提前擴散至洞口，說明雖然只有1.0%的坡度，對煙氣的蔓延作用依然較大。由圖3（a）和（b）可見，坡度的存在可加快煙氣的下沉，導致隧道空間內能見度降低。

此外，由圖3（a）可知，當隧道坡段發生火災時，下坡段的煙氣在沒有通風作用下便可被控制在一定范圍。當人員處于下坡段時，由于趨光心理，人們往往會選擇洞口方向的逃生，此工況下洞口方向并非最佳逃生路線，因此需要在隧道內布置智能疏散標識，引導人們正確逃生。

2.2隧道內溫度分布規律

隧道環境溫度是發生火災時隧道內重要的指標之一，當溫度過高時，人員會因為長時間炙烤燒傷、脫水甚至死亡，一般以2 m高處溫度超過60℃，便認為該位置處于危險狀態。圖4（a）、（b）和圖5（a）、（b）分別為工況一和工況二火源兩側隧道內2 m高溫度縱向分布圖，圖4（b）中由于煙氣僅蔓延至150 m左右，因此200 m后溫度未在圖中表達，為20℃。

由圖4（a）、（b）中火源兩側隧道2 m高處的溫度分布可知，在火源附近溫度較高，隨著距火源距離的增加，溫度逐漸減低［9］。而圖4（a）中距火源70 m后的溫度增加主要是因為煙氣達到洞口后，上層煙氣在下部空氣的邊界面存在回流，導致熱量積聚，溫度升高。此外，上坡段2 m高處的溫度明顯大于下坡段，原因與上述煙氣在“煙囪作用”下蔓延一致。

由圖5（a）可知，煙氣在蔓延過程中先經過一段約90 m長，坡度為1%的下坡段，然后經歷180 m長的上坡段，在蔓延過程中溫度先升高后降低，主要是因為在經歷1.0%的下坡段時煙氣在此段積聚，且蔓延速度降低，煙氣下沉，導致溫度升高。而在150 m左右時溫度反而降低，可能是因為隨著距離的增大，煙氣蔓延速度較慢，但下沉量減少，在此段隧道下部煙氣積聚較少。而圖5（b）溫度變化規律與圖4（a）類似。

圖4　工況一，隧道縱向溫度分布圖

圖5　工況二，隧道縱向溫度分布圖

2.3隧道內能見度變化

煙氣會導致隧道內能見度的減低，當煙氣下沉至人員高度時，較低的能見度不僅影響人員視線，增加逃生的困難，還會引起人們的心理恐慌。圖6（a）、（b）分別為工況一和工況二隧道內能見度的變化。

圖6　隧道內能見度變化圖示

由圖6可知，當火源位于隧道坡段上時，除火源位置處能見度較低外，火源兩側2m高處的能見度均較好，人員逃生視線基本不受影響。工況二中，當火源位于隧道中間時，火源右側隧道能見度隨著距離增大而降低，而左側能見度隨距離的增大先降低后升高。出現此種現象的原因主要與煙氣蔓延的規律、溫度分布規律一致，在此不再贅述。

3　結　論

通過對隧道坡段火災，以及帶坡段隧道中間火災進行數值計算，并分析了坡段的存在對隧道火災煙氣蔓延、溫度分布的影響，得出以下結論：

（1）隧道2 m特征高度處煙氣蔓延、溫度分布及能見度變化具有相似的規律，煙氣的分布決定了溫度和能見度的變化。

（2）坡段的存在影響隧道內煙氣的蔓延、溫度的分布及能見度的變化。在上坡方向，由于“煙囪作用”，會導致大量煙氣從上坡方向的洞口排出，并且“抽吸”下坡處的煙氣，控制下坡處煙氣的蔓延，并且提高隧道內能見度、降低溫度。

（3）坡段發生火災時，由于大量煙氣從上坡段洞口排出，火源下坡段環境相對較好，但由于人員在緊急情況下的趨光心理，會導致選擇錯誤的逃生路徑，因此需輔以智能廣播系統引導人員逃生。

（4）當火災發生在隧道中間位置，煙氣蔓延至下坡段時，會降低煙氣蔓延的速度，并且導致煙氣的積聚，使得隧道內溫度升高，能見度降低，影響人員的逃生。

［1］Delichatsios M A.The flow of fire gases under a beamed ceiling［J］. Combustion and Flame，1981，（43）：1-10.

［2］周延.隧道及網絡火災中的熱動力現象研究［M］.徐州：中國礦業大學出版社.2006

［3］趙望達，李洪.坡度對隧道火災影響的數值模擬研究［J］.消防科學與技術，2009，28（2）:83-86.

［4］趙建賀.長通道內熱浮力驅動流流動特征研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［5］趙紅莉，徐志勝，李洪，等.坡度對隧道火災煙氣溫度分布的影響［J］.中南大學學報，2013，44（10）:4257-4263.

［6］DG-TJ08-2033-2008，道路隧道設計規范［S］.

［7］王志剛，倪照鵬，等.設計火災時火災熱釋放速率曲線的確定［J］.安全與環境學報，2004，4（6）:50-54.

U458

A

1009-7716（2016）06-0283-03

2016-03-29

上海市科委項目（15DZ1203902）

苑香剛（1983-），男，遼寧興城人，工程師，項目總工程師，從事市政、房建結構土建施工技術工作。