盾構(gòu)鐵路隧道坡度對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響研究*

游溫嬌，徐志勝，孔 杰

(1.浙江警察學(xué)院，浙江 杭州 310053；2.中南大學(xué) 防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)鐵路建設(shè)高速發(fā)展，鐵路網(wǎng)不斷加密、運(yùn)營(yíng)里程不斷突破，鐵路隧道越來(lái)越多地在地形復(fù)雜、地質(zhì)困難的條件下修建，如新關(guān)角隧道(西格II線(xiàn))以及長(zhǎng)度超過(guò)27 km的戴云山隧道[1-3]、穿越西秦嶺山區(qū)的秦嶺隧道[4-5]、廣東佛莞獅子洋隧道[6-7]等。隧道線(xiàn)位選擇需要避開(kāi)不良地質(zhì)條件，依據(jù)沿途適合開(kāi)挖隧道的地形設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)坡度也隨之產(chǎn)生，并隨著地形的變化而呈現(xiàn)坡度多變性。當(dāng)帶有坡度的隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于隧道狹長(zhǎng)空間，火災(zāi)煙氣不宜排出，隧道坡度加劇了“煙囪效應(yīng)”的產(chǎn)生，增加了隧道火災(zāi)下煙氣控制的難度，給通風(fēng)設(shè)計(jì)帶來(lái)挑戰(zhàn)。同時(shí)，坡度隧道內(nèi)煙氣濃度、溫度、能見(jiàn)度等分布與無(wú)坡度隧道相比呈現(xiàn)差異性規(guī)律，因此研究隧道坡度對(duì)煙氣蔓延的影響將對(duì)隧道合理臨界風(fēng)速的確定、復(fù)雜條件下隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

坡度隧道內(nèi)火災(zāi)參數(shù)變化的相關(guān)研究中，研究?jī)?nèi)容主要集中在3個(gè)方面，煙氣最高溫度分布、縱向溫度衰減和煙氣回流長(zhǎng)度。Lee等[8]通過(guò)開(kāi)展隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延與隧道截面縱橫比之間關(guān)系的研究，驗(yàn)證了1∶20縮尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃虵DS軟件數(shù)據(jù)結(jié)果的一致性，并認(rèn)為火源附近隧道頂板處溫度隨縱橫比的增大而減小，遠(yuǎn)離火源位置煙氣溫度增大；在縱向通風(fēng)作用下，煙氣回流長(zhǎng)度隨風(fēng)速增大而減小。Hu等[9]利用長(zhǎng)、寬、高分別為6.0、1.3和0.8 m的縮尺模型，研究坡度分別為0%、3.0%和5.0%時(shí)頂板下方煙氣溫度分布情況，測(cè)量了不同坡度下隧道頂棚的最高溫度和溫度分布，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正了包括隧道斜率因子的最高溫度數(shù)學(xué)模型。Sun等[10]利用FDS軟件建立不同坡度的城市公路隧道，研究了隧道內(nèi)火災(zāi)的煙氣運(yùn)動(dòng)和溫度分布，側(cè)重研究隧道中心線(xiàn)上游最高溫度分布，發(fā)現(xiàn)火源上游煙氣層界面幾乎呈現(xiàn)水平狀態(tài)，而下游煙氣層界面與傾斜隧道頂板平行，并利用量綱分析建立了經(jīng)驗(yàn)公式，預(yù)測(cè)最高溫度變化情況。Chow等[11]搭建了縮尺隧道實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)測(cè)量空氣溫度和速度的分布研究了隧道內(nèi)的火災(zāi)煙氣蔓延；利用FDS軟件模擬計(jì)算了傾斜隧道火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)，推導(dǎo)出傾斜隧道模型中煙氣層的浮力，認(rèn)為在水平隧道中，煙氣溫度衰減呈指數(shù)分布，隨著隧道坡度的變化，煙氣溫度變化趨勢(shì)出現(xiàn)差異，當(dāng)隧道傾斜角度超過(guò)9°時(shí)，火源上游煙氣中性面消失。

隧道內(nèi)車(chē)輛阻塞情況對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延及通風(fēng)的影響研究，也成為隧道火災(zāi)研究的重要內(nèi)容。Tang等[12]在1∶5的模型隧道中開(kāi)展了車(chē)輛阻滯效應(yīng)下火災(zāi)煙氣蔓延和控制實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)車(chē)輛阻滯情況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)煙氣回流長(zhǎng)度和臨界風(fēng)速分別與Wu[13]和Li[14]的研究結(jié)果一致，當(dāng)火源上游存在阻滯時(shí)，隨著障礙物與火源距離的增大，煙氣回流長(zhǎng)度和臨界風(fēng)速先降低后逐漸與無(wú)阻滯狀態(tài)一致，在Lee[15]針對(duì)橫截面阻塞率的修正公式的基礎(chǔ)上，增添障礙物與火源距離的參數(shù)。Gannouni等[16]利用FDS軟件研究火源上游不同位置的障礙物對(duì)煙氣層流動(dòng)和臨界風(fēng)速的影響，隧道內(nèi)火源上游存在障礙物時(shí)，縱向通風(fēng)的臨界風(fēng)速會(huì)有所降低，且與障礙物的高度和與火源的距離有關(guān)。Yi等[17]采用1∶10縮尺模型實(shí)驗(yàn)，研究隧道通風(fēng)過(guò)程中坡度對(duì)臨界風(fēng)速的影響，提出臨界風(fēng)速和隧道坡度的關(guān)系函數(shù)。Weng等[18]利用量綱分析法推導(dǎo)出煙氣回流長(zhǎng)度和臨界風(fēng)速的表達(dá)式，并利用FDS軟件建立9種截面系數(shù)的隧道模型，得到在截面系數(shù)和坡度參數(shù)影響下的隧道火災(zāi)煙氣臨界風(fēng)速和煙氣回流長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型，同時(shí)開(kāi)展1∶10縮尺隧道模型對(duì)照實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性。

以往的研究中，針對(duì)公路隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，開(kāi)展汽車(chē)阻塞效應(yīng)下火場(chǎng)溫度、煙氣、通風(fēng)等參數(shù)的研究較為普遍。近些年來(lái)，關(guān)于鐵路隧道內(nèi)火災(zāi)時(shí)列車(chē)的阻滯效應(yīng)也逐漸受到關(guān)注和研究，但是在開(kāi)展研究的過(guò)程中大多通過(guò)設(shè)置裸露火源并在火源前后增加障礙物來(lái)模擬鐵路隧道火災(zāi)場(chǎng)景，且研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)水平隧道內(nèi)煙氣回流長(zhǎng)度和臨界風(fēng)速的確定[19-21]。列車(chē)發(fā)生火災(zāi)后，且滯留在隧道內(nèi)，車(chē)廂內(nèi)的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)破碎的門(mén)窗進(jìn)入隧道空間內(nèi)，在頂板下方形成煙氣層，煙氣層將在隧道坡度變化、車(chē)輛阻滯、頂板阻擋、機(jī)械通風(fēng)等多種因素的共同影響下傳播和蔓延。本文利用FDS軟件建立不同坡度盾構(gòu)鐵路隧道內(nèi)的列車(chē)火災(zāi)模型，研究在車(chē)廂阻塞效應(yīng)下，坡度發(fā)生變化對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響作用機(jī)理。

1 模型建立與工況設(shè)置

本文以我國(guó)南方某海峽隧道設(shè)計(jì)方案為研究背景，該隧道采用盾構(gòu)形式，全長(zhǎng)超過(guò)20 km。隧道內(nèi)徑9.4 m，內(nèi)部?jī)艨彰娣e不小于58 m2，列車(chē)軌面高3.36 m，隧道內(nèi)側(cè)設(shè)置寬1.25 m救援通道，高出軌道平面0.5 m。CRH6列車(chē)單節(jié)車(chē)廂長(zhǎng)、寬、高分別為24.5，3.3，2.6 m，采用8節(jié)編制。列車(chē)在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，火災(zāi)煙氣從著火車(chē)廂蔓延到隧道內(nèi)，在隧道頂部聚集。盾構(gòu)隧道的橫截面呈圓形，隧道頂部具有一定的蓄煙空間，煙氣層在隧道中線(xiàn)位置最厚，越靠近兩側(cè)，煙氣層越薄，其火災(zāi)煙氣蔓延特性與沉管和明挖暗埋隧道相比有明顯的區(qū)別。以往針對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延的研究多以沉管、明挖暗埋法施工的隧道為主，隧道斷面為矩形，而盾構(gòu)法施工的隧道中由于煙氣層形狀不規(guī)則、厚度不均勻，為探索煙氣的蔓延規(guī)律增加了難度。

火災(zāi)動(dòng)力模擬軟件(FDS)[22]基于大渦模擬(LES)理論，對(duì)火場(chǎng)內(nèi)渦流進(jìn)行簡(jiǎn)化和模糊處理，描述火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展過(guò)程瞬態(tài)變化特征，該軟件已被諸多學(xué)者應(yīng)用在地下空間火災(zāi)的研究中，并取得大量的成果[23-25]。本文利用FDS軟件建立與實(shí)際隧道尺寸比例為1∶1的火災(zāi)煙氣蔓延計(jì)算模型，如圖1所示，計(jì)算范圍取著火列車(chē)段隧道長(zhǎng)度為200 m火場(chǎng)區(qū)域，用以研究隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火源附近區(qū)域的煙氣蔓延特點(diǎn)。模型兩端出口面邊界條件設(shè)置為“OPEN”，表示隧道內(nèi)未施加機(jī)械通風(fēng)作用，煙氣在熱浮力的作用下在隧道內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)。另外，煙氣在縱向方向的蔓延在洞口處不會(huì)受到阻礙，用于假設(shè)模型隧道的兩端是無(wú)限延長(zhǎng)的。火災(zāi)發(fā)展過(guò)程與時(shí)間之間的關(guān)系采用“t2”模型，表達(dá)式如式(1)所示：

圖1 隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延模型Fig.1 Model of fire smoke spread in tunnel

Q=α(t-t0)2

(1)

式中；Q為熱釋放速率，kW；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2；t為火災(zāi)燃燒發(fā)生后的時(shí)間，s；t0為引燃階段所需的時(shí)間，s。在研究過(guò)程中，為方便計(jì)算通常不考慮火災(zāi)引燃階段所需時(shí)間，表達(dá)式可簡(jiǎn)化為Q=αt2。根據(jù)火災(zāi)增長(zhǎng)因子α的取值不同，可以將火災(zāi)劃分為慢速火、中速火、快速火、超快速火，考慮列車(chē)內(nèi)可燃物主要為織物、泡沫、塑料等，屬于快速火類(lèi)型，火源火災(zāi)增長(zhǎng)因子取值α=0.046 89，最大火災(zāi)熱釋放速率設(shè)為15 MW，火災(zāi)最大熱釋放速率時(shí)間565.6 s。

我國(guó)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[26]中，為保證動(dòng)車(chē)組喪失動(dòng)力后能維持基本運(yùn)行速度，規(guī)定隧道區(qū)間正線(xiàn)的最大坡度不宜大于20‰，為突顯隧道坡度對(duì)火災(zāi)煙氣蔓延的影響規(guī)律，建立隧道坡度分別為0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的8個(gè)對(duì)比工況，并以火源為分界線(xiàn)，沿坡度方向視為下游，沿坡度反方向視為上游。模擬計(jì)算過(guò)程監(jiān)測(cè)隧道疏散平臺(tái)上方2 m處溫度、能見(jiàn)度和CO濃度等參數(shù)值，并設(shè)置溫度、能見(jiàn)度切片，對(duì)不同坡度下火災(zāi)煙氣在隧道內(nèi)的蔓延規(guī)律進(jìn)行描述。

2 結(jié)果與分析

本文利用FDS對(duì)不同坡度隧道內(nèi)列車(chē)火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到各個(gè)火災(zāi)工況下煙氣、溫度、能見(jiàn)度的分布情況。車(chē)廂火災(zāi)燃燒過(guò)程持續(xù)1 200 s時(shí)，燃燒過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，參數(shù)變化趨于平穩(wěn)，可用以分析和參考。

2.1 火災(zāi)煙氣蔓延

截取火災(zāi)發(fā)展穩(wěn)定時(shí)不同工況煙氣分布情況，如圖2所示。火災(zāi)熱煙氣由車(chē)窗溢出，受浮力作用在隧道頂部積聚并向兩端蔓延，煙氣沿頂板蔓延過(guò)程中受到頂板熱交換和摩擦力的作用，導(dǎo)致能量損失，加之煙氣層與下部空氣的混合作用，煙氣層溫度降低，其分界中性面變模糊，使得煙氣層出現(xiàn)自然沉降。

圖2 不同坡度隧道內(nèi)煙氣蔓延Fig.2 Smoke spread in tunnels with different slopes

無(wú)坡度的隧道內(nèi)，煙氣在火源兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)分布，隨著隧道坡度增加，火源上游煙氣層厚度減小。當(dāng)隧道為3.0%坡度時(shí)，隧道上游端部的煙氣變得稀薄，煙氣蔓延長(zhǎng)度減小。當(dāng)隧道坡度增加至3.5%時(shí)，火源上游隧道端部附近煙氣層分界中性面消失，煙氣不再經(jīng)過(guò)此處向遠(yuǎn)端蔓延。

有坡度的隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，煙氣受到坡度產(chǎn)生的限制作用，導(dǎo)致在火源兩側(cè)的蔓延狀態(tài)不同。圖2中所示，隧道坡度發(fā)生變化，火源下游煙氣層分界中性面不再呈現(xiàn)水平狀態(tài)，與隧道頂板平行，位于火源上游區(qū)域的煙氣層基本保持水平狀態(tài)，受坡度變化的影響作用較小。

2.2 溫度和能見(jiàn)度分布

圖3為不同坡度隧道溫度場(chǎng)和能見(jiàn)度場(chǎng)分布圖。無(wú)坡度隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，溫度場(chǎng)以火源位置為中心呈兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。當(dāng)隧道坡度為1.0%時(shí)，隧道頂部高溫區(qū)域向下游移動(dòng)，隨著隧道坡度繼續(xù)增加，隧道上游高溫分布區(qū)域逐漸減小。在4.0%坡度的隧道內(nèi)，火源上游高溫區(qū)域帶狀長(zhǎng)度縮短一半。相比隧道坡度為0時(shí)，有坡度隧道內(nèi)高溫區(qū)域的厚度變小，高溫區(qū)域范圍減小。

圖3 不同坡度隧道內(nèi)溫度場(chǎng)和能見(jiàn)度場(chǎng)Fig.3 Temperature field and visibility field in tunnels with different slopes

從圖3(b)中可以發(fā)現(xiàn)隨著坡度的增大，隧道內(nèi)低能見(jiàn)度區(qū)域變小，煙氣層變薄，火源上游煙氣蔓延距離變小，4%時(shí)煙氣小范圍內(nèi)聚集在隧道頂部，火源附近低能見(jiàn)度區(qū)域向下游偏移(圖3(b)中矩形選區(qū))，隧道坡度由0%增大到4%的過(guò)程中，火源上游形成的低能見(jiàn)度凸出區(qū)域逐漸縮小并有向下游偏移的趨勢(shì)(圖3(b)中橢圓形選區(qū))。

2.3 煙氣層受力分析

水平隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，煙氣在火風(fēng)壓力的作用下自火源向隧道兩端蔓延，煙氣在蔓延過(guò)程中除受到摩擦損耗、與冷空氣混合、熱輻射等因素的影響外，火源功率、隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是煙氣蔓延速度和蔓延距離的主要影響條件。隧道內(nèi)不同位置煙氣層所受火風(fēng)壓計(jì)算如式(2)～(3)所示：

(2)

(3)

坡度為α的隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，高溫?zé)煔夂铜h(huán)境空氣的受力情況如圖4所示。受坡度影響，火源兩側(cè)煙氣層溫度和分布發(fā)生變化，兩側(cè)火風(fēng)壓也隨之發(fā)生改變，火源下游高溫?zé)煔猓芑鹧娓邷禺a(chǎn)生的火風(fēng)壓ΔPi可表示為式(4)：

圖4 坡度為α的隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣受力分析Fig.4 Stress analysis of fire smoke in tunnel with slope α

(4)

式中：xm為火源位置坐標(biāo)，m；xi為溫度測(cè)點(diǎn)位置坐標(biāo)，m；α為隧道坡度，°。

火源上游高溫?zé)煔猓芑鹧娓邷禺a(chǎn)生的火風(fēng)壓ΔPj可表示為式(5)：

(5)

坡度隧道兩端存在高度差，火災(zāi)煙氣在浮力的作用下向隧道下游移動(dòng)，在隧道內(nèi)形成“煙囪效應(yīng)力”P(pán)s，該力是由溫度差和高度差共同形成的，其表達(dá)式為式(6)：

(6)

火源下游隧道頂部煙氣同時(shí)受到火風(fēng)壓ΔPi和隧道坡度形成的煙囪效應(yīng)力Ps，由于在隧道下游火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)對(duì)煙氣的作用方向相同，下游煙氣加速向洞口蔓延。煙氣蔓延速度的加快，降低了與隧道壁面之間的熱交換，煙氣在蔓延過(guò)程中溫度處于較高水平，有效減緩高溫?zé)煔獾某两底饔茫憩F(xiàn)出隧道下游煙氣層較薄。如圖3中所示，隨著坡度的增大，火災(zāi)隧道內(nèi)火源下游的煙氣層厚度變薄，能見(jiàn)度切片深色區(qū)域變窄。

火源上游煙氣所受的火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)的作用力方向相反，隨著坡度的增加，火源上游煙氣所受合力Fj逐漸變小。當(dāng)該位置煙氣所受火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)力大小相等，方向相反，火災(zāi)煙氣不再向前蔓延。圖2中所示，隨著坡度的增大，煙氣受到的煙囪效應(yīng)不斷增強(qiáng)，火源上游煙氣層厚度變薄，煙氣更加靠近火源，利用公式(3)、(5)和公式(6)，可以得到煙氣回流長(zhǎng)度關(guān)于火災(zāi)荷載和隧道坡度的表達(dá)式。當(dāng)隧道內(nèi)煙氣所受煙囪效應(yīng)力與上游火風(fēng)壓大小相等時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣全部向下游蔓延，火源上游無(wú)煙氣回流。

為了列車(chē)行駛安全和乘客舒適度考慮，鐵路隧道坡度一般不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)4%的情況，因此，為了控制煙氣的蔓延，隧道內(nèi)需要設(shè)置機(jī)械通風(fēng)排煙系統(tǒng)。對(duì)于坡度隧道而言，通風(fēng)方向與煙囪效應(yīng)方向相同時(shí)，可以節(jié)約通風(fēng)能耗，同時(shí)取得很好的通風(fēng)效果。當(dāng)通風(fēng)方向與煙氣所受煙囪效應(yīng)力相反，機(jī)械通風(fēng)需要同時(shí)克服火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)力，將火災(zāi)煙氣控制在火源的一側(cè)，以保障上風(fēng)口逃生人員和消防滅火人員的安全。

2.4 4%坡度隧道煙氣蔓延特性

圖5為不同隧道坡度火災(zāi)發(fā)生1 200 s時(shí)，隧道內(nèi)2 m高處溫度曲線(xiàn)。當(dāng)隧道坡度由0%增大到4%的過(guò)程中，隧道內(nèi)2 m高處溫度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。對(duì)比分析火源附近上、下游溫度曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)火源下游高溫區(qū)域大于上游，且坡度越大，高溫區(qū)域向下游偏移越明顯(圖5中①所示)。火源上游和下游的溫度隨坡度的變化出現(xiàn)較大的差異，火源下游，同一坡度下測(cè)點(diǎn)距離火源越遠(yuǎn)溫度值越高(圖5中②所示)。火源上游，同一坡度下測(cè)點(diǎn)距離火源越遠(yuǎn)溫度值越低。隧道坡度較小時(shí)，受煙氣蔓延水躍效應(yīng)的影響，火源位置附近出現(xiàn)高溫凸起區(qū)域。隨著坡度不斷增大，高溫凸起區(qū)域逐漸消失(圖5中③所示)。

圖5 不同坡度隧道內(nèi)2 m高溫度Fig.5 Temperatures at 2 m height in tunnels with different slopes

隧道坡度產(chǎn)生的煙囪效應(yīng)使火源下游的煙氣蔓延速度加快，煙氣層蔓延過(guò)程中能量損失降低，煙氣層厚度變小。煙囪效應(yīng)作用下，煙氣向上游的蔓延量減少，受煙氣層下方空氣流動(dòng)的剪切作用，煙氣層厚度變薄，隧道內(nèi)溫度降低。

4%坡度下隧道火災(zāi)溫度和能見(jiàn)度分布如圖6所示。火源下游高溫層厚度和高溫區(qū)域明顯大于上游一側(cè)，火源下游煙氣在火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)的協(xié)同作用下加速蔓延，上游區(qū)域火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)的作用力方向相反，導(dǎo)致上游煙氣量、煙氣蔓延長(zhǎng)度、煙氣層溫度、煙氣層厚度相對(duì)下游更低。圖6(b)為隧道內(nèi)能見(jiàn)度分布情況，隧道內(nèi)火源上游的能見(jiàn)度更低，煙氣濃度更大。在坡度隧道火災(zāi)煙囪效應(yīng)的作用下，火源下游煙氣總量大于上游，一定程度上證明了火源兩側(cè)煙氣受力和蔓延速度不同。圖6(b)中所示流線(xiàn)表示隧道內(nèi)氣體的流動(dòng)情況，在火源下游的隧道出口位置，煙氣層下部形成一個(gè)氣流渦旋，新鮮空氣與火災(zāi)煙氣在此處發(fā)生劇烈的混合，造成局部能見(jiàn)度下降。火源上游煙氣在蔓延過(guò)程中，受到由隧道口補(bǔ)充的新鮮氣流的逆向剪切力作用，煙氣流動(dòng)速度減小，甚至發(fā)生停滯，導(dǎo)致煙氣層蔓延距離變短、厚度變薄。從火源附近空氣流線(xiàn)可以看出，火焰燃燒過(guò)程中卷吸的空氣，更多的來(lái)自火源上游，這些空氣通過(guò)參與燃燒反應(yīng)或直接被卷吸入煙氣層后，大部分向火源下游蔓延。

圖6 4%坡度隧道內(nèi)溫度和能見(jiàn)度分布Fig.6 Distribution of temperature and visibility in tunnel with 4% slope

南京市某隧道內(nèi)開(kāi)展了通風(fēng)系統(tǒng)熱煙測(cè)試，火源設(shè)置在有一定坡度的隧道段，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與本文數(shù)值模擬的結(jié)果較為一致，點(diǎn)火后高溫濃煙沿著隧道頂板向兩端蔓延。未開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)時(shí)，熱煙流向下游的量遠(yuǎn)大于上游，下游煙氣層的蔓延距離、速度、厚度均超過(guò)上游。隨后，隧道內(nèi)開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行控?zé)?排煙，通風(fēng)氣流吹向下游時(shí)，煙氣層更容易被控制在火源一側(cè)。通風(fēng)氣流由下游吹向上游時(shí)，煙氣層更容易被擾亂，充滿(mǎn)隧道空間，且更不利于人員疏散。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)Fig.7 Field experiment

3 結(jié)論

1)利用FDS軟件建立鐵路盾構(gòu)隧道火災(zāi)煙氣蔓延研究模型，開(kāi)展坡度隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律研究，分析坡度隧道內(nèi)煙氣層受力和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，為坡度隧道火災(zāi)時(shí)通風(fēng)排煙和人員疏散提出建議。

2)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，煙氣在火風(fēng)壓的作用下向隧道兩側(cè)蔓延，煙氣蔓延距離和蔓延速度受火源功率和煙氣溫度影響。無(wú)坡度隧道內(nèi)，煙氣在火源兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布。

3)坡度隧道內(nèi)，火災(zāi)煙氣同時(shí)受到火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)力的作用。火源下游，火風(fēng)壓與煙囪效應(yīng)力方向相同，煙氣蔓延速度較快，煙氣層較薄，煙氣沉降現(xiàn)象減弱。火源上游火風(fēng)壓和煙囪效應(yīng)力對(duì)煙氣的作用方向相反，煙囪效應(yīng)一定程度上阻礙煙氣在上游區(qū)域的蔓延，縱向機(jī)械通風(fēng)從火源上游吹向下游，控?zé)熜Ч茫欣诨鹪瓷嫌螀^(qū)域人員疏散和消防救援。

4)坡度隧道內(nèi)熱煙實(shí)驗(yàn)表明：坡度隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延會(huì)形成煙囪效應(yīng)，煙氣更有利于向火源下游蔓延；機(jī)械通風(fēng)方向與坡度方向一致時(shí)，更有利于控制煙氣，且煙氣層不容易發(fā)生紊亂，隧道內(nèi)有較高的清晰層；通風(fēng)方向與坡度方向相反時(shí)，需要更大的通風(fēng)量和通風(fēng)風(fēng)速，且容易破壞煙氣分層，導(dǎo)致隧道空間內(nèi)充滿(mǎn)煙氣，影響人員的逃生和消防救援。