火源位置對鐵路隧道救援站內拱頂溫度縱向分布的影響

陶亮亮，曾艷華，彭俊欽，劉振撼，白 赟,2

（1.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.四川省交通運輸廳 交通勘察設計研究院，四川 成都 610017）

鐵路隧道通常為1 個狹長的封閉結構物，一旦發生火災將產生大量高溫煙氣，可能導致人員難以撤離、外部救援困難，甚至還會對人身安全和隧道結構造成極大威脅。鐵路隧道火災問題一直是鐵路建設、運營管理和消防監督等部門重點關注的公共安全問題。

發生火災后的隧道內溫度場是隧道火災問題研究的熱點之一，例如：Alpert［1］基于試驗數據，提出了可預測不同火源位置的隧道拱頂最高溫度計算模型；Kurioka 等［2］基于小尺寸模型試驗，提出了1 種適用于縱向通風隧道的拱頂最高溫度預測模型；Ji 等［3］通過在小尺寸模型隧道中進行的一系列試驗，研究了自然通風條件下不同橫向火源位置對拱頂最高溫度的影響，提出了考慮火源橫向位置的拱頂最高溫度預測模型；Zhong 等［4］通過全尺寸隧道火災試驗，研究了曲線隧道內溫度分布，指出在整個火災過程中，火風壓力與自然風壓的相互作用使得隧道內溫度變化分布不對稱，并根據試驗結果提出了隧道拱頂溫度衰減計算模型；Li 等［5］基于軸對稱火羽理論，對拱頂最高溫度進行了理論推導，并根據模型試驗結果提出了隧道拱頂最高溫度計算模型。

救援站對挽救人員生命財產安全起到重要作用，一般來說，長度超過20 km 的長大鐵路隧道須設置救援站。由于隧道拱頂的限制，火源附近拱頂溫度很高，這會造成隧道結構損壞，甚至致使隧道襯砌塌落［6?8］。拱頂溫度分布對火災監測、煙氣控制和人員安全疏散等有著重要指導作用，但目前對鐵路隧道救援站的研究，往往集中在煙氣控制及通風設計等方面。例如：李琦［9］根據概率可靠度理論，設計了高速鐵路隧道緊急救援站的排煙量確定方法；趙東平等［10］采用通風網絡算法，研究了鄭萬高鐵隧道口緊急救援站防災通風參數；秦寧然等［11］基于FDS 建立了鐵路隧道緊急救援站模型，研究了不同補風量對鐵路隧道緊急救援站排煙效果的影響；羅欣宇等［12］分析了救援站內煙氣分布及各疏散橫通道內壓力和流速分布，提出了救援站風機布置原則；Li 等［13］通過模型試驗研究了熱釋放速率、列車阻塞和火源位置對救援站橫通道煙氣控制的影響。Xu等［14］研究了不同通風量對救援站橫通道控煙效果的影響。曹正卯等［15］依托關角隧道，研究了高海拔條件下的火災發展及人員疏散過程，確定了高海拔特長鐵路隧道定點救援站的合理救援橫通道數量為8～9座。

當前對鐵路隧道救援站煙氣控制技術的研究已相當深入，但很少有人對救援站內拱頂溫度特別是火源位置對拱頂溫度的影響展開研究。本文以高黎貢山隧道為研究背景，建立考慮縱坡的1∶10 鐵路隧道救援站及列車縮尺寸模型，通過模型試驗研究不同火源位置（高端、中端和低端）在不同通風模式（自由蔓延、縱向通風和半橫向通風）下對救援站拱頂溫度縱向分布的影響，所得結果能為隧道結構防火提供參考。

1 模型試驗

1.1 相似設計

弗勞德數Fr是影響冷熱煙氣分層界面上傳熱、傳質過程的重要參數，隧道火災模型試驗必須滿足弗勞德準則。同時根據相似原理，只要考慮對模型試驗有重大影響的相似性理論，就能認為模型試驗的結果可靠。本試驗只需滿足弗勞德數相似準則，此時縮尺寸隧道模型和原型隧道各參數之間的關系為

式中：vm和vf分別為縮尺寸模型隧道和原型隧道中的風速，m·s?1；lm和lf分別為縮尺寸模型隧道和原型隧道的長度，m；g為重力加速度，取9.8 m·s?2。

根據弗勞德數相似準則和所選尺寸比例，得到縮尺寸模型隧道和原型隧道的物理參數間的比例關系見表1。表中λ為模型與原型的尺寸比例，取1∶10；Tm和Tf分別為縮尺寸模型隧道和原型隧道的溫度，℃；Qm和Qf分別為縮尺寸模型隧道和原型隧道的火源熱釋放速率，kW。

表1 模型試驗物理參數間的比例關系

1.2 模型設計

高黎貢山隧道是我國第1 條穿越橫斷山脈的干線鐵路隧道，隧道全長34.538 km，最大埋深1 155 m。隧道中設置救援站1 座，長600 m。基于高黎貢山隧道救援站截面尺寸，建立1∶10 的鐵路隧道救援站及列車的縮尺寸模型。

救援站采用耐火磚砌制而成，由主隧道、平行導坑及9條連接主隧道和平行導坑的橫通道共同組成，其中主隧道和平行導坑長60 m，橫通道長1.70 m。列車模型位于救援站中部，由鐵皮制成，長×寬×高為45.00 m×0.31 m×0.44 m。火源燃料為汽油，火源大小為0.25 m×0.25 m。試驗時通過汽油的質量損失速率計算火源熱釋放速率，算得模型的火源熱釋放速率為53.08 kW（對應原型為16.79 MW）。

為了研究不同火源位置時拱頂溫度變化，在模型上布設溫度測點45 個，設置K 型熱電偶收集溫度數據。在火源附近的10 m 范圍內，每隔1 m設置1個溫度測點；在遠離火源的其他位置，每隔2 m 設置1 個溫度測點。為減少數據誤差，熱電偶通過補償線連接到數據采集器。火源位置按其與地面間的距離，分別選擇高端、中部和低端3 處。縮尺寸隧道模型及火源位置、溫度測點布置如圖1所示。圖1（a） 中：帶圈數字表示橫通道；V1，V2，V3 和V4 分別為送風風機編號；A，B 和C 分別表示高端、中部和低端3處不同位置。

圖1 縮尺寸模型主隧道及橫通道斷面（單位：mm）

1.3 試驗工況

選取自由蔓延、縱向通風和半橫向通風3 種模式分別開展溫度測試，考察不同通風模式下救援站內拱頂溫度縱向分布，其中自由蔓延模式為主隧道內無機械通風，僅平導送風，即不考慮主隧道內逃生環境；縱向通風模式為主隧道內有較大的機械通風，平導不送風，即不考慮順風方向逃生環境；半橫向通風為在救援站中部設置排煙風機排煙且平導送風，即兼顧救援站內火源上下游逃生環境。

1）自由蔓延模式

自由蔓延模式主要考察主隧道內沒有機械通風條件下救援站內溫度分布，探討主隧道內設置機械通風的必要性，此時的變量為火源位置和平導送風風速。火源位置有3 種：高端（位置A）、中部（位置B）和低端（位置C）。平導送風方案有4種：平導不送風、低端送風、高端送風和2 端送風（根據試驗多次調試的結果，送風風速取1.0 m·s?1時的控煙效果較好）。由此得到試驗工況共12 種，分別編號D1—D12，詳見表2。

表2 自由蔓延模式下的試驗工況

2）縱向通風模式

縱向通風模式主要考察主隧道內有縱向通風時救援站內溫度分布，探究縱向通風是否適用于鐵路隧道救援站溫度控制，此時的變量為火源位置和平導送風位置及風速大小。當火源位于位置A 時，主隧道內僅需低端送風就能防止高溫煙氣進入救援站內；火源位于位置C時，僅需高端送風就能防止高溫煙氣進入救援站內；火源位于位置B時，無論高端還是低端送風，總有一半救援站中充斥著大量高溫煙氣，因此火源位于位置B時才需要考慮高端或者低端送風。由于坡度對縱向通風模式下煙氣蔓延影響很大，不同火源位置時控制煙氣蔓延的縱向風速不同，試驗中縱向風速為0.5～2.2 m·s?1。由此得到試驗工況共18 種，分別編號E1—E18，詳見表3。

表3 縱向通風模式下的試驗工況

3）半橫向通風模式

半橫向通風模式主要考察救援站內設置排煙風機條件下拱頂溫度縱向分布情況，著重對比縱向通風模式和半橫向通風模式下溫度變化情況，此時的變量為火源位置、平導風速和排煙量。排煙風機位于救援站中部，通過控制風機電流頻率的方式，測得排煙量分別為0.912，1.232 和1.712 m·s?3；平導及主隧道內均同時2 端送風，控制主隧道及平導風速在0.5～0.7 m·s?1（具體數值根據火源大小并結合設計經驗確定），由此得到試驗工況共9種，分別編號F1—F9，詳見表4。

表4 半橫向通風模式下的試驗工況

2 救援站內拱頂溫度縱向分布

拱頂溫度的縱向分布不但能影響有毒煙氣在隧道內的輸運，同時這也是隧道結構抗火設計時考慮的關鍵因素之一。為尋求合理的通風控溫模式，需要分別討論3 種通風模式下、火源位于3 處不同位置時的救援站內拱頂溫度的縱向分布具體情況。

2.1 自由蔓延模式下的溫度縱向分布

1）火源位于位置A

此時救援站拱頂溫度縱向分布如圖2所示，由圖2可得出以下結論。

圖2 自由蔓延模式下火源位于位置A的救援站拱頂溫度縱向分布

（1）工況D2 中拱頂最高溫度最高（802 ℃），工況D1 最低（598 ℃），這是因為工況D1 中沒有機械通風，新鮮風很難進入救援站內，火源附近充斥的大量煙氣導致火源不能充分燃燒，而有機械通風的其他工況中，新鮮空氣能夠通過橫通道進入救援站，使得火源充分燃燒、拱頂溫度升高。

（2）高端送風時的拱頂溫度高于低端送風，這是因為火源位置與送風位置均位于高端，送風時有更多的新鮮空氣流向火源附近。

（3）工況D4 平導2 端均送風時，拱頂溫度反而低于工況D2和D3單側送風時，這是因為火源位于入口附近，較小的風速就能滿足火源充分燃燒的條件，而2 端送風會使救援站內風速過大，高溫煙氣無法聚集在拱頂。

（4）送風方式不同的4 種工況中，火源上游拱頂溫度超過100 ℃的區域（高溫區域）在火源附近4.2 m 范圍內，而火源下游在火源附近2.6 m 范圍內；平導送風風速不同時火源附近下游8.4 m 以外的拱頂溫度均低于50 ℃，送風風速對拱頂溫度縱向分布影響不大，主要影響的是拱頂最高溫度。這是因為高溫煙氣在蔓延的過程中熱量逐漸損失致使煙氣動能減小，救援站內有多條橫通道，高溫煙氣在蔓延至其他較遠位置的橫通道時，橫通道內較小的風速就能抑制煙氣蔓延。

2）火源位于位置B

此時救援站拱頂溫度縱向分布如圖3所示。由圖3可知：工況D8中拱頂最高溫度最高（940 ℃）；4種工況中，火源上游高溫區域在火源附近15.0 m范圍內，而火源下游在火源附近4.0 m 范圍內，上游高溫區域明顯廣于火源下游，這是因為隧道坡度對救援站內拱頂溫度縱向分布的影響明顯，救援站坡度大而且火源位于位置B 時“煙囪效應”（煙氣沿著有坡度的空間向上升，造成煙氣加強對流的現象）對救援站內高溫煙氣蔓延的影響很大，高溫煙氣在“煙囪效應”的作用下會更加容易向火源上游蔓延，同時坡度會限制火源下游煙氣運動，使得高溫煙氣更難向火源下游蔓延。

圖3 自由蔓延模式下火源位于位置B的救援站拱頂溫度縱向分布

3）火源位于位置C

此時救援站拱頂溫度縱向分布如圖4所示。由圖4可知：工況D12 中拱頂最高溫度最高（785 ℃）；4 種工況中，火源上游的拱頂溫度縱向分布相差不大，高溫區域基本在火源附近3.0 m 范圍內，而火源下游則差異明顯，特別是工況D12平導2 端送風時，火源下游的拱頂高溫區域分布最廣，在火源附近7.4 m 范圍內，且此時溫度衰減最慢。這是因為在坡度的作用下，拱頂對限制煙氣蔓延的作用增強，如僅下游送風，橫通道內的風速將促使煙氣向火源下游蔓延，造成高溫區域向火源下游蔓延；如僅上游單側送風，由于火源離送風口很遠，救援站內風速又很小，不會對拱頂溫度縱向分布產生較大影響。

圖4 自由蔓延模式下火源位于位置C的救援站拱頂溫度縱向分布

4）3種位置下的拱頂溫度縱向分布對比

綜合自由蔓延模式下火源位于3 處不同位置時的12 種工況可知：救援站內的拱頂溫度均在火源上下游5.0 m 范圍內大幅降低；火源位于位置B時，由于可從救援站2 端通過橫通道向救援站內輸送新鮮空氣，救援站中部的橫通道內風速要比靠近出入口處的小得多，火源很難達到充分燃燒的條件；因此相比于其他2種情況（火源位于位置A 和位置C），此時救援站內拱頂高溫區域分布最廣、拱頂溫度最高，最為不利。

2.2 縱向通風模式下的溫度縱向分布

1）火源位于位置A

此時救援站拱頂溫度縱向分布如圖5所示。由圖5和圖2可得出以下結論。

圖5 縱向通風模式下火源位于位置A的救援站拱頂溫度縱向分布

（1）工況E1 中拱頂最高溫度最高（590 ℃），此時縱向風速小于1.0 m·s?1；而縱向風速大于1.0 m·s?1后，拱頂最高溫度僅為400 ℃。縱向風速對下游火源附近拱頂溫度縱向分布影響很大，縱向風速越大拱頂溫度衰減越快。

（2）縱向風速不同的5 種工況中，火源上游拱頂高溫區域幾乎相同，均在火源附近3.5 m 范圍內，最不利的工況E2 中，高溫區域最大也僅在火源下游4.0 m 范圍內。縱向風速對火源上游高溫區域分布范圍影響很小。

（3）同樣是火源位于位置A，縱向通風模式下的拱頂最高溫度要比自由蔓延模式低212 ℃。這是因為縱向通風模式下，較低溫度的新鮮縱向風不但會降低隧道內溫度，還能夠很容易地將高溫煙氣吹向下游出口，避免高溫煙氣在隧道下游發生聚集。

2）火源位于位置B

此時救援站拱頂溫度縱向分布如圖6所示。由圖6可得出以下結論。

圖6 縱向通風模式下火源位于位置B的救援站拱頂溫度縱向分布

（1）低端送風時，工況E8 中拱頂最高溫度最高（509 ℃），工況E6 中最低（400 ℃）；縱向風速不同的4 種工況中，高溫煙氣在火源上游的蔓延距離最遠達20.0 m，在火源下游基本能被控制在1.6 m 范圍內，且各工況中火源下游溫度分布范圍相差不大。這是因為隨著縱向風速增大，更多新鮮空氣進入隧道內，火源的充分燃燒使得拱頂溫度增高，因此此時縱向風速對火源燃燒起到促進作用；如果繼續增大縱向風速，足夠大的縱向風速能夠使得高溫煙氣快速地流向火源下游，拱頂溫度反而會降低。

（2）高端送風時，工況E10中拱頂最高溫度最高（324 ℃），工況E12 最低（210 ℃）；不同工況下高溫煙氣在火源上游的蔓延距離為3.5～7.6 m。相比于低端送風，高端送風不但將低含氧量的煙氣吹向火源，而且此時縱向風速還需要克服坡度產生的“煙囪效應”，會造成煙氣聚集、火源燃燒不充分，進而降低拱頂最高溫度。

（3）2 種送風條件下，低端送風時隧道坡度更有利于煙氣向火源上游運動，因此低端送風對拱頂溫度縱向分布的控制效果更強、此時高溫區域分布更窄；低端送風、高端送風2 種送風條件下拱頂最高溫度能相差達220～300 ℃。

3）火源位于位置C

此時救援站拱頂溫度縱向分布如圖7所示。由圖7可知：工況E15 中拱頂最高溫度達728 ℃，是縱向通風模式下所有工況中的最高溫度，此時縱向風速對火源上游拱頂溫度的影響也是最強的；火源上游拱頂高溫區域最遠達到火源附近9.0 m 處，火源下游大部分拱頂溫度也超過50 ℃；縱向風速對火源上游火源附近拱頂溫度縱向分布影響很大，縱向風速越大拱頂溫度衰減越快。在這一火源位置下，“煙囪效應”對煙氣運動的影響最強，而且送風口遠離火源，縱向風還需要克服“煙囪效應”引起的強對流，因此此時縱向風對拱頂最高溫度的影響最小。

圖7 縱向通風模式下火源位于位置C的救援站拱頂溫度縱向分布

4）3種火源位置下的拱頂溫度縱向分布對比

綜合縱向通風模式下火源位于3 處不同位置時的18 種工況并與自由蔓延模式工況對比可知：縱向風速對拱頂溫度衰減影響很大，順風側的拱頂溫度縱向分布范圍小于背風側，且不同火源位置時高溫區域均能被控制在火源附近15.0 m 范圍內；火源位于位置A 時，拱頂最高溫度隨著縱向風速的增大而減小，順風側高溫區域僅在火源附近4.0 m范圍內；火源位于位置B時，高端送風條件下的拱頂溫度遠低于低端送風條件；相比于其他2 種情況，火源位于位置C時，救援站內拱頂溫度縱向分布最廣，最為不利；不同火源位置時，縱向通風模式下的拱頂溫度總低于自由蔓延模式。

2.3 半橫向通風模式下溫度縱向分布

1）3種火源位置下的拱頂溫度縱向分布對比

半橫向通風模式下，不同火源位置的救援站拱頂溫度縱向分布如圖8所示。由圖8可得出以下結論。

圖8 半橫向通風模式下不同火源位置處的救援站拱頂溫度縱向分布

（1）火源位于位置A 時，工況F2 中拱頂最高溫度最高（493 ℃），不同工況中火源上游拱頂高溫區域均在火源附近3.0 m 范圍內，此時排煙風機遠離火源，火源附近煙氣因坡度而聚集導致火源燃燒不充分，使得拱頂最高溫度很低。

（2）火源位于位置B 時，工況F5 中拱頂最高溫度最高（897 ℃），對應的高溫區域也最廣，但不同工況中火源上游拱頂高溫區域均在火源附近9.7 m范圍內，相比于位置A，此時排煙風機在火源附近，隧道坡度也有利于火源上游煙氣蔓延，火源附近的煙氣能快速擴散，因此拱頂最高溫度最高。

（3）火源位于位置C 時，排煙風機雖遠離火源，但強烈的“煙囪效應”會促使火源上游煙氣蔓延，因此拱頂最高溫度和高溫區域范圍均介于位置A和位置B之間。

（4）綜合火源位于3 種位置的情況，不同排煙量下的拱頂最高溫度差分別為112，323 和228 ℃，且隨著平導送風風速和排煙量的增加，拱頂最高溫度均出現先增大后降低的現象。這是因為剛開始增大送風風速和排煙量時，隧道內煙氣沒有得到有效控制，煙氣聚集在火源附近不利于火源充分燃燒；平導送風會向火源輸送新鮮空氣，排煙則會將低氧氣含量的煙氣排出，火源充分燃燒下，會導致拱頂最高溫度升高；進一步增大送風風速和排煙量后，送風風速能快速將高溫煙氣吹向下游排出隧道，并且足夠大的排煙量也會將高溫煙氣吸入排煙道內，這樣將使得拱頂最高溫度降低。

2）縱向通風和半橫向通風模式下的拱頂溫度對比

進一步對比縱向通風和半橫向通風模式下，不同火源位置的救援站拱頂溫度縱向分布如圖9所示。由圖9可得出以下結論。

圖9 縱向通風和半橫向通風2種模式下不同火源位置處的救援站拱頂溫度對比

（1）火源位于位置A和位置B時，縱向通風模式下拱頂最高溫度遠高于半橫向通風模式，位置A時高出近100 ℃，位置B時高出接近200 ℃。

（2）火源位于位置C 時，2 種模式下的拱頂最高溫度相差并不大，但半橫向通風模式下火源下游拱頂溫度總是低于縱向通風模式。這是因為火源位于位置C時上坡長度很長，隧道長度越長“煙囪效應”越強烈；自由蔓延通風模式下，上游煙氣在坡度的作用下能快速向高端蔓延并排出救援站；此時火源距救援站出口很近，下游煙氣不會在火源處發生聚集，因此這2 種通風模式下拱頂最高溫度僅相差7 ℃。

（3）無關火源位置，半橫向通風模式下的火源上游拱頂溫度總低于縱向通風模式，2 種模式下的拱頂最高溫度最多相差203 ℃。

綜合半橫向通風模式下火源位于3 處不同位置時的情況及2 種模式下的對比可知：火源位置對拱頂最高溫度的影響特別明顯，不同的排煙量和縱向風速下，拱頂最高溫度最多能相差300 ℃；半橫向通風模式下，火源位于位置B時最為不利，此時要特別注意火源附近高溫對隧道襯砌的破壞。

3 結 論

（1）自由蔓延模式下，拱頂最高溫度最高達940 ℃，是3 種通風模式下最高的，此時火源位于位置B；送風風速對自由蔓延模式下的拱頂溫度縱向分布影響不大，影響的主要是拱頂最高溫度。

（2）縱向通風模式下，拱頂最高溫度最高為728 ℃，當火源位于位置B 時甚至低于300 ℃，遠低于自由蔓延模式相同工況；但當火源位于位置B時，低端送風、高端送風2 種送風條件下拱頂最高溫度能相差達220～300 ℃，其中前者的高溫區域分布相對更窄、后者的拱頂最高溫度相對更低。

（3）半橫向通風模式下，拱頂最高溫度最高為897 ℃，此時拱頂溫度隨縱向風速和排煙量的增大先升高后降低；不同的排煙量及縱向風速下，拱頂最高溫度能相差300 ℃。

（4）無關火源位置，半橫向通風模式下的火源上游拱頂溫度總低于縱向通風模式，火源位置相同時，2種模式下的拱頂最高溫度最多相差203 ℃。

（5）自由蔓延和半橫向通風模式下，最不利的火源位置均為位置B，而縱向通風模式下的最不利火源位置為位置C；處于最不利火源位置時，相同通風模式下的高溫區域分布范圍和拱頂的最高溫度均最大。