基于縮尺試驗分析隧道火災自熄機理

鄭衛華，蔡龍成，劉勇

（江西交通職業技術學院，江西 南昌 330013）

0 引言

隧道建設不僅能夠克服高山峻嶺等自然障礙，還能縮短運輸時間與成本，給公眾的出行提供便利，但由于隧道內外環境差異較大、結構復雜、交通車輛多變，隧道內的交通與火災事故發生率逐漸上升。隧道火災發生，不僅會破壞隧道結構，還會造成巨大的經濟損失與人員傷亡[1]。

為深入探究隧道火災自熄機理，在現有研究成果的基礎上，采用縮尺試驗方法建立隧道模型，對封堵障礙物與隧道壁面邊界對隧道火災自熄的影響進行分析[2-9]。

1 封堵障礙物對隧道火災自熄的影響

為研究障礙物對隧道火災自熄的影響，采用1∶20的縮尺隧道模型與甲醇燃料進行試驗研究。

1.1 試驗設計

試驗縮尺隧道模型長度為20.8m，分別在隧道內對稱位置距離火源4m、6m、8m 和10m 的位置設置障礙物，障礙物的長度為10cm、寬度為45cm、高度為15cm，封堵率為65%，分別模擬上部封堵（D）和下部封堵（U）情況，并設置無封堵障礙物進行對比分析研究。試驗過程中，為得到甲醇燃燒過程中的質量變化，采用精度為0.01g 的天平將其放置在油盆下方進行測量，采用熱電偶樹觀測隧道內溫度的變化，研究煙氣的輸送特性，采用數碼攝像機和煙氣流場激光記錄儀觀察并記錄火源燃燒過程中火焰的形態和煙氣在隧道內的蔓延過程。試驗所采用的火源功率為5.6kW 和11.2kW，甲醇燃料在油盆中的燃燒時間約為30min，自熄時間為點火至火焰熄滅的時間間隔。障礙物布置見圖1，封堵障礙物的試驗工況見表1。

表1 封堵障礙物的試驗工況（封堵率65%）

圖1 封堵障礙物布置圖（單位：m）

1.2 試驗結果分析

1.2.1 自熄時間

根據表1 可知，當火源功率為5.6kW 時，設置上部封堵的隧道自熄時間分別為388s、485s、650s 和662s，相較于無封堵隧道的自熄時間均縮短，分別縮短46%、33%、11%和10%，由此可以看出當封堵物離火源越近時，甲醇的自熄時間越短；當火源功率為5.6kW 時，對于雙側對稱設置下部封堵的隧道自熄時間分別為475s、532s、712s 和716s，相較于無封堵的隧道自熄時間均縮短，分別縮短38%、27%、3%和2%，由此可以看出，當封堵物離火源越近時，甲醇的自熄時間越短，相較于相同位置的上部封堵可以發現，采用下部封堵對甲醇的自熄時間影響較小。因此，當隧道發生火災時宜靠近火源位置設置上部障礙物。

當火源功率為11.2kW 時，設置上部封堵的隧道自熄時間分別為232s、278s、320s 和320s，相較于無封堵和單側封堵的隧道自熄時間均縮短，分別縮短42%、31%、20%和20%，由此可以看出，當封堵物離火源越近時，甲醇的自熄時間越短。當火源功率為11.2kW 時，對于雙側對稱設置下部封堵的隧道自熄時間分別為257s、310s、384s 和370s，相較于無封堵和單側封堵的隧道自熄時間均縮短，分別縮短36%、23%、4%和8%，由此可以看出，當封堵物離火源越近時，甲醇的自熄時間越短，相較于相同位置的上部封堵可以發現，采用下部封堵對甲醇的自熄時間影響較小。因此，當隧道發生火災時宜靠近火源位置設置上部障礙物。

1.2.2 火源燃料質量損失速率

根據不同的試驗工況繪制火源燃料質量損失隨時間的變化曲線（見圖2），根據圖2 可知，當隧道無障礙物封堵處于開放空間狀態時，隨著燃燒時間的延長，火源燃料的質量損失速率沒有下降的趨勢；而當隧道有封堵物進行封堵時，從圖2（a）和圖2（b）中發現火源燃料的質量損失明顯下降，說明隧道內的甲醇燃燒均發生了自熄；當障礙物離火源燃料越近，火源燃料的質量損失率下降越快，說明自熄更快。相比圖2（a）和圖2（b）可以發現火源功率11.2kW 時質量損失率停止時間明顯比5.6kW 的少，說明火源功率越大，自熄時間越短。從圖中還可以發現在火源燃料資料損失率下降前燃料的質量損失率基本保持一致，說明障礙物的封堵距離與火源燃料質量損失率的大小無關。

圖2 不同火源功率的質量損失速率

1.2.3 火源處煙氣濃度

根據不同的火源功率繪制火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度變化圖（見圖3）。

根據圖3（a）和圖3（b）可知，火源處的氧氣濃度隨著甲醇燃燒時間的延長在逐漸減小，并且可以發現當障礙物距離火源越近，氧氣濃度下降越快，火源越快發生自熄，自熄的時間越短；當隧道無封堵時氧濃度下降的斜率最小，有封堵物時隨封堵物距火源的距離越遠，氧濃度下降斜率越小。

根據圖3（c）和圖3（d）可知，火源處的二氧化碳濃度隨著甲醇燃燒時間的延長在逐漸增加，并且可以發現當障礙物距離火源越近，二氧化碳濃度增加越快，濃度越高；當隧道無封堵時二氧化碳濃度增大的斜率最小，有封堵物時隨封堵物距火源的距離越遠，二氧化碳濃度增加斜率越小。說明封堵能夠加快火災的自熄。

綜上所述，隧道障礙物上部封堵比下部封堵對隧道產生的自熄效果更明顯，能縮短隧道火災的自熄時間，并且當封堵障礙物距火源越近，隧道自熄的時間越短，對火災和煙氣的控制效果更好。

2 壁面邊界對隧道火災自熄的影響

為研究壁面邊界對隧道火災自熄的影響，分別設置防火玻璃隧道1 和防火板隧道2 來研究壁面的傳熱性能對火災自熄特性的影響。

2.1 試驗設計

試驗縮尺隧道模型長度為20.8m，在試驗期間對火災的自熄時間、質量損失速率和煙氣濃度等特征參數進行采集，壁面邊界的試驗工況如表2 所示。

表2 壁面邊界的試驗工況

2.2 試驗結果分析

2.2.1 自熄時間

根據表2 可知，對于隧道1，隧道壁面采用防火玻璃時，當火源的功率為5.6kW、11.2kW 和16.8kW 時隧道均會發生自熄，自熄的時間分別為734s、401s 和297s，可見隨著火源功率的增大，隧道的自熄時間越短，環境的溫度也逐漸降低。

對于隧道2，隧道壁面采用防火板時，當火源的功率為5.6kW、11.2kW 和16.8kW 時隧道均會發生自熄，自熄的時間分別為738s、393s 和297s，可見隨著火源功率的增大，隧道的自熄時間越短，環境的溫度也逐漸降低，但對于火源功率為17.9kW 和17kW，二者隧道內的環境溫度相近。

對于隧道2*，隧道壁面采用防火板并且采用線香監測煙氣流場時，當火源功率為2.8kW 時，隧道也未能發生自熄現象；當火源的功率為5.6kW、11.2kW 和16.8kW 時隧道均會發生自熄，自熄的時間分別為729s、397s 和298s，可見隨著火源功率的增大，隧道的自熄時間越短，環境的溫度變化不大。

對比隧道1 與隧道2 可以發現，當隧道內的火源功率相同時，不同隧道壁面邊界材料組成的隧道自熄時間相近。例如，當火源功率均為11.2kW 時，隧道1的自熄時間為393s，而隧道2 的自熄時間為397s，說明不同傳熱系數的隧道壁面對火災自熄時間影響很小。對比隧道2 和隧道2*可以發現，相同功率情況下的隧道自熄時間大致相似，并且均隨火源功率的增大而逐漸縮短，說明在隧道內線香的使用不影響火災的自熄時間。

2.2.2 火源燃料質量損失速率

根據不同的試驗工況繪制火源燃料質量損失隨時間的變化曲線（見圖4）。

圖4 不同火源功率的質量損失速率

根據圖4（a）可知，當隧道的火源功率為2.8kW時，在開放空間、隧道1 和隧道2 內甲醇燃料的質量損失速率隨燃燒時間的增加逐漸增大，但隧道2 的火甲醇燃料質量損失速率相比隧道1 和開放空間隧道要高。

根據圖4（b）可知，當隧道的火源功率為5.6kW時，開放空間、隧道1 和隧道2 內甲醇燃料的質量損失速率隨燃燒時間的增加逐漸增大；未發生自熄前時，質量損失速率分別0.25/s、0.30g/s 和0.25g/s，當隧道發生自熄時，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料質量損失速率迅速下降，而開放空間的燃料質量損失速率因未能發生自熄依舊在增大。

根據圖4（c）可知，當隧道的火源功率為11.2kW時，開放空間、隧道1 和隧道2 內甲醇燃料的質量損失速率隨燃燒時間的增加逐漸增大；未發生自熄前時，質量損失速率分別0.50/s、0.55g/s 和0.50g/s，當隧道發生自熄時，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料質量損失速率迅速下降，而開放空間的燃料質量損失速率因未能發生自熄依舊在增大。

根據圖4（d）可知，當隧道的火源功率為16.8kW時，開放空間、隧道1 和隧道2 內甲醇燃料的質量損失速率隨燃燒時間的增加逐漸增大；未發生自熄前時，質量損失速率分別0.70/s、0.90g/s 和0.75g/s，當隧道發生自熄時，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料質量損失速率迅速下降，而開放空間的燃料質量損失速率因未能發生自熄依舊在增大。

2.2.3 火源處煙氣濃度

根據不同的火源功率繪制火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度變化圖（見圖5）。

圖5 不同功率煙氣濃度

根據圖5（a）可知，對于火源功率為2.8kW 時兩個隧道的氧氣濃度持續下降但氧氣的濃度值保持在16%，火焰未發生自熄；根據圖5（b）可知，火源在自熄前火源處的氧氣濃度呈現線性下降，自熄時隧道1 的氧氣濃度約為15.4%，隧道2 的氧氣濃度約為14.4%；根據圖5（c）可知，火源在自熄前火源處的氧氣濃度呈現線性下降，自熄時隧道1 的氧氣濃度約為14.6%，隧道2 的氧氣濃度約為13.6%；根據圖5（d）可知，火源在自熄前火源處的氧氣濃度呈現線性下降，自熄時隧道1 的氧氣濃度約為15.6%，隧道2 的氧氣濃度約為13.6%；對比能發現隧道2 與隧道1 火源處氧氣濃度發現，隧道2 的氧氣濃度下降更快，極限氧氣濃度值也更小，說明隧道壁面邊界會影響火源處的氧氣濃度，采用防火板這種絕熱壁面向環境傳熱的能力弱，不僅能加快火源的燃燒還能消耗大量氧氣，加快火災的自熄時間。

根據圖5（i）～圖5（l）可知，火源處的二氧化碳濃度逐漸升高，并且發現隧道2 的二氧化碳濃度增長率更大，由此可見絕熱壁面在降低氧氣濃度的同時能加速二氧化碳的生產，并且當火源功率越大時，二氧化碳生產的量越多，自熄時間越短。

綜上所述，隧道的火災的自熄時間與隧道壁面邊界無關，但火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度受壁面邊界的影響，當隧道壁面為防火板壁面時，能加快氧氣的消化率，增加二氧化碳的生成量。

3 結論

第一，障礙物上部封堵時對隧道產生的自熄效果比下部封堵更有效，隧道火災的自熄隨封堵物距火源的距離越遠，自熄時間越長，對火災和煙氣的控制效果更差。

第二，隧道的火災的自熄時間與隧道壁面邊界無關，但火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度受壁面邊界的影響，當隧道壁面為防火板壁面時，能加快氧氣的消化率，增加二氧化碳的生成量。