針對結構耐火性能評估的某雙層城市交通隧道火災環(huán)境溫度場研究

摘要：為評估某雙層城市交通隧道結構承重體的耐火性能，對該隧道內(nèi)典型部位火災時的環(huán)境溫度進行了數(shù)值模擬分析研究。研究結果表明：隧道壁內(nèi)表面附近的環(huán)境溫度呈不均勻分布，著火車輛正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而逐漸減小，隨著距地面高度的增加而逐漸增加；在相同的火災規(guī)模作用下，隧道內(nèi)距地面相同高度處的環(huán)境溫度因不同部位隧道幾何輪廓和尺寸的差異會具有較大的區(qū)別。

關鍵詞：城市交通隧道；火災；火災環(huán)境溫度；隧道結構耐火性能

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2024）09-0010-04

城市交通隧道在解決城市交通擁堵、提高通行效率方面發(fā)揮著重要作用，但隧道結構一旦受到破壞，特別是發(fā)生坍塌時，其修復難度非常大。火災條件下的隧道結構安全，是保證火災時滅火救援和火災后隧道盡快修復使用的重要條件[1-2]。為做好隧道結構防火設計，有必要對隧道承重結構體的耐火性能進行評估。評估工作通常分為確定隧道內(nèi)火災環(huán)境溫度場和開展隧道結構耐火性能評估兩個部分。其中，進行隧道內(nèi)火災環(huán)境溫度分析是開展隧道結構耐火性能評估的基礎。

隧道內(nèi)火災環(huán)境溫度與隧道的幾何形狀及尺寸、通行車輛類型、起火部位、隧道內(nèi)消防設施設置情況及是否有效動作等因素有關。在進行結構耐火性能評估分析時，通常偏安全的忽略消防設施的有利作用，并將火源位置貼近隧道結構體，選擇可信最不利的火災荷載開展相關分析。

本文將以某雙層城市交通隧道為研究對象，對該隧道承重結構體耐火性能評估所需的火災環(huán)境溫度場進行研究，以便為下一步開展結構耐火性能評估打下基礎。本文的研究結果和結論也可作為同類項目進行設計時的參考。

1 隧道基本信息

某城市交通隧道建設工程位于市區(qū)，封閉段長度約3.6km，屬于一類隧道。隧道采用盾構法建設，采用單孔雙層布置斷面，雙向交通布置在同一洞內(nèi)，雙向4車道，另各設置2m寬連續(xù)停車帶。該隧道為小客車專用隧道，限界高度3.5m，不通行危險化學品等機動車。隧道外徑約15m，上層車行空間凈寬9.5m，凈高6.25m；下層車行空間凈寬9.5m，凈高4.2m。隧道采用重點排煙，排煙道設置在隧道一側(cè)，上、下層車道共用。車行空間頂部及距路面2.9m高以上的側(cè)墻采用耐火極限不低于2.00h（按RABT升溫曲線測試）的防火板保護，距路面2.9m高以下的側(cè)墻設置防火裝飾板（高度2.1m），防火裝飾板下沿至路面為0.8m高的防撞石，防撞石底部外側(cè)與防火裝飾板水平距離0.4m。隧道橫斷面示意圖見圖1。

2 針對結構耐火分析的火災場景設計

2.1" 火源位置

隧道內(nèi)對結構安全影響最不利的火源類型為車輛火災，雖然隧道內(nèi)車輛發(fā)生火災的位置是隨機的，但進行結構耐火分析時，火源位置的選擇應能保證最不利情況下的隧道結構安全。考慮到本隧道頂部及部分靠近頂部的側(cè)墻均采用了滿足規(guī)范要求的耐火極限不低于2.00h的防火板作為防火內(nèi)襯進行保護，本次結構耐火分析研究的重點部位為設置防火裝飾板的側(cè)墻區(qū)域。

結合隧道建筑條件、防火內(nèi)襯布置方案、車輛可能的著火部位等因素，按照“可信最不利”原則，設計了以下2個火源位置：

火源位置A：火源位于上層車道，為行駛中的車輛發(fā)生火災，并撞擊到路道邊緣，分析汽車著火對隧道結構的影響。

火源位置B：火源位于下層車道，為行駛中的車輛發(fā)生火災，并撞擊到路道邊緣，分析汽車著火對隧道結構的影響。

2.2" 火災最大熱釋放速率

火災的熱釋放速率與火災中可燃物的組分以及燃燒是否充分等諸多因素有關，火災場景不同，其熱釋放速率也有所不同，因此火災的熱釋放速率很難確定。目前國內(nèi)外對有關隧道不同車型火災的熱釋放速率的研究也非常多，但是仍沒有一個統(tǒng)一的標準。

根據(jù)我國行業(yè)標準《城市地下道路工程設計規(guī)范》第8.3.3條條文說明中列出的對各國不同類型車輛火災熱釋放速率的調(diào)研情況，小汽車的火災熱釋放速率為2.5～8MW，貨車的火災熱釋放速率普遍為15MW。根據(jù)于年灝等人對國內(nèi)外公路隧道火災設計規(guī)模的調(diào)查研究[3]，小汽車的火災熱釋放速率為5～10MW，輕型貨車的火災熱釋放速率為15MW。相關研究結果表明[4-5]，新能源小汽車的火災熱釋放速率為4.2～7MW。

本次研究的隧道為小客車專用城市交通隧道，界限高度3.5m，主要通行車輛為小汽車，考慮到隧道內(nèi)可能會通行輕型貨車/面包車，將結構耐火分析的火災最大熱釋放速率確定為15MW。

2.3" 火災增長速率

本次研究時，按照穩(wěn)態(tài)火考慮。

2.4" 設定火災場景

針對結構耐火性能評估的目的，結合隧道建筑條件并考慮隧道消防設施設置情況，依據(jù)最不利原則，分析確定了2個具有代表性的設定火災場景，見表1。

3 分析模型的建立

采用火災動力學模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）開展環(huán)境溫度模擬。

3.1" 物理模型

考慮小型貨車起火后向行車方向側(cè)邊停靠，由于存在防撞側(cè)石，貨車內(nèi)側(cè)與隧道側(cè)壁防火裝飾板外表面的水平投影距離為0.4m。參考小型貨車的通常尺寸，本次分析設定貨車的總尺寸為2.8m（高）×2m（寬）×6m（長），燃燒面設定為長方體，尺寸為2.4m（高）×2m（寬）×6m（長），距離地面0.4m。計算的隧道長度為80m，火源兩側(cè)各40m。

3.2" 網(wǎng)格劃分及環(huán)境溫度

采用非均勻網(wǎng)格劃分方法，在火源附近區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.1m×0.1m×0.1m，其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.2m×0.2m×0.2m。環(huán)境溫度假設為20℃。

3.3" 熱電偶布置

圍繞隧道的內(nèi)表面設置溫度測點，其中距火源最近的防火裝飾板（高2.1m）上共布置11個測點，從防火裝飾板頂部開始布置，每隔0.2m布置一個，最后1個距防火裝飾板底部0.1m。隧道內(nèi)測溫熱電偶的布局見圖2。

4 數(shù)值模擬結果及分析

4.1" 數(shù)值模擬結果

各火災場景穩(wěn)定后的隧道內(nèi)橫斷面溫度場示意圖見圖3。

各火災場景穩(wěn)定后的隧道內(nèi)表面溫度隨環(huán)形距離的變化示意圖見圖4。

各火災場景穩(wěn)定后的隧道內(nèi)火源附近防火裝飾板表面不同高度處溫度隨時間的變化示意圖見圖5。

4.2" 結果分析

4.2.1" A00場景結果分析

隧道內(nèi)汽車著火后，火焰觸及隧道頂部并形成頂棚射流。由于排煙系統(tǒng)未啟動，煙氣在頂棚聚集并向隧道兩端蔓延，煙氣層主要聚集在防火裝飾板上部，即距離地面3.2m以上的位置。

由于受火焰沖擊，火源正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而減小，隨著距地面高度的增加而增加。

距防火裝飾板底部0.1m處的溫度不超過300℃；距防火裝飾板底部0.3～1.3m處的溫度在200～400℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過400℃；距防火裝飾板底部1.5～2.1m處的溫度在300～450℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過453℃。

火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為368℃，瞬時最高溫度為453℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃。

4.2.2" B00場景結果分析

隧道內(nèi)汽車著火后，火焰觸及隧道頂部并形成頂棚射流。由于排煙系統(tǒng)未啟動，煙氣在頂棚聚集并向隧道兩端蔓延，在整個模擬時間內(nèi)，煙氣層主（下轉(zhuǎn)第27頁）（上接第12頁）要聚集在距離地面2.5m以上的位置。

由于受火焰沖擊，火源正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而減小，隨著距地面高度的增加而增加。

距防火裝飾板底部0.1～0.9m處的溫度在140～240℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過240℃；距防火裝飾板底部1.1～1.3m處的溫度在200～400℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過400℃；距防火裝飾板底部1.5～1.7m處的溫度在280～560℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過560℃；距防火裝飾板底部1.9～2.1m處的溫度在380～700℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過700℃。

火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為585℃，瞬時最高溫度為700℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃。

5 結論

本文對某雙層結構城市交通隧道內(nèi)用于結構耐火分析的火災環(huán)境溫度進行了數(shù)值模擬分析研究，得到了該隧道典型部位火災時隧道內(nèi)溫度場分布規(guī)律。研究結論如下：①在臨近隧道內(nèi)壁車道發(fā)生15MW的車輛（車輛距離防火裝飾板內(nèi)表面0.4m）火災后，隧道壁內(nèi)表面附近的環(huán)境溫度呈不均勻分布，火源正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而逐漸減小，隨著距地面高度的增加而迅速增加，臨近著火車輛一側(cè)的防火裝飾板范圍內(nèi)的溫度高于另一側(cè)。著火車輛頂部隧道壁內(nèi)表面的最高溫度超過1000℃，臨近著火車輛一側(cè)的防火裝飾板下沿處的溫度低于200℃，遠離著火車輛的另一側(cè)防火裝飾板下沿處的溫度低于100℃。②在相同的火災規(guī)模作用下，隧道內(nèi)距地面相同高度處的環(huán)境溫度因隧道幾何輪廓和尺寸的不同會具有較大差異。對于隧道上層，火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為368℃，瞬時最高溫度為453℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃；對于隧道下層，火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為585℃，瞬時最高溫度為700℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃。

參考文獻

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