縱向通風地鐵隧道火災頂棚煙氣溫度試驗研究

摘要：要實現地鐵隧道主體結構的有效防火保護，關鍵在于研究隧道火災發生時頂棚下方煙氣溫度的變化特性。按照Froude模型的原理，搭建小尺寸隧道模型，運用溫度數據采集設計、模型火源設計與試驗工況設計等試驗方法，針對隧道火災發生時，隧道頂棚煙氣縱向溫度和通風風速、火源功率之間的聯系開展研究。試驗成果顯示，通風風速與火源功率對隧道火災時頂棚縱向煙氣溫度的影響顯著，以縱向通風方向作為考慮方向，隧道頂棚溫度的變化呈現出沿隧道上下游兩側相對對稱分布的特征，溫度隨隧道中間位置距離的增大而逐漸降低；當設備風機的風速增大時，隧道頂棚的煙氣溫度會逐漸下降；隨著隧道火災火源功率的增加，隧道頂棚的煙氣溫度則會逐步上升。

關鍵詞：小尺寸模型；隧道頂棚；煙氣溫度；通風風速；火源功率

中圖分類號：U231+.96" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0010-03

0 引言

在城市化快速發展的當下，軌道交通已成為人員高度聚集的公共區域，其安全問題備受關注。在眾多災害類型里，火災在軌道交通系統所發生的災害中頗具代表性。據相關資料，隧道內火災事故數量（包括列車車廂內部火災事故）占總體地鐵火災事故的52%[1-2]。在軌道交通系統中，地下站臺和區間隧道內的燃燒狀況，以及煙氣與有毒有害物質的傳播擴散，成為突出的安全隱患。城市軌道交通的區間隧道空間相對封閉，可視性較差。在這樣的環境中，一旦發生火災，產生的煙氣難以在短時間內排出。此外，因其客運量大、乘客集中，運營環境相對封閉，一旦列車運行中發生火災被迫停在區間隧道內，火勢蔓延速度快，極易造成人員傷亡[3-4]。鑒于火災對隧道主體結構造成的破壞以及后續修復面臨的諸多難題[5-6]，對隧道主體結構實施有效的防火保護措施已刻不容緩。因此，針對火災時影響隧道頂棚下煙氣最高溫度的相關因素展開深入研究，對于完善隧道防火保護措施具有至關重要的理論和現實意義。

1 模型試驗

1.1" 實驗模型臺設計

按照Froude模型原理，搭建一個幾何比例為1：10的小型隧道模型。這個小比例的模型隧道，主要由3部分構成：長度為15m的區間隧道、長度達10m的排煙風道，以及一臺軸流風機。其中，區間隧道縱向斷面尺寸為490mm×530mm，經計算可得其斷面面積為0.2597m2，而實驗模型臺的斷面系數是0.88。在區間隧道模型設計方面，其縱向長度設定為15m。實際實驗操作中，通過把15個長度均為1m的長方體進行拼接組裝，以此構成完整的區間隧道模型。區間隧道模型的支架設計充分考慮與區間隧道模型的縱向長度、寬度保持一致。在具體實驗時，選用5段長度為3.0m、高度為1.0m的材料，采用型鋼焊接的工藝將它們連接起來。為確保實驗臺穩固，在安裝過程中，對每一段材料均使用螺絲釘固定在地板上。區間隧道模型斷面寬0.49m，高0.53m。

1.2" 溫度數據采集設計

火災工況中，一般選用K型鎧裝熱電偶來測量隧道內空間點溫度。熱電偶布置在隧道頂棚下方0.5cm處，沿縱向每隔20cm設置一個測點。此外，挑選8個典型斷面，各個斷面的水平間距分別為20、20、10、20、10、20、20cm。在8個具有代表性的斷面中心，依照高度方向來布置熱電偶樹。在每一棵熱電偶樹上，總共設置5個熱電偶測點，依次標記為a、b、c、d、e點。其中，最高位置的熱電偶a點，安置在距離隧道拱頂下方0.5cm處；另外4個熱電偶測點b、c、d、e點與最高測點a點的高度間隔分別是11.5、21.5、31.5、41.5cm。實驗中，比例隧道模型的風速數據通過數字風速儀對測點截面進行測量。此次通風風速測量共需獲取4個風速截面的風速數據，在15m長的小比例隧道模型中，每3m設置一個風速測點截面，數字風速儀測點在隧道截面上共布置4個。隧道通風風速最終取自風速測點隧道斷面圖數字風速儀測量數據的平均值。

1.3" 模型火源設計與試驗工況安排

為在燃燒時獲取比較穩定的熱釋放速率，在區間隧道模型實驗中，模擬火源采用工業甲醇，其純度為94%。同時，為增強實驗的可靠性及實用性，并探究火災煙氣在小尺度隧道模型中的擴散規律，本文通過燃燒發煙餅模擬火災場景下的煙氣生成過程，系統觀測煙氣在受限空間內的整體流動特性。基于實驗確定的火災功率，設計了3款油盤。這3款油盤高度均為4cm，長寬尺寸分別為7cm×7cm、9cm×9cm、11cm×11cm，油盤采用6mm厚的焊接鋼板制作。為深入研究火災工況下隧道頂棚煙氣縱向溫度的變化情況，共設計了15組實驗方案。實驗在1.1節所設計的模型臺中進行。實驗方案中的變量為火源熱釋放速率和縱向通風速度，火源變化通過改變油盆大小來控制，其熱釋放速率分別為1.59kW、3.19kW和4.78kW；縱向通風速度變化通過調節軸流風機風量來控制，風速控制在0.11～0.61m/s之間。

2 試驗結果與分析

通過對各工況的試驗測量數據進行分析，在同等條件下，隧道頂棚煙氣縱向溫度會隨火源功率和通風風速的改變而變化，三者之間存在一定關聯。圖1～3為相同火源功率下不同通風風速對隧道頂棚煙氣縱向溫度的影響[7]。圖表橫坐標中-6～0m為隧道上游位置，火源位于隧道中心位置，0～6m為隧道下游位置。在圖1～3中，當火源功率分別為1.59、3.19、4.78kW時，通風風速范圍為0.11～0.61m/s。受左側隧道上游通風風速影響，隧道煙氣由隧道上游向中間火源位置和右側隧道下游擴散，受縱向風速影響，隧道內煙氣羽流上升方向及形式發生變化，隧道頂棚最高煙氣溫度出現在隧道下游0.5m處。當火源功率為1.59kW時，通風風速為0.11～0.47m/s，隨著縱向通風風速升高，隧道頂棚最高煙氣溫度由85℃降至70℃。而在隧道上游位置，由于風機安裝于隧道上游處，靠近風機處風速較大，通風效果明顯。隧道頂棚煙氣溫度隨距離風機越近而越低。在隧道上游2m附近煙氣開始逆流，通風風速達到臨界風速后，煙氣不再向隧道上游擴散，因此隧道上游3～6m處隧道頂棚煙氣溫度分布大體一致。而在靠近火源位置，隧道上游1m處，隧道頂棚煙氣溫度逐漸升高。這是因為在隧道中，風機縱向通風方向與火災煙氣產生的熱浮力效應方向相反，導致隧道上游1m處出現與縱向通風方向相反的煙氣流動阻力。在隧道下游位置，煙氣產生的熱浮力效應方向與隧道上游的通風方向一致。這種同向性加快了火災煙氣的排出速率，使得該區域溫度相較于相同風速條件下的水平隧道更低。這個趨勢隨著通風風速增加而愈發明顯。隨著通風風速的上升，隧道下游頂棚煙氣溫度逐漸降低。

圖4展示了在通風風速保持恒定的條件下，不同火源功率對隧道頂棚煙氣縱向溫度分布的影響[8]。當通風風速分別為0.21、0.31、0.41m/s時，火源功率范圍為1.59～4.78kW，受左側隧道上游通風風速的影響，隧道煙氣由隧道上游向中間火源位置和右側隧道下游擴散，隧道頂棚最高煙氣溫度出現在隧道下游0.5m處。當通風風速為0.21m/s時，火源功率范圍為1.59～4.78kW，隧道頂棚最高煙氣溫度隨著火源功率的變化由75℃升高至122.1℃。由此可見，隧道頂棚最高煙氣溫度與火源功率的大小存在一定關系。在隧道上游位置4～6m處，隧道頂棚煙氣溫度基本維持在20℃左右。在靠近火源位置，隧道上游1～3m處，當火源功率為1.59kW時，隧道頂棚煙氣溫度仍然在20℃左右波動。隨著火源功率的升高，隧道頂棚煙氣溫度逐漸升高，但仍在40℃左右波動。在隧道下游1～6m處，當火源功率升高時，隧道頂棚煙氣溫度隨之升高。當離火源位置越遠，隧道頂棚煙氣溫度越低。當火源功率為3.19、4.78kW時，兩者的頂棚煙氣溫度在40～60℃之間，且相差值不大。在開啟風機的縱向通風工況下，通風帶走煙氣熱量，因此隧道上下游頂棚煙氣溫度變化不大。當火源功率相差不大，或火源功率較小時，對隧道上下游遠離火源位置的頂棚煙氣溫度影響較小。

3 結論

基于上述討論，本文的核心結論可歸納為3點：①風機工況下，受通風風速方向影響，隧道頂棚煙氣最高溫度位于隧道下游0.5m處，將隧道下游0.5m處設定為中間位置，針對不同火源功率及不同縱向通風風速的工況，隧道頂棚溫度沿隧道上下游兩側相對對稱變化，且隨著距離中間位置越遠而逐漸降低。②隧道發生火災時，若火源功率維持恒定，隨著通風風速逐漸增大，隧道頂棚煙氣溫度會緩慢降低。由于火源產生煙氣的熱浮力效應與隧道上游通風方向存在差異，在靠近風機的隧道上游區域，頂棚煙氣溫度有所下降；而在隧道下游，熱浮力效應與通風效應相互疊加，加速了煙氣排出，致使該區域溫度低于相同風速條件下的水平隧道。隨著通風風速不斷升高，這一變化趨勢愈發顯著。③在通風風速工況恒定的條件下，隧道頂棚最高煙氣溫度與火源功率呈正相關關系。火源功率越大，隧道頂棚最高煙氣溫度越高；當設定的火源功率數值相差不大或火源功率較小時，對隧道上下游遠離火源位置的頂棚煙氣溫度影響較小。

參考文獻

[1]朱奧妮.2000—2019年國內外地鐵火災事故統計分析[J].城市軌道交通研究，2020，23（8）：148-150.

[2]李炎鋒，蘇枳赫.地鐵區間隧道火災熱環境演化與疏散安全研究綜述[J].隧道與地下工程災害防治，2024，6（2）：1-12.

[3]劉育池.地鐵隧道火災救援的難點及對策分析[J].今日消防，2024，9（11）：70-72.

[4]曹向輝.地鐵火災人員疏散影響因素分析及疏散策略[J].中國人民警察大學學報，2023，39（8）：48-51+57.

[5]徐童，唐飛，何清.隧道內貼壁火頂棚射流溫度及火焰特性研究[J].中國安全科學學報，2022，32（7）：93-97.

[6]胡嘉偉.隧道內偏置火源的火災頂棚射流特征及演化規律研究[D].北京：北京交通大學，2024.

[7]許志杰.山地齒軌大坡度隧道火災煙氣溫度規律研究[D].成都：西南交通大學，2022.

[8]張緩緩.重點排煙隧道火災煙氣溫度分布規律研究[D].淮南：安徽理工大學，2023.