公路隧道內縱向通風對火災煙氣蔓延的影響研究

摘要：縱向通風作為公路隧道中常見的通風方式，其在發生火災后啟動，可對隧道內煙氣溫度、一氧化碳濃度、氧氣濃度、能見度等因素產生較大影響。在分析現有研究的基礎上，通過1：10小尺寸實驗臺，研究了縱向通風風速對火災煙氣溫度、煙氣成分及能見度的影響。結果表明，在距火源2.5m以外區域，煙氣溫度隨縱向通風風速的增大而升高；距火源0.5m處，在風速達到1.27m/s后煙氣溫度基本穩定；隨縱向通風風速的增大，一氧化碳濃度上升呈現“雙駝峰”現象，氧氣濃度下降呈現“雙波谷”現象；平均人眼高度處能見度隨縱向通風風速的增大而降低。

關鍵詞：小尺寸實驗；公路隧道；縱向通風；煙氣蔓延；平均人眼高度

中圖分類號：U458" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）10-0009-03

0 引言

截至2023年年末，全國公路隧道27297處、3023.18萬延米，增加2447處、344.75萬延米，其中特長隧道2050處、924.07萬延米，長隧道7552處、1321.38萬延米[1]。隧道屬于半封閉式土建結構，內部環境相對密閉，發生火災時，燃燒產生的高溫不易散失，火災煙氣不易排出隧道，且煙氣中含有氟化氫、有機化合物和金屬顆粒等[2-4]，影響公路隧道內受困人員的安全疏散，甚至造成人員傷亡、車輛損毀和隧道結構損壞等嚴重后果。

由于全尺寸隧道實驗需要消耗較多的人力物力，前人對公路隧道內火災的研究多采用小尺寸實驗和數值模擬的方法。孫茂貴等[5]基于FDS火災模擬軟件，得到了不同縱向風速下的通風策略。田源[6]利用火災數值模擬得到了20MW火災規模下煙氣層蔓延和溫度變化規律。白赟等[7]利用火災數值模擬得到了不同火災規模下煙氣場蔓延規律，提出了合理的控煙風速方案。徐程鋼等[8]利用小尺寸試驗，研究了縱向通風對公路隧道雙火源情況下火災煙氣擴散的影響，研究結果表明，隧道火災時縱向風速過大會破壞出風口側煙氣層的穩定性，不利于出風口側人員疏散。在前人研究的基礎上，本文所述方法也決定采取小尺寸實驗方法，研究縱向通風風速對火災煙氣蔓延的影響。

1 試驗設計

1.1" 模型設置

實驗采用根據弗洛德相似模擬搭建的公路隧道火災煙氣輸運特性研究實驗臺，尺寸比例為1：10，設定實驗臺高度為0.5m，寬度為0.8m，長度為12m。

1.2" 風速的選定

實驗綜合考慮JTG/TD70/2-02—2014《公路隧道通風設計細則》對縱向通風風速要求，選定實驗風速范圍為0m/s到7m/s，根據弗洛德相似模擬，隧道實驗臺選取風速為0、0.32、0.63、0.95、1.27、1.58、1.90、2.22 m/s，對應實際隧道中的風速為0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0m/s。

1.3" 火源的設定

實驗選取一輛小轎車發生火災為研究對象，火源功率選為2.5MW。公式（1）可根據油盤的火源熱釋放速率計算得到油盤面積。根據弗洛德相似模擬縮小的火源功率為7.9kW，應使用面積為0.0195m2的油盤。因此，實驗采用的油盤為0.14m×0.14m正方形油盤，燃料為汽油。

Q*=430.46A-0.4978 （1）

式中：Q*——火源熱釋放速率，kW；

A——油盤面積，m2。

1.4" 試驗測量系統

實驗由5根K型鎧裝熱電偶測量煙氣溫度，分別設置于距隧道入口0.5、2.5、4.5、6.5、8.5m平均人眼高度處，每根熱電偶水平方向深入隧道內，均位于隧道縱向中軸線上，通過拓普瑞TP700多路數據記錄儀采集數據。根據火焰形狀，在油盤所在橫截面選取了如圖1所示的7個風速測量點，利用臺灣泰仕TES-1340熱線式風速計進行風速測量，風機風速即為7個測點的平均風速。通過自行設計組裝的氣體監測系統進行煙氣成分濃度測量，實驗時1個一氧化碳變送器和1個氧氣變送器為1組，放置在距實驗臺入口處4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5m且距實驗臺底0.18m高度處，即人眼高度處，通過電腦軟件獲得實時氣體濃度數據。在距火源6m豎向距實驗臺底0.2m高度處設置1組能見度測量設備，由1個臺灣泰仕TES-1336A型照度儀和1個強光手電組成，強光手電通過實驗臺上直徑為1cm的小孔直線照射對應照度儀，得到實時照度值。

2 試驗結果與分析

本實驗選定每次向油盤中加入相同質量（300g）的汽油，設定在點火后5min開啟縱向通風風機系統，點火10min后關閉，通過試驗測量系統測量不同縱向通風風速下火災煙氣溫度、煙氣成分濃度、能見度的變化。

2.1" 縱向通風對平均人眼高度處火災煙氣溫度的影響

通過實驗可知，在距火源0.5m處，平均人眼高度處煙氣溫度先隨風速的增大而升高，在風速達到1.27m/s后煙氣溫度隨風速的變化不大；距火源2.5m以外區域，平均人眼高度處溫度隨風速的增大而升高，在風速達到2.22m/s后平均人眼高度處溫度驟升。這說明縱向通風對火源下游煙氣溫度的影響較大，能夠使隧道遠端溫度升高。

不同縱向距離處縱向通風對煙氣溫度的影響規律大致相同。縱向通風能夠升高隧道底部溫度，加快煙氣的沉降，使人眼高度處溫度高于自由燃燒時的煙氣溫度。由此可以看出，縱向通風對煙氣沉降的影響較大，會破壞原有的煙氣分層，加速高溫煙氣對隧道內較冷空氣的卷吸，使隧道中、遠部人眼高度處煙氣溫度升高。

2.2" 縱向通風對平均人眼高度處火災煙氣成分濃度的影響

通過實驗可以得到，當風速在0～0.63m/s時，隨著風速的增大，平均人眼高度處的一氧化碳濃度逐漸上升，氧氣濃度降低，當風速達到0.63m/s時，一氧化碳濃度達到第一個駝峰、氧氣濃度達到第一個波谷；隨著風速繼續增大，一氧化碳濃度先下降后上升，氧氣濃度先上升后下降，當風速為2.22m/s時，一氧化碳濃度達到第二個駝峰、氧氣濃度達到第二個波谷。由此可見，開啟縱向通風風機時，一氧化碳濃度出現明顯升高，且隨著風速的增大，一氧化碳濃度呈現“雙駝峰”現象，氧氣濃度呈現“雙波谷”現象。

2.3" 縱向通風對照度的影響

實驗中照度儀接收到的光束是由強光手電發出，為單色光。根據Beer-Lambert計算公式，得到縱向通風作用時人眼高度處的煙氣減光系數，見表1。

根據前人的研究，能見度和煙氣減光系數的關系具體表達式不同，但能見度始終正比于煙氣減光系數的倒數，公式（2）為能見度與煙氣減光系數的關系。

通過實驗可知，與自由燃燒相比，縱向通風能大大降低人眼高度處的能見度。具體而言，在縱向通風作用下，能見度會隨著風速的增大而降低，當風速增大到1.90m/s后，能見度則開始回升。這主要是因為，縱向通風對煙氣的水平推力會使煙氣向下卷吸冷空氣，且隨著風速的增大，卷吸作用會不斷增強。因此，在縱向通風條件下，人眼高度處能見度下降較為平緩，而當風速較大時，煙氣濃度會被稀釋，從而導致能見度升高。

3 結論

本文利用1：10縮尺寸公路隧道火災煙氣輸運特性研究實驗臺進行的小尺寸試驗，研究了不同縱向通風風速下平均人眼高度處火災煙氣溫度、煙氣成分濃度及能見度等參數的變化規律，得到以下結論：

1）在距火源0.5m處，平均人眼高度處煙氣溫度先隨風速的增大而升高，在風速達到1.27m/s后煙氣溫度隨風速的變化不大；距火源2.5m以外區域，平均人眼高度處溫度隨風速的增大而升高。

2）開啟縱向通風風機后，一氧化碳濃度上升呈現“雙駝峰”現象，氧氣濃度下降呈現“雙波谷”現象。在縱向通風風速為0.63m/s時，一氧化碳濃度達到第一個駝峰、氧氣濃度達到第一個波谷；隨著縱向通風風速的增大，一氧化碳濃度先下降后上升，氧氣濃度先上升后下降，在縱向通風風速達到2.22m/s時，一氧化碳濃度達到第二個駝峰，氧氣濃度達到第二個波谷。

3）公路隧道發生火災時開啟縱向通風，會破壞煙氣分層，在一定距離內會加劇煙氣與下方冷空氣的摻混、卷吸，煙氣迅速沉降，使得隧道沿途平均人眼高度處溫度升高、一氧化碳濃度上升、氧氣濃度下降、能見度降低，對火源下游受困人員的疏散造成不利影響。

參考文獻

[1]中華人民共和國交通運輸部.2023年交通運輸行業發展統計公報[EB/OL].https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202406/t20240614_4142419.html

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[3]金英杰.新能源汽車火災防控面臨的挑戰與對策[J].今日消防，2025，10（8）：65-67.

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[5]孫茂貴，陳建忠，楊孟，等.高海拔隧道縱向風速對人員疏散環境的影響研究[J].公路交通技術，2023，39（1）：142-150+160.

[6]田源.高海拔隧道火災煙氣及溫度場數值模擬研究[J].消防科學與技術，2021，40（2）：201-203.

[7]白赟，袁松.高海拔公路隧道火災煙氣流動特性研究[J].現代隧道技術，2021，58（S1）：520-527.

[8]徐程鋼，邱進偉，呂逸飛，等.縱向通風下公路隧道雙火源火災煙氣擴散研究[J].消防科學與技術，2022，41（12）：1669-1673.