重載鐵路隧道可燃物極大豐富條件下火災(zāi)溫度場數(shù)值模擬

陳長坤，康 恒

（中南大學(xué)防災(zāi)科學(xué)與安全技術(shù)研究所，湖南 長沙，410075）

0 引言

重載鐵路是用于運載大宗散貨的總重大、軸重大的列車、貨車行駛或行車密度和運量特大的鐵路，較普通鐵路，具有運輸效率高、成本低等優(yōu)勢［1］。近年來，重載鐵路建設(shè)在我國取得了快速發(fā)展，并以其巨大的運能很好地緩解了我國鐵路運輸壓力。運輸量巨大的重載列車通過隧道時會帶來隧道內(nèi)可燃物分布極大豐富，一旦發(fā)生火災(zāi)事故，其火災(zāi)后果往往較為嚴(yán)重，因此有必要對重載鐵路隧道火災(zāi)展開研究。

近年來，頻繁的隧道火災(zāi)事故逐漸引起了國內(nèi)外學(xué)者對隧道火災(zāi)安全的關(guān)注，隧道火災(zāi)研究已經(jīng)逐漸成為火災(zāi)研究領(lǐng)域的一個熱點課題。其中對火災(zāi)下隧道內(nèi)溫度場的研究當(dāng)中，閏治國等對火災(zāi)下隧道內(nèi)溫度場的分布規(guī)律展開了研究［2］。徐志勝、李洪等人通過數(shù)值模擬、理論分析和模型試驗，研究了坡度對隧道火災(zāi)的影響機理［3］。易亮等人對Kurioka模型進行了驗證［4］，趙望達等人對Kurioka模型進行了修正［5］。Haukur Ingason 針對隧道火災(zāi)特點，提出了一種新的單一指數(shù)火災(zāi)曲線［6］。Falin Chen采用數(shù)值模擬的方法研究了隧道火災(zāi)重力流作用下的湍流特征［7］。挪威在Runehamax隧道內(nèi)開展了對重型貨車火災(zāi)蔓延規(guī)律的試驗，研究了其峰值火災(zāi)熱釋放速率［8］。國外在大量的實驗基礎(chǔ)之上，提出了：RWS；HC；RABT／ZTV；Runehamar等典型隧道火災(zāi)升溫曲線。這些研究成果對隧道防火設(shè)計、火災(zāi)預(yù)防、火災(zāi)救援以及災(zāi)后治理都起到了重要的指導(dǎo)意義。

然而與一般客車或普通貨車相比，單列重載列車運輸量大，一般至少在5000噸以上，甚至可達1到2萬噸，且單列重載列車一般長達幾千米，可貫穿整條隧道。這使得狹長的重載鐵路隧道內(nèi)可能集聚大量的可燃物，給隧道安全運輸帶來了極大的威脅。目前國內(nèi)外針對重載鐵路隧道火災(zāi)的研究涉及較少，無法滿足重載鐵路隧道消防設(shè)計的要求，因此有必要結(jié)合重載鐵路隧道內(nèi)可燃物極大豐富的特點對重載鐵路隧道火災(zāi)蔓延、火災(zāi)下隧道內(nèi)溫度分布特點開展研究，以期為消防設(shè)計及綜合防火提供一定參考。

1 模型介紹與工況介紹

1.1 模型介紹

本文參考軍都山雙線重載鐵路隧道設(shè)置計算模型，模型長度為500m（x方向），截面寬12．6m（y方向），高9．08m（z方向），環(huán)境溫度為20℃。列車貫穿整個隧道，位于隧道右線中線（y＝2．5m）。貨車車廂尺寸大小12m×3m×4m，車廂間距為1m，共設(shè)置重載車廂41節(jié)，其中37節(jié)位于隧道內(nèi)部，兩側(cè)洞口外部各設(shè)置1節(jié)，剩余兩節(jié)車廂分別跨越隧道兩側(cè)洞口。模擬中，隧道為自然通風(fēng)排煙模式，兩側(cè)洞口即為模型通風(fēng)口。沿隧道中心拱頂附近以及火源正上方拱頂附近位置每隔2m 設(shè)置一個溫度測點。

圖1 模擬隧道橫斷面（x＝0m）、縱斷面（y＝0m）圖Fig．1 The cross section（x＝0）and longitudinal section（y＝0）of the simulation tunnel

1.2 工況介紹

重載運輸中，紅松木是其大宗散貨中較為普遍的一種，而相對于礦石、煤炭等可燃物，其更具有易燃的特點，因此，本文分析中選取紅松木作為重載列車的運輸物質(zhì)，其密度為450kg／m3，著火點為260℃，燃 燒熱值 為17．1613MJ／kg，導(dǎo)熱系數(shù)為0．14W／（m·k），比熱容為2．85KJ／（kg·K）。單節(jié)車廂紅松木質(zhì)量64．8噸，隧道內(nèi)可燃物質(zhì)量2414．6噸。設(shè)定四種不同大小的初始火源燃燒功率，分別是50MW、80MW、100MW、150MW。并設(shè)置了三種不同的初始火源位置，分別在隧道中心、隧道開口以及隧道半段中間處。模擬中，隧道內(nèi)火源功率大小隨紅松木的引燃而發(fā)生改變。采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS，通過網(wǎng)格合理性分析，初始火源功率50MW 時，網(wǎng)格大小可取0．4m×0．4m×0．4m；初始火源功率為其它三種情況時，網(wǎng)格大小可取0．5m×0．5m×0．5m。本文中共設(shè)置6 組工況，具體設(shè)置如表1所示。

表1 模擬工況設(shè)置Table 1 Design of simulation conditions

2 運算結(jié)果分析

2.1 重載鐵路隧道火災(zāi)蔓延規(guī)律

圖2給出了初始火源位于隧道中心，功率大小為100MW 工況下，隧道縱向截面（y＝2．5m）不同時刻溫度分布圖。從圖2－a 中可看出，初始約20min內(nèi)，著火區(qū)域主要集中在初始火源及附近位置，火災(zāi)未發(fā)生大積蔓延。分析認為，開始階段燃燒所釋放的熱量較少，火源附近車廂位置處溫度未達到紅松木的著火點（即260℃），可燃物尚未著火。此時重載鐵路隧道內(nèi)火災(zāi)還未劇烈燃燒，火災(zāi)易于撲滅。圖2－b、2－c、2－d、2－e中，重載鐵路隧道內(nèi)著火區(qū)域在20min到40min內(nèi)逐漸擴大，到45min，隧道內(nèi)紅松木被大量引燃，隨著重載鐵路隧道內(nèi)火災(zāi)的逐漸蔓延，燃燒熱釋放速率逐步增大，熱量大量積聚，重載車廂附近溫度升高速率逐漸加速，隧道內(nèi)火災(zāi)蔓延的速度逐漸增大。隧道大面積的著火給重載鐵路隧道內(nèi)的人員財產(chǎn)安全帶來了巨大威脅，同時也增加了火災(zāi)撲滅難度。由圖2－f可以看出，到75min時，重載鐵路隧道洞口處燃燒劇烈，而隧道中部燃燒受到抑制，重載隧道火災(zāi)并不會保持整個隧道內(nèi)可燃物大面積持續(xù)燃燒。分析發(fā)現(xiàn)，重載鐵路隧道內(nèi)極大豐富的可燃物不會在短時間內(nèi)燃燒耗盡，而隧道通風(fēng)因子小，隧道內(nèi)的燃燒程度受洞口通風(fēng)量控制?；馂?zāi)蔓延至重載鐵路隧道洞口附近，隧道洞口附近空氣補充充足，燃燒劇烈，而隧道中部由于新鮮空氣補充量不足，燃燒受到抑制。

圖2 隧道縱向截面（y＝2．5m）溫度分布圖Fig．2 Temperature distribution along longitudinal section at y＝2．5m

表2 隧道中火災(zāi)蔓延速度（工況、蔓延方向規(guī)定見表1）Table 2 Fire spread speed in tunnel（conditions and spread direction see Table 1）

表2給出了不同火源位置、初始火源功率大小下，重載鐵路隧道火災(zāi)蔓延至一定距離所需時間。對工況1、2、3、4進行對比分析發(fā)現(xiàn)著火位置相同，初始火源功率越大，重載鐵路隧道內(nèi)火災(zāi)蔓延速度越快。分析認為，初始火源功率越大，火災(zāi)釋放的熱量越大，隧道內(nèi)溫升速率越快，火災(zāi)蔓延速度越快。

對3、5、6組工況進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)蔓延至整個重載鐵路隧道所用的時間，以第5組為最少，第3、6組依次增多。造成這種現(xiàn)象的主要原因是第3組工況中，初始火源位于隧道中間，離兩側(cè)洞口較遠，燃燒過程中，熱煙氣可對隧道內(nèi)冷空氣充分預(yù)熱，但通風(fēng)條件較差，燃燒受通風(fēng)量控制。而第6組工況當(dāng)中，火源位于隧道洞口，通風(fēng)條件較好，但熱煙氣易通過隧道洞口溢出，且火焰只能沿隧道單一方向傳播。第5組工況中，火源位置較第3組工況中距離隧道洞口更近，燃燒所需要的空氣能通過較近隧道洞口得到補充，燃燒所產(chǎn)生的熱量也可以與隧道內(nèi)冷空氣充分混合，相對其他兩種位置，火災(zāi)能更快蔓延至整個隧道。同時可發(fā)現(xiàn)，第5組工況中火災(zāi)向兩個方向蔓延的速度也存在著差別，其中距離洞口較遠一側(cè)火源蔓延速度更快。

2.2 隧道內(nèi)縱向、橫向溫度分布規(guī)律

2．2．1 隧道縱向溫度分布

圖3給出了初始火源功率大小為100MW，起火位置分別位于隧道中心、隧道半段中間（x＝125m）以及隧道洞口處（x＝0m）三種情況下隧道右線中線（y＝2．5m）正上方壁面附近位置（A，參見圖1）溫度分布。對圖3－a、3－b進行分析發(fā)現(xiàn)，初始25min內(nèi)，火源正上方壁面附近處溫度快速升高，局部最高溫度超過了1000℃。沿隧道縱向（y＝2．5m）距離初始火源位置越遠，其上方壁面附近溫度越低。由圖3－c可以發(fā)現(xiàn)，到35min時刻，沿右線中線上方壁面附近最高溫度及最高溫度位置均未發(fā)生明顯改變，火源兩側(cè)沿隧道縱向壁面附近處溫度顯著升高；而初始火源位于隧道半段中間處，距離洞口較遠側(cè)上方壁面附近溫升明顯高于另一側(cè)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是，初始火源距離洞口越近，該側(cè)隧道內(nèi)熱煙氣更易溢出而冷空氣也更容易流入，由于冷空氣與熱煙氣的快速混合導(dǎo)致了該側(cè)溫度明顯降低。由以上計算結(jié)果可以看出，在重載鐵路隧道火災(zāi)中，隧道局部壁面附近溫度在較短時間內(nèi)即能超過1000℃。而隧道襯砌結(jié)構(gòu)主要構(gòu)成材料為鋼筋混凝土，隨著溫度的升高，混凝土、鋼材的材料力學(xué)性能以及它們之間的粘性都會遭受破壞，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度超過400℃時，混凝土中水泥發(fā)生脫水反應(yīng)喪失自身強度；達到575℃左右，水泥將會產(chǎn)生爆裂破壞，超過800℃時，混凝土內(nèi)部將會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，內(nèi)部的氣體壓力升高，產(chǎn)生拉伸破壞。而鋼材的力學(xué)性能在溫度超過200℃即發(fā)生逐步降低。溫度超過700℃，強度只有常溫的20%，且此時混凝土已發(fā)生爆裂，鋼筋直接與熱空氣接觸，鋼筋將失去其補強功能［9］?？梢姡诖穗A段，火源正上方及隧道拱頂附近的局部高溫會造成該位置處襯砌結(jié)構(gòu)高溫損傷，給隧道局部位置穩(wěn)定性帶來一定的破壞。

由圖3－d可以發(fā)現(xiàn)，到45min時刻隧道內(nèi)縱向溫度分布較圖3－a、3－b、3－c發(fā)生了明顯的變化?；鹪次挥谒淼乐行摹⑺淼腊攵沃行?、隧道洞口三種情況下，隧道右中線（y＝2．5m）正上方壁面附近溫度都出現(xiàn)大范圍明顯升高。其中，初始火源位于隧道中心位置處，隧道內(nèi)右線中線壁面附近處最高溫度位置向兩側(cè)發(fā)生了移動，隧道中間溫度發(fā)生較大幅度降低。初始火源位于隧道半段中間位置處，隧道內(nèi)縱向溫度最高位置并未發(fā)生改變，但溫度最低位置出現(xiàn)在隧道中間處。這主要是由于此時火災(zāi)已在重載隧道內(nèi)發(fā)生較大面積的蔓延，大面積的燃燒導(dǎo)致整個隧道內(nèi)縱向溫度出現(xiàn)升高。蔓延過程中，距離洞口較遠的隧道中部空氣補充相對較弱，燃燒不能充分進行，而距離隧道洞口越近，空氣補充量越充分，燃燒越劇烈。導(dǎo)致隧道縱向最高溫度位置由中間位置逐漸向兩側(cè)洞口發(fā)生移動。在此階段，隧道內(nèi)大面積的高溫會造成襯砌結(jié)構(gòu)大范圍的高溫損傷，給整個隧道的受力穩(wěn)定性能造成威脅，同時，變化的高溫位置也會給重載鐵路隧道災(zāi)后修復(fù)增加難度。

圖3 隧道右線中線正上方壁面附近溫度分布（參見圖1）Fig．3 Temperature distribution along longitudinal section near the wall above the right mid line（See Fig 1）

對圖3－e、圖3－f分析發(fā)現(xiàn)，到60min時刻三種不同位置的初始火源下，隧道縱向溫度均呈現(xiàn)出隧道兩側(cè)洞口附近位置溫度最高，隧道中部位置溫度最低的規(guī)律。其中75min較60min時刻，隧道內(nèi)最高溫度有所提高。分析認為造成這些現(xiàn)象的原因是此時火災(zāi)已蔓延至整個隧道，隧道內(nèi)空氣的消耗量巨大，而隧道洞口相對狹小，新鮮空氣補充量不足，隧道內(nèi)燃燒劇烈程度主要受通風(fēng)量控制。在隧道兩側(cè)洞口附近位置，空氣補充量充足，燃燒劇烈，溫度升高，而隧道中間部位新鮮空氣已不能得到補充，燃燒受到抑制，熱量通過熱傳導(dǎo)等方式不斷損失，溫度快速降低。在此階段，隧道洞口附近持續(xù)的高溫會給兩側(cè)洞口附近襯砌結(jié)構(gòu)造成更為嚴(yán)重的破壞，甚至?xí)?dǎo)致局部坍塌，給隧道內(nèi)部的火災(zāi)救援帶來了巨大的困難。因此，在重載鐵路隧道的防火設(shè)計中應(yīng)對隧道洞口兩側(cè)及附近位置加以特別關(guān)注。

2．2．2 隧道橫斷面溫度分布規(guī)律

圖4給出了初始火源位于隧道中心，火源功率為100MW 時，隧道中心處橫斷面（x＝250m）溫度分布云圖。通過對圖4－a、4－b的分析發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)開始的40min內(nèi)，火源正上方及拱頂附近處溫度快速升高，達到1000℃。隧道橫斷面溫度分布特點具體表現(xiàn)為：火源正上方及隧道拱頂附近溫度最高，軌道面附近溫度最低，距軌道面垂直距離越大，溫度越高，其中位于列車高度上方的隧道內(nèi)溫度明顯高于下方溫度，溫度分層現(xiàn)象明顯。這種結(jié)果表明在隧道的防火設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)加強隧道橫截面上半段部分的抗火強度。

圖4 不同時刻隧道橫斷面（x＝250m）溫度分布云圖Fig．4 Temperature distribution of cross section（x＝250m）at different time

3 結(jié)論

（1）重載鐵路運輸量大、行車密度高、行車速度快、貨物易燃等特點造成重載鐵路隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生的危險性較高，而且火災(zāi)更容易發(fā)生蔓延。

（2）重載鐵路隧道火災(zāi)中，隧道內(nèi)可燃物極大豐富條件下，隧道內(nèi)火災(zāi)一旦發(fā)生大面積蔓延，火災(zāi)燃燒會受到洞口通風(fēng)量的控制，隧道洞口附近，空氣補充量充足，燃燒劇烈，隧道中部較長區(qū)域內(nèi)空氣補充不足，燃燒不能充分進行；這使得火源正上方壁面附近處隧道的最高溫度位置由初始火源正上方，沿縱向逐漸向隧道洞口移動，并最終穩(wěn)定在兩側(cè)隧道口附近，同時隧道中部溫度也發(fā)生大幅度降低；

（3）不同火源位置、初始火源功率大小對重載鐵路隧道火災(zāi)的蔓延有著顯著的影響，表現(xiàn)為火源功率越大火災(zāi)蔓延速度快。在本文所考慮的3種火源位置中，火災(zāi)蔓延至整條隧道所耗時間，以初始火源位于半段隧道中間處最短，位于隧道中心處次之，位于隧道洞口處最長；火源位于隧道半段中心處，火災(zāi)向兩個方向蔓延的速度存在著差別，其中距離洞口較遠一側(cè)火災(zāi)蔓延速度更快；

（4）隧道橫截面溫度場分布存在以下特點，火源正上方及隧道拱頂附近溫度最高，軌道面附近溫度最低，距軌道面垂直距離越大，溫度越高，其中位于列車高度上方的隧道內(nèi)溫度明顯高于下方溫度，溫度分層現(xiàn)象明顯。

以上重載鐵路隧道火災(zāi)不同階段溫度場的分布特點，對于其襯砌結(jié)構(gòu)損傷及破壞具有重要的影響，在進行隧道結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計時，應(yīng)加以考慮和重視。

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