鐵路主隧道與斜井風(fēng)流耦合作用下的火災(zāi)模型試驗(yàn)研究

李 琦,王明年,李自強(qiáng),于 麗,嚴(yán) 濤，謝文靜

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 都江堰 611830；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；4.重慶科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，重慶 401331)

我國(guó)是多山國(guó)家，隨著鐵路交通網(wǎng)覆蓋面的擴(kuò)大，穿山鐵路隧道里程逐年增加，長(zhǎng)大鐵路隧道(長(zhǎng)度大于10 km)數(shù)量更是迅猛增長(zhǎng)。長(zhǎng)大鐵路隧道內(nèi)空間狹長(zhǎng)且相對(duì)封閉，可供人員疏散的出口有限，一旦發(fā)生火災(zāi)，隧道內(nèi)環(huán)境會(huì)迅速升溫并充滿煙氣，可造成大量的人員傷亡以及財(cái)產(chǎn)損失。鐵路隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)并停車疏散的情景，主要分為兩類：一類是定點(diǎn)停車疏散，即在緊急救援站進(jìn)行停車疏散，此時(shí)，救援站內(nèi)一般設(shè)置有較完備的控?zé)煷胧?，疏散通道?shù)量多且集中，但緊急救援站的設(shè)置間距一般為20 km，數(shù)量較少；另一類就是隨機(jī)停車，即在斜井、橫洞、聯(lián)絡(luò)橫通道等緊急出口處進(jìn)行停車疏散，由于通風(fēng)設(shè)備配置簡(jiǎn)單、出口數(shù)量?jī)H為1～2個(gè)，疏散安全成為主要問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在長(zhǎng)大鐵路隧道防災(zāi)救援方面進(jìn)行了大量的研究。

文獻(xiàn)[1]進(jìn)行隧道的火災(zāi)燃燒原型試驗(yàn)，對(duì)不同種類物質(zhì)燃燒時(shí)隧道內(nèi)煙氣層高度以及溫度的分布規(guī)律進(jìn)行研究，并給出了隧道火場(chǎng)內(nèi)CO氣體的分布情況。文獻(xiàn)[2]通過(guò)隧道火災(zāi)的縮尺模型試驗(yàn)，研究不同火災(zāi)規(guī)模、不同風(fēng)速條件下火場(chǎng)的溫度及煙氣分布，得到了與火源距離增加隧道內(nèi)沿程溫度的衰減規(guī)律。文獻(xiàn)[3]進(jìn)行全尺寸的隧道火災(zāi)燃燒試驗(yàn)，將以不同比例混合的燃料作為火源，研究隧道內(nèi)煙氣溫度、厚度等參數(shù)的變化規(guī)律，并建立了隧道頂棚溫度隨火災(zāi)發(fā)展的衰減模型。文獻(xiàn)[4]通過(guò)隧道火災(zāi)縮小比例模型試驗(yàn)得到火源上下游煙流蔓延長(zhǎng)度與通風(fēng)速度的關(guān)系并提出了理論模型。文獻(xiàn)[5]采用1∶9的縮尺模型，進(jìn)行不同火源釋放率條件下的隧道火災(zāi)燃燒試驗(yàn)，探究不同火源條件下隧道內(nèi)溫度的分層規(guī)律，獲得火源面積、通風(fēng)條件等參數(shù)對(duì)隧道內(nèi)溫度的抑制作用表現(xiàn)。文獻(xiàn)[6]進(jìn)行1∶50的隧道火災(zāi)縮尺模型試驗(yàn)，對(duì)豎井不同通風(fēng)模式下隧道內(nèi)火場(chǎng)的溫度、煙流規(guī)律進(jìn)行研究，提出火災(zāi)情況下隧道內(nèi)的風(fēng)流組織控制方法。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)隧道火災(zāi)的溫度、煙氣分布規(guī)律進(jìn)行大量研究，同時(shí)對(duì)火災(zāi)時(shí)人員疏散及救援方面也做了許多研究。

綜上可知，在眾多鐵路隧道火災(zāi)研究中，關(guān)于斜井對(duì)主隧道內(nèi)火災(zāi)溫度分布、煙氣蔓延等影響的研究并不多，而斜井作為緊急出口時(shí)，需要向主隧道通風(fēng)以保證主隧道內(nèi)人員的氧氣需求并產(chǎn)生防煙作用，因此，研究斜井氣流對(duì)主隧道火災(zāi)環(huán)境的影響，對(duì)預(yù)測(cè)人員在隨機(jī)停車情況下的安全性以及完善鐵路隧道防災(zāi)救援設(shè)計(jì)都具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 模型相似比

1.1.1 相似準(zhǔn)則

受限空間火災(zāi)模擬多采用弗勞德尺度準(zhǔn)則[9-10]。欲使模型和原型滿足流體動(dòng)力相似，則必須保證兩者的弗勞德數(shù)相等。定義弗勞德數(shù)

(1)

式中：v為流速；g為重力加速度；L為定性長(zhǎng)度。

利用弗勞德尺度準(zhǔn)則得到縮尺模型與原型間的尺度關(guān)系如表1所示，表1中下標(biāo)m表示縮尺模型，p表示原型。

表1 弗魯?shù)履Ｐ涂s尺關(guān)系

1.1.2 相似比確定

要實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)際隧道內(nèi)空氣的流動(dòng)相似，流動(dòng)雷諾數(shù)(Re)一般要大于105 [11]，即

(2)

umdmν>105

式中：u為特征風(fēng)速，m/s；d為當(dāng)量直徑，m；ν為流體運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s。

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 模型參數(shù)

(1)模型主材選擇

隧道壁由熱軋鋼板(4 mm和2 mm)+防火玻璃(厚12 mm)/亞克板(厚10 mm)制作，見(jiàn)圖1?？紤]到試驗(yàn)實(shí)際情況，在火源附近使用4 mm厚熱軋鋼板，其余部分使用2 mm厚熱軋鋼板，其主材鋼板的選取滿足隧道壁面沿程摩阻系數(shù)范圍的規(guī)范要求[12]。

圖1 隧道材料示意(單位：m)

(2)模型長(zhǎng)度確定

隧道模型長(zhǎng)25 m[12]，由10節(jié)拼裝組成，每節(jié)長(zhǎng)2.5 m,見(jiàn)圖2。

(3)模型橫斷面尺寸

模型隧道主隧道斷面為馬蹄形，寬度0.9 m，高度0.65 m，坡度2%，見(jiàn)圖3。斜井?dāng)嗝鏋榫匦?，寬?.5 m，高度0.35 m，長(zhǎng)度6 m，坡度12%。含斜井的隧道現(xiàn)場(chǎng)模型見(jiàn)圖4。

圖2 隧道組成示意 (單位：m)

圖3 主隧道橫斷面示意(單位：m)

圖4 隧道現(xiàn)場(chǎng)模型

1.2.2 火源參數(shù)

模型采用油池火模擬火源，主要燃燒物質(zhì)為乙醇。油盤尺寸決定火源的熱釋放速率，采用燃燒失重法計(jì)算火源的熱釋放速率，根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]的油盤尺寸試驗(yàn)結(jié)果，得到油池盤尺寸與火源熱釋放速率的關(guān)系，見(jiàn)圖5[12]。

圖5 油盤池面積與火源熱釋放速率關(guān)系

由圖5可知，燃燒擬合曲線為

A=34.208Q+6.3683

(4)

式中：A為油池面積，cm2；Q為火源熱釋放速率，kW。

由式(4)得到試驗(yàn)油池盤的尺寸，如表2所示。

表2 試驗(yàn)油池盤尺寸

1.3 采集設(shè)備

本次試驗(yàn)采用TST 3826E擬靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(2臺(tái)共120個(gè)采集信號(hào)通道)，溫度測(cè)量選用插入式鎧裝熱電偶，測(cè)試范圍選擇0～500 ℃和0～1 200 ℃兩種。

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

主隧道縱向布置10個(gè)煙氣溫度測(cè)試斷面(ZW1～ZW10)，每個(gè)斷面有5個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中每個(gè)斷面在拱頂位置布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，除各斷面拱頂共布置的10個(gè)測(cè)點(diǎn)外，主隧道頂部另布置31個(gè)測(cè)點(diǎn)，即主隧道拱頂共布置41個(gè)測(cè)點(diǎn)(Z1～Z41)；斜井內(nèi)設(shè)置2個(gè)溫度測(cè)試斷面(XW1、XW2)，每個(gè)斷面有3個(gè)測(cè)點(diǎn)；共計(jì)87個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。溫度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6、圖7，溫度傳感器布置見(jiàn)圖8。

1.5 測(cè)試工況

通過(guò)不同的火災(zāi)規(guī)模(15 MW、20 MW)、斜井風(fēng)速(不通風(fēng)、1 m/s、2 m/s、3 m/s)、主隧道風(fēng)速(不通風(fēng)、2.5 m/s)的組合，共進(jìn)行了16組試驗(yàn)，主隧道坡度為2%，斜井坡度為12%。具體工況如表3所示。

圖6 主隧道內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖7 斜井內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

圖8 溫度傳感器布置

工況火源規(guī)模/MW斜井風(fēng)速/(m·s-1)主隧道風(fēng)速/(m·s-1)1150(不通風(fēng))22031514200(不通風(fēng))515262071538209150(不通風(fēng))10201115112202.5131521420151531620

2 隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 主隧道溫度變化

2.1.1 隧道升溫規(guī)律

火災(zāi)規(guī)模為20 MW時(shí)，燃燒持續(xù)15 min，火源上方拱頂處溫度隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖9，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖10、圖11。

圖9 火災(zāi)規(guī)模20 MW的拱頂溫度曲線

圖10 主隧道

圖11 火源

由圖9可知，在火災(zāi)開(kāi)始幾十秒內(nèi)，主隧道內(nèi)拱頂溫度急速上升，由30 ℃升至330 ℃，在第10 min達(dá)到最高溫度，約580 ℃，隨后火源溫度衰減過(guò)程大約持續(xù)5 min，溫度降至250 ℃，最后溫度緩慢降低。

2.1.2 火災(zāi)規(guī)模對(duì)溫度的影響

主隧道不通風(fēng)條件下，提取火災(zāi)規(guī)模為20 MW和15 MW時(shí)主隧道拱頂?shù)臏囟茸兓€，二者對(duì)比見(jiàn)圖12。其中，橫坐標(biāo)零點(diǎn)代表火源位置，橫坐標(biāo)取正值代表有斜井段，橫坐標(biāo)取負(fù)值代表不含斜井段，下文同。

圖12 不同火災(zāi)規(guī)模下主隧道拱頂?shù)臏囟惹€

由圖12可知，主隧道不通風(fēng)時(shí)，拱頂溫度變化較對(duì)稱，火源處溫度最高，火源兩側(cè)溫度逐漸降低，且主隧道上坡方向溫度大于下坡方向。隨著火災(zāi)規(guī)模的增大，火源上方拱頂最高溫度升高。火災(zāi)規(guī)模為20 MW和15 MW時(shí)，主隧道拱頂最高溫度分別為580 ℃和450 ℃。

2.1.3 主隧道風(fēng)速對(duì)溫度的影響

火災(zāi)規(guī)模為20 MW時(shí)，分別提取主隧道內(nèi)不通風(fēng)和風(fēng)速2.5 m/s兩種工況下的主隧道拱頂溫度，兩條變化曲線對(duì)比見(jiàn)圖13。

圖13 不同主隧道風(fēng)速下主隧道拱頂?shù)臏囟惹€

由圖13可知，主隧道內(nèi)通風(fēng)時(shí)的拱頂溫度低于不通風(fēng)工況。主隧道內(nèi)不通風(fēng)和風(fēng)速2.5 m/s時(shí)，拱頂最高溫度分別為580 ℃和440 ℃。

2.1.4 斜井風(fēng)速對(duì)溫度的影響

火災(zāi)規(guī)模為20 MW條件下，主隧道內(nèi)不通風(fēng)時(shí)，分別提取斜井不同風(fēng)速(不通風(fēng)、1 m/s、2 m/s、3 m/s)時(shí)主隧道拱頂溫度，4條溫度變化曲線對(duì)比見(jiàn)圖14。

圖14 不同斜井風(fēng)速下主隧道拱頂?shù)臏囟惹€

由圖14可知，斜井向主隧道內(nèi)送風(fēng)的風(fēng)速越大，帶有斜井主隧道段內(nèi)的拱頂溫度越低，風(fēng)速對(duì)不帶有斜井主隧道段溫度的影響較小。火源處最高溫度隨斜井送風(fēng)風(fēng)速的增加而降低。斜井不送風(fēng)和送風(fēng)風(fēng)速1、2、3 m/s時(shí)，主隧道內(nèi)拱頂?shù)淖罡邷囟确謩e達(dá)到580、560、540和500 ℃。

2.2 斜井煙流長(zhǎng)度的變化

2.2.1 斜井風(fēng)速對(duì)煙流長(zhǎng)度的影響

火災(zāi)規(guī)模為20 MW條件下，提取不同風(fēng)速(不通風(fēng)、1 m/s、2 m/s、3 m/s)時(shí)斜井內(nèi)的煙氣蔓延長(zhǎng)度，4條變化曲線對(duì)比見(jiàn)圖15，斜井煙氣蔓延的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖16、圖17。

圖15 不同斜井風(fēng)速下的斜井內(nèi)煙流長(zhǎng)度曲線

圖16 斜井內(nèi)煙流擴(kuò)散情況

圖17 斜井出口煙氣蔓延情況

由圖15可知，煙氣在斜井內(nèi)的蔓延長(zhǎng)度隨斜井送風(fēng)風(fēng)速的增大而減小。由圖16可知，斜井內(nèi)的火災(zāi)煙氣呈現(xiàn)出明顯的分層現(xiàn)象，上部煙氣濃度大且擴(kuò)散速度快，下部煙氣濃度小且擴(kuò)散速度慢。當(dāng)斜井不向主隧道送風(fēng)時(shí)，450 s時(shí)火災(zāi)煙氣的實(shí)際蔓延長(zhǎng)度為78 m；當(dāng)斜井風(fēng)速為1 m/s時(shí)，在180 s時(shí)火災(zāi)煙氣的實(shí)際蔓延長(zhǎng)度為4 m；當(dāng)斜井送風(fēng)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，火災(zāi)煙氣基本不進(jìn)入斜井內(nèi)；當(dāng)斜井送風(fēng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，無(wú)煙氣進(jìn)入斜井。因此可知，若將斜井設(shè)置為緊急出口，確?；馂?zāi)煙氣不進(jìn)入斜井的臨界風(fēng)速為2 m/s。

2.2.2 主隧道風(fēng)速對(duì)煙流長(zhǎng)度的影響

火災(zāi)規(guī)模為20 MW、斜井不通風(fēng)條件下，提取主隧道不通風(fēng)和通風(fēng)風(fēng)速2.5 m/s時(shí)的斜井內(nèi)火災(zāi)煙氣蔓延長(zhǎng)度，二者變化曲線對(duì)比見(jiàn)圖18。

圖18 不同主隧道風(fēng)速下的斜井內(nèi)煙流長(zhǎng)度曲線

由圖18可知，與主隧道內(nèi)不通風(fēng)情況相比，主隧道內(nèi)通風(fēng)時(shí)，火災(zāi)煙氣更容易侵入斜井。主隧道內(nèi)不通風(fēng)時(shí)，煙氣大約在火災(zāi)發(fā)生后20 s侵入斜井；主隧道內(nèi)風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，煙氣大約在火災(zāi)發(fā)生后15 s進(jìn)入斜井。

3 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比分析

采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，建立與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)相同的隧道計(jì)算模型，見(jiàn)圖19、圖20。圖20中，綠點(diǎn)代表拱頂溫度測(cè)點(diǎn)。

圖19 計(jì)算模型

圖20 主隧道內(nèi)部模型

主隧道內(nèi)不通風(fēng)、斜井不同風(fēng)速(不通風(fēng)、1 m/s、2 m/s、3 m/s)時(shí)，主隧道內(nèi)拱頂溫度的試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖21。

圖21 主隧道內(nèi)拱頂溫度曲線對(duì)比

由圖21可知，當(dāng)斜井不通風(fēng)時(shí)，主隧道拱頂最高溫度數(shù)值模擬結(jié)果為710 ℃；當(dāng)斜井通風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)，主隧道拱頂最高溫度數(shù)值模擬結(jié)果為650 ℃；當(dāng)斜井通風(fēng)風(fēng)速為2 m/s時(shí)，主隧道拱頂最高溫度數(shù)值模擬結(jié)果為580 ℃；當(dāng)斜井通風(fēng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)，主隧道拱頂最高溫度數(shù)值模擬結(jié)果為550 ℃。拱頂最高溫度數(shù)值模擬結(jié)果隨斜井通風(fēng)速度的增大而降低，與試驗(yàn)結(jié)果一致。數(shù)值模擬的主隧道拱頂最高溫度高于模型試驗(yàn)結(jié)果，主要由于隧道模型的制作主材為鋼材，燃燒時(shí)熱量損失較實(shí)際情況多，但二者變化規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)含斜井特長(zhǎng)鐵路隧道火災(zāi)模型試驗(yàn)的研究，得到如下結(jié)論：

(1)隨著火災(zāi)規(guī)模的增加，火源上方拱頂最高溫度將增大?；馂?zāi)規(guī)模為20 MW和15 MW時(shí)，主隧道拱頂最高溫度分別為580 ℃和450 ℃。

(2)主隧道內(nèi)通風(fēng)工況的拱頂溫度低于不通風(fēng)工況。主隧道內(nèi)不通風(fēng)和通風(fēng)風(fēng)速2.5 m/s時(shí)，拱頂最高溫度分別為580 ℃和440 ℃。

(3)斜井向主隧道內(nèi)送風(fēng)的風(fēng)速越大，帶有斜井主隧道段內(nèi)的拱頂溫度越低，斜井送風(fēng)風(fēng)速為3 m/s時(shí)火源拱頂最高溫度比不送風(fēng)時(shí)降低80 ℃，斜井送風(fēng)風(fēng)速對(duì)不帶有斜井的主隧道段溫度影響較小。

(4)煙氣在斜井內(nèi)的蔓延長(zhǎng)度隨斜井送風(fēng)風(fēng)速的增加而減小。與不送風(fēng)時(shí)相比，送風(fēng)風(fēng)速為1 m/s時(shí)斜井內(nèi)煙氣長(zhǎng)度減少74 m。

(5)確?；馂?zāi)煙氣不進(jìn)入斜井式緊急出口的臨界風(fēng)速為2 m/s。