市域鐵路隧道火災溫度特性及耐火極限面積研究*

陳揚勛 張迪 徐巍 姜學鵬

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；2.武漢科技大學資源與環(huán)境工程學院，武漢 430081；3.武漢科技大學安全與應急研究院，武漢 430081）

0 引言

隧道發(fā)生火災時，高溫煙氣聚集在隧道頂板，并沿頂板蔓延，隧道頂板溫度過高將影響隧道襯砌結構的力學性能，導致隧道頂板結構損壞、坍塌，對隧道內人員疏散及應急救援造成困難［1-2］。因此，對隧道拱頂溫度及耐火極限的研究對煙氣控制和人員安全疏散有重要作用。

國內外學者針對隧道內火災煙氣流動特性及溫度分布開展了大量研究。胡嘉偉等［3］通過全尺寸隧道火災試驗研究，得到偏置火源頂棚射流的溫升趨勢隨時間呈二次多項式關系增長，火源下游30 m內的頂棚射流溫升隨縱向距離的增加符合指數衰減規(guī)律。高云驥等［4］在1∶10縮尺寸分岔隧道模型中開展火災試驗，火源位于分岔隧道內，分析得到不同縱向通風風速作用下主隧道溫度分布及分岔隧道溫度分布均符合指數衰減模型。TANG F等［5］探究了縱向通風與火源位置對隧道內煙氣溫度分布的影響，提出相應預測模型。ZHOU T N等［6］研究了不同橫向火源位置下隧道側壁對頂棚射流特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同偏距火源正上方溫升隨火源位置與隧道側壁間距離呈指數變化。姜學鵬等［7］對V形坡隧道火災時溫度分布情況進行研究，得到火源位于變坡點右側120 m時，隧道縱向中心線峰值溫度點向下游偏移，偏移距離隨坡度的增加而增加，隧道頂板最高溫度隨坡度的增加而減小。郭慶華等［8］對隧道火災最高溫度和拱頂縱向溫度進行了研究，發(fā)現(xiàn)大規(guī)模火災時，隨著隧道寬度的增加火源上方最高溫度減小，隨著隧道高度的增加拱頂縱向溫度相應減小。陶亮亮等［9］通過縮尺寸隧道模型火災試驗，發(fā)現(xiàn)自由蔓延模式下，火源位于隧道中部時拱頂溫度最高，半橫向通風模式下，拱頂溫度隨縱向風速和排煙量的增大先升高后降低。上述研究多針對隧道拱頂煙氣溫度特性及溫度分布，未見基于溫度特性的情況下隧道頂板耐火極限面積的研究。

本文采用數值模擬的方法，基于RABT標準升溫曲線對市域鐵路隧道火災時溫度特性及其耐火極限面積進行研究，進一步明確隧道耐火極限區(qū)域，為隧道消防設計、防火保護提供參考。

1 耐火極限判定及升溫曲線選取

城市地鐵、公路、鐵路沿線的全封閉隧道內，結構構件可能經受的火災有較強的特殊性，在火災初期短時間內急劇升溫，然后持續(xù)一段時間下降至環(huán)境溫度［10］。依據《建筑設計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）［11］隧道內承重結構體的耐火極限試驗升溫曲線，如圖1所示。

圖1 耐火極限試驗標準溫升曲線

RABT標準升溫曲線與隧道火災溫升變化一致，故采用隧道火災RABT升溫曲線評價隧道耐火極限更為合理。根據《建筑構件耐火試驗 可供選擇和附加的試驗程序》（GB/T 26784—2011）［10］，采用RABT標準升溫曲線測試時，耐火極限的判定標準為：受火后，距離混凝土底表面25 mm處鋼筋的溫度超過300℃時，或混凝土表面的溫度超過380℃時，則判定為達到耐火極限。

2 模型構建

2.1 建模長度及網格選取

依托上海市域高速鐵路地下區(qū)間隧道開展研究，隧道采用單洞雙線設中隔墻形式，隧道斷面如圖2所示。

圖2 單洞雙線設中隔墻隧道斷面（單位：mm）

隧道全長約5 000 m，當隧道模擬區(qū)段長度較短時，邊界條件影響較大，計算結果不可靠；當模擬區(qū)段長度較長時，計算耗時太久。本部分尋求的是≥380℃的高溫區(qū)段，模擬區(qū)段長度≥1 000 m時，煙氣的特征參數縱向溫度已穩(wěn)定，模擬區(qū)段長度變化對模擬結果影響甚微。故建模長度選取1 000 m，中隔墻和隧道側壁材質為“CONCRETE”，列車材質為“STELL”。

數值計算結果通常受模型網格尺寸的影響，網格設定過疏將影響數值模擬準確性，網格設定過密則將增加了計算時間，網格尺寸可通過特征火源尺寸D*進行選擇，如式（1）［12］：

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為熱釋放速率，kW；T0為環(huán)境溫度，K，取T0=293K；0為空氣密度，kg/m3，取0=1.2 kg/m3；cp為空氣的定壓熱容，一般為1.02 kJ/（kg·K）；g為重力加速度，m/s2，取g=9.81m/s2。

當網格尺寸d取1/16D*～1/4D*時模擬結果與試驗結果更吻合［13］。經式（1）得到45 MW火災規(guī)模下D*為4.38 m，網格尺寸在0.22 m至1.1 m之間，模擬結果更合理。由于高溫區(qū)域主要在火源上下游兩側100 m處，故加密火源周圍區(qū)域，而遠場使用較大網格，具體網格數及網格邊界大小選取如表1所示。

表1 網格大小和網格數

2.2 火災規(guī)模及工況設定

基于RABT升溫曲線規(guī)律（5 min隧道拱頂達到最高溫1 200℃），采用數值仿真方法構建實際尺寸隧道，對不同規(guī)?；馂陌l(fā)生5 min時拱頂底表面處最高溫度進行分析。

圖3為不同火源功率下隧道縱向中央縱斷面溫度云圖，當火災規(guī)模為40、42、45 MW時，隧道拱頂底表面最高溫度分別為1 100、1 156、1 200℃，火災規(guī)模為45 MW，隧道頂板最高溫度為1 200℃，與RABT升溫曲線的最高溫相等。故選取火災規(guī)模45 MW時隧道內最高溫度隨時間變化曲線升溫曲線與RABT標準升溫曲線對比，如圖4。

圖3 不同火源功率下隧道縱向中央縱斷面溫度

圖4 升溫曲線對比

由圖4得到火災規(guī)模45 MW時隧道內最高溫度升溫曲線與RABT標準升溫曲線吻合度高，因此選擇45 MW作為火災規(guī)模分析隧道內溫度特性及耐火極限面積。

根據地鐵火災燃燒材料類型，火源設為火災增長系數為0.047的超快速t2火，其火源長寬高尺寸為5 m×1 m×0.25 m，位于事故隧道中心線列車下底板。分別考慮自然通風0 m/s和縱向通風風速2 m/s、3 m/s共3組工況進行模擬。

2.3 測點及切片設置

隧道拱頂的最高溫度位置存在不確定性，故由隧道拱頂沿隧道側壁設置A1—A10共10排溫度測點，緊靠中隔墻處豎直方向每隔一個網格0.25 m設置1個測點，確定拱頂最高溫度及其位置。在火源上下游100 m范圍內，每隔20 m以及y=3設置溫度切片（如圖5），以測量近火源區(qū)域（火源上下游100 m）以及非事故隧道中心處、中隔墻處溫度分布。

圖5 測點布置示意

2.4 耐火極限面積計算

半截面隧道拱頂依據距中隔墻距離（0.5 m→5.75 m）設置A1—A10共10排溫度測點，以中隔墻和火源中心的交點為坐標原點，隧道橫向方向記為橫坐標x，隧道縱向方向記為縱坐標y。將A1—A10排測點火源左右（上下游）兩側表面溫度最早達到超過380℃的坐標分別記為（x1，y1）、（x1，y1*），（x2，y2）、（x2，y2*）…（xn，yn）、（xn，yn*），通過各測點坐標依次連線圍成的面積即拱頂達到耐火極限的面積。計算公式如下：

其中，中隔墻所在位置x0=0，由于測點A1靠近頂板且與中隔墻距離較小，中隔墻表面的溫度變化可測點A1的溫度變化近似中隔墻表面的溫度變化，故取y0=y1，y0*=y1*。

3 結果分析與討論

3.1 最高溫度分布

在自然通風0 m/s和縱向通風風速2 m/s、3 m/s的情況下，隧道頂板側壁溫度穩(wěn)定后火源上下游100 m范圍內隧道A1—A10拱頂溫度分布如圖6，圖7為不同通風速度情況下各排測點最高溫度情況。

圖6 隧道頂板側壁溫度穩(wěn)定后分布

圖7 隧道頂板側壁最高溫度

由圖6和7可知，自然通風0 m/s隧道拱頂最高溫度位于火源正中心，而縱向通風使高溫煙氣吹向火源下游，縱向通風風速分別為2 m/s、3 m/s時隧道拱頂最高溫度分別位于火源正中心偏向下游8.5 m、10.5 m處，各排測點溫度整體以最高溫度所在位置呈對稱分布；自然通風時A1—A7排測點部分區(qū)域超過380℃耐火極限，最高溫度高達1 170℃，縱向通風風速2 m/s、3 m/s時A1—A8排測點部分區(qū)域超過380℃耐火極限，風速2 m/s時最高溫度高達1 009℃，風速3 m/s時最高溫度為905℃；隨著縱向通風風速的增加，隧道頂板最高溫度逐漸減小。

3.2 不同截面溫度場分布

不同通風條件下y=3時縱截面溫度分布如圖8，圖9為不同通風風速下隧道不同橫截面位置的溫度分布情況。

圖8 不同風速y=3時縱截面溫度

圖9 不同橫截面溫度

由圖8和圖9可知，不同通風條件下高溫區(qū)域主要集中在隧道頂板及側壁處，隧道頂板至隧道地面溫度由高到低，出現(xiàn)明顯的溫度梯度；縱向通風風速2 m/s、3 m/s時高溫煙氣被吹向火源下游，與火源上游相比火源下游溫度分層紊亂。

3.3 耐火極限區(qū)域面積

圖10為不通風條件下測點溫度超過耐火極限（380℃）面積示意圖。

圖10 超過耐火極限（380℃）的面積

由圖10可知，隧道超耐火極限區(qū)域縱向長度隨著與中隔墻距離的增大整體呈減小趨勢；隧道自然通風0 m/s時，其橫向超耐火極限范圍位于x=0~5 m，縱向超耐火極限范圍位于y=-68.5~66 m，由式（2）得隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積大約為544.51 m2。隧道縱向通風風速2 m/s時，其橫向超耐火極限范圍位于x=0~5.25 m，縱向超耐火極限范圍位于y=-74~32.5 m，隧道超耐火極限區(qū)域面積約為421.41 m2。隧道縱向通風風速3 m/s時，其橫向超耐火極限范圍位于x=0~5.25 m，縱向超耐火極限范圍位于y=-67~24.5 m，隧道超耐火極限區(qū)域面積約為357.08 m2。對比發(fā)現(xiàn)，隨著縱向通風風速的增大，隧道縱向超耐火極限范圍逐漸減小，隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積也逐漸減小。

4 結論

1）不同通風條件下，隧道各排測點溫度整體以最高溫度所在位置呈對稱分布；自然通風時隧道頂板最高溫度高達1 170℃，縱向通風風速2 m/s、3 m/s時隧道頂板最高溫度分別為1 009℃、905℃；隨著縱向通風風速的增加，隧道頂板最高溫度逐漸減小。

2）不同通風條件下高溫區(qū)域主要集中在隧道頂板及側壁處，隧道頂板至隧道地面溫度由高到低，出現(xiàn)明顯的溫度梯度；縱向通風時高溫煙氣被吹向火源下游，火源下游溫度分層紊亂。

3）隧道超耐火極限區(qū)域縱向長度隨著與中隔墻距離的增大整體呈減小趨勢；隨著縱向通風風速的增大，隧道縱向超耐火極限范圍逐漸減小，隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積也逐漸減??；隧道自然通風0 m/s、縱向通風風速2 m/s和3 m/s時，隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積分別約為544.51、421.41、357.08 m2。研究結果可為隧道防火保護設計提供參考依據。