基于缩尺试验分析隧道火灾自熄机理

郑卫华，蔡龙成，刘勇

（江西交通职业技术学院，江西 南昌 330013）

0 引言

隧道建设不仅能够克服高山峻岭等自然障碍，还能缩短运输时间与成本，给公众的出行提供便利，但由于隧道内外环境差异较大、结构复杂、交通车辆多变，隧道内的交通与火灾事故发生率逐渐上升。隧道火灾发生，不仅会破坏隧道结构，还会造成巨大的经济损失与人员伤亡[1]。

为深入探究隧道火灾自熄机理，在现有研究成果的基础上，采用缩尺试验方法建立隧道模型，对封堵障碍物与隧道壁面边界对隧道火灾自熄的影响进行分析[2-9]。

1 封堵障碍物对隧道火灾自熄的影响

为研究障碍物对隧道火灾自熄的影响，采用1∶20的缩尺隧道模型与甲醇燃料进行试验研究。

1.1 试验设计

试验缩尺隧道模型长度为20.8m，分别在隧道内对称位置距离火源4m、6m、8m 和10m 的位置设置障碍物，障碍物的长度为10cm、宽度为45cm、高度为15cm，封堵率为65%，分别模拟上部封堵（D）和下部封堵（U）情况，并设置无封堵障碍物进行对比分析研究。试验过程中，为得到甲醇燃烧过程中的质量变化，采用精度为0.01g 的天平将其放置在油盆下方进行测量，采用热电偶树观测隧道内温度的变化，研究烟气的输送特性，采用数码摄像机和烟气流场激光记录仪观察并记录火源燃烧过程中火焰的形态和烟气在隧道内的蔓延过程。试验所采用的火源功率为5.6kW 和11.2kW，甲醇燃料在油盆中的燃烧时间约为30min，自熄时间为点火至火焰熄灭的时间间隔。障碍物布置见图1，封堵障碍物的试验工况见表1。

表1 封堵障碍物的试验工况（封堵率65%）

图1 封堵障碍物布置图（单位：m）

1.2 试验结果分析

1.2.1 自熄时间

根据表1 可知，当火源功率为5.6kW 时，设置上部封堵的隧道自熄时间分别为388s、485s、650s 和662s，相较于无封堵隧道的自熄时间均缩短，分别缩短46%、33%、11%和10%，由此可以看出当封堵物离火源越近时，甲醇的自熄时间越短；当火源功率为5.6kW 时，对于双侧对称设置下部封堵的隧道自熄时间分别为475s、532s、712s 和716s，相较于无封堵的隧道自熄时间均缩短，分别缩短38%、27%、3%和2%，由此可以看出，当封堵物离火源越近时，甲醇的自熄时间越短，相较于相同位置的上部封堵可以发现，采用下部封堵对甲醇的自熄时间影响较小。因此，当隧道发生火灾时宜靠近火源位置设置上部障碍物。

当火源功率为11.2kW 时，设置上部封堵的隧道自熄时间分别为232s、278s、320s 和320s，相较于无封堵和单侧封堵的隧道自熄时间均缩短，分别缩短42%、31%、20%和20%，由此可以看出，当封堵物离火源越近时，甲醇的自熄时间越短。当火源功率为11.2kW 时，对于双侧对称设置下部封堵的隧道自熄时间分别为257s、310s、384s 和370s，相较于无封堵和单侧封堵的隧道自熄时间均缩短，分别缩短36%、23%、4%和8%，由此可以看出，当封堵物离火源越近时，甲醇的自熄时间越短，相较于相同位置的上部封堵可以发现，采用下部封堵对甲醇的自熄时间影响较小。因此，当隧道发生火灾时宜靠近火源位置设置上部障碍物。

1.2.2 火源燃料质量损失速率

根据不同的试验工况绘制火源燃料质量损失随时间的变化曲线（见图2），根据图2 可知，当隧道无障碍物封堵处于开放空间状态时，随着燃烧时间的延长，火源燃料的质量损失速率没有下降的趋势；而当隧道有封堵物进行封堵时，从图2（a）和图2（b）中发现火源燃料的质量损失明显下降，说明隧道内的甲醇燃烧均发生了自熄；当障碍物离火源燃料越近，火源燃料的质量损失率下降越快，说明自熄更快。相比图2（a）和图2（b）可以发现火源功率11.2kW 时质量损失率停止时间明显比5.6kW 的少，说明火源功率越大，自熄时间越短。从图中还可以发现在火源燃料资料损失率下降前燃料的质量损失率基本保持一致，说明障碍物的封堵距离与火源燃料质量损失率的大小无关。

图2 不同火源功率的质量损失速率

1.2.3 火源处烟气浓度

根据不同的火源功率绘制火源处的氧气浓度和二氧化碳浓度变化图（见图3）。

根据图3（a）和图3（b）可知，火源处的氧气浓度随着甲醇燃烧时间的延长在逐渐减小，并且可以发现当障碍物距离火源越近，氧气浓度下降越快，火源越快发生自熄，自熄的时间越短；当隧道无封堵时氧浓度下降的斜率最小，有封堵物时随封堵物距火源的距离越远，氧浓度下降斜率越小。

根据图3（c）和图3（d）可知，火源处的二氧化碳浓度随着甲醇燃烧时间的延长在逐渐增加，并且可以发现当障碍物距离火源越近，二氧化碳浓度增加越快，浓度越高；当隧道无封堵时二氧化碳浓度增大的斜率最小，有封堵物时随封堵物距火源的距离越远，二氧化碳浓度增加斜率越小。说明封堵能够加快火灾的自熄。

综上所述，隧道障碍物上部封堵比下部封堵对隧道产生的自熄效果更明显，能缩短隧道火灾的自熄时间，并且当封堵障碍物距火源越近，隧道自熄的时间越短，对火灾和烟气的控制效果更好。

2 壁面边界对隧道火灾自熄的影响

为研究壁面边界对隧道火灾自熄的影响，分别设置防火玻璃隧道1 和防火板隧道2 来研究壁面的传热性能对火灾自熄特性的影响。

2.1 试验设计

试验缩尺隧道模型长度为20.8m，在试验期间对火灾的自熄时间、质量损失速率和烟气浓度等特征参数进行采集，壁面边界的试验工况如表2 所示。

表2 壁面边界的试验工况

2.2 试验结果分析

2.2.1 自熄时间

根据表2 可知，对于隧道1，隧道壁面采用防火玻璃时，当火源的功率为5.6kW、11.2kW 和16.8kW 时隧道均会发生自熄，自熄的时间分别为734s、401s 和297s，可见随着火源功率的增大，隧道的自熄时间越短，环境的温度也逐渐降低。

对于隧道2，隧道壁面采用防火板时，当火源的功率为5.6kW、11.2kW 和16.8kW 时隧道均会发生自熄，自熄的时间分别为738s、393s 和297s，可见随着火源功率的增大，隧道的自熄时间越短，环境的温度也逐渐降低，但对于火源功率为17.9kW 和17kW，二者隧道内的环境温度相近。

对于隧道2*，隧道壁面采用防火板并且采用线香监测烟气流场时，当火源功率为2.8kW 时，隧道也未能发生自熄现象；当火源的功率为5.6kW、11.2kW 和16.8kW 时隧道均会发生自熄，自熄的时间分别为729s、397s 和298s，可见随着火源功率的增大，隧道的自熄时间越短，环境的温度变化不大。

对比隧道1 与隧道2 可以发现，当隧道内的火源功率相同时，不同隧道壁面边界材料组成的隧道自熄时间相近。例如，当火源功率均为11.2kW 时，隧道1的自熄时间为393s，而隧道2 的自熄时间为397s，说明不同传热系数的隧道壁面对火灾自熄时间影响很小。对比隧道2 和隧道2*可以发现，相同功率情况下的隧道自熄时间大致相似，并且均随火源功率的增大而逐渐缩短，说明在隧道内线香的使用不影响火灾的自熄时间。

2.2.2 火源燃料质量损失速率

根据不同的试验工况绘制火源燃料质量损失随时间的变化曲线（见图4）。

图4 不同火源功率的质量损失速率

根据图4（a）可知，当隧道的火源功率为2.8kW时，在开放空间、隧道1 和隧道2 内甲醇燃料的质量损失速率随燃烧时间的增加逐渐增大，但隧道2 的火甲醇燃料质量损失速率相比隧道1 和开放空间隧道要高。

根据图4（b）可知，当隧道的火源功率为5.6kW时，开放空间、隧道1 和隧道2 内甲醇燃料的质量损失速率随燃烧时间的增加逐渐增大；未发生自熄前时，质量损失速率分别0.25/s、0.30g/s 和0.25g/s，当隧道发生自熄时，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料质量损失速率迅速下降，而开放空间的燃料质量损失速率因未能发生自熄依旧在增大。

根据图4（c）可知，当隧道的火源功率为11.2kW时，开放空间、隧道1 和隧道2 内甲醇燃料的质量损失速率随燃烧时间的增加逐渐增大；未发生自熄前时，质量损失速率分别0.50/s、0.55g/s 和0.50g/s，当隧道发生自熄时，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料质量损失速率迅速下降，而开放空间的燃料质量损失速率因未能发生自熄依旧在增大。

根据图4（d）可知，当隧道的火源功率为16.8kW时，开放空间、隧道1 和隧道2 内甲醇燃料的质量损失速率随燃烧时间的增加逐渐增大；未发生自熄前时，质量损失速率分别0.70/s、0.90g/s 和0.75g/s，当隧道发生自熄时，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料质量损失速率迅速下降，而开放空间的燃料质量损失速率因未能发生自熄依旧在增大。

2.2.3 火源处烟气浓度

根据不同的火源功率绘制火源处的氧气浓度和二氧化碳浓度变化图（见图5）。

图5 不同功率烟气浓度

根据图5（a）可知，对于火源功率为2.8kW 时两个隧道的氧气浓度持续下降但氧气的浓度值保持在16%，火焰未发生自熄；根据图5（b）可知，火源在自熄前火源处的氧气浓度呈现线性下降，自熄时隧道1 的氧气浓度约为15.4%，隧道2 的氧气浓度约为14.4%；根据图5（c）可知，火源在自熄前火源处的氧气浓度呈现线性下降，自熄时隧道1 的氧气浓度约为14.6%，隧道2 的氧气浓度约为13.6%；根据图5（d）可知，火源在自熄前火源处的氧气浓度呈现线性下降，自熄时隧道1 的氧气浓度约为15.6%，隧道2 的氧气浓度约为13.6%；对比能发现隧道2 与隧道1 火源处氧气浓度发现，隧道2 的氧气浓度下降更快，极限氧气浓度值也更小，说明隧道壁面边界会影响火源处的氧气浓度，采用防火板这种绝热壁面向环境传热的能力弱，不仅能加快火源的燃烧还能消耗大量氧气，加快火灾的自熄时间。

根据图5（i）～图5（l）可知，火源处的二氧化碳浓度逐渐升高，并且发现隧道2 的二氧化碳浓度增长率更大，由此可见绝热壁面在降低氧气浓度的同时能加速二氧化碳的生产，并且当火源功率越大时，二氧化碳生产的量越多，自熄时间越短。

综上所述，隧道的火灾的自熄时间与隧道壁面边界无关，但火源处的氧气浓度和二氧化碳浓度受壁面边界的影响，当隧道壁面为防火板壁面时，能加快氧气的消化率，增加二氧化碳的生成量。

3 结论

第一，障碍物上部封堵时对隧道产生的自熄效果比下部封堵更有效，隧道火灾的自熄随封堵物距火源的距离越远，自熄时间越长，对火灾和烟气的控制效果更差。

第二，隧道的火灾的自熄时间与隧道壁面边界无关，但火源处的氧气浓度和二氧化碳浓度受壁面边界的影响，当隧道壁面为防火板壁面时，能加快氧气的消化率，增加二氧化碳的生成量。