螺旋隧道火灾特性小尺寸实验研究*

李　涛，谢　玮，韦　涛，张泽江

(1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；3.公安部四川消防研究所，四川 成都 610036)

0　引言

现代公路隧道的选线已经打破了过去宁直勿弯的规则，受到地质、地形、通风等因素的影响，为了避开断裂带、季节性冰冻带等地形地质和恶劣环境条件[1]，部分地区开始建设曲线隧道。螺旋隧道火灾不同于传统直线隧道， 其“烟囱效应”使得烟气在隧道上坡方向的蔓延变得异常强烈，为通风排烟设计和人员安全疏散带来挑战[2]。

国内外学者已开展了针对螺旋隧道火灾温度场分布及临界风速等变化规律的研究，其中，国内伍灿等[3]基于干海子螺旋曲线公路隧道工程，研究干海子曲线隧道火灾时的临界风速，但只是局限在数值模拟阶段；王峰[4-5]通过数值计算并结合试验和现场测试，系统研究了干海子隧道和铁寨子I号隧道运营通风的关键参数问题，首次提出了曲线隧道沿程阻力的计算方法；胡顺利等[6-7]利用FDS建立新安螺旋公路隧道模型，对不同隧道曲率以及坡度下的温度、能见度和CO浓度分布进行数值模拟研究，并获得相应条件下的临界风速；国外Atkinson等[8- 9]研究了坡度为0%～10%范围内的隧道火灾，但是未考虑上坡方向烟气温度随坡度的变化；赵红莉[10]等人从能量守恒的角度出发，建立预测隧道火灾烟气沿程温度变化的理论模型，研究坡度对隧道烟气温度的纵向衰减和最高温度的影响；徐琳[11]等人提出了三区域温度分布模型，并建立了火区、下游烟气扩散区烟流沿程温度分布预测模型及其计算参数确定方法，进而预测不同坡度下烟囱效应升压力大小；李炎锋等[12]利用大涡模拟方法研究坡度在0%～5%范围内的隧道内烟气层横向以及纵向温度场分布以及火源拱顶处最高温度随时间的变化规律。

截止目前，国内外对于曲线隧道的研究还处于数值模拟为主、小尺寸模型试验为辅的阶段，螺旋隧道火灾相关特性仍待进一步研究。鉴于此，笔者将基于搭建的小尺寸螺旋隧道实验模型，研究螺旋曲线隧道火灾特性，以期为合理防治螺旋隧道火灾危害提供实验依据。

1　螺旋隧道火灾缩尺模型实验

1.1　实验模型建立

本文以高速公路螺旋曲线双洞单向隧道作为实验研究的原型隧道，隧道净高9.1 m，断面圆弧半径6.4 m，行车道净宽11.5 m。基于模型实验设计理论的分析，要使模型和原型两个流场相似，要求应确保使雷诺数处于湍流自模拟区，即流体流动的雷诺数应大于103。通过这一关键条件[13]，结合隧道火灾模型和原型之间的尺度关系，便可确定实验模型的尺寸。

发生火灾时，燃烧热驱动引发隧道行车道内的烟气流动，因此可以认为烟气的特征速度us就是火羽流的特征速度，即：

(1)

8.28×106>103

(2)

由速度比例关系得：

(3)

则实验模型的雷诺数应满足：

(4)

简化得模型的最小比例要求为：

(5)

综合考虑实验场地条件和经济条件等因素，最终确定采用1∶67的缩尺比例进行螺旋隧道模型建造，如图1所示。整个螺旋隧道模型共分有1%，3%，5%和7%共4个坡度段，每一坡度段均由长度分别约为5.1 m和5.86 m的直管段和弯管段构成，轴流风机分别焊装于每一坡度段火源上游1.4 m，下游0.3 m，1.9 m，4 m，5.9 m，7.9 m位置的镀锌铁皮上，并用防火胶密封。

图1　螺旋隧道缩尺实验模型Fig.1　Reduced-scale spiral tunnel experimental model

图2　实验温度测点及起火点示意Fig.2　Experimental temperature measurement and fire point

1.2　数据采集系统及实验工况设置

隧道模型采用K型铠装热电偶作为温度传感器，将温度信息通过温度采集模块传递至数据采集器，并连接到计算机实现实时监测。沿隧道纵向，分别在火源上游0.75 m，下游0.75 m，1.5 m，3 m，5.7 m，8.4 m处于隧道拱顶下方和30 mm高处布置K型热电偶，同时在火源处隧道内拱顶下方、30 mm高处和82 mm高处设置温度测点，每一坡度段共设有15个温度测点。此外，还布置了4个高清摄像头以监控烟气的流动状态，测点及起火点示意见图2。

表1　螺旋隧道火灾实验工况

注：表1中括号内数值为按缩尺比例换算而得的全尺寸隧道中的对应参数值

2　实验结果与分析

2.1　坡度对螺旋隧道温度场的影响分析

不同坡度下螺旋隧道温度沿隧道纵向分布曲线如图3所示。由图可知，各坡度隧道内拱顶温度沿隧道纵向分布的规律基本一致。在低坡度条件下(1%和3%坡度)，隧道内高温集中分布在近火源区域，且该区域温度随时间的推移逐渐增大，并以火源处为中点呈对称分布。火源下游离开火源1.5m后，隧道温度保持在初始温度不随时间发生变化。经观察分析知，由于正庚烷的燃烧效率较高，产烟量少，同时烟气流动过程中不断与镀锌铁皮和石英玻璃进行热交换，使隧道远端的温度变化幅度不明显。

图3　不同坡度下隧道拱顶处温度沿隧道纵向分布曲线Fig.3　Longitudinal temperature near ceiling under different slope

图4是t=146 s时不同坡度下隧道拱顶温度分布曲线，由图可知，随着坡度的增加，高温区逐渐朝下游延伸。这是由于坡度增大，隧道进出口高差越大，隧道内烟囱效应越明显，所形成的纵向风流作用力越强，抑制热烟气逆流，促进烟气朝下游扩散。图5为隧道火源处拱顶下方最高温度随坡度的变化曲线，由图可知，随着隧道坡度的增加，火源处拱顶下方最高温度呈现先升高后降低再上升的趋势。经分析观察知，隧道坡度的增加导致烟囱效应越突出，隧道内空气流动加强，适量新鲜空气的吹入促进了燃料的进一步燃烧，热量增多；当风流增大至一定程度后，冷空气带走的热量增加，温度逐渐降低；风流的持续增大，加快了正庚烷的燃烧并使其出现沸溢现象，促使燃烧空间扩大，产热量增加，温度开始升高。

图4　146 s时不同坡度下隧道拱顶温度分布曲线Fig.4　Temperature near ceiling when t=146 s

图5　不同坡度下火源处拱顶下方最高温度Fig.5　The highest temperature near ceiling

2.2　风速对螺旋隧道温度场的影响分析

受大气压力和温差等因素的作用，公路隧道外存在一定的自然风吹入隧道内。图6(a),(b),(c)分别为自然风0.24 m/s,0.37 m/s和0.49 m/s时模型隧道内温度在不同时刻下的沿程分布曲线，由图可知，随着时间的推移，不同大小的自然风作用下，火源上游隧道温度均保持初始温度，火源处及其下游隧道拱顶温度变化明显，呈现出随时间逐渐升高的变化规律。图6(d)为不同自然风作用下隧道内温度在起火后146 s时的分布曲线，随着自然风速的增大，近火区域隧道拱顶温度逐渐降低，离开火源3 m后拱顶温度基本不受自然风的影响。以上现象表明隧道内自然风产生了一定的纵向排烟效果，作用于烟气使其朝下游扩散，降低了火源附近区域的拱顶温度。虽然自然风导致了火灾烟气蔓延距离延长，使下游温度场的纵向分布加长，但总体温升幅度不大，对人员疏散及隧道结构的影响作用不强。

图6　不同自然风速下隧道内温度沿程分布曲线Fig.6　Longitudinal temperature distribution under different natural wind velocity

图7　不同通风条件下隧道拱顶温度沿程分布曲线Fig.7　Longitudinal temperature near ceiling under different ventilation condition

纵向通风排烟是公路隧道发生火灾时最常用的排烟模式之一，单开启机械纵向通风以及机械风协同自然风作用时模型隧道中温度沿程分布曲线如图7(a)，(b)所示。仅开启机械纵向通风(0.24 m/s)时，降温效果不佳，仍出现部分火灾烟气逆流的现象，近火区域温度较高并随时间逐步上升；当机械纵向通风和自然风协同作用时，隧道拱顶温度下降明显，降幅约200℃，无烟气回流现象。说明当0.24 m/s的纵向通风条件不能满足纵向排烟要求时，考虑机械通风和自然风协同作用，将大大提高降温排烟效果。

2.3　烟气蔓延特性分析

烟气在自然风或机械纵向通风作用下，势必会呈现出不同的流动状态。隧道内无自然风时，火源下游2 m处在不同时刻时的烟气流动情况如图8所示，由图8可知，无自然风作用时，条件下隧道内处于自然排烟状态，火灾烟气依靠热浮力、顶棚射流等作用沿隧道纵向蔓延。随时间的推移，燃烧生成的烟气量逐渐增多，而自然排烟情况下烟气流动缓慢，从而导致火源下游2 m处聚集的烟气浓度也随之增大，起火146 s后隧道内能见度明显降低。而在自然风为0.49 m/s时，在起火后73 s，110 s和146 s，下游2 m处的烟气量相差不大，火灾烟气依靠热浮力、顶棚射流等作用沿隧道纵向蔓延，并在自然风作用下快速排出隧道管段，隧道内能见度也基本相同，这主要是因为自然风促进火焰烟气蔓延，有效避免烟气在隧道内聚集。

图8　无自然风时不同时刻相同位置烟气蔓延情况Fig.8　Smoke spread pattern while no natural wind

正庚烷被点燃后释放热量和由CO2、水蒸气等成分组成的烟气，随着隧道坡度增加，烟囱效应加强，火焰形态变化如图9所示。从图中可以看出，坡度为1%和3%时，火羽流呈竖直狭长型，燃烧火焰撞击隧道拱顶后朝四周伸展，形成顶棚射流。隧道坡度增大至7%后，火羽流截面变大变宽，且燃烧火焰不稳定，四处摆动摇曳，总体向火源下游倾斜。随着坡度增大，烟气蔓延速度加快，烟气先锋到达弯管段末端所需时间依次减少。这是因为随着坡度增大，烟囱效应加强，使流入隧道内的新鲜冷空气量增多，抑制了火灾烟气逆流，同时促进了烟气在火源下游的蔓延速度。另外，加速流动的冷空气流破坏了小坡度时火羽流缓慢竖直向上的流动状态，同时加快了正庚烷的挥发燃烧，使火焰变宽，并在火源上方来回舞动。

图9　不同坡度下火焰形态Fig.9　Fire flame shape under different slope

3　结论

1)隧道内高温区在低坡度(1%和3%)条件下以火源处为中点呈对称分布，离开火源一定距离后隧道远端温度变化幅度并不明显。随着隧道坡度和自然风速的增加，抑制了火灾烟气逆流，同时促进了烟气向火源下游的蔓延速度，大大提高了排烟的有效性，减少人员伤害。

2)隧道坡度为1%和3%时，火羽流呈竖直狭长型；当坡度增大至7%后，加速流动的冷空气流破坏了小坡度时火羽流缓慢竖直向上的流动状态，同时加快了正庚烷的挥发燃烧，使火羽流截面变大变宽，且燃烧火焰不稳定，四处摆动摇曳。此外，随着坡度增加，隧道进出口高差增大，烟囱效应加强，使得高温区逐渐朝下游延伸，火源处拱顶下方最高温度随隧道坡度增大呈现先上升后降低再升高的变化规律。

3)本次实验条件下，0.24 m/s的机械通风不能满足纵向排烟要求，考虑机械通风和自然风协同作用，将大大提高降温排烟效果。风速增加，火灾烟气蔓延距离延长，使下游温度场的纵向分布加长，但总体温升幅度不大，对人员疏散及隧道结构的影响作用不强。

[1]G.H. Ko, S.R. Kim, H.S. Ryou. An experimental study on the effect of slope on the critical velocity in tunnel fires[J]. Fire Science. 2010, 28: 27-47

[2]徐琳,张旭. 坡度隧道的火灾烟囱效应的升压力分析[J]. 地下空间与工程学报, 2009(4):686-690,710.

XU Lin, ZHANG Xu. Analysis on effective pressure difference due to the stack effect for sloping tunnels[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009(4):686-690,710.

[3]伍灿,何佳,倪天晓. 小半径曲线隧道火灾事故通风数值模拟研究[J]. 消防科学与技术, 2014, 33(1)：37-40.

WU Can, HE Jia, NI Tianxiao. Research on the smoke movement in small radius curvilinear tunnel fires[J]. Fire Science and Technology, 2014, 33(1)：37-40.

[4]王峰,董国海,王明年. 曲线隧道火灾烟气控制临界风速的研究[J]. 现代隧道技术, 2015(5):84-89.

WANG Feng, DONG Guohai, WANG Mingnian. On the critical air velocity for fire smoke control in a curved tunnel[J]. Modern Tunneling Technology, 2015(5):84-89.

[5]王峰,王明年,邓园也. 曲线公路隧道交通风力非稳态模拟研究[J]. 计算力学学报, 2008(5):721-725.

WANG Feng, WANG Mingnian, DENG Yuanye. Unsteady simulation analyses of the traffic force in curvy highway tunnel[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2008(5):721-725.

[6]胡顺利,邵建霖,王闯,等. 小半径曲线隧道温度场与临界风速研究[J]. 铁路技术创新, 2013(5)：46-48.

HU Shunli, SHAO Jianlin, WANG Chuang, et al. Research on temperature field and critical air velocity in short radius curve tunnel[J]. Railway Technical Innovation, 2013(5)：46-48.

[7]朱合华,闫治国,梁利,等. 不同火灾升温曲线下隧道内温度场分布规律研究[J]. 地下空间与工程学报, 2012(S1):1595-1600.

ZHU Hehua, YAN Zhiguo, LIANG Li, et al. Numerical study on temperature distribution in tunnel linings under fire cases[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2012(S1):1595-1600.

[8]Atkinson G. T, Y. Wu. Smoke control in sloping tunnels[J]. Fire Safety Journal, 1996, 27: 335-341.

[9]Caliendo Ciro, Ciambelli Paolo, De Guglielmo. Numerical simulation of different HGV fire scenarios in curved bi-directional road tunnels and safety evaluation[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2012, 31:33-50.

[10]赵红莉,徐志胜,李洪,等. 坡度对隧道火灾烟气温度分布的影响[J].中南大学学报(自然科学版),2013(10):4257-4263.

ZHAO Hongli, XU Zhisheng, LI Hong, et al. Impact of slope on smoke temperature distribution in tunnel fires[J]. Journal of Central South University (Science and Technology),2013(10):4257-4263.

[11]徐琳,张旭. 坡度隧道的火灾烟囱效应的升压力分析[J]. 地下空间与工程学报,2009(4):686-690,710.

XU Lin, ZHANG Xu. Analysis on effective pressure difference due to the stack effect for sloping tunnels[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2009(4):686-690,710.

[12]李炎锋,付成云,李俊梅,等. 城市交通隧道坡度对火灾烟气扩散影响研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2011(5):10-15.

LI Yanfeng, FU Chengyun, LI Junmeng, et al. Study on the slope effect on smoke propagation in urban traffic tunnel[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2011(5):10-15.

[13]王福军.计算流体动力学分析[M].北京：清华大学出版社, 2004.

[14]Shorab Jain, Shashi Kumar, Surendra Kumar, T.P. Sharma. Numerical simulation of fire in a tunnel: Comparative study of CFAST and CFX predictions[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2008, 23:160-170.

[15]梅秀娟. 地铁车厢纵火模拟试验火灾特性研究[J]. 中国安全生产科学技术,2011(3):10-15.

MEI Xiujuan. Study on fire scenarios characteristic for subway trunk arson simulation test[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2011(3):10-15.