隧道内燃气爆炸荷载研究综述*

孙文盛 杨石刚 蔡炯炜,2 杨亚

(1.陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室 南京 210007； 2.73021部队 杭州 310012)

*基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)(2015CB058001)；江苏省自然科学基金(BK20180081)。

0 引言

近年来，中国交通事业发展速度十分迅猛，公路、铁路建设里程不断取得新的突破。隧道作为一项大型基础设施在此中扮演了重要的角色，其在节省运输成本、提高运输效率方面有着巨大的优越性，为区域经济发展做出了很大贡献。公路建设方面，截至2018年底建设总里程达484.65万km，其中隧道有1.77万处，总里程1.72万km，已经连续10年保持年增长率超过8%，建设规模、数量以及增长速度方面高居世界榜首。铁路建设方面，截至2019年底建设总里程达13.9万km，其中投入运营的铁路隧道有1.61万处，总长1.8万km，近5年年增长率均超过6%[1]。

隧道建造难度大、使用周期长、造价高昂，是一项重要的生命线工程。除了本身具有的通行功能外，很多隧道现在还兼具了人防功能，因此保证隧道的安全畅通运营十分必要。由于隧道通常只有两个进出口与外界联系，一旦发生事故，人员的逃生以及组织救援难度很大，整条线路的交通运输系统也会因此瘫痪，影响范围非常广泛。而且，由于其空间相对密闭，发生火灾爆炸事故时较开敞空间会产生更加严重的后果，爆炸冲击波、烟雾和火焰迅速贯通整个隧道。其中，爆炸冲击波荷载传播速度快、范围广，极易造成人体耳膜和肺部的伤害[2]，同时爆炸冲击波也会对隧道结构产生明显的损害，导致防火层的脱落，对火灾起到一定的激励作用。表1列举了国内一些典型的隧道内爆炸事故。

表1 国内隧道爆炸事故概览

续表1

从表1可以看出，隧道内爆炸主要发生在危化品运输过程中。与地上环境相比，隧道内部环境是一个相对封闭的系统。爆炸冲击波在隧道内地面、壁面不断反射传播，致使结构内壁承受的超压峰值明显提高，其作用持续时间也大为延长，进而给结构及其内部人员及设施造成更为严重的破坏和杀伤后果[3]。所以，研究隧道燃气爆炸灾害破坏机理，必然首先要从爆炸冲击波传播规律着手。长直的泄爆空间内发生的火灾爆炸事故具有特殊之处，现有研究也表明长径比对于泄爆空间中燃气爆炸冲击波传播规律影响非常大，因此，关于民用建筑和压力容器等泄爆空间中的权威研究较难在隧道中直接应用。本文首先对槽罐车的事故模式进行了分析，介绍了国内外对于槽罐车等压力容器泄漏、扩散、爆炸的研究进展。随后分别从理论研究、模型试验和数值模拟三个角度对隧道等长直空间内燃气爆炸的研究进展进行综述。

1 槽罐车事故模式及后果分析

1.1 槽罐车事故模式

经过对一系列具有详细报道的槽罐车火灾爆炸事故的统计，得到了槽罐车的事故模式，进而分析得到了隧道爆炸事故的主要爆炸危险源。如图1所示。

图1 槽罐车爆炸事故模式

易燃液体在运输过程中发生事故时通常不会发生剧烈的爆炸，主要灾害形式为火灾产生的热辐射以及直接接触火焰，极端情况下会在火灾过程中形成蒸气云进而引发蒸气云爆炸事故。而可燃气体主要采用高压或者低温液化的运输方式，在遇到外部不利因素影响时会导致罐体泄漏，泄漏出来的液化气体会迅速汽化并在短时间内积聚形成蒸气云，在极小的点火能量下就会发生爆炸；如果立即点燃会首先形成喷射火，火灾产生的热辐射对槽罐产生热反馈使得槽罐内汽化速度加快，从而形成了正激励循环导致罐体炸裂，引发灾害后果更为严重的蒸气云爆炸事故。由此可见，危化品运输环节中发生的爆炸事故一般是气体爆炸。

1.2 槽罐车事故后果研究现状

多位学者对于槽罐以及压力容器内物质的泄漏、扩散、爆炸的真实过程进行了数值计算。项莉[4]以液化天然气槽罐车泄漏后燃烧为事故背景进行了研究，提出了“泄漏—燃烧—热反馈—槽罐内升温升压—强化泄漏”的事故链演化过程，并建立了“泄漏-燃烧”耦合发展模型，过程中还研究了不同的相态、充装率以及泄漏孔径对于事故的影响。余爽[5]运用Aloha及MATLAB软件针对液化石油气泄漏后的不同事故类型进行数值计算，研究结果表明沸腾液体扩展蒸气云爆炸的灾害范围最广。曹艳丹等[6]利用Fluent软件研究了泄漏孔径为50 mm的天然气槽罐车在泄漏后的气云浓度分布并记录了下风向爆炸浓度极限范围距离，研究结果表明初始的天然气动量对于气云的分布占主导作用，而风可以显著减小可燃气体的宽度。陈长坤等[7-8]采用Fluent软件模拟了化学计量比浓度下的甲醇、氢气、丙烷在隧道内发生爆炸的情况，研究甲醇运输车数量以及相对点火源位置对于爆炸压力场的影响规律，并对氢气和丙烷的爆炸过程进行了定量对比分析，结果表明爆炸的危害程度随着槽罐车数量的增多而显著增强。徐大用等[9]采用FLACS软件对汽油槽罐车泄漏后燃烧以及蒸气云爆炸的情况进行了数值模拟，得到了火球以及超压的伤害范围。

国外VAN DEN BERG A C等[10]计算了50 m3液化石油气压力容器在开口隧道系统中破裂时的爆炸效应，指出在爆炸冲击波从隧道泄放到自由空间的过程中分为一个主要为静态的超压波以及一个定向的动态压力波；计算了50 m、100 m、150 m开口长度下的超压峰值，结果表明经过泄爆后的冲击波仍会对人体产生很大的损伤；VENETSANOS A G等[11]计算了不同标准工作压力(20 MPa、35 MPa、70 MPa)的大型氢能源汽车在隧道内不同事故场景下随时间变化的泄漏速率，分别利用ADREA-HF、REACFLOW软件分析了氢气扩散、爆燃过程的特点，对比了天然气燃料汽车事故过程，得出了二者不同时刻的气体释放速率、可燃物能量以及不同位置的超压-时程曲线。BIE H Y等[12]分别利用不同的计算流体力学软件模拟了隧道内氢燃料车储罐泄漏、扩散以及爆燃的过程，在此基础上对风速、点火延迟的影响作了定性分析。

2 长直空间燃气爆炸荷载研究现状

2.1 长直空间燃气爆炸荷载理论分析

燃气爆炸是一种典型的非理想爆炸，由于燃气爆炸发展过程复杂、影响因素繁多，建立准确的计算模型比较困难，尤其是针对隧道这一特殊环境建立理论计算模型则更加有挑战性。

对于大型可燃气体爆炸，可以采用TNT当量法、多能(Multi-Energy)法、Baker-Strehlow模型、阻塞评估(CAM)模型等经验方法来初步预测爆炸荷载并进行简单的安全评价。TNT当量法和多能法是依据凝聚相炸药相关理论知识，对于气体爆燃过程中燃烧和火焰不稳定性考虑较少，TNT当量法只能用来预测远场的爆炸荷载，而多能法的计算方法默认混合气体只在受限或者阻塞的区域发生爆炸，在预测气体爆炸近(远)场超压峰值时会偏高(低)。CAM在复杂环境下的应用有一定局限性。VAN DEN BERG A C等[13]经过实例计算指出多能法相较于TNT当量法可以更好地预测气体爆炸荷载。TANG M J等[14]对于包括Baker-Strehlow模型在内的多种模型进行计算并与试验数据(MERGE，EMERGE等)进行了比较，结果表明Baker-Strehlow模型对于远场预测超压过高，在此基础上提出了Baker-Strehlow-Tang模型并验证了其准确性。

CATLIN C A等[15]提出了一个能够预测气体爆炸产生的超压的数学模型，该模型基于流体流动方程组的解，该方程组采用二阶精确的有限体积积分法和自适应网格算法相结合。用k-ε方法模拟了在火焰传播前产生的湍流，而用半经验方法描述了预混燃烧过程，该方法同时考虑了化学动力学和流场对火焰燃烧速度的影响，在整个火焰传播过程中保持真实的火焰厚度，最后在大型圆柱形容器中验证了模型的准确性。

ZHU Y F等[16]利用FLACS软件建立了4组数值模型，研究了空气中甲烷的体积分数、堵塞率、隧道长度和断面形状对大型直线隧道瓦斯爆炸超压的影响。利用GaussAmp数学模型对数据拟合，给出了隧道中超压峰值随着甲烷浓度变化的预测公式，同时在文中创新地提出截面系数Dv，拟合出了不同Dv值下超压峰值计算公式。

ZHANG Q等[17]提出了一种估算封闭隧道内气体爆炸产生的空气冲击波超压衰减的方法。在考虑了隧道壁面粗糙度的情况下研究了甲烷-空气混合气爆炸及其冲击波在空气中的后续传播，得到了甲烷-空气混合物外隧道不同轴向位置的压力时程。研究结果表明该方法能够准确地估计甲烷/空气混合爆炸产生的冲击波随距离的超压变化。

毕明树等[18-19]在等温绝热爆炸模型的基础上，引入了流体动力学方程以及化学反应动力学守恒方程，在此基础上模拟了可燃气体在管道中的爆燃，计算了不同时刻的压力场。同时采用均匀能量释放模型，通过数值模拟的方法对管道内可燃气体爆炸进行了计算，得到了可燃气体、管道长度等因素对管道内气体爆炸压力和压力上升速率的影响。

王振成等[20]指出长径比对于容器内爆炸过程影响较大，并针对长径比为12的爆炸管中进行了丙烷泄爆实验，通过回归分析法对实验数据进行归纳，得到了最大爆炸压力与开口比的关系、压力时程曲线以及不同体积容器的开口比计算公式。

2.2 长直空间燃气爆炸试验研究2.2.1 小比例管道模型试验

针对小比例管道模型中的爆炸特性，现有研究多集中于可燃气体爆炸发展过程以及各种环境因素对结果的影响。KUNDU S K等[21]用20 L的球形容器连接2 813 mm长的管道，以此模拟巷道中燃气爆炸特性，在点燃之前给管道内气体引入湍流，试验结果表明强点火能量以及湍流均会增强爆炸程度。IBRAHIM S S等[22]通过自主研发的一种试验装置，研究了障碍物几何形状和阻塞比对气体爆炸超压峰值的影响。结果表明，超压峰值以及压力上升速率会随着阻塞比的增大而增大，相同情况下板形障碍物会导致更大超压，这与ZHOU Y H等[23]指出的带尖角的障碍物能引起更剧烈的爆炸相符合，ZHOU Y H还发现障碍物间距近似等于管道直径时爆炸程度最剧烈。NA′INNA A M等[24-25]指出爆炸过程中未燃气体会在障碍物下游产生湍流，导致燃烧速率增大，从而产生更大的超压峰值，在此理论基础上建立了长4.5 m，直径为162 mm的管道装置开展一系列相应试验，得到了最不利情况下的障碍物间距并进一步探究了阻塞率对于最不利间距的影响，指出最不利间距为障碍物下游产生最大湍流时的间距。

2.2.2 大比例模型试验

小比例管道模型中的试验可以为隧道内燃气爆炸荷载影响因素提供一定的借鉴，但是小尺度模型不可避免地会产生一定偏差。GROETHE M等[26]用1/5比例尺制作了长78.5 m、横截面积为3.74 m2的隧道模型，首先在隧道中心设置了10 m体积分数9.5%～30%的均匀氢气-空气混合物并测量了爆炸过程超压/冲量-时程曲线，随后在端口以及隧道中心两个位置进行了不同量氢气泄漏试验，测得了隧道纵向不同位置的氢气浓度。ZIPF R K等[27]建立了长73 m，内径105 cm的试验管道研究甲烷-空气混合物的爆轰过程，试验测得爆轰过程中冲击波以1 512～1 863 m/s的平均速度传播,在第一次冲击压力峰值后平均超压在1.2～1.7 MPa之间变化。

徐景德[28]在煤炭科学研究总院重庆研究院大型试验巷道中进行一系列试验，试验结果表明：障碍物在火焰区以及非火焰区的激励作用有物理上的区别，同时发现瓦斯爆炸传播过程存在明显的尺寸效应。王东武等[29]在煤科院大型试验巷道(见图2)进行了不同质量、浓度的瓦斯-空气混合气体爆炸试验，并对爆炸过程中的超压峰值以及火焰速度等数据进行了测量分析，结果表明瓦斯量的增加会使得最大压力峰值的位置靠近点火点，火焰长度是瓦斯积聚区的3～6倍。ZHAI C等[30]对煤矿内瓦斯爆炸进行了试验研究并通过数值模拟进行验证，结果表明随着通道弯曲曲率的改变会不同程度加剧湍流过程，进而使火焰速率以及超压峰值增大。SAPKO M J等[31]在改造的废弃石灰矿(LLEM)D通道(长520 m，横截面积11.2～13.0 m2)中封闭端填充12 m长的体积分数为10%的甲烷空气预混气体当作点火端，研究真实巷道中爆炸后粉尘的影响，试验结果给出了不同粉尘的上下限浓度并提出了两种爆炸模型，试验中给出的火焰传播速度以及超压数据在提供大规模甲烷-空气爆炸的数据方面极有价值。然而，综合考虑到安全性以及经济性的因素，学者们在大型巷道中使用的气体体积以及传感器数量规模较小。因此，这些试验还不足以充分反映大型隧道中荷载分布规律。

图2 煤科院大型试验巷道(单位：mm)

2.3 长直空间燃气爆炸数值模拟

近年来伴随着气体爆炸原理、计算流体力学等理论的持续完善以及计算机技术的不断成熟，数值模拟的准确度也越来越高，已经成为了研究气体爆炸的一种重要手段。尤其是近十多年来，国外已经开发出多个可用于模拟气体爆炸的数值计算软件，如CAST3M、COM3D、FLACS、REACFLOW、AutoReaGas、Fluent、b0b、PHOENICS、BLAST、EXSIM等。预测蒸气云爆炸强度的CFD模型有:Baker-Strehlow-Tang、Multi-Energy等一维模型，以及Raju的薄饼和半椭球模型[32]。

很多学者以及机构针对GROETHE M的试验进行了数值模拟，在过程中对不同软件的参数以及数值模型的准确性进行了验证。欧盟委员会组织了5个科研机构FZK(COM3D)、Gexcon(FLACS)、KI(b0b)、JRC(REACEFLOW)、UU(Fluent)分别用5个不同软件对此试验进行了计算，对不同软件的物理以及理论模型的准确性作了验证，讨论了不同软件的局限性(几家单位均在知道计算结果的情况下进行计算)[33]。TOLIAS I C等[34]采用修正的Yakhot方程来考虑湍流模型以及火焰结构的影响，利用ADREA-HF软件模拟了GROETHE M[26]试验中隧道中部10 m长化学计量浓度的氢气爆炸过程，研究了不同湍流模型(LES/k-ε)、燃烧模型参数Ψ以及网格分辨率的影响。MOLKOV V等[35]采用大漩涡气体爆燃模型(LES)模拟了78.5 m长隧道中不同浓度氢气爆炸，给出了无障碍和有障碍通道中不同纵向距离的超压峰值以及超压时呈曲线，试验结果证实了LES模型的适用性。

SALZANO E等[36]将管道内设置圆环状障碍物的气体爆炸试验结果与AutoReaGas模拟结果进行对比，指出其在比较慢的湍流爆燃区适用性较好，但对于气体爆轰模拟的适用性有待提高。JANOVSKY B等[37]用房间内以及矿井内爆炸试验数据对AutoReaGas软件进行了校准，证实了此软件对结构内任何点的荷载的计算精确性。PANG L等[38]首先利用钢管内甲烷的爆炸试验验证了AutoReaGas数值模拟方法的有效性，然后对不同支护间距的巷道内发生瓦斯爆炸的情况进行数值研究，结果表明巷道内同一断面上的峰值超压分布不均匀，最大超压出现在巷道壁附近。JIANG B Y等[39]利用AutoReaGas软件模拟了长100 m，0.08 m×0.08 m的管道模型中不同燃料体积的爆炸过程，结果表明各测点的压力、密度、温度、速度都是燃料体积的线性函数。SUN L等[40]利用AutoReaGas建立了长度为100 m，截面面积不同的管道模型，研究表明管道截面面积的增大对瓦斯爆炸的超压、密度、温度、瓦斯速度和燃烧速率有明显的降低作用，同时会使安全距离变小。

HANSEN O R等[41]指出了FLACS会严重低估强烈气体爆炸情况下远场爆炸荷载并分析了其中的原因。同时他在几次大型试验以及爆炸事故中找到可燃气体爆轰的证据，指出出现爆轰的可能性比现有认知要大并利用实验数据对FLACS软件参数进行了调整，使其对于爆轰以及远场爆炸荷载预测更加精确。WILLIAM G H等[42]研究了隧道中氢燃料汽车热减压装置开启的情况，指出延迟点火发生爆炸的情况是存在的，随后利用FUEGO软件模拟出了氢气扩散不同时间内的氢气云分布并导入FLACS软件进行不同点火位置爆炸过程的计算，测得最大超压峰值为300 kPa，模拟中采用的几何模型及扩散2 s后爆炸超压分布见图3，最后在试验中验证了模拟过程中计算模型的准确性。PRANKUL M等[43]运用FLACS软件分别建立了马蹄形以及矩形的隧道几何模型，考虑各种事故场景下释放率的差异，对不同纵向通风方式下的场景进行模拟，研究结果表明氢气的释放受自身浮力以及动量主导，爆燃危害程度与纵向通风水平关系不大。张群[44]利用20 L近球形爆炸试验装置测试了不同气体的爆炸极限，并用此数据验证了FLACS软件模拟多元气体在受限空间爆炸的可行性，最后仿照实际矿井建立了相应的巷道模型，系统地研究了点火位置、可燃性气体填充长度、气体成分浓度、巷道内障碍物及不同密闭情况对爆炸过程的影响。

(a)隧道及车辆几何模型

(b)爆炸超压分布

3 已有研究存在不足

气体爆炸发展过程十分复杂，对于初始的环境条件非常敏感，很难建立相应的解析解模型。目前对于大型气体爆炸多采用经验/半经验方法进行计算，而现有的理论如TNT当量法、多能(Multi-Energy)法、Baker-Strehlow模型、阻塞评估(CAM)模型都有各自的缺点，其适用范围还未得到大量有效的验证，在隧道这种特殊的环境中进行应用有一定的主观性和盲目性。

目前关于隧道内燃气爆炸荷载的试验研究多借鉴管道或者巷道的经验，二者与隧道相比在断面形状、结构形式、通风方式等方面有明显的不同之处。而关于隧道内燃气爆炸的试验都是规模较小的模型试验，现研究表明隧道内发生燃气爆炸时会存在明显的尺寸效应，原有的模型试验难以对真实隧道内爆炸荷载进行全面的概括，目前亟需对隧道内燃气爆炸尺寸效应进行理论研究。

现有对于管道以及巷道的研究，多集中在对于爆炸特性影响因素的分析，比如气体浓度、气体体积、管壁条件、障碍物形式等，而忽略了对于隧道内真实爆炸情况的过程分析。而近年来隧道内危化品运输爆炸事故频发，对于此类事故后果损伤评估对于隧道修建时的防护设计以及发生事故时的救援工作、避险范围参考意义重大。

4 结论

本文搜集了近些年来典型的隧道内燃气爆炸事故，并对爆炸起因和槽罐车爆炸模式进行了分析，然后从理论分析、模型试验、数值模拟三个方面对隧道等长直泄爆空间内燃气爆炸荷载的国内外现状研究进行了综述。具体结论如下：

(1)槽罐车发生事故时的灾害形式和其运载的物质类型有关，运输易燃液体时多发生火灾事故，运输高压液化气体时容易产生比较剧烈的爆炸，二者的灾害后果评估方式不同。

(2)从理论上获得燃气爆炸的解析解比较困难，随着计算机技术的成熟以及燃气爆炸相关理论的不断完善，大量的数值模拟软件已经在试验中得到验证，数值模拟方法将成为解决这类问题的有力途径。

(3)关于大型的长直空间中燃气爆炸的试验研究多见诸于国外，国内相关的大尺度试验还较少，这也造成了可参考数据的匮乏。

(4)系统总结国内外大长径比的长直泄爆空间燃气爆炸荷载研究现状，指出隧道内槽罐车泄漏爆炸过程的研究对于救援工作、避险范围参考意义重大。