地鐵區(qū)間隧道頂部熱煙氣溫度分布

劉方，翁廟成，余龍星，李罡，廖曙江

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地鐵區(qū)間隧道頂部熱煙氣溫度分布

劉方1, 2, 3，翁廟成1, 2, 3，余龍星1，李罡1，廖曙江4

(1. 重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶，400045；2. 重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400045；3. 重慶大學(xué) 低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心，重慶，400045；4. 重慶市公安消防總隊(duì)，重慶，401121)

通過調(diào)查統(tǒng)計重慶地鐵6號線區(qū)間隧道的斷面形式，引入隧道斷面形狀系數(shù)，建立斷面形狀系數(shù)＜1的模型實(shí)驗(yàn)臺。采用模型實(shí)驗(yàn)與FDS模擬相結(jié)合的方法，探討地鐵隧道采用縱向排煙系統(tǒng)時，不同熱釋放速率及排煙速度的條件下區(qū)間隧道內(nèi)煙氣溫度縱向分布特征。研究結(jié)果表明：Kurioka模型適用于斷面形狀系數(shù)≥1的地鐵區(qū)間隧道，對于斷面形狀系數(shù)＜1的地鐵區(qū)間隧道，需要對Kurioka模型進(jìn)行修正。對于斷面形狀系數(shù)≥1的地鐵區(qū)間隧道，頂棚上游煙氣溫度縱向分布服從指數(shù)衰減規(guī)律。然而，對于斷面形狀系數(shù)＜1的地鐵區(qū)間隧道，頂棚上游煙氣溫度雖然也服從指數(shù)衰減規(guī)律，但需要進(jìn)行模型修正。修正值與斷面形狀系數(shù)之間滿足線性關(guān)系，頂棚上游煙氣溫度沿縱向衰減速度，隨隧道斷面形狀系數(shù)的增大而增大。

安全工程；區(qū)間隧道火災(zāi)；煙氣溫度；相似模型實(shí)驗(yàn)；計算機(jī)模擬

由于結(jié)構(gòu)的特殊性，隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，不僅嚴(yán)重威脅人的生命及財產(chǎn)安全、對隧道運(yùn)營設(shè)備造成巨大的損失及不良的社會影響，而且會對隧道的建筑結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。發(fā)生火災(zāi)時，燃燒釋放的高溫?zé)煔鈱⒅饕奂谒淼理敳?，?dāng)隧道頂部的溫度升高到一定值之后，頂部混凝土將發(fā)生爆裂，使得隧道頂板中的鋼筋裸露出來。而鋼筋在超過一定的溫度后，其強(qiáng)度會大大下降，這將可能導(dǎo)致隧道的坍塌[1?5]。因此，大多數(shù)隧道中都采用防火板和噴涂防火涂料對隧道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行防火保護(hù)。國內(nèi)外的研究者對隧道火災(zāi)時拱頂附近的最高煙氣溫度以及隧道火災(zāi)煙氣縱向溫度分布規(guī)律進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬研 究[6?8]。隧道最高煙氣溫度模型以及煙氣縱向溫度分布規(guī)律的研究對于指導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)防火設(shè)計具有重要意義。研究表明，隧道火災(zāi)煙氣溫度受到很多因素的影響，如火災(zāi)規(guī)模、通風(fēng)風(fēng)速以及隧道幾何尺寸等。Kurioka等[9]在5個不同尺寸的隧道上開展了隧道火災(zāi)近火源區(qū)域溫度預(yù)測的實(shí)驗(yàn)研究，得出了隧道拱頂最高溫度預(yù)測模型。國內(nèi)學(xué)者彭偉等[10?13]通過實(shí)體實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Kurioka 模型的可靠性。近年來，還有研究者開展了坡度對隧道拱頂最高溫度的影響研究，提出了坡度修正的Kurioka 模型[14?16]。Hu等[17?19]通過理論分析、大尺寸模擬實(shí)驗(yàn)和全尺寸現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了隧道火災(zāi)煙氣的流動特性，建立了隧道火災(zāi)煙氣溫度縱向分布規(guī)律的預(yù)測模型，證實(shí)了隧道火災(zāi)煙氣溫度沿隧道縱向變化呈指數(shù)衰減的規(guī)律。上述隧道頂部最高煙氣溫度以及隧道火災(zāi)煙氣溫度縱向分布規(guī)律的預(yù)測模型的研究主要針對公路隧道進(jìn)行的，而公路隧道的主要特點(diǎn)是斷面大，除特殊地段外，基本上多數(shù)是雙車道和三車道，而鐵路和地鐵車站及區(qū)間隧道其斷面形式往往要小于公路隧道，多數(shù)是單道單行線，斷面形式也別于公路隧道。因此，這就意味著公路隧道拱頂附近煙氣最高溫度的預(yù)測模型以及隧道火災(zāi)煙氣溫度縱向分布規(guī)律的預(yù)測模型是否可以用于指導(dǎo)地鐵區(qū)間隧道的設(shè)計值得進(jìn)一步探討。本文作者對重慶6號線區(qū)間隧道斷面形式進(jìn)行了調(diào)查分析，利用FDS模擬研究9種不同隧道橫截面形式在不同縱向通風(fēng)風(fēng)速下火災(zāi)時隧道頂部最高煙氣溫度，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)對Kurioka 模型進(jìn)行修正。通過相似模型實(shí)驗(yàn)臺以及實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對修正的Kurioka 最高溫度模型進(jìn)行驗(yàn)證。同時，通過FDS模擬、相似模型實(shí)驗(yàn)臺以及實(shí)體實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)火災(zāi)煙氣溫度縱向分布呈冪指數(shù)衰減的規(guī)律，以便為區(qū)間隧道火災(zāi)的工程實(shí)踐提供參考。

1 區(qū)間隧道斷面形式

隧道高度是影響隧道煙氣運(yùn)動的重要參數(shù)之一，當(dāng)隧道橫截面面積相同，高的隧道內(nèi)的煙氣卷吸冷空氣量比隧道高度低的少，但隧道高度不宜獨(dú)立作為影響煙氣運(yùn)動的參數(shù)。隧道的橫截面面積和隧道高度同時影響煙氣運(yùn)動。因此，綜合考慮隧道高度和橫截面對煙氣運(yùn)動的影響，引入隧道形狀系數(shù)作為技術(shù)參數(shù)，隧道形狀系數(shù)為

式中：為隧道橫截面面積，m2；為隧道高度，m；為隧道形狀系數(shù)。

對重慶市軌道交通六號線區(qū)間隧道的斷面形式進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計6號線58個隧道的斷面形式，其隧道高度為4.300~11.037 m，隧道面積在19.38~134.95 m2；單洞單向隧道斷面形狀系數(shù)為0.63~0.97，單洞雙向隧道斷面形狀系數(shù)為1.01~1.85，區(qū)間隧道長度為757~ 6 701 m。隧道主要斷面形式為矩形、圓形和馬蹄形。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模擬方案

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，選取9種典型斷面形式的隧道進(jìn)行模擬計算，其斷面形式如圖1所示。其中，除隧道H和I為單洞雙向隧道外，其余均為單洞單向隧道。此外，隧道A~F，寬度相同高度不同，而隧道D和G高度相同寬度不同。隧道C為馬蹄形隧道，其余為矩形隧道，模擬方案如表1所示。

圖1 隧道斷面形式(單位：mm)

表1 FDS模擬方案

在FDS數(shù)值模擬中，根據(jù)國內(nèi)外大量研究已經(jīng)證實(shí)，網(wǎng)格尺寸=0.1*時，計算結(jié)果能夠準(zhǔn)確描述區(qū)間隧道內(nèi)各參數(shù)的變化[20]，*為火源特征直徑，m，計算公式如下：

式中：為重力加速度；T為發(fā)生火災(zāi)前隧道內(nèi)空氣溫度，K；為火源熱釋放速率，kW；為環(huán)境空氣密度，kg/m3；c為空氣定壓比熱容，J/(kg?K)。

2.2 最高溫度及沿程溫度分布模型

Kurioka模型為

=1.77，=6/5(當(dāng)時)

=2.54，=0(當(dāng)時)

式中：Δmax為最高煙氣溫升，K；*和分別為熱釋放速率和弗勞德數(shù)，和為系數(shù)；H為火源表面至隧道頂部高度，m；為縱向通風(fēng)風(fēng)速，m/s。

胡隆華模型如下式所示：

式中：為距火源的距離，m；0為參考點(diǎn)據(jù)火源的距離，m；T為距火源為m處的煙氣溫度，K；0為參考點(diǎn)溫度，取隧道頂部煙氣最高溫度處為參考點(diǎn)，0=max；，和為常量，=1，=?/=?0.035。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 最高溫度預(yù)測模型

將模擬結(jié)果整理為最高溫度與無因次量的關(guān)系，見圖2。從圖2可見：當(dāng)斷面形狀系數(shù)≥1時，煙氣最高煙氣溫升Δmax與Kurioka的預(yù)測模型中的基本一致，即對于斷面形狀系數(shù)≥1的隧道，煙氣最高煙氣溫升Δmax可以采用Kurioka的預(yù)測模型預(yù)測。因?yàn)镵urioka 模型實(shí)驗(yàn)中的5個不同尺寸隧道的形狀系數(shù)介于1~3之間，因此≥1的隧道，模擬結(jié)果與Kurioka的預(yù)測模型結(jié)果很吻合。而當(dāng)斷面形狀系數(shù)＜1時，煙氣最高煙氣溫升Δmax比 Kurioka預(yù)測模型的最高溫度低，其最高溫升的計算公式如下：

圖2 最高溫升模擬值與Kurioka模型預(yù)測值對比圖

2.3.2 煙氣縱向溫度分布規(guī)律

將隧道頂棚上游溫度縱向數(shù)值模擬結(jié)果整理為無量綱溫升Δx/0與距參考點(diǎn)距離的關(guān)系，當(dāng)火源功率為5 MW和7.5 MW時，斷面形狀系數(shù)小于1的隧道頂棚上游煙氣溫度縱向分布如圖3所示。

火源功率/MW：(a) 5.0；(b) 7.5

由圖3可知：1) 對于斷面形狀系數(shù)小于1的隧道，頂棚上游煙氣溫度沿隧道縱向分布仍然符合胡隆華模型的指數(shù)衰減規(guī)律。2) 對于斷面形狀系數(shù)小于1的隧道，隨著隧道斷面形狀系數(shù)的增大，隧道頂棚上游煙氣溫度沿隧道縱向衰減速率增加。這是因?yàn)樗淼罃嗝嫘螤钕禂?shù)越小，其煙羽發(fā)展受到限制，煙氣溫度沿程衰減減慢。

由于隧道頂棚上游煙氣溫度沿隧道縱向衰減速率與隧道斷面形狀系數(shù)有關(guān)。因此，對隧道頂棚上游溫度數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行指數(shù)衰減擬合，引入修正值對衰減速率進(jìn)行修正，擬合結(jié)果以及衰減速率修正值如表2所示。修正后的隧道火災(zāi)煙氣溫度縱向分布預(yù)測模型為

表2 隧道頂棚上游溫度衰減數(shù)值模擬擬合結(jié)果

衰減速率與斷面形狀系數(shù)的關(guān)系如圖4所示，在修正值中引入斷面形狀系數(shù)對衰減速率進(jìn)行修正，可以得出線性修正結(jié)果為

圖4 衰減速率修正值與斷面形狀系數(shù)關(guān)系

即對于斷面形狀系數(shù)小于1的隧道，隧道內(nèi)上游任意點(diǎn)的拱頂煙氣溫度可以結(jié)合式(8)和式(9)計算求得，頂棚上游煙氣溫度沿隧道縱向分布規(guī)律可以用下式表示：

3 相似模型實(shí)驗(yàn)及全尺寸實(shí)驗(yàn)

3.1 相似模型實(shí)驗(yàn)理論

本文采用弗諾德模型設(shè)計相似模型實(shí)驗(yàn)臺，幾何相似關(guān)系為

溫度場相似關(guān)系為

m=f(12)

速度相似關(guān)系為

進(jìn)風(fēng)口和排煙體積流量相似關(guān)系為

火源強(qiáng)度相似關(guān)系為

其中：下標(biāo)m代表模型，下標(biāo)f代表原型。

3.2 相似模型實(shí)驗(yàn)裝置

本文模型隧道采用1:10的幾何比尺設(shè)計，隧道模型縱向斷面長×寬為540 mm×480 mm(=0.89)，隧道縱向長度為15 m，由5段拼接而成，每段長度為3 m。兩側(cè)材料采用6 mm厚的防火玻璃，頂部煙道和底部材料采用8 mm厚的防火板。模型隧道安置在1 m高的底座上，底座采用型鋼制作。

模型隧道的進(jìn)口端安裝有一臺軸流式送風(fēng)機(jī)，出口端則與外界相通。送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量=1 000 m3/h，靜壓為150 Pa。采用變頻調(diào)節(jié)器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，以得到所需的不同送風(fēng)量。在模型隧道內(nèi)每隔一定距離放置1把刻度標(biāo)尺，實(shí)驗(yàn)時采用攝像機(jī)記錄煙氣層的高度變化。

實(shí)驗(yàn)中模擬火源采用工業(yè)甲醇，其純度為95%。熱釋放速率通過記錄燃料質(zhì)量損失來計算。利用本課題組研發(fā)的分離式耐高溫電子秤和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時測量并記錄甲醇質(zhì)量隨時間的變化，從而由甲醇質(zhì)量變化曲線的斜率得到甲醇油盤的質(zhì)量損失速率*。設(shè)計長×寬分別為8 cm×8 cm，10 cm×10 cm，12 cm×12 cm，15 cm×15 cm以及15 cm×20 cm的油盤，油盤深度為5 cm。油盤尺寸規(guī)格及其對應(yīng)的熱釋放速率如表3所示。

表3 油盤尺寸規(guī)格及其對應(yīng)的熱釋放速率

由于甲醇燃燒時發(fā)煙量較小，需要添加一定的示蹤物體來產(chǎn)生煙氣以便觀察。本實(shí)驗(yàn)中示蹤物采用成分為硫磺和鋸沫的煙餅。同時，采用K型鎧裝熱電偶測量火災(zāi)時隧道內(nèi)空間各點(diǎn)溫度，通過溫度采集模塊將接受到的溫度信號傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，并連接到計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。隧道一側(cè)安裝送風(fēng)風(fēng)機(jī)，采用調(diào)速電機(jī)對風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，可在模型隧道中形成0~1 m/s 的縱向風(fēng)速。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對模型隧道內(nèi)溫度和流速進(jìn)行測量。在隧道拱頂下方1 cm 沿縱向每隔20 cm 布置1個熱電偶溫度測點(diǎn)，每隔3 m布置1個風(fēng)速測量截面(圖5)，并布有8個測溫截面和4個測速截面，具體各測點(diǎn)布置如圖5 和圖6 所示。

圖5 隧道縱向測點(diǎn)布置示意圖(單位：mm)

(a) 截面熱電偶測點(diǎn)布置；(b) 截面風(fēng)速測點(diǎn)布置

3.3 相似模型實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行25組實(shí)驗(yàn)，火源功率分別為1.59，3.19，4.78，8.97和12.38 kW。表4所示為相似模型實(shí)驗(yàn)方案及其最高溫度。

表4 相似模型實(shí)驗(yàn)方案及其最高溫度

3.4 全尺寸實(shí)驗(yàn)

在重慶某一段349 m長的地鐵區(qū)間隧道內(nèi)開展全尺寸的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究?；馂?zāi)煙氣實(shí)驗(yàn)在長度為211.2 m的單洞單向隧道內(nèi)進(jìn)行。該段隧道高度為5.16 m，下部寬度為4.8 m，其斷面形狀系數(shù)=0.79，隧道斷面示意圖如圖7所示。

(a) 實(shí)驗(yàn)區(qū)間隧道段斷面示意圖(單位：mm)；(b) 實(shí)驗(yàn)區(qū)間隧道縱向示意圖(單位：m)

采用不同尺寸規(guī)格的油盤進(jìn)行3組實(shí)驗(yàn)，通過控制油池的面積和油量來控制火災(zāi)功率，火源功率分別為0.90，1.35和1.8 MW，測試時的環(huán)境溫度以及風(fēng)速如表5所示。實(shí)驗(yàn)采用K型鎧裝熱電偶測量火災(zāi)時隧道內(nèi)頂部各點(diǎn)煙氣溫度，通過溫度采集模塊將接受到的溫度信號傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，并連接到計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，3次實(shí)驗(yàn)隧道頂棚最高溫度見表5。

表5 全尺寸模型實(shí)驗(yàn)方案及其最高溫度

3.5 結(jié)果分析

3.5.1 最高溫度預(yù)測模型的驗(yàn)證

圖8所示為相似模型實(shí)驗(yàn)以及全尺寸實(shí)驗(yàn)的最高煙氣溫度結(jié)果。從圖8可以看出：模型實(shí)驗(yàn)以及全尺寸實(shí)驗(yàn)結(jié)果和式(7)結(jié)果吻合，從而驗(yàn)證斷面形狀系數(shù)0.63＜＜1的隧道的最高溫升計算公式是正確的。也就是說，當(dāng)斷面形狀系數(shù)小于1時，隧道寬度小于高度，火源卷吸空氣受到限制，因而煙氣發(fā)展受到限制，從而隧道頂部最高煙氣溫度相對較低。

圖8 修正的Kurioka模型與相似模型實(shí)驗(yàn)及全尺寸實(shí)驗(yàn)對比

3.5.2 煙氣縱向溫度分布規(guī)律的驗(yàn)證

將隧道頂棚上游溫度縱向分布修正式(10)所得結(jié)果與相似模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。把相似模型隧道斷面形狀系數(shù)=0.89代入修正式(10)，將相似模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理為無量綱溫升與無量綱距離的關(guān)系。修正的煙氣縱向溫度分布與相似模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖9所示。從圖9可以看出：修正式(10)與相似模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合程度較好。因此，對于隧道斷面形狀系數(shù)小于1的隧道，頂棚上游溫度縱向分布可以用式(10)表示。

圖9 修正的煙氣縱向溫度分布與相似模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

4 結(jié)論

1) 單洞單向隧道斷面形狀系數(shù)為0.63~0.97，單洞雙向隧道斷面形狀系數(shù)為1.01~1.85。

2) 對于斷面形狀系數(shù)≥1的地鐵區(qū)間隧道，可以采用Kurioka模型預(yù)測隧道頂部煙氣最高溫度；對于斷面形狀系數(shù)＜1的地鐵區(qū)間隧道，需要對Kurioka模型進(jìn)行修正，隧道頂部煙氣最高溫升比Kurioka模型小，修正系數(shù)=1.51。

3) 對于斷面形狀系數(shù)≥1的地鐵區(qū)間隧道，頂棚上游煙氣溫度沿縱向成指數(shù)衰減規(guī)律；對于斷面形狀系數(shù)＜1的地鐵區(qū)間隧道，隨著隧道斷面形狀系數(shù)的增大，隧道頂棚上游煙氣溫度沿縱向衰減速率增加；通過引入斷面形狀系數(shù)對頂棚溫度沿程衰減模型進(jìn)行修正，獲得修正值與斷面形狀系數(shù)之間的線性表達(dá)式。

4) 由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對于斷面形狀系數(shù)＜1的隧道頂部最高溫度的計算，僅討論了火源功率較小的情況。因而，需要進(jìn)一步開展實(shí)體實(shí)驗(yàn)，探討較大火源功率的情況，以此驗(yàn)證修正公式的準(zhǔn)確性。

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Smoke temperature distribution on the top of underground metro tunnel

LIU Fang1, 2, 3, WENG Miaocheng1, 2, 3, YU Longxing1, LI Gang1, LIAO Shujiang4

(1. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;2. Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment,Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China;3. National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings,Chongqing University, Chongqing 400045, China;4. Fire Department of Chongqing Municipal Public Security Bureau, Chongqing 401121, China)

Based on the investigation of the metro tunnel section of Line 6 in Chongqing, China, sectional coefficientwas introduced to describe geometrical characteristic of tunnel section. The smoke temperature distribution on the top of the tunnels with induced longitudinal flow under different HRR and longitudinal ventilation velocity was researched by small scale model experiments and FDS simulations methods. The results show that Kurioka model can be used in the tunnel with≥1, and it should be modified for the tunnel with＜1. And the smoke temperature rise along longitudinal direction corresponds exponential decay law in the tunnel with≥1, and it should be also modified for the tunnel with＜1. The relationship between modification valueKand the sectional coefficient ζ is linear, and the decay speed increases with the increase of.

safety engineering; metro tunnel fire; smoke temperature; scale model experiment; numerical simulation

X928.03；U459.2

A

1672?7207(2015)02?0661?09

2014?02?20；

2014?05?15

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃項(xiàng)目(B13041)；重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB14031)(Project (B13041) supported by the Program of Introducing Talents of Discipline to University; Project (CYB14031) supported by Chongqing Graduate Student Research Innovation Program)

翁廟成，博士研究生，從事建筑防火技術(shù)，建筑節(jié)能與室內(nèi)熱濕環(huán)境研究；E-mail：mcweng@126.com

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.039

(編輯 趙俊)