縱向通風地鐵隧道火災頂棚煙氣溫度試驗研究

摘要：要實現(xiàn)地鐵隧道主體結(jié)構(gòu)的有效防火保護，關鍵在于研究隧道火災發(fā)生時頂棚下方煙氣溫度的變化特性。按照Froude模型的原理，搭建小尺寸隧道模型，運用溫度數(shù)據(jù)采集設計、模型火源設計與試驗工況設計等試驗方法，針對隧道火災發(fā)生時，隧道頂棚煙氣縱向溫度和通風風速、火源功率之間的聯(lián)系開展研究。試驗成果顯示，通風風速與火源功率對隧道火災時頂棚縱向煙氣溫度的影響顯著，以縱向通風方向作為考慮方向，隧道頂棚溫度的變化呈現(xiàn)出沿隧道上下游兩側(cè)相對對稱分布的特征，溫度隨隧道中間位置距離的增大而逐漸降低；當設備風機的風速增大時，隧道頂棚的煙氣溫度會逐漸下降；隨著隧道火災火源功率的增加，隧道頂棚的煙氣溫度則會逐步上升。

關鍵詞：小尺寸模型；隧道頂棚；煙氣溫度；通風風速；火源功率

中圖分類號：U231+.96" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0010-03

0 引言

在城市化快速發(fā)展的當下，軌道交通已成為人員高度聚集的公共區(qū)域，其安全問題備受關注。在眾多災害類型里，火災在軌道交通系統(tǒng)所發(fā)生的災害中頗具代表性。據(jù)相關資料，隧道內(nèi)火災事故數(shù)量（包括列車車廂內(nèi)部火災事故）占總體地鐵火災事故的52%[1-2]。在軌道交通系統(tǒng)中，地下站臺和區(qū)間隧道內(nèi)的燃燒狀況，以及煙氣與有毒有害物質(zhì)的傳播擴散，成為突出的安全隱患。城市軌道交通的區(qū)間隧道空間相對封閉，可視性較差。在這樣的環(huán)境中，一旦發(fā)生火災，產(chǎn)生的煙氣難以在短時間內(nèi)排出。此外，因其客運量大、乘客集中，運營環(huán)境相對封閉，一旦列車運行中發(fā)生火災被迫停在區(qū)間隧道內(nèi)，火勢蔓延速度快，極易造成人員傷亡[3-4]。鑒于火災對隧道主體結(jié)構(gòu)造成的破壞以及后續(xù)修復面臨的諸多難題[5-6]，對隧道主體結(jié)構(gòu)實施有效的防火保護措施已刻不容緩。因此，針對火災時影響隧道頂棚下煙氣最高溫度的相關因素展開深入研究，對于完善隧道防火保護措施具有至關重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 模型試驗

1.1" 實驗模型臺設計

按照Froude模型原理，搭建一個幾何比例為1：10的小型隧道模型。這個小比例的模型隧道，主要由3部分構(gòu)成：長度為15m的區(qū)間隧道、長度達10m的排煙風道，以及一臺軸流風機。其中，區(qū)間隧道縱向斷面尺寸為490mm×530mm，經(jīng)計算可得其斷面面積為0.2597m2，而實驗模型臺的斷面系數(shù)是0.88。在區(qū)間隧道模型設計方面，其縱向長度設定為15m。實際實驗操作中，通過把15個長度均為1m的長方體進行拼接組裝，以此構(gòu)成完整的區(qū)間隧道模型。區(qū)間隧道模型的支架設計充分考慮與區(qū)間隧道模型的縱向長度、寬度保持一致。在具體實驗時，選用5段長度為3.0m、高度為1.0m的材料，采用型鋼焊接的工藝將它們連接起來。為確保實驗臺穩(wěn)固，在安裝過程中，對每一段材料均使用螺絲釘固定在地板上。區(qū)間隧道模型斷面寬0.49m，高0.53m。

1.2" 溫度數(shù)據(jù)采集設計

火災工況中，一般選用K型鎧裝熱電偶來測量隧道內(nèi)空間點溫度。熱電偶布置在隧道頂棚下方0.5cm處，沿縱向每隔20cm設置一個測點。此外，挑選8個典型斷面，各個斷面的水平間距分別為20、20、10、20、10、20、20cm。在8個具有代表性的斷面中心，依照高度方向來布置熱電偶樹。在每一棵熱電偶樹上，總共設置5個熱電偶測點，依次標記為a、b、c、d、e點。其中，最高位置的熱電偶a點，安置在距離隧道拱頂下方0.5cm處；另外4個熱電偶測點b、c、d、e點與最高測點a點的高度間隔分別是11.5、21.5、31.5、41.5cm。實驗中，比例隧道模型的風速數(shù)據(jù)通過數(shù)字風速儀對測點截面進行測量。此次通風風速測量共需獲取4個風速截面的風速數(shù)據(jù)，在15m長的小比例隧道模型中，每3m設置一個風速測點截面，數(shù)字風速儀測點在隧道截面上共布置4個。隧道通風風速最終取自風速測點隧道斷面圖數(shù)字風速儀測量數(shù)據(jù)的平均值。

1.3" 模型火源設計與試驗工況安排

為在燃燒時獲取比較穩(wěn)定的熱釋放速率，在區(qū)間隧道模型實驗中，模擬火源采用工業(yè)甲醇，其純度為94%。同時，為增強實驗的可靠性及實用性，并探究火災煙氣在小尺度隧道模型中的擴散規(guī)律，本文通過燃燒發(fā)煙餅模擬火災場景下的煙氣生成過程，系統(tǒng)觀測煙氣在受限空間內(nèi)的整體流動特性。基于實驗確定的火災功率，設計了3款油盤。這3款油盤高度均為4cm，長寬尺寸分別為7cm×7cm、9cm×9cm、11cm×11cm，油盤采用6mm厚的焊接鋼板制作。為深入研究火災工況下隧道頂棚煙氣縱向溫度的變化情況，共設計了15組實驗方案。實驗在1.1節(jié)所設計的模型臺中進行。實驗方案中的變量為火源熱釋放速率和縱向通風速度，火源變化通過改變油盆大小來控制，其熱釋放速率分別為1.59kW、3.19kW和4.78kW；縱向通風速度變化通過調(diào)節(jié)軸流風機風量來控制，風速控制在0.11～0.61m/s之間。

2 試驗結(jié)果與分析

通過對各工況的試驗測量數(shù)據(jù)進行分析，在同等條件下，隧道頂棚煙氣縱向溫度會隨火源功率和通風風速的改變而變化，三者之間存在一定關聯(lián)。圖1～3為相同火源功率下不同通風風速對隧道頂棚煙氣縱向溫度的影響[7]。圖表橫坐標中-6～0m為隧道上游位置，火源位于隧道中心位置，0～6m為隧道下游位置。在圖1～3中，當火源功率分別為1.59、3.19、4.78kW時，通風風速范圍為0.11～0.61m/s。受左側(cè)隧道上游通風風速影響，隧道煙氣由隧道上游向中間火源位置和右側(cè)隧道下游擴散，受縱向風速影響，隧道內(nèi)煙氣羽流上升方向及形式發(fā)生變化，隧道頂棚最高煙氣溫度出現(xiàn)在隧道下游0.5m處。當火源功率為1.59kW時，通風風速為0.11～0.47m/s，隨著縱向通風風速升高，隧道頂棚最高煙氣溫度由85℃降至70℃。而在隧道上游位置，由于風機安裝于隧道上游處，靠近風機處風速較大，通風效果明顯。隧道頂棚煙氣溫度隨距離風機越近而越低。在隧道上游2m附近煙氣開始逆流，通風風速達到臨界風速后，煙氣不再向隧道上游擴散，因此隧道上游3～6m處隧道頂棚煙氣溫度分布大體一致。而在靠近火源位置，隧道上游1m處，隧道頂棚煙氣溫度逐漸升高。這是因為在隧道中，風機縱向通風方向與火災煙氣產(chǎn)生的熱浮力效應方向相反，導致隧道上游1m處出現(xiàn)與縱向通風方向相反的煙氣流動阻力。在隧道下游位置，煙氣產(chǎn)生的熱浮力效應方向與隧道上游的通風方向一致。這種同向性加快了火災煙氣的排出速率，使得該區(qū)域溫度相較于相同風速條件下的水平隧道更低。這個趨勢隨著通風風速增加而愈發(fā)明顯。隨著通風風速的上升，隧道下游頂棚煙氣溫度逐漸降低。

圖4展示了在通風風速保持恒定的條件下，不同火源功率對隧道頂棚煙氣縱向溫度分布的影響[8]。當通風風速分別為0.21、0.31、0.41m/s時，火源功率范圍為1.59～4.78kW，受左側(cè)隧道上游通風風速的影響，隧道煙氣由隧道上游向中間火源位置和右側(cè)隧道下游擴散，隧道頂棚最高煙氣溫度出現(xiàn)在隧道下游0.5m處。當通風風速為0.21m/s時，火源功率范圍為1.59～4.78kW，隧道頂棚最高煙氣溫度隨著火源功率的變化由75℃升高至122.1℃。由此可見，隧道頂棚最高煙氣溫度與火源功率的大小存在一定關系。在隧道上游位置4～6m處，隧道頂棚煙氣溫度基本維持在20℃左右。在靠近火源位置，隧道上游1～3m處，當火源功率為1.59kW時，隧道頂棚煙氣溫度仍然在20℃左右波動。隨著火源功率的升高，隧道頂棚煙氣溫度逐漸升高，但仍在40℃左右波動。在隧道下游1～6m處，當火源功率升高時，隧道頂棚煙氣溫度隨之升高。當離火源位置越遠，隧道頂棚煙氣溫度越低。當火源功率為3.19、4.78kW時，兩者的頂棚煙氣溫度在40～60℃之間，且相差值不大。在開啟風機的縱向通風工況下，通風帶走煙氣熱量，因此隧道上下游頂棚煙氣溫度變化不大。當火源功率相差不大，或火源功率較小時，對隧道上下游遠離火源位置的頂棚煙氣溫度影響較小。

3 結(jié)論

基于上述討論，本文的核心結(jié)論可歸納為3點：①風機工況下，受通風風速方向影響，隧道頂棚煙氣最高溫度位于隧道下游0.5m處，將隧道下游0.5m處設定為中間位置，針對不同火源功率及不同縱向通風風速的工況，隧道頂棚溫度沿隧道上下游兩側(cè)相對對稱變化，且隨著距離中間位置越遠而逐漸降低。②隧道發(fā)生火災時，若火源功率維持恒定，隨著通風風速逐漸增大，隧道頂棚煙氣溫度會緩慢降低。由于火源產(chǎn)生煙氣的熱浮力效應與隧道上游通風方向存在差異，在靠近風機的隧道上游區(qū)域，頂棚煙氣溫度有所下降；而在隧道下游，熱浮力效應與通風效應相互疊加，加速了煙氣排出，致使該區(qū)域溫度低于相同風速條件下的水平隧道。隨著通風風速不斷升高，這一變化趨勢愈發(fā)顯著。③在通風風速工況恒定的條件下，隧道頂棚最高煙氣溫度與火源功率呈正相關關系。火源功率越大，隧道頂棚最高煙氣溫度越高；當設定的火源功率數(shù)值相差不大或火源功率較小時，對隧道上下游遠離火源位置的頂棚煙氣溫度影響較小。

參考文獻

[1]朱奧妮.2000—2019年國內(nèi)外地鐵火災事故統(tǒng)計分析[J].城市軌道交通研究，2020，23（8）：148-150.

[2]李炎鋒，蘇枳赫.地鐵區(qū)間隧道火災熱環(huán)境演化與疏散安全研究綜述[J].隧道與地下工程災害防治，2024，6（2）：1-12.

[3]劉育池.地鐵隧道火災救援的難點及對策分析[J].今日消防，2024，9（11）：70-72.

[4]曹向輝.地鐵火災人員疏散影響因素分析及疏散策略[J].中國人民警察大學學報，2023，39（8）：48-51+57.

[5]徐童，唐飛，何清.隧道內(nèi)貼壁火頂棚射流溫度及火焰特性研究[J].中國安全科學學報，2022，32（7）：93-97.

[6]胡嘉偉.隧道內(nèi)偏置火源的火災頂棚射流特征及演化規(guī)律研究[D].北京：北京交通大學，2024.

[7]許志杰.山地齒軌大坡度隧道火災煙氣溫度規(guī)律研究[D].成都：西南交通大學，2022.

[8]張緩緩.重點排煙隧道火災煙氣溫度分布規(guī)律研究[D].淮南：安徽理工大學，2023.