盾构铁路隧道坡度对火灾烟气蔓延的影响研究*

游温娇，徐志胜，孔 杰

(1.浙江警察学院，浙江 杭州 310053；2.中南大学 防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙 410075；3.中国计量大学 质量与安全工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

近年来，我国铁路建设高速发展，铁路网不断加密、运营里程不断突破，铁路隧道越来越多地在地形复杂、地质困难的条件下修建，如新关角隧道(西格II线)以及长度超过27 km的戴云山隧道[1-3]、穿越西秦岭山区的秦岭隧道[4-5]、广东佛莞狮子洋隧道[6-7]等。隧道线位选择需要避开不良地质条件，依据沿途适合开挖隧道的地形设计，隧道内坡度也随之产生，并随着地形的变化而呈现坡度多变性。当带有坡度的隧道内发生火灾时，由于隧道狭长空间，火灾烟气不宜排出，隧道坡度加剧了“烟囱效应”的产生，增加了隧道火灾下烟气控制的难度，给通风设计带来挑战。同时，坡度隧道内烟气浓度、温度、能见度等分布与无坡度隧道相比呈现差异性规律，因此研究隧道坡度对烟气蔓延的影响将对隧道合理临界风速的确定、复杂条件下隧道通风设计有较强的指导意义。

坡度隧道内火灾参数变化的相关研究中，研究内容主要集中在3个方面，烟气最高温度分布、纵向温度衰减和烟气回流长度。Lee等[8]通过开展隧道内火灾烟气蔓延与隧道截面纵横比之间关系的研究，验证了1∶20缩尺实验模型和FDS软件数据结果的一致性，并认为火源附近隧道顶板处温度随纵横比的增大而减小，远离火源位置烟气温度增大；在纵向通风作用下，烟气回流长度随风速增大而减小。Hu等[9]利用长、宽、高分别为6.0、1.3和0.8 m的缩尺模型，研究坡度分别为0%、3.0%和5.0%时顶板下方烟气温度分布情况，测量了不同坡度下隧道顶棚的最高温度和温度分布，并根据实验结果修正了包括隧道斜率因子的最高温度数学模型。Sun等[10]利用FDS软件建立不同坡度的城市公路隧道，研究了隧道内火灾的烟气运动和温度分布，侧重研究隧道中心线上游最高温度分布，发现火源上游烟气层界面几乎呈现水平状态，而下游烟气层界面与倾斜隧道顶板平行，并利用量纲分析建立了经验公式，预测最高温度变化情况。Chow等[11]搭建了缩尺隧道实验平台，通过测量空气温度和速度的分布研究了隧道内的火灾烟气蔓延；利用FDS软件模拟计算了倾斜隧道火灾烟气运动，推导出倾斜隧道模型中烟气层的浮力，认为在水平隧道中，烟气温度衰减呈指数分布，随着隧道坡度的变化，烟气温度变化趋势出现差异，当隧道倾斜角度超过9°时，火源上游烟气中性面消失。

隧道内车辆阻塞情况对火灾烟气蔓延及通风的影响研究，也成为隧道火灾研究的重要内容。Tang等[12]在1∶5的模型隧道中开展了车辆阻滞效应下火灾烟气蔓延和控制实验研究，发现无车辆阻滞情况下，实验数据烟气回流长度和临界风速分别与Wu[13]和Li[14]的研究结果一致，当火源上游存在阻滞时，随着障碍物与火源距离的增大，烟气回流长度和临界风速先降低后逐渐与无阻滞状态一致，在Lee[15]针对横截面阻塞率的修正公式的基础上，增添障碍物与火源距离的参数。Gannouni等[16]利用FDS软件研究火源上游不同位置的障碍物对烟气层流动和临界风速的影响，隧道内火源上游存在障碍物时，纵向通风的临界风速会有所降低，且与障碍物的高度和与火源的距离有关。Yi等[17]采用1∶10缩尺模型实验，研究隧道通风过程中坡度对临界风速的影响，提出临界风速和隧道坡度的关系函数。Weng等[18]利用量纲分析法推导出烟气回流长度和临界风速的表达式，并利用FDS软件建立9种截面系数的隧道模型，得到在截面系数和坡度参数影响下的隧道火灾烟气临界风速和烟气回流长度预测模型，同时开展1∶10缩尺隧道模型对照实验，验证了数值模拟与实验结果一致性。

以往的研究中，针对公路隧道发生火灾时，开展汽车阻塞效应下火场温度、烟气、通风等参数的研究较为普遍。近些年来，关于铁路隧道内火灾时列车的阻滞效应也逐渐受到关注和研究，但是在开展研究的过程中大多通过设置裸露火源并在火源前后增加障碍物来模拟铁路隧道火灾场景，且研究内容主要针对水平隧道内烟气回流长度和临界风速的确定[19-21]。列车发生火灾后，且滞留在隧道内，车厢内的高温烟气通过破碎的门窗进入隧道空间内，在顶板下方形成烟气层，烟气层将在隧道坡度变化、车辆阻滞、顶板阻挡、机械通风等多种因素的共同影响下传播和蔓延。本文利用FDS软件建立不同坡度盾构铁路隧道内的列车火灾模型，研究在车厢阻塞效应下，坡度发生变化对火灾烟气蔓延的影响作用机理。

1 模型建立与工况设置

本文以我国南方某海峡隧道设计方案为研究背景，该隧道采用盾构形式，全长超过20 km。隧道内径9.4 m，内部净空面积不小于58 m2，列车轨面高3.36 m，隧道内侧设置宽1.25 m救援通道，高出轨道平面0.5 m。CRH6列车单节车厢长、宽、高分别为24.5，3.3，2.6 m，采用8节编制。列车在隧道内发生火灾后，火灾烟气从着火车厢蔓延到隧道内，在隧道顶部聚集。盾构隧道的横截面呈圆形，隧道顶部具有一定的蓄烟空间，烟气层在隧道中线位置最厚，越靠近两侧，烟气层越薄，其火灾烟气蔓延特性与沉管和明挖暗埋隧道相比有明显的区别。以往针对隧道内火灾烟气蔓延的研究多以沉管、明挖暗埋法施工的隧道为主，隧道断面为矩形，而盾构法施工的隧道中由于烟气层形状不规则、厚度不均匀，为探索烟气的蔓延规律增加了难度。

火灾动力模拟软件(FDS)[22]基于大涡模拟(LES)理论，对火场内涡流进行简化和模糊处理，描述火灾发生和发展过程瞬态变化特征，该软件已被诸多学者应用在地下空间火灾的研究中，并取得大量的成果[23-25]。本文利用FDS软件建立与实际隧道尺寸比例为1∶1的火灾烟气蔓延计算模型，如图1所示，计算范围取着火列车段隧道长度为200 m火场区域，用以研究隧道内发生火灾时，火源附近区域的烟气蔓延特点。模型两端出口面边界条件设置为“OPEN”，表示隧道内未施加机械通风作用，烟气在热浮力的作用下在隧道内自由运动。另外，烟气在纵向方向的蔓延在洞口处不会受到阻碍，用于假设模型隧道的两端是无限延长的。火灾发展过程与时间之间的关系采用“t2”模型，表达式如式(1)所示：

图1 隧道内火灾烟气蔓延模型Fig.1 Model of fire smoke spread in tunnel

Q=α(t-t0)2

(1)

式中；Q为热释放速率，kW；α为火灾增长系数，kW/s2；t为火灾燃烧发生后的时间，s；t0为引燃阶段所需的时间，s。在研究过程中，为方便计算通常不考虑火灾引燃阶段所需时间，表达式可简化为Q=αt2。根据火灾增长因子α的取值不同，可以将火灾划分为慢速火、中速火、快速火、超快速火，考虑列车内可燃物主要为织物、泡沫、塑料等，属于快速火类型，火源火灾增长因子取值α=0.046 89，最大火灾热释放速率设为15 MW，火灾最大热释放速率时间565.6 s。

我国TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[26]中，为保证动车组丧失动力后能维持基本运行速度，规定隧道区间正线的最大坡度不宜大于20‰，为突显隧道坡度对火灾烟气蔓延的影响规律，建立隧道坡度分别为0%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%、3.5%、4.0%的8个对比工况，并以火源为分界线，沿坡度方向视为下游，沿坡度反方向视为上游。模拟计算过程监测隧道疏散平台上方2 m处温度、能见度和CO浓度等参数值，并设置温度、能见度切片，对不同坡度下火灾烟气在隧道内的蔓延规律进行描述。

2 结果与分析

本文利用FDS对不同坡度隧道内列车火灾进行数值模拟计算，得到各个火灾工况下烟气、温度、能见度的分布情况。车厢火灾燃烧过程持续1 200 s时，燃烧过程进入稳定状态，参数变化趋于平稳，可用以分析和参考。

2.1 火灾烟气蔓延

截取火灾发展稳定时不同工况烟气分布情况，如图2所示。火灾热烟气由车窗溢出，受浮力作用在隧道顶部积聚并向两端蔓延，烟气沿顶板蔓延过程中受到顶板热交换和摩擦力的作用，导致能量损失，加之烟气层与下部空气的混合作用，烟气层温度降低，其分界中性面变模糊，使得烟气层出现自然沉降。

图2 不同坡度隧道内烟气蔓延Fig.2 Smoke spread in tunnels with different slopes

无坡度的隧道内，烟气在火源两侧呈对称分布，随着隧道坡度增加，火源上游烟气层厚度减小。当隧道为3.0%坡度时，隧道上游端部的烟气变得稀薄，烟气蔓延长度减小。当隧道坡度增加至3.5%时，火源上游隧道端部附近烟气层分界中性面消失，烟气不再经过此处向远端蔓延。

有坡度的隧道内发生火灾，烟气受到坡度产生的限制作用，导致在火源两侧的蔓延状态不同。图2中所示，隧道坡度发生变化，火源下游烟气层分界中性面不再呈现水平状态，与隧道顶板平行，位于火源上游区域的烟气层基本保持水平状态，受坡度变化的影响作用较小。

2.2 温度和能见度分布

图3为不同坡度隧道温度场和能见度场分布图。无坡度隧道内发生火灾，温度场以火源位置为中心呈两侧对称分布。当隧道坡度为1.0%时，隧道顶部高温区域向下游移动，随着隧道坡度继续增加，隧道上游高温分布区域逐渐减小。在4.0%坡度的隧道内，火源上游高温区域带状长度缩短一半。相比隧道坡度为0时，有坡度隧道内高温区域的厚度变小，高温区域范围减小。

图3 不同坡度隧道内温度场和能见度场Fig.3 Temperature field and visibility field in tunnels with different slopes

从图3(b)中可以发现随着坡度的增大，隧道内低能见度区域变小，烟气层变薄，火源上游烟气蔓延距离变小，4%时烟气小范围内聚集在隧道顶部，火源附近低能见度区域向下游偏移(图3(b)中矩形选区)，隧道坡度由0%增大到4%的过程中，火源上游形成的低能见度凸出区域逐渐缩小并有向下游偏移的趋势(图3(b)中椭圆形选区)。

2.3 烟气层受力分析

水平隧道内发生火灾，烟气在火风压力的作用下自火源向隧道两端蔓延，烟气在蔓延过程中除受到摩擦损耗、与冷空气混合、热辐射等因素的影响外，火源功率、隧道结构特点是烟气蔓延速度和蔓延距离的主要影响条件。隧道内不同位置烟气层所受火风压计算如式(2)～(3)所示：

(2)

(3)

坡度为α的隧道内发生火灾，高温烟气和环境空气的受力情况如图4所示。受坡度影响，火源两侧烟气层温度和分布发生变化，两侧火风压也随之发生改变，火源下游高温烟气，受火焰高温产生的火风压ΔPi可表示为式(4)：

图4 坡度为α的隧道内火灾烟气受力分析Fig.4 Stress analysis of fire smoke in tunnel with slope α

(4)

式中：xm为火源位置坐标，m；xi为温度测点位置坐标，m；α为隧道坡度，°。

火源上游高温烟气，受火焰高温产生的火风压ΔPj可表示为式(5)：

(5)

坡度隧道两端存在高度差，火灾烟气在浮力的作用下向隧道下游移动，在隧道内形成“烟囱效应力”Ps，该力是由温度差和高度差共同形成的，其表达式为式(6)：

(6)

火源下游隧道顶部烟气同时受到火风压ΔPi和隧道坡度形成的烟囱效应力Ps，由于在隧道下游火风压和烟囱效应对烟气的作用方向相同，下游烟气加速向洞口蔓延。烟气蔓延速度的加快，降低了与隧道壁面之间的热交换，烟气在蔓延过程中温度处于较高水平，有效减缓高温烟气的沉降作用，表现出隧道下游烟气层较薄。如图3中所示，随着坡度的增大，火灾隧道内火源下游的烟气层厚度变薄，能见度切片深色区域变窄。

火源上游烟气所受的火风压和烟囱效应的作用力方向相反，随着坡度的增加，火源上游烟气所受合力Fj逐渐变小。当该位置烟气所受火风压和烟囱效应力大小相等，方向相反，火灾烟气不再向前蔓延。图2中所示，随着坡度的增大，烟气受到的烟囱效应不断增强，火源上游烟气层厚度变薄，烟气更加靠近火源，利用公式(3)、(5)和公式(6)，可以得到烟气回流长度关于火灾荷载和隧道坡度的表达式。当隧道内烟气所受烟囱效应力与上游火风压大小相等时，火灾产生的烟气全部向下游蔓延，火源上游无烟气回流。

为了列车行驶安全和乘客舒适度考虑，铁路隧道坡度一般不会出现超过4%的情况，因此，为了控制烟气的蔓延，隧道内需要设置机械通风排烟系统。对于坡度隧道而言，通风方向与烟囱效应方向相同时，可以节约通风能耗，同时取得很好的通风效果。当通风方向与烟气所受烟囱效应力相反，机械通风需要同时克服火风压和烟囱效应力，将火灾烟气控制在火源的一侧，以保障上风口逃生人员和消防灭火人员的安全。

2.4 4%坡度隧道烟气蔓延特性

图5为不同隧道坡度火灾发生1 200 s时，隧道内2 m高处温度曲线。当隧道坡度由0%增大到4%的过程中，隧道内2 m高处温度整体呈现下降趋势。对比分析火源附近上、下游温度曲线，发现火源下游高温区域大于上游，且坡度越大，高温区域向下游偏移越明显(图5中①所示)。火源上游和下游的温度随坡度的变化出现较大的差异，火源下游，同一坡度下测点距离火源越远温度值越高(图5中②所示)。火源上游，同一坡度下测点距离火源越远温度值越低。隧道坡度较小时，受烟气蔓延水跃效应的影响，火源位置附近出现高温凸起区域。随着坡度不断增大，高温凸起区域逐渐消失(图5中③所示)。

图5 不同坡度隧道内2 m高温度Fig.5 Temperatures at 2 m height in tunnels with different slopes

隧道坡度产生的烟囱效应使火源下游的烟气蔓延速度加快，烟气层蔓延过程中能量损失降低，烟气层厚度变小。烟囱效应作用下，烟气向上游的蔓延量减少，受烟气层下方空气流动的剪切作用，烟气层厚度变薄，隧道内温度降低。

4%坡度下隧道火灾温度和能见度分布如图6所示。火源下游高温层厚度和高温区域明显大于上游一侧，火源下游烟气在火风压和烟囱效应的协同作用下加速蔓延，上游区域火风压和烟囱效应的作用力方向相反，导致上游烟气量、烟气蔓延长度、烟气层温度、烟气层厚度相对下游更低。图6(b)为隧道内能见度分布情况，隧道内火源上游的能见度更低，烟气浓度更大。在坡度隧道火灾烟囱效应的作用下，火源下游烟气总量大于上游，一定程度上证明了火源两侧烟气受力和蔓延速度不同。图6(b)中所示流线表示隧道内气体的流动情况，在火源下游的隧道出口位置，烟气层下部形成一个气流涡旋，新鲜空气与火灾烟气在此处发生剧烈的混合，造成局部能见度下降。火源上游烟气在蔓延过程中，受到由隧道口补充的新鲜气流的逆向剪切力作用，烟气流动速度减小，甚至发生停滞，导致烟气层蔓延距离变短、厚度变薄。从火源附近空气流线可以看出，火焰燃烧过程中卷吸的空气，更多的来自火源上游，这些空气通过参与燃烧反应或直接被卷吸入烟气层后，大部分向火源下游蔓延。

图6 4%坡度隧道内温度和能见度分布Fig.6 Distribution of temperature and visibility in tunnel with 4% slope

南京市某隧道内开展了通风系统热烟测试，火源设置在有一定坡度的隧道段，如图7所示。实验现象与本文数值模拟的结果较为一致，点火后高温浓烟沿着隧道顶板向两端蔓延。未开启射流风机时，热烟流向下游的量远大于上游，下游烟气层的蔓延距离、速度、厚度均超过上游。随后，隧道内开启射流风机进行控烟-排烟，通风气流吹向下游时，烟气层更容易被控制在火源一侧。通风气流由下游吹向上游时，烟气层更容易被扰乱，充满隧道空间，且更不利于人员疏散。

图7 现场实验Fig.7 Field experiment

3 结论

1)利用FDS软件建立铁路盾构隧道火灾烟气蔓延研究模型，开展坡度隧道内火灾烟气蔓延规律研究，分析坡度隧道内烟气层受力和运动机理，为坡度隧道火灾时通风排烟和人员疏散提出建议。

2)隧道内发生火灾，烟气在火风压的作用下向隧道两侧蔓延，烟气蔓延距离和蔓延速度受火源功率和烟气温度影响。无坡度隧道内，烟气在火源两侧对称分布。

3)坡度隧道内，火灾烟气同时受到火风压和烟囱效应力的作用。火源下游，火风压与烟囱效应力方向相同，烟气蔓延速度较快，烟气层较薄，烟气沉降现象减弱。火源上游火风压和烟囱效应力对烟气的作用方向相反，烟囱效应一定程度上阻碍烟气在上游区域的蔓延，纵向机械通风从火源上游吹向下游，控烟效果更好，更有利于火源上游区域人员疏散和消防救援。

4)坡度隧道内热烟实验表明：坡度隧道内火灾烟气蔓延会形成烟囱效应，烟气更有利于向火源下游蔓延；机械通风方向与坡度方向一致时，更有利于控制烟气，且烟气层不容易发生紊乱，隧道内有较高的清晰层；通风方向与坡度方向相反时，需要更大的通风量和通风风速，且容易破坏烟气分层，导致隧道空间内充满烟气，影响人员的逃生和消防救援。