重载铁路隧道可燃物极大丰富条件下火灾温度场数值模拟

陈长坤，康 恒

（中南大学防灾科学与安全技术研究所，湖南 长沙，410075）

0 引言

重载铁路是用于运载大宗散货的总重大、轴重大的列车、货车行驶或行车密度和运量特大的铁路，较普通铁路，具有运输效率高、成本低等优势［1］。近年来，重载铁路建设在我国取得了快速发展，并以其巨大的运能很好地缓解了我国铁路运输压力。运输量巨大的重载列车通过隧道时会带来隧道内可燃物分布极大丰富，一旦发生火灾事故，其火灾后果往往较为严重，因此有必要对重载铁路隧道火灾展开研究。

近年来，频繁的隧道火灾事故逐渐引起了国内外学者对隧道火灾安全的关注，隧道火灾研究已经逐渐成为火灾研究领域的一个热点课题。其中对火灾下隧道内温度场的研究当中，闰治国等对火灾下隧道内温度场的分布规律展开了研究［2］。徐志胜、李洪等人通过数值模拟、理论分析和模型试验，研究了坡度对隧道火灾的影响机理［3］。易亮等人对Kurioka模型进行了验证［4］，赵望达等人对Kurioka模型进行了修正［5］。Haukur Ingason 针对隧道火灾特点，提出了一种新的单一指数火灾曲线［6］。Falin Chen采用数值模拟的方法研究了隧道火灾重力流作用下的湍流特征［7］。挪威在Runehamax隧道内开展了对重型货车火灾蔓延规律的试验，研究了其峰值火灾热释放速率［8］。国外在大量的实验基础之上，提出了：RWS；HC；RABT／ZTV；Runehamar等典型隧道火灾升温曲线。这些研究成果对隧道防火设计、火灾预防、火灾救援以及灾后治理都起到了重要的指导意义。

然而与一般客车或普通货车相比，单列重载列车运输量大，一般至少在5000吨以上，甚至可达1到2万吨，且单列重载列车一般长达几千米，可贯穿整条隧道。这使得狭长的重载铁路隧道内可能集聚大量的可燃物，给隧道安全运输带来了极大的威胁。目前国内外针对重载铁路隧道火灾的研究涉及较少，无法满足重载铁路隧道消防设计的要求，因此有必要结合重载铁路隧道内可燃物极大丰富的特点对重载铁路隧道火灾蔓延、火灾下隧道内温度分布特点开展研究，以期为消防设计及综合防火提供一定参考。

1 模型介绍与工况介绍

1.1 模型介绍

本文参考军都山双线重载铁路隧道设置计算模型，模型长度为500m（x方向），截面宽12．6m（y方向），高9．08m（z方向），环境温度为20℃。列车贯穿整个隧道，位于隧道右线中线（y＝2．5m）。货车车厢尺寸大小12m×3m×4m，车厢间距为1m，共设置重载车厢41节，其中37节位于隧道内部，两侧洞口外部各设置1节，剩余两节车厢分别跨越隧道两侧洞口。模拟中，隧道为自然通风排烟模式，两侧洞口即为模型通风口。沿隧道中心拱顶附近以及火源正上方拱顶附近位置每隔2m 设置一个温度测点。

图1 模拟隧道横断面（x＝0m）、纵断面（y＝0m）图Fig．1 The cross section（x＝0）and longitudinal section（y＝0）of the simulation tunnel

1.2 工况介绍

重载运输中，红松木是其大宗散货中较为普遍的一种，而相对于矿石、煤炭等可燃物，其更具有易燃的特点，因此，本文分析中选取红松木作为重载列车的运输物质，其密度为450kg／m3，着火点为260℃，燃 烧热值 为17．1613MJ／kg，导热系数为0．14W／（m·k），比热容为2．85KJ／（kg·K）。单节车厢红松木质量64．8吨，隧道内可燃物质量2414．6吨。设定四种不同大小的初始火源燃烧功率，分别是50MW、80MW、100MW、150MW。并设置了三种不同的初始火源位置，分别在隧道中心、隧道开口以及隧道半段中间处。模拟中，隧道内火源功率大小随红松木的引燃而发生改变。采用火灾动力学模拟软件FDS，通过网格合理性分析，初始火源功率50MW 时，网格大小可取0．4m×0．4m×0．4m；初始火源功率为其它三种情况时，网格大小可取0．5m×0．5m×0．5m。本文中共设置6 组工况，具体设置如表1所示。

表1 模拟工况设置Table 1 Design of simulation conditions

2 运算结果分析

2.1 重载铁路隧道火灾蔓延规律

图2给出了初始火源位于隧道中心，功率大小为100MW 工况下，隧道纵向截面（y＝2．5m）不同时刻温度分布图。从图2－a 中可看出，初始约20min内，着火区域主要集中在初始火源及附近位置，火灾未发生大积蔓延。分析认为，开始阶段燃烧所释放的热量较少，火源附近车厢位置处温度未达到红松木的着火点（即260℃），可燃物尚未着火。此时重载铁路隧道内火灾还未剧烈燃烧，火灾易于扑灭。图2－b、2－c、2－d、2－e中，重载铁路隧道内着火区域在20min到40min内逐渐扩大，到45min，隧道内红松木被大量引燃，随着重载铁路隧道内火灾的逐渐蔓延，燃烧热释放速率逐步增大，热量大量积聚，重载车厢附近温度升高速率逐渐加速，隧道内火灾蔓延的速度逐渐增大。隧道大面积的着火给重载铁路隧道内的人员财产安全带来了巨大威胁，同时也增加了火灾扑灭难度。由图2－f可以看出，到75min时，重载铁路隧道洞口处燃烧剧烈，而隧道中部燃烧受到抑制，重载隧道火灾并不会保持整个隧道内可燃物大面积持续燃烧。分析发现，重载铁路隧道内极大丰富的可燃物不会在短时间内燃烧耗尽，而隧道通风因子小，隧道内的燃烧程度受洞口通风量控制。火灾蔓延至重载铁路隧道洞口附近，隧道洞口附近空气补充充足，燃烧剧烈，而隧道中部由于新鲜空气补充量不足，燃烧受到抑制。

图2 隧道纵向截面（y＝2．5m）温度分布图Fig．2 Temperature distribution along longitudinal section at y＝2．5m

表2 隧道中火灾蔓延速度（工况、蔓延方向规定见表1）Table 2 Fire spread speed in tunnel（conditions and spread direction see Table 1）

表2给出了不同火源位置、初始火源功率大小下，重载铁路隧道火灾蔓延至一定距离所需时间。对工况1、2、3、4进行对比分析发现着火位置相同，初始火源功率越大，重载铁路隧道内火灾蔓延速度越快。分析认为，初始火源功率越大，火灾释放的热量越大，隧道内温升速率越快，火灾蔓延速度越快。

对3、5、6组工况进行对比分析可以发现，火灾蔓延至整个重载铁路隧道所用的时间，以第5组为最少，第3、6组依次增多。造成这种现象的主要原因是第3组工况中，初始火源位于隧道中间，离两侧洞口较远，燃烧过程中，热烟气可对隧道内冷空气充分预热，但通风条件较差，燃烧受通风量控制。而第6组工况当中，火源位于隧道洞口，通风条件较好，但热烟气易通过隧道洞口溢出，且火焰只能沿隧道单一方向传播。第5组工况中，火源位置较第3组工况中距离隧道洞口更近，燃烧所需要的空气能通过较近隧道洞口得到补充，燃烧所产生的热量也可以与隧道内冷空气充分混合，相对其他两种位置，火灾能更快蔓延至整个隧道。同时可发现，第5组工况中火灾向两个方向蔓延的速度也存在着差别，其中距离洞口较远一侧火源蔓延速度更快。

2.2 隧道内纵向、横向温度分布规律

2．2．1 隧道纵向温度分布

图3给出了初始火源功率大小为100MW，起火位置分别位于隧道中心、隧道半段中间（x＝125m）以及隧道洞口处（x＝0m）三种情况下隧道右线中线（y＝2．5m）正上方壁面附近位置（A，参见图1）温度分布。对图3－a、3－b进行分析发现，初始25min内，火源正上方壁面附近处温度快速升高，局部最高温度超过了1000℃。沿隧道纵向（y＝2．5m）距离初始火源位置越远，其上方壁面附近温度越低。由图3－c可以发现，到35min时刻，沿右线中线上方壁面附近最高温度及最高温度位置均未发生明显改变，火源两侧沿隧道纵向壁面附近处温度显著升高；而初始火源位于隧道半段中间处，距离洞口较远侧上方壁面附近温升明显高于另一侧，造成这种现象的主要原因是，初始火源距离洞口越近，该侧隧道内热烟气更易溢出而冷空气也更容易流入，由于冷空气与热烟气的快速混合导致了该侧温度明显降低。由以上计算结果可以看出，在重载铁路隧道火灾中，隧道局部壁面附近温度在较短时间内即能超过1000℃。而隧道衬砌结构主要构成材料为钢筋混凝土，随着温度的升高，混凝土、钢材的材料力学性能以及它们之间的粘性都会遭受破坏，研究发现当温度超过400℃时，混凝土中水泥发生脱水反应丧失自身强度；达到575℃左右，水泥将会产生爆裂破坏，超过800℃时，混凝土内部将会发生化学反应，产生气体，内部的气体压力升高，产生拉伸破坏。而钢材的力学性能在温度超过200℃即发生逐步降低。温度超过700℃，强度只有常温的20%，且此时混凝土已发生爆裂，钢筋直接与热空气接触，钢筋将失去其补强功能［9］。可见，在此阶段，火源正上方及隧道拱顶附近的局部高温会造成该位置处衬砌结构高温损伤，给隧道局部位置稳定性带来一定的破坏。

由图3－d可以发现，到45min时刻隧道内纵向温度分布较图3－a、3－b、3－c发生了明显的变化。火源位于隧道中心、隧道半段中心、隧道洞口三种情况下，隧道右中线（y＝2．5m）正上方壁面附近温度都出现大范围明显升高。其中，初始火源位于隧道中心位置处，隧道内右线中线壁面附近处最高温度位置向两侧发生了移动，隧道中间温度发生较大幅度降低。初始火源位于隧道半段中间位置处，隧道内纵向温度最高位置并未发生改变，但温度最低位置出现在隧道中间处。这主要是由于此时火灾已在重载隧道内发生较大面积的蔓延，大面积的燃烧导致整个隧道内纵向温度出现升高。蔓延过程中，距离洞口较远的隧道中部空气补充相对较弱，燃烧不能充分进行，而距离隧道洞口越近，空气补充量越充分，燃烧越剧烈。导致隧道纵向最高温度位置由中间位置逐渐向两侧洞口发生移动。在此阶段，隧道内大面积的高温会造成衬砌结构大范围的高温损伤，给整个隧道的受力稳定性能造成威胁，同时，变化的高温位置也会给重载铁路隧道灾后修复增加难度。

图3 隧道右线中线正上方壁面附近温度分布（参见图1）Fig．3 Temperature distribution along longitudinal section near the wall above the right mid line（See Fig 1）

对图3－e、图3－f分析发现，到60min时刻三种不同位置的初始火源下，隧道纵向温度均呈现出隧道两侧洞口附近位置温度最高，隧道中部位置温度最低的规律。其中75min较60min时刻，隧道内最高温度有所提高。分析认为造成这些现象的原因是此时火灾已蔓延至整个隧道，隧道内空气的消耗量巨大，而隧道洞口相对狭小，新鲜空气补充量不足，隧道内燃烧剧烈程度主要受通风量控制。在隧道两侧洞口附近位置，空气补充量充足，燃烧剧烈，温度升高，而隧道中间部位新鲜空气已不能得到补充，燃烧受到抑制，热量通过热传导等方式不断损失，温度快速降低。在此阶段，隧道洞口附近持续的高温会给两侧洞口附近衬砌结构造成更为严重的破坏，甚至会导致局部坍塌，给隧道内部的火灾救援带来了巨大的困难。因此，在重载铁路隧道的防火设计中应对隧道洞口两侧及附近位置加以特别关注。

2．2．2 隧道横断面温度分布规律

图4给出了初始火源位于隧道中心，火源功率为100MW 时，隧道中心处横断面（x＝250m）温度分布云图。通过对图4－a、4－b的分析发现，火灾开始的40min内，火源正上方及拱顶附近处温度快速升高，达到1000℃。隧道横断面温度分布特点具体表现为：火源正上方及隧道拱顶附近温度最高，轨道面附近温度最低，距轨道面垂直距离越大，温度越高，其中位于列车高度上方的隧道内温度明显高于下方温度，温度分层现象明显。这种结果表明在隧道的防火设计当中，应加强隧道横截面上半段部分的抗火强度。

图4 不同时刻隧道横断面（x＝250m）温度分布云图Fig．4 Temperature distribution of cross section（x＝250m）at different time

3 结论

（1）重载铁路运输量大、行车密度高、行车速度快、货物易燃等特点造成重载铁路隧道内火灾发生的危险性较高，而且火灾更容易发生蔓延。

（2）重载铁路隧道火灾中，隧道内可燃物极大丰富条件下，隧道内火灾一旦发生大面积蔓延，火灾燃烧会受到洞口通风量的控制，隧道洞口附近，空气补充量充足，燃烧剧烈，隧道中部较长区域内空气补充不足，燃烧不能充分进行；这使得火源正上方壁面附近处隧道的最高温度位置由初始火源正上方，沿纵向逐渐向隧道洞口移动，并最终稳定在两侧隧道口附近，同时隧道中部温度也发生大幅度降低；

（3）不同火源位置、初始火源功率大小对重载铁路隧道火灾的蔓延有着显著的影响，表现为火源功率越大火灾蔓延速度快。在本文所考虑的3种火源位置中，火灾蔓延至整条隧道所耗时间，以初始火源位于半段隧道中间处最短，位于隧道中心处次之，位于隧道洞口处最长；火源位于隧道半段中心处，火灾向两个方向蔓延的速度存在着差别，其中距离洞口较远一侧火灾蔓延速度更快；

（4）隧道横截面温度场分布存在以下特点，火源正上方及隧道拱顶附近温度最高，轨道面附近温度最低，距轨道面垂直距离越大，温度越高，其中位于列车高度上方的隧道内温度明显高于下方温度，温度分层现象明显。

以上重载铁路隧道火灾不同阶段温度场的分布特点，对于其衬砌结构损伤及破坏具有重要的影响，在进行隧道结构的防火设计时，应加以考虑和重视。

［1］李伟．大秦线重载运输安全问题分析研究［D］．北京：北京交通大学，2008．

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［4］易亮，杨洋，徐志胜，等．纵向通风公路隧道火灾拱顶烟气最高温度试验研究［J］．燃烧科学与技术，2011，17（2）：109－114．

［5］赵望达，李洪，徐志胜．铁路隧道火灾拱顶附近最高温度预测模型研究［J］．中国安全科学学报，2010，20（4）：27－31．

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［8］Lönnermark A，Ingason H．Gas temperatures in heavy goods vehicle fires in tunnels［J］．Fire Safety Journal，2005，40（6）：506－527．

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