细水雾灭火系统作用下特大断面公路隧道火灾特性数值模拟研究

张 可，姚 斌

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

0 引言

公路隧道具有能够克服自然条件限制、缩短里程、缓解行车压力的特点，在我国获得了飞速发展。目前我国公路隧道的数量和里程已位居全球第一[1]。

公路隧道在带来方便的同时也隐藏着巨大的火灾隐患。首先，隧道火源位置、火灾载荷与通行车辆的车型、车载物品密切相关，具有不确定性。其次，隧道作为狭长封闭空间，发生火灾时烟气不易排出，有害气体的积聚严重威胁人员生命安全。此外，隧道内发生火灾时极易造成交通拥堵，高温烟气通过热辐射将热量传递给相邻可燃物，可能将周围车辆引燃，增加扑救难度[2]。

细水雾灭火系统具有节水、冷却效果好、不易导致燃料流淌的特点，众多学者开展了隧道火灾中利用细水雾灭火的研究。路世昌等[3]通过开展实体实验研究对比了不同灭火系统在隧道中的作用效果，结果表明细水雾灭火系统启动约4.5 min后火源被扑灭，灭火效果较好。陈新文等[4]通过开展全尺寸隧道火灾实验，选择了2种火源位置及3种火源功率，实验验证了在自然通风条件下，细水雾灭火系统开启后可以显著降低隧道温度，同时能够有效控制隧道内的CO浓度。Luo等[5]通过实体实验研究了隧道中细水雾灭火系统的喷头高度对火灾控制的影响，结果显示当喷头高度为1.5 m时，细水雾集中于火源附近，灭火效果最佳，但喷头高度为4.5 m时对隧道顶部的冷却效果更好。李梦[6]通过实体实验研究了细水雾作用于隧道内车顶和车底两个位置的火灾，发现细水雾施加后能够有效降低隧道内的温度、热辐射强度和CO浓度，提升隧道内的O2浓度。谢志成[7]采用FDS研究了细水雾流量及雾化角对烟气温度的影响规律，并总结出了不同流量及雾化角作用下的纵向烟气温度分布预测模型。苏紫敏等[8]通过FDS模拟了隧道内不同的火灾工况及细水雾参数对灭火性能的影响，发现火源靠近隧道中心时的灭火效果优于靠近侧壁时，且喷头压力越大，雾滴粒径越小降温效果越好。

随着当前经济的迅猛发展，我国对交通运输的需求更加迫切，四车道及以上的特大断面隧道频频出现。与小断面及中等断面隧道相比，大断面及特大断面隧道高度更高、跨度更大，火灾烟气控制更为困难。且调研发现，前人对隧道中细水雾灭火系统的研究多以中小断面隧道为研究对象，对大断面特别是横断面积大于100 m2的特大断面隧道研究较为缺乏，该类隧道若不能采用适宜的细水雾喷头布置形式，一旦发生火灾,隧道结构可能被高温破坏，火源附近的停驶车辆也可能被热辐射引燃，造成火灾失控。此外，目前我国《公路隧道消防技术规范》尚未颁布，《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)等规范中均未对隧道内细水雾喷头布置提出具体要求。因此，研究大断面及特大断面公路隧道中优化的细水雾喷头布置方案，能够实现隧道火灾的有效抑制，保护人员生命安全,减少损失。本文在前人研究的基础上，以6种大断面或特大断面公路隧道为研究对象，选取4种细水雾喷头布置形式，考虑不同的火源功率、位置及遮挡物，运用FDS数值模拟软件分析研究细水雾作用下隧道内火灾温度和热辐射特性，获得优化的细水雾喷头布置方案，能够为工程应用提供参考和技术支持。

1 研究对象概况

1.1 公路隧道模型选取

国际隧道协会(ITA)按照横断面积将隧道划分为5类，其中横断面积50 m2～100 m2为大断面隧道，大于100 m2为特大断面隧道，隧道断面如图1所示。本文结合工程实例及前人研究，共选取表1所示6种横断面积的公路隧道，其中前2种为大断面隧道，后4种为特大断面隧道。

1.2 细水雾灭火系统模型选取

本文选用型号为XSW-T3.5/10 GH的高压细水雾开式喷头进行模拟，喷头流量系数K=3.5，额定压力10 MPa，额定流量35 L/min，喷头雾化角60°，雾滴平均粒径100 μm。模拟时雾滴粒径设置为固定值100 μm，细水雾形成单分散相雾场。隧道内每个细水雾灭火系统保护分区长20 m，发生火灾时该保护区及相邻两侧保护区共60 m长度内的细水雾喷头在120 s后同时启动。综合考虑隧道横断面积和喷头覆盖范围，选取4种细水雾喷头布置形式，依次为单排顶喷布置、双排顶喷布置、双排侧喷布置、单排顶喷+双排侧喷布置。

图1 隧道断面示意图Fig. 1 Schematic diagram of tunnel section

表1 各隧道断面尺寸

2 FDS模拟及工况设计

2.1 FDS模型建立及工况设置

利用FDS数值模拟软件进行公路隧道模型搭建，选取隧道长度100 m，公路隧道模型见图2。

前人研究表明小轿车火灾规模约5 MW，小货车火灾规模约15 MW～20 MW，装载一般货物的大货车火灾规模约20 MW～30 MW[9]。本文选取火源功率依次为5 MW、15 MW、30 MW的3种火灾，分别模拟隧道内不同类型的车辆起火。选取2种火源位置，分别为位于隧道中线处的中心火源和靠近隧道壁一侧的偏置火源。考虑火源上方有无遮挡，设置车底火和车顶火，其中车底火高0.5 m，上方设置尺寸为6 m×2 m×1.8 m的遮挡障碍物[10]；车顶火高4 m，上方无遮挡。火源设置及细水雾灭火系统喷头的布置方式如图3所示，全部火源工况见表2。

表2 火源工况表

图3 隧道火源及细水雾喷头的布置形式Fig. 3 Fire source and the layout of the nozzles in the tunnel

在火源附近布置温度和热辐射通量探测器，用以分析不同喷头布置形式下隧道内的温度和热辐射强度的变化情况。温度探测器沿火源上方顶棚纵向布置，间隔为1 m，共设置11个测点；热辐射通量探测器共设置4组，布置在距火源边缘1 m～7 m处，相邻两组间距2 m，每组4个测点，均匀设置在1 m～4 m高度内。沿隧道纵向布置的细水雾喷头间距为4 m，长度60 m的保护分区内每排设置15个喷头，具体布置情况见图4。

图4 隧道内部探测器布置图Fig. 4 Detector layout inside tunnel

本文共设计尺寸为0.2 m、0.4 m、0.6 m、1.0 m的4种网格。选取隧道A进行模拟分析，设置15 MW的小货车火灾，隧道内无细水雾作用，温度测点距火源边缘3 m、高为6 m。不同网格尺寸下测点的温度变化见图5。可知网格尺寸1.0 m时计算结果最低，0.2 m时计算结果最高，0.4 m和0.6 m时的计算结果较为接近。考虑运算效率和时间，本文在60 m长的细水雾作用区域内将网格划分为0.2 m，在无细水雾作用且距离火源较远的隧道两端各20 m的区域网格划分为0.6 m，模拟时间900 s。模拟时无纵向风速，外界温度为20 ℃，外部压力为标准大气压。

综合考虑隧道尺寸、火源设置、细水雾灭火系统喷头布置形式，本文共设置186组工况，具体设置情况如表3所示。

图5 4种网格尺寸下测点的温度变化Fig. 5 Temperature changes under 4 grid sizes

表3 模拟工况设置表

2.2 危险状态判定

依据《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)可知，当采用RABT和HC标准升温曲线测试时，受火后隧道内承重结构体混凝土表面的温度超过380 ℃，则判定为达到耐火极限[11]，故本文取隧道壁到达耐火极限的临界温度为380 ℃。

隧道内发生火灾时，导致火源相邻车辆被引燃的一个重要原因是热辐射。车辆被引燃的临界热辐射强度主要取决于汽车受到热辐射作用的部位，比如汽车的车顶箱、挡泥板、保险杠、轮胎等。前人研究表明[12]，汽车各外部构件的临界热辐射强度并不相同，约为10 kW/m2～18.5 kW/m2，本文保守考虑取10 kW/m2为火源相邻汽车被引燃的临界热辐射强度。

3 模拟结果及分析

3.1 不同喷头布置下的隧道温度和热辐射强度

3.1.1 隧道内的温度分析

图6(a)和图6(b)分别为隧道A内发生Z3、Z4火灾，在3种细水雾喷头布置下，900 s时沿火源上方顶棚纵向温度分布。由图6可知隧道内采用细水雾灭火系统能够明显降低火源附近的环境温度。对于Z3偏置车底火，细水雾采用双排顶喷或双排侧喷布置能够将顶棚最高温度降低550 ℃左右，且3种喷头布置下隧道顶棚最高温度均未超过临界值。对于Z4偏置车顶火，细水雾采用双排顶喷或双排侧喷布置能够将顶棚最高温度降低590 ℃左右，此时隧道顶棚最高温度低于临界值。而单排顶喷布置时火源正上方顶棚最高温度为426 ℃，超过临界值，说明单排顶喷的喷头布置形式不适用于隧道A。

图6 火源上方顶棚纵向温度分布Fig. 6 Temperature distribution at the ceiling above the fire source

隧道内顶棚最高温度大于临界值的全部工况见表4。可知达到危险状态的工况火源均为30 MW的大货车火灾，说明几种喷头布置形式均能有效抑制5 MW的小轿车火灾和15 MW的小货车火灾。当隧道内发生30 MW火灾时，对于大断面隧道A、B和特大断面隧道C，细水雾采用双排顶喷或双排侧喷，最高温度均未超过临界值。对于隧道D，采用双排侧喷时顶棚最高温度低于临界值。对于隧道E和F，采用单排顶喷+双排侧喷时顶棚最高温度低于临界值。

3.1.2 隧道内的热辐射强度分析

图7为隧道A中发生30 MW偏置车底火Z3时，无细水雾及细水雾单排顶喷、双排顶喷、双排侧喷布置下900 s内各测点的热辐射强度最大值。可知无细水雾作用时，距火源边缘1 m处的最大热辐射强度值为17.2 kW/m2，明显高于有细水雾作用时的情况，说明细水雾能够有效降低火场热辐射，保护火源附近人员和车辆安全。综合来看，与细水雾单排顶喷布置相比，隧道A采用双排侧喷或双排顶喷布置，距火源边缘1 m处的热辐射强度更小，抑制效果更好。

表4 顶棚最高温度大于临界温度的工况

统计全部模拟工况发现，对于5 MW的小轿车火灾和15 MW的小货车火灾，几种喷头布置形式下距火源边缘1 m处的热辐射强度均小于临界值。当隧道内发生30 MW中心车底火Z1及偏置车底火Z3时，各喷头布置形式下距火源边缘1 m处的热辐射强度最大值见表5。大断面隧道A发生Z3火灾时，3种喷头布置形式下距火源边缘1 m处的最大热辐射强度均大于10 kW/m2，此处相邻汽车可能被引燃。对于大断面隧道B和特大断面隧道C，采用双排顶喷或双排侧喷，该处热辐射强度小于临界值。对于隧道D，采用双排侧喷，该处热辐射强度小于临界值。对于隧道E和F，采用单排顶喷+双排侧喷，该处热辐射强度小于临界值。

3.2 隧道细水雾喷头布置方案

通过分析隧道内细水雾作用时火源上方顶棚温度及附近热辐射强度，为6种横断面积的公路隧道选出适宜的细水雾喷头布置方案见表6。其中对于大断面隧道A和B，考虑到隧道断面尺寸，若采用侧喷布置细水雾，喷头会被靠近侧壁的汽车遮挡，影响灭火效果，因此宜采用双排顶喷布置。

6种公路隧道采用细水雾喷头布置方案，能够使隧道内发生30 MW大货车火灾时，火源正上方顶棚隧道结构不被高温破坏，距火源边缘3 m外的汽车不被热辐射引燃。实际上除隧道A外，其余隧道采用细水雾喷头布置方案，距30 MW火源边缘1 m外的相邻汽车不会被热辐射引燃。

3.3 隧道横断面积与火源正上方顶棚最高温度的关系

对于6种偏置火源工况，研究细水雾双排顶喷布置时，隧道横断面积与火源正上方顶棚最高温度之间的变化关系，如图8所示。隧道内火源正上方顶棚最高温度随隧道横断面积增大而增大。

表6 各隧道的细水雾喷头布置方案

图8 隧道横断面积与火源正上方顶棚最高温度的关系Fig. 8 The relation between tunnel area and ceiling max temperature

将图8数据拟合得到关系式见表7。隧道内发生3种火源功率的偏置火灾，细水雾采用双排顶喷，火源正上方顶棚最高温度T与隧道横断面积S符合线性关系T=a+bS。考虑火源功率Q，拟合得到T与S、Q的函数关系见表8，三者之间满足T=c1+c2Q+c3S+c4Q·S+c5Q2(161≥S≥58，30≥Q≥5)，T随S、Q增大而增大。该类公式可用于初步判断细水雾喷头布置方案在公路隧道中是否适用，其意义在于能够为工程实际提供参考和技术支持。

表7 T与S的拟合关系式

表8 T与S、Q的拟合关系式

4 结论

本文以6种不同横断面积的大断面及特大断面公路隧道为研究对象，利用FDS软件模拟研究细水雾不同布置形式下隧道火灾的温度和热辐射特性，得到以下结论：

(1)对于大断面及特大断面公路隧道，横断面积S对细水雾的作用效果影响较大。当横断面积S>100 m2时，细水雾喷头采用单排顶喷布置无法有效抑制30 MW大货车火灾，此时火源正上方隧道顶棚结构会被高温破坏，同时火源相邻汽车可能被热辐射引燃，应考虑增设顶喷或侧喷的喷头布置。

(2)隧道横断面积S>131 m2时，细水雾喷头采用双排顶喷无法有效抑制30 MW大货车火灾，应采用双排侧喷布置。隧道横断面积S>161 m2时，应采用顶喷和侧喷相结合的布置方式。

(3)隧道横断面积161 m2≥S≥58 m2，火源功率30 MW≥Q≥5 MW时，细水雾喷头采用双排顶喷布置，偏置火源正上方顶棚最高温度T与隧道横断面积S符合线性关系T=a+bS。