火源位置对铁路隧道救援站内拱顶温度纵向分布的影响

2022-02-16陶亮亮曾艳华彭俊钦刘振撼

中国铁道科学 2022年1期

陶亮亮，曾艳华，彭俊钦，刘振撼，白赟,2

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031；2.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川成都 610017）

铁路隧道通常为1 个狭长的封闭结构物，一旦发生火灾将产生大量高温烟气，可能导致人员难以撤离、外部救援困难，甚至还会对人身安全和隧道结构造成极大威胁。铁路隧道火灾问题一直是铁路建设、运营管理和消防监督等部门重点关注的公共安全问题。

发生火灾后的隧道内温度场是隧道火灾问题研究的热点之一，例如：Alpert［1］基于试验数据，提出了可预测不同火源位置的隧道拱顶最高温度计算模型；Kurioka 等［2］基于小尺寸模型试验，提出了1 种适用于纵向通风隧道的拱顶最高温度预测模型；Ji 等［3］通过在小尺寸模型隧道中进行的一系列试验，研究了自然通风条件下不同横向火源位置对拱顶最高温度的影响，提出了考虑火源横向位置的拱顶最高温度预测模型；Zhong 等［4］通过全尺寸隧道火灾试验，研究了曲线隧道内温度分布，指出在整个火灾过程中，火风压力与自然风压的相互作用使得隧道内温度变化分布不对称，并根据试验结果提出了隧道拱顶温度衰减计算模型；Li 等［5］基于轴对称火羽理论，对拱顶最高温度进行了理论推导，并根据模型试验结果提出了隧道拱顶最高温度计算模型。

救援站对挽救人员生命财产安全起到重要作用，一般来说，长度超过20 km 的长大铁路隧道须设置救援站。由于隧道拱顶的限制，火源附近拱顶温度很高，这会造成隧道结构损坏，甚至致使隧道衬砌塌落［6−8］。拱顶温度分布对火灾监测、烟气控制和人员安全疏散等有着重要指导作用，但目前对铁路隧道救援站的研究，往往集中在烟气控制及通风设计等方面。例如：李琦［9］根据概率可靠度理论，设计了高速铁路隧道紧急救援站的排烟量确定方法；赵东平等［10］采用通风网络算法，研究了郑万高铁隧道口紧急救援站防灾通风参数；秦宁然等［11］基于FDS 建立了铁路隧道紧急救援站模型，研究了不同补风量对铁路隧道紧急救援站排烟效果的影响；罗欣宇等［12］分析了救援站内烟气分布及各疏散横通道内压力和流速分布，提出了救援站风机布置原则；Li 等［13］通过模型试验研究了热释放速率、列车阻塞和火源位置对救援站横通道烟气控制的影响。Xu等［14］研究了不同通风量对救援站横通道控烟效果的影响。曹正卯等［15］依托关角隧道，研究了高海拔条件下的火灾发展及人员疏散过程，确定了高海拔特长铁路隧道定点救援站的合理救援横通道数量为8～9座。

当前对铁路隧道救援站烟气控制技术的研究已相当深入，但很少有人对救援站内拱顶温度特别是火源位置对拱顶温度的影响展开研究。本文以高黎贡山隧道为研究背景，建立考虑纵坡的1∶10 铁路隧道救援站及列车缩尺寸模型，通过模型试验研究不同火源位置（高端、中端和低端）在不同通风模式（自由蔓延、纵向通风和半横向通风）下对救援站拱顶温度纵向分布的影响，所得结果能为隧道结构防火提供参考。

1 模型试验

1.1 相似设计

弗劳德数Fr是影响冷热烟气分层界面上传热、传质过程的重要参数，隧道火灾模型试验必须满足弗劳德准则。同时根据相似原理，只要考虑对模型试验有重大影响的相似性理论，就能认为模型试验的结果可靠。本试验只需满足弗劳德数相似准则，此时缩尺寸隧道模型和原型隧道各参数之间的关系为

式中：vm和vf分别为缩尺寸模型隧道和原型隧道中的风速，m·s−1；lm和lf分别为缩尺寸模型隧道和原型隧道的长度，m；g为重力加速度，取9.8 m·s−2。

根据弗劳德数相似准则和所选尺寸比例，得到缩尺寸模型隧道和原型隧道的物理参数间的比例关系见表1。表中λ为模型与原型的尺寸比例，取1∶10；Tm和Tf分别为缩尺寸模型隧道和原型隧道的温度，℃；Qm和Qf分别为缩尺寸模型隧道和原型隧道的火源热释放速率，kW。

表1 模型试验物理参数间的比例关系

1.2 模型设计

高黎贡山隧道是我国第1 条穿越横断山脉的干线铁路隧道，隧道全长34.538 km，最大埋深1 155 m。隧道中设置救援站1 座，长600 m。基于高黎贡山隧道救援站截面尺寸，建立1∶10 的铁路隧道救援站及列车的缩尺寸模型。

救援站采用耐火砖砌制而成，由主隧道、平行导坑及9条连接主隧道和平行导坑的横通道共同组成，其中主隧道和平行导坑长60 m，横通道长1.70 m。列车模型位于救援站中部，由铁皮制成，长×宽×高为45.00 m×0.31 m×0.44 m。火源燃料为汽油，火源大小为0.25 m×0.25 m。试验时通过汽油的质量损失速率计算火源热释放速率，算得模型的火源热释放速率为53.08 kW（对应原型为16.79 MW）。

为了研究不同火源位置时拱顶温度变化，在模型上布设温度测点45 个，设置K 型热电偶收集温度数据。在火源附近的10 m 范围内，每隔1 m设置1个温度测点；在远离火源的其他位置，每隔2 m 设置1 个温度测点。为减少数据误差，热电偶通过补偿线连接到数据采集器。火源位置按其与地面间的距离，分别选择高端、中部和低端3 处。缩尺寸隧道模型及火源位置、温度测点布置如图1所示。图1（a）中：带圈数字表示横通道；V1，V2，V3 和V4 分别为送风风机编号；A，B 和C 分别表示高端、中部和低端3处不同位置。

图1 缩尺寸模型主隧道及横通道断面（单位：mm）

1.3 试验工况

选取自由蔓延、纵向通风和半横向通风3 种模式分别开展温度测试，考察不同通风模式下救援站内拱顶温度纵向分布，其中自由蔓延模式为主隧道内无机械通风，仅平导送风，即不考虑主隧道内逃生环境；纵向通风模式为主隧道内有较大的机械通风，平导不送风，即不考虑顺风方向逃生环境；半横向通风为在救援站中部设置排烟风机排烟且平导送风，即兼顾救援站内火源上下游逃生环境。

1）自由蔓延模式

自由蔓延模式主要考察主隧道内没有机械通风条件下救援站内温度分布，探讨主隧道内设置机械通风的必要性，此时的变量为火源位置和平导送风风速。火源位置有3 种：高端（位置A）、中部（位置B）和低端（位置C）。平导送风方案有4种：平导不送风、低端送风、高端送风和2 端送风（根据试验多次调试的结果，送风风速取1.0 m·s−1时的控烟效果较好）。由此得到试验工况共12 种，分别编号D1—D12，详见表2。

表2 自由蔓延模式下的试验工况

2）纵向通风模式

纵向通风模式主要考察主隧道内有纵向通风时救援站内温度分布，探究纵向通风是否适用于铁路隧道救援站温度控制，此时的变量为火源位置和平导送风位置及风速大小。当火源位于位置A 时，主隧道内仅需低端送风就能防止高温烟气进入救援站内；火源位于位置C时，仅需高端送风就能防止高温烟气进入救援站内；火源位于位置B时，无论高端还是低端送风，总有一半救援站中充斥着大量高温烟气，因此火源位于位置B时才需要考虑高端或者低端送风。由于坡度对纵向通风模式下烟气蔓延影响很大，不同火源位置时控制烟气蔓延的纵向风速不同，试验中纵向风速为0.5～2.2 m·s−1。由此得到试验工况共18 种，分别编号E1—E18，详见表3。

表3 纵向通风模式下的试验工况

3）半横向通风模式

半横向通风模式主要考察救援站内设置排烟风机条件下拱顶温度纵向分布情况，着重对比纵向通风模式和半横向通风模式下温度变化情况，此时的变量为火源位置、平导风速和排烟量。排烟风机位于救援站中部，通过控制风机电流频率的方式，测得排烟量分别为0.912，1.232 和1.712 m·s−3；平导及主隧道内均同时2 端送风，控制主隧道及平导风速在0.5～0.7 m·s−1（具体数值根据火源大小并结合设计经验确定），由此得到试验工况共9种，分别编号F1—F9，详见表4。

表4 半横向通风模式下的试验工况

2 救援站内拱顶温度纵向分布

拱顶温度的纵向分布不但能影响有毒烟气在隧道内的输运，同时这也是隧道结构抗火设计时考虑的关键因素之一。为寻求合理的通风控温模式，需要分别讨论3 种通风模式下、火源位于3 处不同位置时的救援站内拱顶温度的纵向分布具体情况。

2.1 自由蔓延模式下的温度纵向分布

1）火源位于位置A

此时救援站拱顶温度纵向分布如图2所示，由图2可得出以下结论。

图2 自由蔓延模式下火源位于位置A的救援站拱顶温度纵向分布

（1）工况D2 中拱顶最高温度最高（802 ℃），工况D1 最低（598 ℃），这是因为工况D1 中没有机械通风，新鲜风很难进入救援站内，火源附近充斥的大量烟气导致火源不能充分燃烧，而有机械通风的其他工况中，新鲜空气能够通过横通道进入救援站，使得火源充分燃烧、拱顶温度升高。

（2）高端送风时的拱顶温度高于低端送风，这是因为火源位置与送风位置均位于高端，送风时有更多的新鲜空气流向火源附近。

（3）工况D4 平导2 端均送风时，拱顶温度反而低于工况D2和D3单侧送风时，这是因为火源位于入口附近，较小的风速就能满足火源充分燃烧的条件，而2 端送风会使救援站内风速过大，高温烟气无法聚集在拱顶。

（4）送风方式不同的4 种工况中，火源上游拱顶温度超过100 ℃的区域（高温区域）在火源附近4.2 m 范围内，而火源下游在火源附近2.6 m 范围内；平导送风风速不同时火源附近下游8.4 m 以外的拱顶温度均低于50 ℃，送风风速对拱顶温度纵向分布影响不大，主要影响的是拱顶最高温度。这是因为高温烟气在蔓延的过程中热量逐渐损失致使烟气动能减小，救援站内有多条横通道，高温烟气在蔓延至其他较远位置的横通道时，横通道内较小的风速就能抑制烟气蔓延。

2）火源位于位置B

此时救援站拱顶温度纵向分布如图3所示。由图3可知：工况D8中拱顶最高温度最高（940 ℃）；4种工况中，火源上游高温区域在火源附近15.0 m范围内，而火源下游在火源附近4.0 m 范围内，上游高温区域明显广于火源下游，这是因为隧道坡度对救援站内拱顶温度纵向分布的影响明显，救援站坡度大而且火源位于位置B 时“烟囱效应”（烟气沿着有坡度的空间向上升，造成烟气加强对流的现象）对救援站内高温烟气蔓延的影响很大，高温烟气在“烟囱效应”的作用下会更加容易向火源上游蔓延，同时坡度会限制火源下游烟气运动，使得高温烟气更难向火源下游蔓延。

图3 自由蔓延模式下火源位于位置B的救援站拱顶温度纵向分布

3）火源位于位置C

此时救援站拱顶温度纵向分布如图4所示。由图4可知：工况D12 中拱顶最高温度最高（785 ℃）；4 种工况中，火源上游的拱顶温度纵向分布相差不大，高温区域基本在火源附近3.0 m 范围内，而火源下游则差异明显，特别是工况D12平导2 端送风时，火源下游的拱顶高温区域分布最广，在火源附近7.4 m 范围内，且此时温度衰减最慢。这是因为在坡度的作用下，拱顶对限制烟气蔓延的作用增强，如仅下游送风，横通道内的风速将促使烟气向火源下游蔓延，造成高温区域向火源下游蔓延；如仅上游单侧送风，由于火源离送风口很远，救援站内风速又很小，不会对拱顶温度纵向分布产生较大影响。

图4 自由蔓延模式下火源位于位置C的救援站拱顶温度纵向分布

4）3种位置下的拱顶温度纵向分布对比

综合自由蔓延模式下火源位于3 处不同位置时的12 种工况可知：救援站内的拱顶温度均在火源上下游5.0 m 范围内大幅降低；火源位于位置B时，由于可从救援站2 端通过横通道向救援站内输送新鲜空气，救援站中部的横通道内风速要比靠近出入口处的小得多，火源很难达到充分燃烧的条件；因此相比于其他2种情况（火源位于位置A 和位置C），此时救援站内拱顶高温区域分布最广、拱顶温度最高，最为不利。

2.2 纵向通风模式下的温度纵向分布

1）火源位于位置A

此时救援站拱顶温度纵向分布如图5所示。由图5和图2可得出以下结论。

图5 纵向通风模式下火源位于位置A的救援站拱顶温度纵向分布

（1）工况E1 中拱顶最高温度最高（590 ℃），此时纵向风速小于1.0 m·s−1；而纵向风速大于1.0 m·s−1后，拱顶最高温度仅为400 ℃。纵向风速对下游火源附近拱顶温度纵向分布影响很大，纵向风速越大拱顶温度衰减越快。

（2）纵向风速不同的5 种工况中，火源上游拱顶高温区域几乎相同，均在火源附近3.5 m 范围内，最不利的工况E2 中，高温区域最大也仅在火源下游4.0 m 范围内。纵向风速对火源上游高温区域分布范围影响很小。

（3）同样是火源位于位置A，纵向通风模式下的拱顶最高温度要比自由蔓延模式低212 ℃。这是因为纵向通风模式下，较低温度的新鲜纵向风不但会降低隧道内温度，还能够很容易地将高温烟气吹向下游出口，避免高温烟气在隧道下游发生聚集。

2）火源位于位置B

此时救援站拱顶温度纵向分布如图6所示。由图6可得出以下结论。

图6 纵向通风模式下火源位于位置B的救援站拱顶温度纵向分布

（1）低端送风时，工况E8 中拱顶最高温度最高（509 ℃），工况E6 中最低（400 ℃）；纵向风速不同的4 种工况中，高温烟气在火源上游的蔓延距离最远达20.0 m，在火源下游基本能被控制在1.6 m 范围内，且各工况中火源下游温度分布范围相差不大。这是因为随着纵向风速增大，更多新鲜空气进入隧道内，火源的充分燃烧使得拱顶温度增高，因此此时纵向风速对火源燃烧起到促进作用；如果继续增大纵向风速，足够大的纵向风速能够使得高温烟气快速地流向火源下游，拱顶温度反而会降低。

（2）高端送风时，工况E10中拱顶最高温度最高（324 ℃），工况E12 最低（210 ℃）；不同工况下高温烟气在火源上游的蔓延距离为3.5～7.6 m。相比于低端送风，高端送风不但将低含氧量的烟气吹向火源，而且此时纵向风速还需要克服坡度产生的“烟囱效应”，会造成烟气聚集、火源燃烧不充分，进而降低拱顶最高温度。

（3）2 种送风条件下，低端送风时隧道坡度更有利于烟气向火源上游运动，因此低端送风对拱顶温度纵向分布的控制效果更强、此时高温区域分布更窄；低端送风、高端送风2 种送风条件下拱顶最高温度能相差达220～300 ℃。

3）火源位于位置C

此时救援站拱顶温度纵向分布如图7所示。由图7可知：工况E15 中拱顶最高温度达728 ℃，是纵向通风模式下所有工况中的最高温度，此时纵向风速对火源上游拱顶温度的影响也是最强的；火源上游拱顶高温区域最远达到火源附近9.0 m 处，火源下游大部分拱顶温度也超过50 ℃；纵向风速对火源上游火源附近拱顶温度纵向分布影响很大，纵向风速越大拱顶温度衰减越快。在这一火源位置下，“烟囱效应”对烟气运动的影响最强，而且送风口远离火源，纵向风还需要克服“烟囱效应”引起的强对流，因此此时纵向风对拱顶最高温度的影响最小。

图7 纵向通风模式下火源位于位置C的救援站拱顶温度纵向分布

4）3种火源位置下的拱顶温度纵向分布对比

综合纵向通风模式下火源位于3 处不同位置时的18 种工况并与自由蔓延模式工况对比可知：纵向风速对拱顶温度衰减影响很大，顺风侧的拱顶温度纵向分布范围小于背风侧，且不同火源位置时高温区域均能被控制在火源附近15.0 m 范围内；火源位于位置A 时，拱顶最高温度随着纵向风速的增大而减小，顺风侧高温区域仅在火源附近4.0 m范围内；火源位于位置B时，高端送风条件下的拱顶温度远低于低端送风条件；相比于其他2 种情况，火源位于位置C时，救援站内拱顶温度纵向分布最广，最为不利；不同火源位置时，纵向通风模式下的拱顶温度总低于自由蔓延模式。

2.3 半横向通风模式下温度纵向分布

1）3种火源位置下的拱顶温度纵向分布对比

半横向通风模式下，不同火源位置的救援站拱顶温度纵向分布如图8所示。由图8可得出以下结论。

图8 半横向通风模式下不同火源位置处的救援站拱顶温度纵向分布

（1）火源位于位置A 时，工况F2 中拱顶最高温度最高（493 ℃），不同工况中火源上游拱顶高温区域均在火源附近3.0 m 范围内，此时排烟风机远离火源，火源附近烟气因坡度而聚集导致火源燃烧不充分，使得拱顶最高温度很低。

（2）火源位于位置B 时，工况F5 中拱顶最高温度最高（897 ℃），对应的高温区域也最广，但不同工况中火源上游拱顶高温区域均在火源附近9.7 m范围内，相比于位置A，此时排烟风机在火源附近，隧道坡度也有利于火源上游烟气蔓延，火源附近的烟气能快速扩散，因此拱顶最高温度最高。

（3）火源位于位置C 时，排烟风机虽远离火源，但强烈的“烟囱效应”会促使火源上游烟气蔓延，因此拱顶最高温度和高温区域范围均介于位置A和位置B之间。

（4）综合火源位于3 种位置的情况，不同排烟量下的拱顶最高温度差分别为112，323 和228 ℃，且随着平导送风风速和排烟量的增加，拱顶最高温度均出现先增大后降低的现象。这是因为刚开始增大送风风速和排烟量时，隧道内烟气没有得到有效控制，烟气聚集在火源附近不利于火源充分燃烧；平导送风会向火源输送新鲜空气，排烟则会将低氧气含量的烟气排出，火源充分燃烧下，会导致拱顶最高温度升高；进一步增大送风风速和排烟量后，送风风速能快速将高温烟气吹向下游排出隧道，并且足够大的排烟量也会将高温烟气吸入排烟道内，这样将使得拱顶最高温度降低。

2）纵向通风和半横向通风模式下的拱顶温度对比

进一步对比纵向通风和半横向通风模式下，不同火源位置的救援站拱顶温度纵向分布如图9所示。由图9可得出以下结论。

图9 纵向通风和半横向通风2种模式下不同火源位置处的救援站拱顶温度对比

（1）火源位于位置A和位置B时，纵向通风模式下拱顶最高温度远高于半横向通风模式，位置A时高出近100 ℃，位置B时高出接近200 ℃。

（2）火源位于位置C 时，2 种模式下的拱顶最高温度相差并不大，但半横向通风模式下火源下游拱顶温度总是低于纵向通风模式。这是因为火源位于位置C时上坡长度很长，隧道长度越长“烟囱效应”越强烈；自由蔓延通风模式下，上游烟气在坡度的作用下能快速向高端蔓延并排出救援站；此时火源距救援站出口很近，下游烟气不会在火源处发生聚集，因此这2 种通风模式下拱顶最高温度仅相差7 ℃。

（3）无关火源位置，半横向通风模式下的火源上游拱顶温度总低于纵向通风模式，2 种模式下的拱顶最高温度最多相差203 ℃。

综合半横向通风模式下火源位于3 处不同位置时的情况及2 种模式下的对比可知：火源位置对拱顶最高温度的影响特别明显，不同的排烟量和纵向风速下，拱顶最高温度最多能相差300 ℃；半横向通风模式下，火源位于位置B时最为不利，此时要特别注意火源附近高温对隧道衬砌的破坏。