市域铁路隧道火灾温度特性及耐火极限面积研究*

陈扬勋 张迪 徐巍 姜学鹏

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.武汉科技大学资源与环境工程学院，武汉 430081；3.武汉科技大学安全与应急研究院，武汉 430081）

0 引言

隧道发生火灾时，高温烟气聚集在隧道顶板，并沿顶板蔓延，隧道顶板温度过高将影响隧道衬砌结构的力学性能，导致隧道顶板结构损坏、坍塌，对隧道内人员疏散及应急救援造成困难［1-2］。因此，对隧道拱顶温度及耐火极限的研究对烟气控制和人员安全疏散有重要作用。

国内外学者针对隧道内火灾烟气流动特性及温度分布开展了大量研究。胡嘉伟等［3］通过全尺寸隧道火灾试验研究，得到偏置火源顶棚射流的温升趋势随时间呈二次多项式关系增长，火源下游30 m内的顶棚射流温升随纵向距离的增加符合指数衰减规律。高云骥等［4］在1∶10缩尺寸分岔隧道模型中开展火灾试验，火源位于分岔隧道内，分析得到不同纵向通风风速作用下主隧道温度分布及分岔隧道温度分布均符合指数衰减模型。TANG F等［5］探究了纵向通风与火源位置对隧道内烟气温度分布的影响，提出相应预测模型。ZHOU T N等［6］研究了不同横向火源位置下隧道侧壁对顶棚射流特性的影响，发现不同偏距火源正上方温升随火源位置与隧道侧壁间距离呈指数变化。姜学鹏等［7］对V形坡隧道火灾时温度分布情况进行研究，得到火源位于变坡点右侧120 m时，隧道纵向中心线峰值温度点向下游偏移，偏移距离随坡度的增加而增加，隧道顶板最高温度随坡度的增加而减小。郭庆华等［8］对隧道火灾最高温度和拱顶纵向温度进行了研究，发现大规模火灾时，随着隧道宽度的增加火源上方最高温度减小，随着隧道高度的增加拱顶纵向温度相应减小。陶亮亮等［9］通过缩尺寸隧道模型火灾试验，发现自由蔓延模式下，火源位于隧道中部时拱顶温度最高，半横向通风模式下，拱顶温度随纵向风速和排烟量的增大先升高后降低。上述研究多针对隧道拱顶烟气温度特性及温度分布，未见基于温度特性的情况下隧道顶板耐火极限面积的研究。

本文采用数值模拟的方法，基于RABT标准升温曲线对市域铁路隧道火灾时温度特性及其耐火极限面积进行研究，进一步明确隧道耐火极限区域，为隧道消防设计、防火保护提供参考。

1 耐火极限判定及升温曲线选取

城市地铁、公路、铁路沿线的全封闭隧道内，结构构件可能经受的火灾有较强的特殊性，在火灾初期短时间内急剧升温，然后持续一段时间下降至环境温度［10］。依据《建筑设计防火规范》（GB 50016—2014）［11］隧道内承重结构体的耐火极限试验升温曲线，如图1所示。

图1 耐火极限试验标准温升曲线

RABT标准升温曲线与隧道火灾温升变化一致，故采用隧道火灾RABT升温曲线评价隧道耐火极限更为合理。根据《建筑构件耐火试验 可供选择和附加的试验程序》（GB/T 26784—2011）［10］，采用RABT标准升温曲线测试时，耐火极限的判定标准为：受火后，距离混凝土底表面25 mm处钢筋的温度超过300℃时，或混凝土表面的温度超过380℃时，则判定为达到耐火极限。

2 模型构建

2.1 建模长度及网格选取

依托上海市域高速铁路地下区间隧道开展研究，隧道采用单洞双线设中隔墙形式，隧道断面如图2所示。

图2 单洞双线设中隔墙隧道断面（单位：mm）

隧道全长约5 000 m，当隧道模拟区段长度较短时，边界条件影响较大，计算结果不可靠；当模拟区段长度较长时，计算耗时太久。本部分寻求的是≥380℃的高温区段，模拟区段长度≥1 000 m时，烟气的特征参数纵向温度已稳定，模拟区段长度变化对模拟结果影响甚微。故建模长度选取1 000 m，中隔墙和隧道侧壁材质为“CONCRETE”，列车材质为“STELL”。

数值计算结果通常受模型网格尺寸的影响，网格设定过疏将影响数值模拟准确性，网格设定过密则将增加了计算时间，网格尺寸可通过特征火源尺寸D*进行选择，如式（1）［12］：

式中，D*为火源特征直径，m；Q为热释放速率，kW；T0为环境温度，K，取T0=293K；0为空气密度，kg/m3，取0=1.2 kg/m3；cp为空气的定压热容，一般为1.02 kJ/（kg·K）；g为重力加速度，m/s2，取g=9.81m/s2。

当网格尺寸d取1/16D*～1/4D*时模拟结果与试验结果更吻合［13］。经式（1）得到45 MW火灾规模下D*为4.38 m，网格尺寸在0.22 m至1.1 m之间，模拟结果更合理。由于高温区域主要在火源上下游两侧100 m处，故加密火源周围区域，而远场使用较大网格，具体网格数及网格边界大小选取如表1所示。

表1 网格大小和网格数

2.2 火灾规模及工况设定

基于RABT升温曲线规律（5 min隧道拱顶达到最高温1 200℃），采用数值仿真方法构建实际尺寸隧道，对不同规模火灾发生5 min时拱顶底表面处最高温度进行分析。

图3为不同火源功率下隧道纵向中央纵断面温度云图，当火灾规模为40、42、45 MW时，隧道拱顶底表面最高温度分别为1 100、1 156、1 200℃，火灾规模为45 MW，隧道顶板最高温度为1 200℃，与RABT升温曲线的最高温相等。故选取火灾规模45 MW时隧道内最高温度随时间变化曲线升温曲线与RABT标准升温曲线对比，如图4。

图3 不同火源功率下隧道纵向中央纵断面温度

图4 升温曲线对比

由图4得到火灾规模45 MW时隧道内最高温度升温曲线与RABT标准升温曲线吻合度高，因此选择45 MW作为火灾规模分析隧道内温度特性及耐火极限面积。

根据地铁火灾燃烧材料类型，火源设为火灾增长系数为0.047的超快速t2火，其火源长宽高尺寸为5 m×1 m×0.25 m，位于事故隧道中心线列车下底板。分别考虑自然通风0 m/s和纵向通风风速2 m/s、3 m/s共3组工况进行模拟。

2.3 测点及切片设置

隧道拱顶的最高温度位置存在不确定性，故由隧道拱顶沿隧道侧壁设置A1—A10共10排温度测点，紧靠中隔墙处竖直方向每隔一个网格0.25 m设置1个测点，确定拱顶最高温度及其位置。在火源上下游100 m范围内，每隔20 m以及y=3设置温度切片（如图5），以测量近火源区域（火源上下游100 m）以及非事故隧道中心处、中隔墙处温度分布。

图5 测点布置示意

2.4 耐火极限面积计算

半截面隧道拱顶依据距中隔墙距离（0.5 m→5.75 m）设置A1—A10共10排温度测点，以中隔墙和火源中心的交点为坐标原点，隧道横向方向记为横坐标x，隧道纵向方向记为纵坐标y。将A1—A10排测点火源左右（上下游）两侧表面温度最早达到超过380℃的坐标分别记为（x1，y1）、（x1，y1*），（x2，y2）、（x2，y2*）…（xn，yn）、（xn，yn*），通过各测点坐标依次连线围成的面积即拱顶达到耐火极限的面积。计算公式如下：

其中，中隔墙所在位置x0=0，由于测点A1靠近顶板且与中隔墙距离较小，中隔墙表面的温度变化可测点A1的温度变化近似中隔墙表面的温度变化，故取y0=y1，y0*=y1*。

3 结果分析与讨论

3.1 最高温度分布

在自然通风0 m/s和纵向通风风速2 m/s、3 m/s的情况下，隧道顶板侧壁温度稳定后火源上下游100 m范围内隧道A1—A10拱顶温度分布如图6，图7为不同通风速度情况下各排测点最高温度情况。

图6 隧道顶板侧壁温度稳定后分布

图7 隧道顶板侧壁最高温度

由图6和7可知，自然通风0 m/s隧道拱顶最高温度位于火源正中心，而纵向通风使高温烟气吹向火源下游，纵向通风风速分别为2 m/s、3 m/s时隧道拱顶最高温度分别位于火源正中心偏向下游8.5 m、10.5 m处，各排测点温度整体以最高温度所在位置呈对称分布；自然通风时A1—A7排测点部分区域超过380℃耐火极限，最高温度高达1 170℃，纵向通风风速2 m/s、3 m/s时A1—A8排测点部分区域超过380℃耐火极限，风速2 m/s时最高温度高达1 009℃，风速3 m/s时最高温度为905℃；随着纵向通风风速的增加，隧道顶板最高温度逐渐减小。

3.2 不同截面温度场分布

不同通风条件下y=3时纵截面温度分布如图8，图9为不同通风风速下隧道不同横截面位置的温度分布情况。

图8 不同风速y=3时纵截面温度

图9 不同横截面温度

由图8和图9可知，不同通风条件下高温区域主要集中在隧道顶板及侧壁处，隧道顶板至隧道地面温度由高到低，出现明显的温度梯度；纵向通风风速2 m/s、3 m/s时高温烟气被吹向火源下游，与火源上游相比火源下游温度分层紊乱。

3.3 耐火极限区域面积

图10为不通风条件下测点温度超过耐火极限（380℃）面积示意图。

图10 超过耐火极限（380℃）的面积

由图10可知，隧道超耐火极限区域纵向长度随着与中隔墙距离的增大整体呈减小趋势；隧道自然通风0 m/s时，其横向超耐火极限范围位于x=0~5 m，纵向超耐火极限范围位于y=-68.5~66 m，由式（2）得隧道超耐火极限区域总覆盖面积大约为544.51 m2。隧道纵向通风风速2 m/s时，其横向超耐火极限范围位于x=0~5.25 m，纵向超耐火极限范围位于y=-74~32.5 m，隧道超耐火极限区域面积约为421.41 m2。隧道纵向通风风速3 m/s时，其横向超耐火极限范围位于x=0~5.25 m，纵向超耐火极限范围位于y=-67~24.5 m，隧道超耐火极限区域面积约为357.08 m2。对比发现，随着纵向通风风速的增大，隧道纵向超耐火极限范围逐渐减小，隧道超耐火极限区域总覆盖面积也逐渐减小。

4 结论

1）不同通风条件下，隧道各排测点温度整体以最高温度所在位置呈对称分布；自然通风时隧道顶板最高温度高达1 170℃，纵向通风风速2 m/s、3 m/s时隧道顶板最高温度分别为1 009℃、905℃；随着纵向通风风速的增加，隧道顶板最高温度逐渐减小。

2）不同通风条件下高温区域主要集中在隧道顶板及侧壁处，隧道顶板至隧道地面温度由高到低，出现明显的温度梯度；纵向通风时高温烟气被吹向火源下游，火源下游温度分层紊乱。

3）隧道超耐火极限区域纵向长度随着与中隔墙距离的增大整体呈减小趋势；随着纵向通风风速的增大，隧道纵向超耐火极限范围逐渐减小，隧道超耐火极限区域总覆盖面积也逐渐减小；隧道自然通风0 m/s、纵向通风风速2 m/s和3 m/s时，隧道超耐火极限区域总覆盖面积分别约为544.51、421.41、357.08 m2。研究结果可为隧道防火保护设计提供参考依据。