張 可，姚 斌

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

0 引言

公路隧道具有能夠克服自然條件限制、縮短里程、緩解行車(chē)壓力的特點(diǎn)，在我國(guó)獲得了飛速發(fā)展。目前我國(guó)公路隧道的數(shù)量和里程已位居全球第一[1]。

公路隧道在帶來(lái)方便的同時(shí)也隱藏著巨大的火災(zāi)隱患。首先，隧道火源位置、火災(zāi)載荷與通行車(chē)輛的車(chē)型、車(chē)載物品密切相關(guān)，具有不確定性。其次，隧道作為狹長(zhǎng)封閉空間，發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣不易排出，有害氣體的積聚嚴(yán)重威脅人員生命安全。此外，隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)極易造成交通擁堵，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)熱輻射將熱量傳遞給相鄰可燃物，可能將周?chē)?chē)輛引燃，增加撲救難度[2]。

細(xì)水霧滅火系統(tǒng)具有節(jié)水、冷卻效果好、不易導(dǎo)致燃料流淌的特點(diǎn)，眾多學(xué)者開(kāi)展了隧道火災(zāi)中利用細(xì)水霧滅火的研究。路世昌等[3]通過(guò)開(kāi)展實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比了不同滅火系統(tǒng)在隧道中的作用效果，結(jié)果表明細(xì)水霧滅火系統(tǒng)啟動(dòng)約4.5 min后火源被撲滅，滅火效果較好。陳新文等[4]通過(guò)開(kāi)展全尺寸隧道火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，選擇了2種火源位置及3種火源功率，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在自然通風(fēng)條件下，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)開(kāi)啟后可以顯著降低隧道溫度，同時(shí)能夠有效控制隧道內(nèi)的CO濃度。Luo等[5]通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究了隧道中細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的噴頭高度對(duì)火災(zāi)控制的影響，結(jié)果顯示當(dāng)噴頭高度為1.5 m時(shí)，細(xì)水霧集中于火源附近，滅火效果最佳，但噴頭高度為4.5 m時(shí)對(duì)隧道頂部的冷卻效果更好。李夢(mèng)[6]通過(guò)實(shí)體實(shí)驗(yàn)研究了細(xì)水霧作用于隧道內(nèi)車(chē)頂和車(chē)底兩個(gè)位置的火災(zāi)，發(fā)現(xiàn)細(xì)水霧施加后能夠有效降低隧道內(nèi)的溫度、熱輻射強(qiáng)度和CO濃度，提升隧道內(nèi)的O2濃度。謝志成[7]采用FDS研究了細(xì)水霧流量及霧化角對(duì)煙氣溫度的影響規(guī)律，并總結(jié)出了不同流量及霧化角作用下的縱向煙氣溫度分布預(yù)測(cè)模型。蘇紫敏等[8]通過(guò)FDS模擬了隧道內(nèi)不同的火災(zāi)工況及細(xì)水霧參數(shù)對(duì)滅火性能的影響，發(fā)現(xiàn)火源靠近隧道中心時(shí)的滅火效果優(yōu)于靠近側(cè)壁時(shí)，且噴頭壓力越大，霧滴粒徑越小降溫效果越好。

隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我國(guó)對(duì)交通運(yùn)輸?shù)男枨蟾悠惹校能?chē)道及以上的特大斷面隧道頻頻出現(xiàn)。與小斷面及中等斷面隧道相比，大斷面及特大斷面隧道高度更高、跨度更大，火災(zāi)煙氣控制更為困難。且調(diào)研發(fā)現(xiàn)，前人對(duì)隧道中細(xì)水霧滅火系統(tǒng)的研究多以中小斷面隧道為研究對(duì)象，對(duì)大斷面特別是橫斷面積大于100 m2的特大斷面隧道研究較為缺乏，該類(lèi)隧道若不能采用適宜的細(xì)水霧噴頭布置形式，一旦發(fā)生火災(zāi),隧道結(jié)構(gòu)可能被高溫破壞，火源附近的停駛車(chē)輛也可能被熱輻射引燃，造成火災(zāi)失控。此外，目前我國(guó)《公路隧道消防技術(shù)規(guī)范》尚未頒布，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016-2014)等規(guī)范中均未對(duì)隧道內(nèi)細(xì)水霧噴頭布置提出具體要求。因此，研究大斷面及特大斷面公路隧道中優(yōu)化的細(xì)水霧噴頭布置方案，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道火災(zāi)的有效抑制，保護(hù)人員生命安全,減少損失。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以6種大斷面或特大斷面公路隧道為研究對(duì)象，選取4種細(xì)水霧噴頭布置形式，考慮不同的火源功率、位置及遮擋物，運(yùn)用FDS數(shù)值模擬軟件分析研究細(xì)水霧作用下隧道內(nèi)火災(zāi)溫度和熱輻射特性，獲得優(yōu)化的細(xì)水霧噴頭布置方案，能夠?yàn)楣こ虘?yīng)用提供參考和技術(shù)支持。

1 研究對(duì)象概況

1.1 公路隧道模型選取

國(guó)際隧道協(xié)會(huì)(ITA)按照橫斷面積將隧道劃分為5類(lèi)，其中橫斷面積50 m2～100 m2為大斷面隧道，大于100 m2為特大斷面隧道，隧道斷面如圖1所示。本文結(jié)合工程實(shí)例及前人研究，共選取表1所示6種橫斷面積的公路隧道，其中前2種為大斷面隧道，后4種為特大斷面隧道。

1.2 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)模型選取

本文選用型號(hào)為XSW-T3.5/10 GH的高壓細(xì)水霧開(kāi)式噴頭進(jìn)行模擬，噴頭流量系數(shù)K=3.5，額定壓力10 MPa，額定流量35 L/min，噴頭霧化角60°，霧滴平均粒徑100 μm。模擬時(shí)霧滴粒徑設(shè)置為固定值100 μm，細(xì)水霧形成單分散相霧場(chǎng)。隧道內(nèi)每個(gè)細(xì)水霧滅火系統(tǒng)保護(hù)分區(qū)長(zhǎng)20 m，發(fā)生火災(zāi)時(shí)該保護(hù)區(qū)及相鄰兩側(cè)保護(hù)區(qū)共60 m長(zhǎng)度內(nèi)的細(xì)水霧噴頭在120 s后同時(shí)啟動(dòng)。綜合考慮隧道橫斷面積和噴頭覆蓋范圍，選取4種細(xì)水霧噴頭布置形式，依次為單排頂噴布置、雙排頂噴布置、雙排側(cè)噴布置、單排頂噴+雙排側(cè)噴布置。

圖1 隧道斷面示意圖Fig. 1 Schematic diagram of tunnel section

表1 各隧道斷面尺寸

2 FDS模擬及工況設(shè)計(jì)

2.1 FDS模型建立及工況設(shè)置

利用FDS數(shù)值模擬軟件進(jìn)行公路隧道模型搭建，選取隧道長(zhǎng)度100 m，公路隧道模型見(jiàn)圖2。

前人研究表明小轎車(chē)火災(zāi)規(guī)模約5 MW，小貨車(chē)火災(zāi)規(guī)模約15 MW～20 MW，裝載一般貨物的大貨車(chē)火災(zāi)規(guī)模約20 MW～30 MW[9]。本文選取火源功率依次為5 MW、15 MW、30 MW的3種火災(zāi)，分別模擬隧道內(nèi)不同類(lèi)型的車(chē)輛起火。選取2種火源位置，分別為位于隧道中線(xiàn)處的中心火源和靠近隧道壁一側(cè)的偏置火源?？紤]火源上方有無(wú)遮擋，設(shè)置車(chē)底火和車(chē)頂火，其中車(chē)底火高0.5 m，上方設(shè)置尺寸為6 m×2 m×1.8 m的遮擋障礙物[10]；車(chē)頂火高4 m，上方無(wú)遮擋?；鹪丛O(shè)置及細(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴頭的布置方式如圖3所示，全部火源工況見(jiàn)表2。

表2 火源工況表

圖3 隧道火源及細(xì)水霧噴頭的布置形式Fig. 3 Fire source and the layout of the nozzles in the tunnel

在火源附近布置溫度和熱輻射通量探測(cè)器，用以分析不同噴頭布置形式下隧道內(nèi)的溫度和熱輻射強(qiáng)度的變化情況。溫度探測(cè)器沿火源上方頂棚縱向布置，間隔為1 m，共設(shè)置11個(gè)測(cè)點(diǎn)；熱輻射通量探測(cè)器共設(shè)置4組，布置在距火源邊緣1 m～7 m處，相鄰兩組間距2 m，每組4個(gè)測(cè)點(diǎn)，均勻設(shè)置在1 m～4 m高度內(nèi)。沿隧道縱向布置的細(xì)水霧噴頭間距為4 m，長(zhǎng)度60 m的保護(hù)分區(qū)內(nèi)每排設(shè)置15個(gè)噴頭，具體布置情況見(jiàn)圖4。

圖4 隧道內(nèi)部探測(cè)器布置圖Fig. 4 Detector layout inside tunnel

本文共設(shè)計(jì)尺寸為0.2 m、0.4 m、0.6 m、1.0 m的4種網(wǎng)格。選取隧道A進(jìn)行模擬分析，設(shè)置15 MW的小貨車(chē)火災(zāi)，隧道內(nèi)無(wú)細(xì)水霧作用，溫度測(cè)點(diǎn)距火源邊緣3 m、高為6 m。不同網(wǎng)格尺寸下測(cè)點(diǎn)的溫度變化見(jiàn)圖5?？芍W(wǎng)格尺寸1.0 m時(shí)計(jì)算結(jié)果最低，0.2 m時(shí)計(jì)算結(jié)果最高，0.4 m和0.6 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果較為接近?？紤]運(yùn)算效率和時(shí)間，本文在60 m長(zhǎng)的細(xì)水霧作用區(qū)域內(nèi)將網(wǎng)格劃分為0.2 m，在無(wú)細(xì)水霧作用且距離火源較遠(yuǎn)的隧道兩端各20 m的區(qū)域網(wǎng)格劃分為0.6 m，模擬時(shí)間900 s。模擬時(shí)無(wú)縱向風(fēng)速，外界溫度為20 ℃，外部壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

綜合考慮隧道尺寸、火源設(shè)置、細(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴頭布置形式，本文共設(shè)置186組工況，具體設(shè)置情況如表3所示。

圖5 4種網(wǎng)格尺寸下測(cè)點(diǎn)的溫度變化Fig. 5 Temperature changes under 4 grid sizes

表3 模擬工況設(shè)置表

2.2 危險(xiǎn)狀態(tài)判定

依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016-2014)可知，當(dāng)采用RABT和HC標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)測(cè)試時(shí)，受火后隧道內(nèi)承重結(jié)構(gòu)體混凝土表面的溫度超過(guò)380 ℃，則判定為達(dá)到耐火極限[11]，故本文取隧道壁到達(dá)耐火極限的臨界溫度為380 ℃。

隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，導(dǎo)致火源相鄰車(chē)輛被引燃的一個(gè)重要原因是熱輻射。車(chē)輛被引燃的臨界熱輻射強(qiáng)度主要取決于汽車(chē)受到熱輻射作用的部位，比如汽車(chē)的車(chē)頂箱、擋泥板、保險(xiǎn)杠、輪胎等。前人研究表明[12]，汽車(chē)各外部構(gòu)件的臨界熱輻射強(qiáng)度并不相同，約為10 kW/m2～18.5 kW/m2，本文保守考慮取10 kW/m2為火源相鄰汽車(chē)被引燃的臨界熱輻射強(qiáng)度。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同噴頭布置下的隧道溫度和熱輻射強(qiáng)度

3.1.1 隧道內(nèi)的溫度分析

圖6(a)和圖6(b)分別為隧道A內(nèi)發(fā)生Z3、Z4火災(zāi)，在3種細(xì)水霧噴頭布置下，900 s時(shí)沿火源上方頂棚縱向溫度分布。由圖6可知隧道內(nèi)采用細(xì)水霧滅火系統(tǒng)能夠明顯降低火源附近的環(huán)境溫度。對(duì)于Z3偏置車(chē)底火，細(xì)水霧采用雙排頂噴或雙排側(cè)噴布置能夠?qū)㈨斉镒罡邷囟冉档?50 ℃左右，且3種噴頭布置下隧道頂棚最高溫度均未超過(guò)臨界值。對(duì)于Z4偏置車(chē)頂火，細(xì)水霧采用雙排頂噴或雙排側(cè)噴布置能夠?qū)㈨斉镒罡邷囟冉档?90 ℃左右，此時(shí)隧道頂棚最高溫度低于臨界值。而單排頂噴布置時(shí)火源正上方頂棚最高溫度為426 ℃，超過(guò)臨界值，說(shuō)明單排頂噴的噴頭布置形式不適用于隧道A。

圖6 火源上方頂棚縱向溫度分布Fig. 6 Temperature distribution at the ceiling above the fire source

隧道內(nèi)頂棚最高溫度大于臨界值的全部工況見(jiàn)表4?？芍_(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)的工況火源均為30 MW的大貨車(chē)火災(zāi)，說(shuō)明幾種噴頭布置形式均能有效抑制5 MW的小轎車(chē)火災(zāi)和15 MW的小貨車(chē)火災(zāi)。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生30 MW火災(zāi)時(shí)，對(duì)于大斷面隧道A、B和特大斷面隧道C，細(xì)水霧采用雙排頂噴或雙排側(cè)噴，最高溫度均未超過(guò)臨界值。對(duì)于隧道D，采用雙排側(cè)噴時(shí)頂棚最高溫度低于臨界值。對(duì)于隧道E和F，采用單排頂噴+雙排側(cè)噴時(shí)頂棚最高溫度低于臨界值。

3.1.2 隧道內(nèi)的熱輻射強(qiáng)度分析

圖7為隧道A中發(fā)生30 MW偏置車(chē)底火Z3時(shí)，無(wú)細(xì)水霧及細(xì)水霧單排頂噴、雙排頂噴、雙排側(cè)噴布置下900 s內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度最大值。可知無(wú)細(xì)水霧作用時(shí)，距火源邊緣1 m處的最大熱輻射強(qiáng)度值為17.2 kW/m2，明顯高于有細(xì)水霧作用時(shí)的情況，說(shuō)明細(xì)水霧能夠有效降低火場(chǎng)熱輻射，保護(hù)火源附近人員和車(chē)輛安全。綜合來(lái)看，與細(xì)水霧單排頂噴布置相比，隧道A采用雙排側(cè)噴或雙排頂噴布置，距火源邊緣1 m處的熱輻射強(qiáng)度更小，抑制效果更好。

表4 頂棚最高溫度大于臨界溫度的工況

統(tǒng)計(jì)全部模擬工況發(fā)現(xiàn)，對(duì)于5 MW的小轎車(chē)火災(zāi)和15 MW的小貨車(chē)火災(zāi)，幾種噴頭布置形式下距火源邊緣1 m處的熱輻射強(qiáng)度均小于臨界值。當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生30 MW中心車(chē)底火Z1及偏置車(chē)底火Z3時(shí)，各噴頭布置形式下距火源邊緣1 m處的熱輻射強(qiáng)度最大值見(jiàn)表5。大斷面隧道A發(fā)生Z3火災(zāi)時(shí)，3種噴頭布置形式下距火源邊緣1 m處的最大熱輻射強(qiáng)度均大于10 kW/m2，此處相鄰汽車(chē)可能被引燃。對(duì)于大斷面隧道B和特大斷面隧道C，采用雙排頂噴或雙排側(cè)噴，該處熱輻射強(qiáng)度小于臨界值。對(duì)于隧道D，采用雙排側(cè)噴，該處熱輻射強(qiáng)度小于臨界值。對(duì)于隧道E和F，采用單排頂噴+雙排側(cè)噴，該處熱輻射強(qiáng)度小于臨界值。

3.2 隧道細(xì)水霧噴頭布置方案

通過(guò)分析隧道內(nèi)細(xì)水霧作用時(shí)火源上方頂棚溫度及附近熱輻射強(qiáng)度，為6種橫斷面積的公路隧道選出適宜的細(xì)水霧噴頭布置方案見(jiàn)表6。其中對(duì)于大斷面隧道A和B，考慮到隧道斷面尺寸，若采用側(cè)噴布置細(xì)水霧，噴頭會(huì)被靠近側(cè)壁的汽車(chē)遮擋，影響滅火效果，因此宜采用雙排頂噴布置。

6種公路隧道采用細(xì)水霧噴頭布置方案，能夠使隧道內(nèi)發(fā)生30 MW大貨車(chē)火災(zāi)時(shí)，火源正上方頂棚隧道結(jié)構(gòu)不被高溫破壞，距火源邊緣3 m外的汽車(chē)不被熱輻射引燃。實(shí)際上除隧道A外，其余隧道采用細(xì)水霧噴頭布置方案，距30 MW火源邊緣1 m外的相鄰汽車(chē)不會(huì)被熱輻射引燃。

3.3 隧道橫斷面積與火源正上方頂棚最高溫度的關(guān)系

對(duì)于6種偏置火源工況，研究細(xì)水霧雙排頂噴布置時(shí)，隧道橫斷面積與火源正上方頂棚最高溫度之間的變化關(guān)系，如圖8所示。隧道內(nèi)火源正上方頂棚最高溫度隨隧道橫斷面積增大而增大。

表6 各隧道的細(xì)水霧噴頭布置方案

圖8 隧道橫斷面積與火源正上方頂棚最高溫度的關(guān)系Fig. 8 The relation between tunnel area and ceiling max temperature

將圖8數(shù)據(jù)擬合得到關(guān)系式見(jiàn)表7。隧道內(nèi)發(fā)生3種火源功率的偏置火災(zāi)，細(xì)水霧采用雙排頂噴，火源正上方頂棚最高溫度T與隧道橫斷面積S符合線(xiàn)性關(guān)系T=a+bS?？紤]火源功率Q，擬合得到T與S、Q的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表8，三者之間滿(mǎn)足T=c1+c2Q+c3S+c4Q·S+c5Q2(161≥S≥58，30≥Q≥5)，T隨S、Q增大而增大。該類(lèi)公式可用于初步判斷細(xì)水霧噴頭布置方案在公路隧道中是否適用，其意義在于能夠?yàn)楣こ虒?shí)際提供參考和技術(shù)支持。

表7 T與S的擬合關(guān)系式

表8 T與S、Q的擬合關(guān)系式

4 結(jié)論

本文以6種不同橫斷面積的大斷面及特大斷面公路隧道為研究對(duì)象，利用FDS軟件模擬研究細(xì)水霧不同布置形式下隧道火災(zāi)的溫度和熱輻射特性，得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于大斷面及特大斷面公路隧道，橫斷面積S對(duì)細(xì)水霧的作用效果影響較大。當(dāng)橫斷面積S>100 m2時(shí)，細(xì)水霧噴頭采用單排頂噴布置無(wú)法有效抑制30 MW大貨車(chē)火災(zāi)，此時(shí)火源正上方隧道頂棚結(jié)構(gòu)會(huì)被高溫破壞，同時(shí)火源相鄰汽車(chē)可能被熱輻射引燃，應(yīng)考慮增設(shè)頂噴或側(cè)噴的噴頭布置。

(2)隧道橫斷面積S>131 m2時(shí)，細(xì)水霧噴頭采用雙排頂噴無(wú)法有效抑制30 MW大貨車(chē)火災(zāi)，應(yīng)采用雙排側(cè)噴布置。隧道橫斷面積S>161 m2時(shí)，應(yīng)采用頂噴和側(cè)噴相結(jié)合的布置方式。

(3)隧道橫斷面積161 m2≥S≥58 m2，火源功率30 MW≥Q≥5 MW時(shí)，細(xì)水霧噴頭采用雙排頂噴布置，偏置火源正上方頂棚最高溫度T與隧道橫斷面積S符合線(xiàn)性關(guān)系T=a+bS。