陳揚(yáng)勛 張迪 徐巍 姜學(xué)鵬

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063；2.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，武漢 430081；3.武漢科技大學(xué)安全與應(yīng)急研究院，武漢 430081）

0 引言

隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫?zé)煔饩奂谒淼理敯?，并沿頂板蔓延，隧道頂板溫度過(guò)高將影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，導(dǎo)致隧道頂板結(jié)構(gòu)損壞、坍塌，對(duì)隧道內(nèi)人員疏散及應(yīng)急救援造成困難［1-2］。因此，對(duì)隧道拱頂溫度及耐火極限的研究對(duì)煙氣控制和人員安全疏散有重要作用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性及溫度分布開(kāi)展了大量研究。胡嘉偉等［3］通過(guò)全尺寸隧道火災(zāi)試驗(yàn)研究，得到偏置火源頂棚射流的溫升趨勢(shì)隨時(shí)間呈二次多項(xiàng)式關(guān)系增長(zhǎng)，火源下游30 m內(nèi)的頂棚射流溫升隨縱向距離的增加符合指數(shù)衰減規(guī)律。高云驥等［4］在1∶10縮尺寸分岔隧道模型中開(kāi)展火災(zāi)試驗(yàn)，火源位于分岔隧道內(nèi)，分析得到不同縱向通風(fēng)風(fēng)速作用下主隧道溫度分布及分岔隧道溫度分布均符合指數(shù)衰減模型。TANG F等［5］探究了縱向通風(fēng)與火源位置對(duì)隧道內(nèi)煙氣溫度分布的影響，提出相應(yīng)預(yù)測(cè)模型。ZHOU T N等［6］研究了不同橫向火源位置下隧道側(cè)壁對(duì)頂棚射流特性的影響，發(fā)現(xiàn)不同偏距火源正上方溫升隨火源位置與隧道側(cè)壁間距離呈指數(shù)變化。姜學(xué)鵬等［7］對(duì)V形坡隧道火災(zāi)時(shí)溫度分布情況進(jìn)行研究，得到火源位于變坡點(diǎn)右側(cè)120 m時(shí)，隧道縱向中心線峰值溫度點(diǎn)向下游偏移，偏移距離隨坡度的增加而增加，隧道頂板最高溫度隨坡度的增加而減小。郭慶華等［8］對(duì)隧道火災(zāi)最高溫度和拱頂縱向溫度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)大規(guī)?；馂?zāi)時(shí)，隨著隧道寬度的增加火源上方最高溫度減小，隨著隧道高度的增加拱頂縱向溫度相應(yīng)減小。陶亮亮等［9］通過(guò)縮尺寸隧道模型火災(zāi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)自由蔓延模式下，火源位于隧道中部時(shí)拱頂溫度最高，半橫向通風(fēng)模式下，拱頂溫度隨縱向風(fēng)速和排煙量的增大先升高后降低。上述研究多針對(duì)隧道拱頂煙氣溫度特性及溫度分布，未見(jiàn)基于溫度特性的情況下隧道頂板耐火極限面積的研究。

本文采用數(shù)值模擬的方法，基于RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對(duì)市域鐵路隧道火災(zāi)時(shí)溫度特性及其耐火極限面積進(jìn)行研究，進(jìn)一步明確隧道耐火極限區(qū)域，為隧道消防設(shè)計(jì)、防火保護(hù)提供參考。

1 耐火極限判定及升溫曲線選取

城市地鐵、公路、鐵路沿線的全封閉隧道內(nèi)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能經(jīng)受的火災(zāi)有較強(qiáng)的特殊性，在火災(zāi)初期短時(shí)間內(nèi)急劇升溫，然后持續(xù)一段時(shí)間下降至環(huán)境溫度［10］。依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016—2014）［11］隧道內(nèi)承重結(jié)構(gòu)體的耐火極限試驗(yàn)升溫曲線，如圖1所示。

圖1 耐火極限試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線

RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線與隧道火災(zāi)溫升變化一致，故采用隧道火災(zāi)RABT升溫曲線評(píng)價(jià)隧道耐火極限更為合理。根據(jù)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn) 可供選擇和附加的試驗(yàn)程序》（GB/T 26784—2011）［10］，采用RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線測(cè)試時(shí)，耐火極限的判定標(biāo)準(zhǔn)為：受火后，距離混凝土底表面25 mm處鋼筋的溫度超過(guò)300℃時(shí)，或混凝土表面的溫度超過(guò)380℃時(shí)，則判定為達(dá)到耐火極限。

2 模型構(gòu)建

2.1 建模長(zhǎng)度及網(wǎng)格選取

依托上海市域高速鐵路地下區(qū)間隧道開(kāi)展研究，隧道采用單洞雙線設(shè)中隔墻形式，隧道斷面如圖2所示。

圖2 單洞雙線設(shè)中隔墻隧道斷面（單位：mm）

隧道全長(zhǎng)約5 000 m，當(dāng)隧道模擬區(qū)段長(zhǎng)度較短時(shí)，邊界條件影響較大，計(jì)算結(jié)果不可靠；當(dāng)模擬區(qū)段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，計(jì)算耗時(shí)太久。本部分尋求的是≥380℃的高溫區(qū)段，模擬區(qū)段長(zhǎng)度≥1 000 m時(shí)，煙氣的特征參數(shù)縱向溫度已穩(wěn)定，模擬區(qū)段長(zhǎng)度變化對(duì)模擬結(jié)果影響甚微。故建模長(zhǎng)度選取1 000 m，中隔墻和隧道側(cè)壁材質(zhì)為“CONCRETE”，列車材質(zhì)為“STELL”。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果通常受模型網(wǎng)格尺寸的影響，網(wǎng)格設(shè)定過(guò)疏將影響數(shù)值模擬準(zhǔn)確性，網(wǎng)格設(shè)定過(guò)密則將增加了計(jì)算時(shí)間，網(wǎng)格尺寸可通過(guò)特征火源尺寸D*進(jìn)行選擇，如式（1）［12］：

式中，D*為火源特征直徑，m；Q為熱釋放速率，kW；T0為環(huán)境溫度，K，取T0=293K；0為空氣密度，kg/m3，取0=1.2 kg/m3；cp為空氣的定壓熱容，一般為1.02 kJ/（kg·K）；g為重力加速度，m/s2，取g=9.81m/s2。

當(dāng)網(wǎng)格尺寸d取1/16D*～1/4D*時(shí)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更吻合［13］。經(jīng)式（1）得到45 MW火災(zāi)規(guī)模下D*為4.38 m，網(wǎng)格尺寸在0.22 m至1.1 m之間，模擬結(jié)果更合理。由于高溫區(qū)域主要在火源上下游兩側(cè)100 m處，故加密火源周圍區(qū)域，而遠(yuǎn)場(chǎng)使用較大網(wǎng)格，具體網(wǎng)格數(shù)及網(wǎng)格邊界大小選取如表1所示。

表1 網(wǎng)格大小和網(wǎng)格數(shù)

2.2 火災(zāi)規(guī)模及工況設(shè)定

基于RABT升溫曲線規(guī)律（5 min隧道拱頂達(dá)到最高溫1 200℃），采用數(shù)值仿真方法構(gòu)建實(shí)際尺寸隧道，對(duì)不同規(guī)?；馂?zāi)發(fā)生5 min時(shí)拱頂?shù)妆砻嫣幾罡邷囟冗M(jìn)行分析。

圖3為不同火源功率下隧道縱向中央縱斷面溫度云圖，當(dāng)火災(zāi)規(guī)模為40、42、45 MW時(shí)，隧道拱頂?shù)妆砻孀罡邷囟确謩e為1 100、1 156、1 200℃，火災(zāi)規(guī)模為45 MW，隧道頂板最高溫度為1 200℃，與RABT升溫曲線的最高溫相等。故選取火災(zāi)規(guī)模45 MW時(shí)隧道內(nèi)最高溫度隨時(shí)間變化曲線升溫曲線與RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對(duì)比，如圖4。

圖3 不同火源功率下隧道縱向中央縱斷面溫度

圖4 升溫曲線對(duì)比

由圖4得到火災(zāi)規(guī)模45 MW時(shí)隧道內(nèi)最高溫度升溫曲線與RABT標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合度高，因此選擇45 MW作為火災(zāi)規(guī)模分析隧道內(nèi)溫度特性及耐火極限面積。

根據(jù)地鐵火災(zāi)燃燒材料類型，火源設(shè)為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.047的超快速t2火，其火源長(zhǎng)寬高尺寸為5 m×1 m×0.25 m，位于事故隧道中心線列車下底板。分別考慮自然通風(fēng)0 m/s和縱向通風(fēng)風(fēng)速2 m/s、3 m/s共3組工況進(jìn)行模擬。

2.3 測(cè)點(diǎn)及切片設(shè)置

隧道拱頂?shù)淖罡邷囟任恢么嬖诓淮_定性，故由隧道拱頂沿隧道側(cè)壁設(shè)置A1—A10共10排溫度測(cè)點(diǎn)，緊靠中隔墻處豎直方向每隔一個(gè)網(wǎng)格0.25 m設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，確定拱頂最高溫度及其位置。在火源上下游100 m范圍內(nèi)，每隔20 m以及y=3設(shè)置溫度切片（如圖5），以測(cè)量近火源區(qū)域（火源上下游100 m）以及非事故隧道中心處、中隔墻處溫度分布。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置示意

2.4 耐火極限面積計(jì)算

半截面隧道拱頂依據(jù)距中隔墻距離（0.5 m→5.75 m）設(shè)置A1—A10共10排溫度測(cè)點(diǎn)，以中隔墻和火源中心的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，隧道橫向方向記為橫坐標(biāo)x，隧道縱向方向記為縱坐標(biāo)y。將A1—A10排測(cè)點(diǎn)火源左右（上下游）兩側(cè)表面溫度最早達(dá)到超過(guò)380℃的坐標(biāo)分別記為（x1，y1）、（x1，y1*），（x2，y2）、（x2，y2*）…（xn，yn）、（xn，yn*），通過(guò)各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)依次連線圍成的面積即拱頂達(dá)到耐火極限的面積。計(jì)算公式如下：

其中，中隔墻所在位置x0=0，由于測(cè)點(diǎn)A1靠近頂板且與中隔墻距離較小，中隔墻表面的溫度變化可測(cè)點(diǎn)A1的溫度變化近似中隔墻表面的溫度變化，故取y0=y1，y0*=y1*。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 最高溫度分布

在自然通風(fēng)0 m/s和縱向通風(fēng)風(fēng)速2 m/s、3 m/s的情況下，隧道頂板側(cè)壁溫度穩(wěn)定后火源上下游100 m范圍內(nèi)隧道A1—A10拱頂溫度分布如圖6，圖7為不同通風(fēng)速度情況下各排測(cè)點(diǎn)最高溫度情況。

圖6 隧道頂板側(cè)壁溫度穩(wěn)定后分布

圖7 隧道頂板側(cè)壁最高溫度

由圖6和7可知，自然通風(fēng)0 m/s隧道拱頂最高溫度位于火源正中心，而縱向通風(fēng)使高溫?zé)煔獯迪蚧鹪聪掠?，縱向通風(fēng)風(fēng)速分別為2 m/s、3 m/s時(shí)隧道拱頂最高溫度分別位于火源正中心偏向下游8.5 m、10.5 m處，各排測(cè)點(diǎn)溫度整體以最高溫度所在位置呈對(duì)稱分布；自然通風(fēng)時(shí)A1—A7排測(cè)點(diǎn)部分區(qū)域超過(guò)380℃耐火極限，最高溫度高達(dá)1 170℃，縱向通風(fēng)風(fēng)速2 m/s、3 m/s時(shí)A1—A8排測(cè)點(diǎn)部分區(qū)域超過(guò)380℃耐火極限，風(fēng)速2 m/s時(shí)最高溫度高達(dá)1 009℃，風(fēng)速3 m/s時(shí)最高溫度為905℃；隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速的增加，隧道頂板最高溫度逐漸減小。

3.2 不同截面溫度場(chǎng)分布

不同通風(fēng)條件下y=3時(shí)縱截面溫度分布如圖8，圖9為不同通風(fēng)風(fēng)速下隧道不同橫截面位置的溫度分布情況。

圖8 不同風(fēng)速y=3時(shí)縱截面溫度

圖9 不同橫截面溫度

由圖8和圖9可知，不同通風(fēng)條件下高溫區(qū)域主要集中在隧道頂板及側(cè)壁處，隧道頂板至隧道地面溫度由高到低，出現(xiàn)明顯的溫度梯度；縱向通風(fēng)風(fēng)速2 m/s、3 m/s時(shí)高溫?zé)煔獗淮迪蚧鹪聪掠?，與火源上游相比火源下游溫度分層紊亂。

3.3 耐火極限區(qū)域面積

圖10為不通風(fēng)條件下測(cè)點(diǎn)溫度超過(guò)耐火極限（380℃）面積示意圖。

圖10 超過(guò)耐火極限（380℃）的面積

由圖10可知，隧道超耐火極限區(qū)域縱向長(zhǎng)度隨著與中隔墻距離的增大整體呈減小趨勢(shì)；隧道自然通風(fēng)0 m/s時(shí)，其橫向超耐火極限范圍位于x=0~5 m，縱向超耐火極限范圍位于y=-68.5~66 m，由式（2）得隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積大約為544.51 m2。隧道縱向通風(fēng)風(fēng)速2 m/s時(shí)，其橫向超耐火極限范圍位于x=0~5.25 m，縱向超耐火極限范圍位于y=-74~32.5 m，隧道超耐火極限區(qū)域面積約為421.41 m2。隧道縱向通風(fēng)風(fēng)速3 m/s時(shí)，其橫向超耐火極限范圍位于x=0~5.25 m，縱向超耐火極限范圍位于y=-67~24.5 m，隧道超耐火極限區(qū)域面積約為357.08 m2。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速的增大，隧道縱向超耐火極限范圍逐漸減小，隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積也逐漸減小。

4 結(jié)論

1）不同通風(fēng)條件下，隧道各排測(cè)點(diǎn)溫度整體以最高溫度所在位置呈對(duì)稱分布；自然通風(fēng)時(shí)隧道頂板最高溫度高達(dá)1 170℃，縱向通風(fēng)風(fēng)速2 m/s、3 m/s時(shí)隧道頂板最高溫度分別為1 009℃、905℃；隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速的增加，隧道頂板最高溫度逐漸減小。

2）不同通風(fēng)條件下高溫區(qū)域主要集中在隧道頂板及側(cè)壁處，隧道頂板至隧道地面溫度由高到低，出現(xiàn)明顯的溫度梯度；縱向通風(fēng)時(shí)高溫?zé)煔獗淮迪蚧鹪聪掠危鹪聪掠螠囟确謱游蓙y。

3）隧道超耐火極限區(qū)域縱向長(zhǎng)度隨著與中隔墻距離的增大整體呈減小趨勢(shì)；隨著縱向通風(fēng)風(fēng)速的增大，隧道縱向超耐火極限范圍逐漸減小，隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積也逐漸減小；隧道自然通風(fēng)0 m/s、縱向通風(fēng)風(fēng)速2 m/s和3 m/s時(shí)，隧道超耐火極限區(qū)域總覆蓋面積分別約為544.51、421.41、357.08 m2。研究結(jié)果可為隧道防火保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。