張 可，姚 斌

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，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、緩解行車壓力的特點，在我國獲得了飛速發(fā)展。目前我國公路隧道的數(shù)量和里程已位居全球第一[1]。

公路隧道在帶來方便的同時也隱藏著巨大的火災隱患。首先，隧道火源位置、火災載荷與通行車輛的車型、車載物品密切相關，具有不確定性。其次，隧道作為狹長封閉空間，發(fā)生火災時煙氣不易排出，有害氣體的積聚嚴重威脅人員生命安全。此外，隧道內發(fā)生火災時極易造成交通擁堵，高溫煙氣通過熱輻射將熱量傳遞給相鄰可燃物，可能將周圍車輛引燃，增加撲救難度[2]。

細水霧滅火系統(tǒng)具有節(jié)水、冷卻效果好、不易導致燃料流淌的特點，眾多學者開展了隧道火災中利用細水霧滅火的研究。路世昌等[3]通過開展實體實驗研究對比了不同滅火系統(tǒng)在隧道中的作用效果，結果表明細水霧滅火系統(tǒng)啟動約4.5 min后火源被撲滅，滅火效果較好。陳新文等[4]通過開展全尺寸隧道火災實驗，選擇了2種火源位置及3種火源功率，實驗驗證了在自然通風條件下，細水霧滅火系統(tǒng)開啟后可以顯著降低隧道溫度，同時能夠有效控制隧道內的CO濃度。Luo等[5]通過實體實驗研究了隧道中細水霧滅火系統(tǒng)的噴頭高度對火災控制的影響，結果顯示當噴頭高度為1.5 m時，細水霧集中于火源附近，滅火效果最佳，但噴頭高度為4.5 m時對隧道頂部的冷卻效果更好。李夢[6]通過實體實驗研究了細水霧作用于隧道內車頂和車底兩個位置的火災，發(fā)現(xiàn)細水霧施加后能夠有效降低隧道內的溫度、熱輻射強度和CO濃度，提升隧道內的O2濃度。謝志成[7]采用FDS研究了細水霧流量及霧化角對煙氣溫度的影響規(guī)律，并總結出了不同流量及霧化角作用下的縱向煙氣溫度分布預測模型。蘇紫敏等[8]通過FDS模擬了隧道內不同的火災工況及細水霧參數(shù)對滅火性能的影響，發(fā)現(xiàn)火源靠近隧道中心時的滅火效果優(yōu)于靠近側壁時，且噴頭壓力越大，霧滴粒徑越小降溫效果越好。

隨著當前經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，我國對交通運輸?shù)男枨蟾悠惹?，四車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，火災煙氣控制更為困難。且調研發(fā)現(xiàn)，前人對隧道中細水霧滅火系統(tǒng)的研究多以中小斷面隧道為研究對象，對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，該類隧道若不能采用適宜的細水霧噴頭布置形式，一旦發(fā)生火災,隧道結構可能被高溫破壞，火源附近的停駛車輛也可能被熱輻射引燃，造成火災失控。此外，目前我國《公路隧道消防技術規(guī)范》尚未頒布，《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016-2014)等規(guī)范中均未對隧道內細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)化的細水霧噴頭布置方案，能夠實現(xiàn)隧道火災的有效抑制，保護人員生命安全,減少損失。本文在前人研究的基礎上，以6種大斷面或特大斷面公路隧道為研究對象，選取4種細水霧噴頭布置形式，考慮不同的火源功率、位置及遮擋物，運用FDS數(shù)值模擬軟件分析研究細水霧作用下隧道內火災溫度和熱輻射特性，獲得優(yōu)化的細水霧噴頭布置方案，能夠為工程應用提供參考和技術支持。

1 研究對象概況

1.1 公路隧道模型選取

國際隧道協(xié)會(ITA)按照橫斷面積將隧道劃分為5類，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。本文結合工程實例及前人研究，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 細水霧滅火系統(tǒng)模型選取

本文選用型號為XSW-T3.5/10 GH的高壓細水霧開式噴頭進行模擬，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。模擬時霧滴粒徑設置為固定值100 μm，細水霧形成單分散相霧場。隧道內每個細水霧滅火系統(tǒng)保護分區(qū)長20 m，發(fā)生火災時該保護區(qū)及相鄰兩側保護區(qū)共60 m長度內的細水霧噴頭在120 s后同時啟動。綜合考慮隧道橫斷面積和噴頭覆蓋范圍，選取4種細水霧噴頭布置形式，依次為單排頂噴布置、雙排頂噴布置、雙排側噴布置、單排頂噴+雙排側噴布置。

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模擬及工況設計

2.1 FDS模型建立及工況設置

利用FDS數(shù)值模擬軟件進行公路隧道模型搭建，選取隧道長度100 m，公路隧道模型見圖2。

前人研究表明小轎車火災規(guī)模約5 MW，小貨車火災規(guī)模約15 MW～20 MW，裝載一般貨物的大貨車火災規(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，分別模擬隧道內不同類型的車輛起火。選取2種火源位置，分別為位于隧道中線處的中心火源和靠近隧道壁一側的偏置火源。考慮火源上方有無遮擋，設置車底火和車頂火，其中車底火高0.5 m，上方設置尺寸為6 m×2 m×1.8 m的遮擋障礙物[10]；車頂火高4 m，上方無遮擋?；鹪丛O置及細水霧滅火系統(tǒng)噴頭的布置方式如圖3所示，全部火源工況見表2。

表2 火源工況表

圖3 隧道火源及細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器，用以分析不同噴頭布置形式下隧道內的溫度和熱輻射強度的變化情況。溫度探測器沿火源上方頂棚縱向布置，間隔為1 m，共設置11個測點；熱輻射通量探測器共設置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個測點，均勻設置在1 m～4 m高度內。沿隧道縱向布置的細水霧噴頭間距為4 m，長度60 m的保護分區(qū)內每排設置15個噴頭，具體布置情況見圖4。

圖4 隧道內部探測器布置圖Fig. 4 Detector layout inside tunnel

本文共設計尺寸為0.2 m、0.4 m、0.6 m、1.0 m的4種網(wǎng)格。選取隧道A進行模擬分析，設置15 MW的小貨車火災，隧道內無細水霧作用，溫度測點距火源邊緣3 m、高為6 m。不同網(wǎng)格尺寸下測點的溫度變化見圖5。可知網(wǎng)格尺寸1.0 m時計算結果最低，0.2 m時計算結果最高，0.4 m和0.6 m時的計算結果較為接近。考慮運算效率和時間，本文在60 m長的細水霧作用區(qū)域內將網(wǎng)格劃分為0.2 m，在無細水霧作用且距離火源較遠的隧道兩端各20 m的區(qū)域網(wǎng)格劃分為0.6 m，模擬時間900 s。模擬時無縱向風速，外界溫度為20 ℃，外部壓力為標準大氣壓。

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

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

表3 模擬工況設置表

2.2 危險狀態(tài)判定

依據(jù)《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016-2014)可知，當采用RABT和HC標準升溫曲線測試時，受火后隧道內承重結構體混凝土表面的溫度超過380 ℃，則判定為達到耐火極限[11]，故本文取隧道壁到達耐火極限的臨界溫度為380 ℃。

隧道內發(fā)生火災時，導致火源相鄰車輛被引燃的一個重要原因是熱輻射。車輛被引燃的臨界熱輻射強度主要取決于汽車受到熱輻射作用的部位，比如汽車的車頂箱、擋泥板、保險杠、輪胎等。前人研究表明[12]，汽車各外部構件的臨界熱輻射強度并不相同，約為10 kW/m2～18.5 kW/m2，本文保守考慮取10 kW/m2為火源相鄰汽車被引燃的臨界熱輻射強度。

3 模擬結果及分析

3.1 不同噴頭布置下的隧道溫度和熱輻射強度

3.1.1 隧道內的溫度分析

圖6(a)和圖6(b)分別為隧道A內發(fā)生Z3、Z4火災，在3種細水霧噴頭布置下，900 s時沿火源上方頂棚縱向溫度分布。由圖6可知隧道內采用細水霧滅火系統(tǒng)能夠明顯降低火源附近的環(huán)境溫度。對于Z3偏置車底火，細水霧采用雙排頂噴或雙排側噴布置能夠將頂棚最高溫度降低550 ℃左右，且3種噴頭布置下隧道頂棚最高溫度均未超過臨界值。對于Z4偏置車頂火，細水霧采用雙排頂噴或雙排側噴布置能夠將頂棚最高溫度降低590 ℃左右，此時隧道頂棚最高溫度低于臨界值。而單排頂噴布置時火源正上方頂棚最高溫度為426 ℃，超過臨界值，說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

隧道內頂棚最高溫度大于臨界值的全部工況見表4?？芍_到危險狀態(tài)的工況火源均為30 MW的大貨車火災，說明幾種噴頭布置形式均能有效抑制5 MW的小轎車火災和15 MW的小貨車火災。當隧道內發(fā)生30 MW火災時，對于大斷面隧道A、B和特大斷面隧道C，細水霧采用雙排頂噴或雙排側噴，最高溫度均未超過臨界值。對于隧道D，采用雙排側噴時頂棚最高溫度低于臨界值。對于隧道E和F，采用單排頂噴+雙排側噴時頂棚最高溫度低于臨界值。

3.1.2 隧道內的熱輻射強度分析

圖7為隧道A中發(fā)生30 MW偏置車底火Z3時，無細水霧及細水霧單排頂噴、雙排頂噴、雙排側噴布置下900 s內各測點的熱輻射強度最大值。可知無細水霧作用時，距火源邊緣1 m處的最大熱輻射強度值為17.2 kW/m2，明顯高于有細水霧作用時的情況，說明細水霧能夠有效降低火場熱輻射，保護火源附近人員和車輛安全。綜合來看，與細水霧單排頂噴布置相比，隧道A采用雙排側噴或雙排頂噴布置，距火源邊緣1 m處的熱輻射強度更小，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)計全部模擬工況發(fā)現(xiàn)，對于5 MW的小轎車火災和15 MW的小貨車火災，幾種噴頭布置形式下距火源邊緣1 m處的熱輻射強度均小于臨界值。當隧道內發(fā)生30 MW中心車底火Z1及偏置車底火Z3時，各噴頭布置形式下距火源邊緣1 m處的熱輻射強度最大值見表5。大斷面隧道A發(fā)生Z3火災時，3種噴頭布置形式下距火源邊緣1 m處的最大熱輻射強度均大于10 kW/m2，此處相鄰汽車可能被引燃。對于大斷面隧道B和特大斷面隧道C，采用雙排頂噴或雙排側噴，該處熱輻射強度小于臨界值。對于隧道D，采用雙排側噴，該處熱輻射強度小于臨界值。對于隧道E和F，采用單排頂噴+雙排側噴，該處熱輻射強度小于臨界值。

3.2 隧道細水霧噴頭布置方案

通過分析隧道內細水霧作用時火源上方頂棚溫度及附近熱輻射強度，為6種橫斷面積的公路隧道選出適宜的細水霧噴頭布置方案見表6。其中對于大斷面隧道A和B，考慮到隧道斷面尺寸，若采用側噴布置細水霧，噴頭會被靠近側壁的汽車遮擋，影響滅火效果，因此宜采用雙排頂噴布置。

6種公路隧道采用細水霧噴頭布置方案，能夠使隧道內發(fā)生30 MW大貨車火災時，火源正上方頂棚隧道結構不被高溫破壞，距火源邊緣3 m外的汽車不被熱輻射引燃。實際上除隧道A外，其余隧道采用細水霧噴頭布置方案，距30 MW火源邊緣1 m外的相鄰汽車不會被熱輻射引燃。

3.3 隧道橫斷面積與火源正上方頂棚最高溫度的關系

對于6種偏置火源工況，研究細水霧雙排頂噴布置時，隧道橫斷面積與火源正上方頂棚最高溫度之間的變化關系，如圖8所示。隧道內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系Fig. 8 The relation between tunnel area and ceiling max temperature

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

表7 T與S的擬合關系式

表8 T與S、Q的擬合關系式

4 結論

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象，利用FDS軟件模擬研究細水霧不同布置形式下隧道火災的溫度和熱輻射特性，得到以下結論：

(1)對于大斷面及特大斷面公路隧道，橫斷面積S對細水霧的作用效果影響較大。當橫斷面積S>100 m2時，細水霧噴頭采用單排頂噴布置無法有效抑制30 MW大貨車火災，此時火源正上方隧道頂棚結構會被高溫破壞，同時火源相鄰汽車可能被熱輻射引燃，應考慮增設頂噴或側噴的噴頭布置。

(2)隧道橫斷面積S>131 m2時，細水霧噴頭采用雙排頂噴無法有效抑制30 MW大貨車火災，應采用雙排側噴布置。隧道橫斷面積S>161 m2時，應采用頂噴和側噴相結合的布置方式。

(3)隧道橫斷面積161 m2≥S≥58 m2，火源功率30 MW≥Q≥5 MW時，細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符合線性關系T=a+bS。