摘要：隨著“成渝”經(jīng)濟圈的崛起，西部山區(qū)快速發(fā)展，不同海拔高度的大坡度隧道工程快速建設(shè)。為明確不同海拔高度大坡度隧道火災(zāi)工況自然風(fēng)場景下煙氣擴散規(guī)律，本文基于FDS平臺對不同海拔高度下大坡度隧道火災(zāi)場景進行三維仿真模擬，以溫度場、可視度場為分析指標(biāo)進行分析，從而得到不同海拔高度下大坡度隧道火災(zāi)煙氣擴散、溫度變化以及可視度變化規(guī)律。研究成果可以為隧道的防災(zāi)減災(zāi)設(shè)計、施工提供技術(shù)支持，可用于優(yōu)化風(fēng)機布置方案，從而達(dá)到節(jié)能降耗、安全運營的效果。

關(guān)鍵詞：大坡度；鐵路隧道；隧道火災(zāi)；煙氣擴散；數(shù)值模擬

中圖分類號：X951"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""nbsp; 文章編號：1673?6478（2023）03-0176-08

Simulation of Smoke Diffusion in Large Slope Tunnel Fire at Different Altitudes

CUI Peng， YANG Jie， DING Shi， HU Lizhen， AN Shixu

（Shandong Hi?speed Company Limited， Qingdao Transportation Management Center，Qingdao Shandong 266111， China）

Abstract： With the rise of the \"Chengdu?Chongqing\" economic circle， the western mountainous areas have developed rapidly， and large slope tunnel projects at different altitudes have been rapidly constructed. In order to clarify the smoke diffusion law under the natural wind scene of large slope tunnel fire conditions at different altitudes， the three?dimensional simulation of large slope tunnel fire scenes at different altitudes is carried out based on the FDS platform， taking the temperature field and visibility field as the analysis indexes， the smoke diffusion， temperature change and visibility change laws of large slope tunnel fire at different altitudes are obtained. The research results can provide technical support for the design and construction of disaster prevention and mitigation of tunnels， it can be used to optimize the fan layout scheme， so as to achieve the effect of energy saving， consumption reduction and safe operation.

Key words： large slope; railway tunnel; tunnel fire; smoke diffusion; numerical simulation

0 引言

“十四五”規(guī)劃中將交通工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為重點推進工程，隨著國家鐵路網(wǎng)的不斷完善與建設(shè)，西部山區(qū)隧道工程也大量建設(shè)[1]。西部山區(qū)不同海拔地區(qū)自然環(huán)境條件有所差異，高海拔地區(qū)自然環(huán)境條件尤為惡劣，以低溫、低壓、低氧為典型氣候特征。特殊且惡劣的自然環(huán)境條件導(dǎo)致高海拔環(huán)境下隧道工程的安全運營及防災(zāi)減災(zāi)等運維費用較平原地區(qū)差異較大[2]，進一步明確不同海拔高度條件下大坡度隧道火災(zāi)煙氣擴散規(guī)律不僅有利于節(jié)能降耗[3?5]，也有利于早日實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)[6]。

1 建模原理

FDS是火災(zāi)研究領(lǐng)域常用的數(shù)值模擬平臺，基于CFD模型能較好模擬火災(zāi)場景下的完整燃燒過程，并能較好模擬燃燒過程各燃燒組分及燃燒產(chǎn)物的數(shù)量動態(tài)變化及煙氣擴散全過程?；谫|(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒、組分守恒、理想氣體狀態(tài)方程等，模擬過程的控制方程如下[7]：

2 數(shù)值建模

2.1 參數(shù)選取

采用16輛車輛編組[9]，建立客貨共線鐵路單線隧道進行分析?？拓浌簿€隧道加力牽引坡度值不大于3%[10]，所以大于3%的鐵路隧道一般意義上視為大坡度隧道，建模選取隧道縱坡值為3%。隧道模型長度為700m?；馂?zāi)三維計算模型如圖1所示。

2.2 測點布置

在隧道邊墻側(cè)、疏散通道中心處、近車道側(cè)共布設(shè)38排測點，雙側(cè)布置。每排監(jiān)測點從仰拱底面2m向上間隔0.5m布置，每排為7個監(jiān)測點?；鹪醇氨O(jiān)測點位置如圖2所示。

?2.3 工況設(shè)置

本文通過模擬隧道內(nèi)火災(zāi)場景，來研究不同海拔高度大坡度隧道火災(zāi)煙氣擴散規(guī)律，工況設(shè)置如表1所示。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 4 300m計算結(jié)果分析

3.1.1 煙氣流動規(guī)律

4"300m海拔高度大坡度隧道火災(zāi)煙氣擴散見圖3?；馂?zāi)煙氣沿上坡方向擴散至隧道上坡方向洞口，下坡方向的煙氣縱向擴散到達(dá)擴散范圍最大處，持續(xù)短時間后會在煙囪作用下變短，即下坡方向火災(zāi)煙氣會在煙囪效應(yīng)作用下擴散范圍逐漸變小最終穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，坡度原因?qū)е庐a(chǎn)生煙囪效應(yīng)從而導(dǎo)致煙氣沿隧道縱向不對稱分布。

3.1.2 溫度場

圖4為4"300m大坡度隧道火災(zāi)溫度縱向分布。對比發(fā)現(xiàn)在火源點下游上坡段溫度迅速升高，最高溫度出現(xiàn)在火源下游上坡段距火源10m處，之后溫度先下降，后有一定升高。分析是因為火災(zāi)煙氣在縱向擴散過程中煙氣的溫度有所下降，導(dǎo)致高溫?zé)煔鈱影l(fā)生沉降，高溫?zé)煔獬两档教卣鞲叨忍帉?dǎo)致該處測得的溫度升高，出口處煙流紊亂導(dǎo)致部分高溫氣體流動至特征高度處引起溫度升高。

?3.1.3 可視度場

圖5為4"300m大坡度隧道火災(zāi)可視度縱向分布。對比發(fā)現(xiàn)在火源點附近可視度迅速下降，之后由于列車的阻塞作用，近160m距離范圍內(nèi)特征高度處可視度沒有發(fā)生顯著變化。160m后煙氣沉降作用明顯，特征高度處的可視度開始下降。

以溫度場、可視度場為控制變量，通過對大坡度隧道疏散通道近隧道邊墻側(cè)、疏散通道中線處、疏散通道近軌道處特征高度處進行切片分析，對4"300m海拔高度隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后6min內(nèi)的數(shù)據(jù)加以分析。分析可知，對于溫度場而言，邊墻側(cè)特征高度處溫度約為50.9℃；中線處特征高度處溫度約為52.5℃；近軌處特征高度處溫度約為42.6℃，對比分析可知疏散時近軌處相對安全。對于可視度場而言，邊墻側(cè)特征高度處可視度約為18.9；中線處特征高度處可視度約為19.7；近軌處特征高度處可視度約為20.4，對比分析可知疏散時近軌處相對安全。

3.2 其他海拔高度計算結(jié)果分析

3.2.1 溫度場

圖6～圖9為其余模擬工況大坡度隧道火災(zāi)溫度縱向分布。分析其余工況結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，火源點附近溫度迅速升高，最高溫點向下游偏離約10m，之后溫度先下降，又有所升高。分析是因為火災(zāi)煙氣在縱向擴散過程中煙氣的溫度有所下降，導(dǎo)致高溫?zé)煔鈱影l(fā)生沉降，高溫?zé)煔獬两档教卣鞲叨忍帉?dǎo)致該處測得的溫度升高。

?同樣以溫度為控制變量[13]，通過對大坡度隧道疏散通道近隧道邊墻側(cè)、疏散通道中線處、疏散通道近軌道處特征高度處切片分析，對其余工況隧道內(nèi)火災(zāi)場景6min內(nèi)的數(shù)據(jù)加以分析，發(fā)現(xiàn)在隧道火災(zāi)場景下，疏散通道近軌道處一側(cè)在模擬工況中溫度值較中線處和邊墻側(cè)偏低，偏于安全；疏散通道近軌道處一側(cè)在模擬工況中可視度值較中線處和邊墻側(cè)偏高，偏于安全。通過疏散通道疏散時，近軌道側(cè)相對安全，從而對前述結(jié)論也加以論證。

3.3 不同指標(biāo)對比分析

通過溫度、可視度指標(biāo)分析可得，在通過疏散通道進行疏散時，疏散通道近隧道邊墻側(cè)、疏散通道中線處、疏散通道近軌道處中，疏散通道近軌道處相對安全。所以在組織疏散時，盡量選取疏散通道近軌道處的路線組織疏散。選取相對不利的截面，即疏散通道近隧道邊墻縱向截面，通過對比不同海拔高度的差異，以期找到不同海拔高度對火災(zāi)煙氣擴散的影響。

3.3.1 不同海拔高度煙氣流動對比

這里僅考慮火災(zāi)煙氣到達(dá)一維蔓延時的煙氣擴散特征。可以發(fā)現(xiàn)隨著海拔的升高，相同時間內(nèi)火災(zāi)煙氣擴散距離增大，即隨著海拔的升高，煙氣縱向擴散速度變快。原因可能是為保證熱釋放速率，需要更多的空氣，下層空氣由隧道兩端向火源點處的補充速度也隨著海拔的升高而增大。隧道出口處的煙流與洞外氣體相遇紊亂，火災(zāi)煙氣擴散到洞口處不能完全排出，會積聚并部分回流。大坡度有利于煙氣的排出，在煙囪效應(yīng)下，火源下游的煙氣擴散速度要大于上游擴散速度。下游氣體擴散速度的變化率依次為5.40%、7.88%、8.07%、10.40%，上游則為2.52%、5.21%、6.55%、6.57%?；鹪聪掠螝怏w擴散速度隨海拔變化敏感度要大于火源上游。

3.3.2 不同海拔溫度對比分析

?可以發(fā)現(xiàn)不同海拔坡度隧道在火源點附近特征高度處的溫度隨著時間推移逐漸升高，火源影響范圍之外特征高度處的溫度隨著時間推移有所降低。在下游上坡段距火源210m處，360s和600s的溫度曲線相差不大，說明該時間段內(nèi)此處煙氣層趨于穩(wěn)定。最高溫度均出現(xiàn)在火源點附近，360s時的最高溫度見表3。

可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生后360s，特征高度處的最高溫度隨著海拔的升高而增大，并且溫度的增幅也隨著海拔的升高而有一定擴大的趨勢。

隧道發(fā)生火災(zāi)后，隧道結(jié)構(gòu)受到熱輻射、熱對流、熱傳導(dǎo)作用，沿著隧道縱斷面的溫度會有所不同，如圖12所示。分析發(fā)現(xiàn)，煙氣溫度有明顯的分層現(xiàn)象，上層溫度高于下層溫度。分析是因為高溫?zé)煔庠谏蠈涌v向擴散，溫度降低后再向下層擴散，海拔越高，最高溫度也隨之升高。

3.3.3 不同海拔可視度對比分析

由于車體的阻礙作用，隧道內(nèi)特征高度處從距離末節(jié)車廂一定距離開始可視度下降。不同海拔高度下游上坡段的可視度均隨著時間推移逐漸提高，且隨著海拔高度的升高，可視度最小值有所提升，可見大坡度有利于煙氣的排出。

4 結(jié)論

本文以溫度場、可視度場為分析指標(biāo)，基于FDS建模，分析了不同海拔高度大坡度隧道火災(zāi)工況自然場景下的煙氣擴散規(guī)律，結(jié)論如下：

（１）隨著海拔的升高，隧道內(nèi)自然狀態(tài)下火源上、下游煙氣擴散速度均有所增加，且下游增幅較上游大。

（２）海拔高度的增加使得最高溫度的位置向下游有所偏移，但位置變化不顯著。海拔高度的增加使得火場最高溫度隨之增加，火源下游較上游增幅大。

（３）隨著海拔高度的增加，自然條件下隧道火場內(nèi)最低可視度隨之改善，隨著海拔高度的增加，改善程度提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]王明年， 郭曉晗， 崔鵬， 等. 高海拔大規(guī)模鐵路隧道群防災(zāi)疏散救援工程關(guān)鍵技術(shù)探討[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2020， 57（1）： 1?7.

[2]何瀟劍， 李獻(xiàn)航. 汕頭海灣隧道消防減災(zāi)設(shè)計研究與應(yīng)用[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)， 2022， 41（5）： 621?626.

[3]蔣星潤， 劉紅兵， 李文睿， 等. 巖后隧道火災(zāi)內(nèi)部特征溫度影響范圍研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)， 2022， 41（5）： 594?598.

[4]王明年， 崔鵬， 于麗， 等. 基于臺階試驗的相對最大攝氧量與人員疏散能力關(guān)系研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2021， 58（6）： 38?45.

[5]崔鵬， 王明年， 于麗， 等. 急上高原人員疏散速度修正的臺階試驗研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)， 2021， 17（6）： 117?122.

[6]Yan G ， Wang M ， Yu L ， et al. Effects of ambient pressure on smoke movement patterns in vertical shafts in tunnel fires with natural ventilation systems[J]. Building Simulation， 2020， 13（4）： 931?941.

[7]崔鵬. 高海拔鐵路隧道緊急救援站安全疏散時間計算方法研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2021

[8]Qi L I ， Li Y U ， Yan T ， et al. Study on construction ventilation duct leakage rate in high altitude tunnel[J]. Tiedao Xuebao/Journal of the China Railway Society， 2019， 41（1）： 144?148.

[9]《鐵路工程建設(shè)通用參考圖》通隧（2008）1201?07.

[10]TB 10098—2017， 鐵路線路設(shè)計規(guī)范[S]. 北京： 中國鐵道出版社?， 2017.

[11]Wang X ， Wang M ， Qin P ， et al. An experimental study on the influence of local loss on ventilation characteristic of dividing flow in urban traffic link tunnel[J]. Building and Environment， 2020， 174（May）： 106793.1?106793.9.

[12]TB 10020—2017. 鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計規(guī)范[S].

[13]陳娜， 沈祥輝， 趙軍. 火災(zāi)能見度對地鐵人員疏散速度影響的仿真研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù)， 2022， 41（5）： 639?644.