摘要：為評(píng)估某雙層城市交通隧道結(jié)構(gòu)承重體的耐火性能，對(duì)該隧道內(nèi)典型部位火災(zāi)時(shí)的環(huán)境溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析研究。研究結(jié)果表明：隧道壁內(nèi)表面附近的環(huán)境溫度呈不均勻分布，著火車輛正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而逐漸減小，隨著距地面高度的增加而逐漸增加；在相同的火災(zāi)規(guī)模作用下，隧道內(nèi)距地面相同高度處的環(huán)境溫度因不同部位隧道幾何輪廓和尺寸的差異會(huì)具有較大的區(qū)別。

關(guān)鍵詞：城市交通隧道；火災(zāi)；火災(zāi)環(huán)境溫度；隧道結(jié)構(gòu)耐火性能

中圖分類號(hào)：TU998.1" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號(hào)：2096-1227（2024）09-0010-04

城市交通隧道在解決城市交通擁堵、提高通行效率方面發(fā)揮著重要作用，但隧道結(jié)構(gòu)一旦受到破壞，特別是發(fā)生坍塌時(shí)，其修復(fù)難度非常大?；馂?zāi)條件下的隧道結(jié)構(gòu)安全，是保證火災(zāi)時(shí)滅火救援和火災(zāi)后隧道盡快修復(fù)使用的重要條件[1-2]。為做好隧道結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)，有必要對(duì)隧道承重結(jié)構(gòu)體的耐火性能進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估工作通常分為確定隧道內(nèi)火災(zāi)環(huán)境溫度場和開展隧道結(jié)構(gòu)耐火性能評(píng)估兩個(gè)部分。其中，進(jìn)行隧道內(nèi)火災(zāi)環(huán)境溫度分析是開展隧道結(jié)構(gòu)耐火性能評(píng)估的基礎(chǔ)。

隧道內(nèi)火災(zāi)環(huán)境溫度與隧道的幾何形狀及尺寸、通行車輛類型、起火部位、隧道內(nèi)消防設(shè)施設(shè)置情況及是否有效動(dòng)作等因素有關(guān)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐火性能評(píng)估分析時(shí)，通常偏安全的忽略消防設(shè)施的有利作用，并將火源位置貼近隧道結(jié)構(gòu)體，選擇可信最不利的火災(zāi)荷載開展相關(guān)分析。

本文將以某雙層城市交通隧道為研究對(duì)象，對(duì)該隧道承重結(jié)構(gòu)體耐火性能評(píng)估所需的火災(zāi)環(huán)境溫度場進(jìn)行研究，以便為下一步開展結(jié)構(gòu)耐火性能評(píng)估打下基礎(chǔ)。本文的研究結(jié)果和結(jié)論也可作為同類項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)的參考。

1 隧道基本信息

某城市交通隧道建設(shè)工程位于市區(qū)，封閉段長度約3.6km，屬于一類隧道。隧道采用盾構(gòu)法建設(shè)，采用單孔雙層布置斷面，雙向交通布置在同一洞內(nèi)，雙向4車道，另各設(shè)置2m寬連續(xù)停車帶。該隧道為小客車專用隧道，限界高度3.5m，不通行危險(xiǎn)化學(xué)品等機(jī)動(dòng)車。隧道外徑約15m，上層車行空間凈寬9.5m，凈高6.25m；下層車行空間凈寬9.5m，凈高4.2m。隧道采用重點(diǎn)排煙，排煙道設(shè)置在隧道一側(cè)，上、下層車道共用。車行空間頂部及距路面2.9m高以上的側(cè)墻采用耐火極限不低于2.00h（按RABT升溫曲線測試）的防火板保護(hù)，距路面2.9m高以下的側(cè)墻設(shè)置防火裝飾板（高度2.1m），防火裝飾板下沿至路面為0.8m高的防撞石，防撞石底部外側(cè)與防火裝飾板水平距離0.4m。隧道橫斷面示意圖見圖1。

2 針對(duì)結(jié)構(gòu)耐火分析的火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

2.1" 火源位置

隧道內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響最不利的火源類型為車輛火災(zāi)，雖然隧道內(nèi)車輛發(fā)生火災(zāi)的位置是隨機(jī)的，但進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐火分析時(shí)，火源位置的選擇應(yīng)能保證最不利情況下的隧道結(jié)構(gòu)安全?？紤]到本隧道頂部及部分靠近頂部的側(cè)墻均采用了滿足規(guī)范要求的耐火極限不低于2.00h的防火板作為防火內(nèi)襯進(jìn)行保護(hù)，本次結(jié)構(gòu)耐火分析研究的重點(diǎn)部位為設(shè)置防火裝飾板的側(cè)墻區(qū)域。

結(jié)合隧道建筑條件、防火內(nèi)襯布置方案、車輛可能的著火部位等因素，按照“可信最不利”原則，設(shè)計(jì)了以下2個(gè)火源位置：

火源位置A：火源位于上層車道，為行駛中的車輛發(fā)生火災(zāi)，并撞擊到路道邊緣，分析汽車著火對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

火源位置B：火源位于下層車道，為行駛中的車輛發(fā)生火災(zāi)，并撞擊到路道邊緣，分析汽車著火對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

2.2" 火災(zāi)最大熱釋放速率

火災(zāi)的熱釋放速率與火災(zāi)中可燃物的組分以及燃燒是否充分等諸多因素有關(guān)，火災(zāi)場景不同，其熱釋放速率也有所不同，因此火災(zāi)的熱釋放速率很難確定。目前國內(nèi)外對(duì)有關(guān)隧道不同車型火災(zāi)的熱釋放速率的研究也非常多，但是仍沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市地下道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.3條條文說明中列出的對(duì)各國不同類型車輛火災(zāi)熱釋放速率的調(diào)研情況，小汽車的火災(zāi)熱釋放速率為2.5～8MW，貨車的火災(zāi)熱釋放速率普遍為15MW。根據(jù)于年灝等人對(duì)國內(nèi)外公路隧道火災(zāi)設(shè)計(jì)規(guī)模的調(diào)查研究[3]，小汽車的火災(zāi)熱釋放速率為5～10MW，輕型貨車的火災(zāi)熱釋放速率為15MW。相關(guān)研究結(jié)果表明[4-5]，新能源小汽車的火災(zāi)熱釋放速率為4.2～7MW。

本次研究的隧道為小客車專用城市交通隧道，界限高度3.5m，主要通行車輛為小汽車，考慮到隧道內(nèi)可能會(huì)通行輕型貨車/面包車，將結(jié)構(gòu)耐火分析的火災(zāi)最大熱釋放速率確定為15MW。

2.3" 火災(zāi)增長速率

本次研究時(shí)，按照穩(wěn)態(tài)火考慮。

2.4" 設(shè)定火災(zāi)場景

針對(duì)結(jié)構(gòu)耐火性能評(píng)估的目的，結(jié)合隧道建筑條件并考慮隧道消防設(shè)施設(shè)置情況，依據(jù)最不利原則，分析確定了2個(gè)具有代表性的設(shè)定火災(zāi)場景，見表1。

3 分析模型的建立

采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulator）開展環(huán)境溫度模擬。

3.1" 物理模型

考慮小型貨車起火后向行車方向側(cè)邊停靠，由于存在防撞側(cè)石，貨車內(nèi)側(cè)與隧道側(cè)壁防火裝飾板外表面的水平投影距離為0.4m。參考小型貨車的通常尺寸，本次分析設(shè)定貨車的總尺寸為2.8m（高）×2m（寬）×6m（長），燃燒面設(shè)定為長方體，尺寸為2.4m（高）×2m（寬）×6m（長），距離地面0.4m。計(jì)算的隧道長度為80m，火源兩側(cè)各40m。

3.2" 網(wǎng)格劃分及環(huán)境溫度

采用非均勻網(wǎng)格劃分方法，在火源附近區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.1m×0.1m×0.1m，其他區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.2m×0.2m×0.2m。環(huán)境溫度假設(shè)為20℃。

3.3" 熱電偶布置

圍繞隧道的內(nèi)表面設(shè)置溫度測點(diǎn)，其中距火源最近的防火裝飾板（高2.1m）上共布置11個(gè)測點(diǎn)，從防火裝飾板頂部開始布置，每隔0.2m布置一個(gè)，最后1個(gè)距防火裝飾板底部0.1m。隧道內(nèi)測溫?zé)犭娕嫉牟季忠妶D2。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1" 數(shù)值模擬結(jié)果

各火災(zāi)場景穩(wěn)定后的隧道內(nèi)橫斷面溫度場示意圖見圖3。

各火災(zāi)場景穩(wěn)定后的隧道內(nèi)表面溫度隨環(huán)形距離的變化示意圖見圖4。

各火災(zāi)場景穩(wěn)定后的隧道內(nèi)火源附近防火裝飾板表面不同高度處溫度隨時(shí)間的變化示意圖見圖5。

4.2" 結(jié)果分析

4.2.1" A00場景結(jié)果分析

隧道內(nèi)汽車著火后，火焰觸及隧道頂部并形成頂棚射流。由于排煙系統(tǒng)未啟動(dòng)，煙氣在頂棚聚集并向隧道兩端蔓延，煙氣層主要聚集在防火裝飾板上部，即距離地面3.2m以上的位置。

由于受火焰沖擊，火源正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而減小，隨著距地面高度的增加而增加。

距防火裝飾板底部0.1m處的溫度不超過300℃；距防火裝飾板底部0.3～1.3m處的溫度在200～400℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過400℃；距防火裝飾板底部1.5～2.1m處的溫度在300～450℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過453℃。

火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為368℃，瞬時(shí)最高溫度為453℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃。

4.2.2" B00場景結(jié)果分析

隧道內(nèi)汽車著火后，火焰觸及隧道頂部并形成頂棚射流。由于排煙系統(tǒng)未啟動(dòng)，煙氣在頂棚聚集并向隧道兩端蔓延，在整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)，煙氣層主（下轉(zhuǎn)第27頁）（上接第12頁）要聚集在距離地面2.5m以上的位置。

由于受火焰沖擊，火源正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而減小，隨著距地面高度的增加而增加。

距防火裝飾板底部0.1～0.9m處的溫度在140～240℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過240℃；距防火裝飾板底部1.1～1.3m處的溫度在200～400℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過400℃；距防火裝飾板底部1.5～1.7m處的溫度在280～560℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過560℃；距防火裝飾板底部1.9～2.1m處的溫度在380～700℃內(nèi)震蕩，最高溫度不超過700℃。

火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為585℃，瞬時(shí)最高溫度為700℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃。

5 結(jié)論

本文對(duì)某雙層結(jié)構(gòu)城市交通隧道內(nèi)用于結(jié)構(gòu)耐火分析的火災(zāi)環(huán)境溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬分析研究，得到了該隧道典型部位火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)溫度場分布規(guī)律。研究結(jié)論如下：①在臨近隧道內(nèi)壁車道發(fā)生15MW的車輛（車輛距離防火裝飾板內(nèi)表面0.4m）火災(zāi)后，隧道壁內(nèi)表面附近的環(huán)境溫度呈不均勻分布，火源正上方的隧道頂棚溫度最高，溫度隨著距火源水平距離的增加而逐漸減小，隨著距地面高度的增加而迅速增加，臨近著火車輛一側(cè)的防火裝飾板范圍內(nèi)的溫度高于另一側(cè)。著火車輛頂部隧道壁內(nèi)表面的最高溫度超過1000℃，臨近著火車輛一側(cè)的防火裝飾板下沿處的溫度低于200℃，遠(yuǎn)離著火車輛的另一側(cè)防火裝飾板下沿處的溫度低于100℃。②在相同的火災(zāi)規(guī)模作用下，隧道內(nèi)距地面相同高度處的環(huán)境溫度因隧道幾何輪廓和尺寸的不同會(huì)具有較大差異。對(duì)于隧道上層，火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為368℃，瞬時(shí)最高溫度為453℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃；對(duì)于隧道下層，火源附近的防火裝飾板最高平均溫度為585℃，瞬時(shí)最高溫度為700℃，距地面2m高度以下的防火裝飾板最高溫度小于380℃。

參考文獻(xiàn)

[1]王超峰，劉文倩，耿忠揚(yáng)，等.大斷面盾構(gòu)隧道混凝土構(gòu)件的耐火試驗(yàn)研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2021，21（3）：1076-1083.

[2]覃甘毅.基于耐火性實(shí)驗(yàn)的隧道混凝土結(jié)構(gòu)性能分析[J].西部交通科技，2024（3）：163-166.

[3]于年灝，路世昌，黃益良.國內(nèi)外公路隧道火災(zāi)設(shè)計(jì)規(guī)模概述[C]//2021中國消防協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)年會(huì)論文集，2021.

[4]夏繼豪.純電動(dòng)汽車的火災(zāi)特性及熱釋放速率探討[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2021，21（3）：1028-1032.

[5]楊曉菡，張怡，鄧玲，等.鋰離子電池汽車全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)研究進(jìn)展綜述[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2024，43（1）：29-33.