吴贤国，方伟立，姜　洲，2，张立茂，刘文黎

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉　430074；2.湖南省安全生产监督管理局，长沙　410007)



基于公路隧道内车辆对火灾影响数值研究

吴贤国1，方伟立1，姜洲1，2，张立茂1，刘文黎1

(1.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉430074；2.湖南省安全生产监督管理局，长沙410007)

摘要：以武汉长江公路隧道为工程背景，利用FDS5.0数值模拟软件建立隧道实体模型，进行火灾数值模拟分析。研究不同火灾热释放率、车辆长度、火源车辆阻塞比以及附近车辆之间间距、附近车辆长度、附近车辆阻塞比6种因素下，隧道内拱顶温度和人平均身高Z=1.70 m处CO浓度的分布规律，并对这6种因素进行敏感性分析。结果表明：隧道的拱顶温度随着热释放率和阻塞比的增加而增加，随着着火车辆长度的增加而减小；Z=1.70 m处CO浓度随着火灾热释放率和车辆长度的增加而增大，随阻塞比的增大而减小；影响隧道火灾的主要因素是热释放率和车辆阻塞比，应有针对性地对这二种因素进行有效的管理。

关键词：公路隧道；热释放率；阻塞比；敏感性分析；火灾；拱顶温度；CO浓度

公路隧道作为城市交通建设的重要组成部分，是经济发展和社会进步的重要保障。国内外资料显示，公路隧道发生火灾的原因复杂多变，但大部分是隧道内车辆着火引起的，隧道内发生火灾会造成车辆拥堵，对火灾的蔓延产生影响。因此，如何有效地预防隧道内车辆着火是目前消防工程亟待解决的问题。

目前，国内外学者针对公路隧道火灾问题的研究已经形成了一些成果[1-3]，袁建平等[4]通过1/20小尺寸模型和全尺寸实验分析了纵向风速对拱顶温度场的影响，汤渊[5]结合全尺寸隧道火灾实验和FDS数值模拟，确定了火源高度对隧道内流场的影响，董永锋等[6]研究认为阻塞比越大，对隧道内温度分布影响越大，姜智彬[7]利用FDS得出了不同火灾场景下车辆引燃临界距离。本文基于前人研究成果的基础上，分析隧道内车辆发生火灾时，不同热释放率、车辆长度、车辆阻塞比以及火源附近车辆之间间距、车辆长度、车辆阻塞比这6种因素对隧道内温度场和浓度场的影响，同时，对6种影响因素进行了敏感性分析，确定每种影响因素的不确定性对火灾影响的程度，进而判断影响火灾的最不利因素，从而有针对性的为实际工程提供合理化建议。

1工程概况

以武汉长江隧道为工程背景，武汉长江隧道位于长江大桥、二桥之间，是万里长江隧道上的第一条穿江隧道，北接汉口大智路，南通武昌友谊大道(远期穿越沙湖与中北路衔接)，是解决主城长江交通的一条城市主干道。隧道工程全长3 440 m，为双孔4车道，隧道内采用纵向通风模式，同时顶部设有排烟通道。隧道平面布置和结构断面分别如图1和图2所示。

图2　隧道结构断面(单位：mm)

2隧道模型的建立

本文选取武汉长江隧道为模拟对象，为简化模型，建立矩形隧道火灾数值仿真模型，如图3所示。隧道尺寸为100 m×8 m×6 m，顶部和墙面均用耐火材料不小于2 h的不燃烧混凝土砌成。假定火灾发生区域在[45 m，60 m]处，划分网格时把隧道分成3段，中间一段计算网格较密，尺寸为0.1 m×0.1 m×0.1 m，左右两端网格较疏，为1.0 m×0.1 m×0.1 m。火源材料设置为煤油，由于燃油燃烧速度快，能够在较短时间内达到稳定值，因此假定火源为定常火源。隧道左侧为通风入口，根据Wu和Bakar[8]利用隧道小尺寸模型对临界风速的预测，通风速度为隧道火灾规模为5 MW时临界风速为2 m/s时的风速，环境温度和入口风流温度均为常温。

图3　隧道模拟计算模型(单位：m)

本研究对隧道内车辆对隧道火灾的影响进行数值模拟分析，主要从着火车辆和附近堵塞车辆这2个方面来考虑。一方面由于隧道火灾产生的高温烟气聚集在隧道的顶部，使得隧道顶部温度不断升高，当隧道顶部的温度升高到一定值之后，顶部混凝土将发生爆裂，钢筋在超过一定的温度后其强度会大大下降，这将可能引起隧道坍塌[9,10]；另外一方面CO浓度是影响人员逃生的主要因素[11,12]。因此，选取隧道火灾时拱顶最高温度和人体平均身高1.70 m处CO浓度为评价指标，对隧道内车辆对火灾的影响进行研究，以便指导隧道结构防火设计和火灾疏散[13-15]。

3影响因素确定与工况设定

3.1因素确定

火灾热释放率(Heat Release Rate，HRR)是隧道火灾设计最重要的参数之一，隧道内的温度、烟气生成量、热辐射、火灾通风、人员疏散等计算数据均以此为基础的，进而影响隧道的结构设计、设备选型、运营费用等。隧道内发生火灾，此时隧道内拥挤大量车辆，前人研究成果表明，拥挤车辆对隧道顶部纵向温度场和烟气浓度场的分布有影响，因此，考虑阻塞比和车辆长度这两个因素显得尤为重要。其中，隧道阻塞比φ指隧道内产生阻塞效应的车辆横截面积与隧道横截面积的比值。另外一方面，隧道内的车辆燃烧时，相邻的汽车很有可能受到周围辐射热而引燃，造成大规模连环火灾，对火灾过程中人群疏散相当不利，鉴于此，对隧道车距因素也做了进一步分析。针对以上分析，设定如下6种因素：着火车辆火灾热释放率、车辆长度、火源车辆阻塞比以及附近车辆之间间距、附近车辆长度、附近车辆阻塞比，旨在为隧道火灾下烟气控制及人员疏散策略提供理论依据。

3.2工况设定

本研究只对武汉长江公路隧道发生火灾时火源静态的情况进行模拟，并且着重考虑隧道拱顶温度和CO浓度的变化情况，基于以上因素分析，从着火车辆和附近非着火车辆二个方面分析。

(1)基于着火车辆的对烟气流动影响，设定如下3种工况：

①着火车辆有效尺寸为5 m×2.5 m×2.0 m，在不同火源功率(5，10，15，20 MW)下，在火源上游进行2 m/s的通风，计算时间为300 s；

②火源功率为15 MW，着火车辆阻塞比φ=0.130 2，在不同长度(5，10，13，15 m)的着火车辆下，在火源上游进行2 m/s的通风，计算时间为300 s；

③火源功率为15 MW，着火车辆有效长度L0=10 m，在不同车着火车辆阻塞比(0.104 2，0.130 2，0.156 3，0.182 3)下，在火源上游进行2 m/s的通风，计算时间为300 s；

(2)基于附近非着火车辆对烟气流动影响，设定如下3种工况：

①火源功率为15 MW，附近车辆阻塞比ξ=0.130 2，车辆有效长度L1=5 m，在不同车距(-10、-5，5，10 m)下，在火源上游进行2 m/s的通风，计算时间为300 s；

②火源功率为15 MW，附近车辆间距S1=5 m，附近车辆阻塞比ξ=0.130 2，附近车辆在不同有效长度(5,10，13 m，15 m)下，在火源上游进行2 m/s的通风，计算时间为300 s；

③火源功率为15 MW，附近车辆间距S1=5 m，车辆有效长度L1=5 m，附近车辆在不同阻塞比(0.104 2、0.130 2，0.156 3，0.182 3)下，在火源上游进行2 m/s的通风，计算时间为300 s。

4模拟结果与分析

4.1着火车辆的影响

(1)热释放率对隧道火灾影响(图4)

隧道内火灾高温烟气受浮力作用向上升起，并在纵向通风的作用下沿拱顶向下游流动扩散，在流动的过程中掺混冷空气和受围护结构的冷却，以及纵向通风的扰动作用使得烟气向下流动，充满整个隧道，影响了烟气的稳定分层流动，具体分析如下。

①隧道拱顶中心线处的温度分布趋势基本相同，左右两侧近似对称，随着火灾规模越大，隧道内拱顶温度越大，烟气回流越明显，但烟气回流长度幅度却随着火灾规模的增大而减小，在火灾规模为5、10、15、20 MW时，拱顶的最高温度均处于火源的正上方附近，最高分别为750、570、310 ℃和190 ℃。

② 随着火灾规模增大，烟气下沉量越大，CO浓度越高。这主要是因为火灾的规模越大，拱顶射流强度增大，烟气流速增大，从而烟气下沉量也越大。在火灾规模为5，10、15、20 MW时，人体身高Z=1.70 m处CO浓度的最高浓度值在火源附近，分别为10、8、5、4 mg/m3。

(2)车辆长度对隧道火灾影响(图5)

图4　不同热释放率下二种评价指标变化曲线

①随着车辆有效长度的增加，隧道拱顶最高温度减小，在长度分别为5、10、13、15 m时，拱顶的最高温度均处于火源的正上方附近，分别为600、350、305和300 ℃。当车辆长度为5 m时，烟气有明显回流，长度大于10 m时，烟气回流长度逐渐趋于平稳。

②随着车辆长度增大，CO浓度值越大，且最高浓度值均位于火源附近，分别对应的最高浓度值为35、29、20、3 mg/m3。

形成以上现象的原因主要是由于拱顶上方烟气速度改变的起始位置发生了变化，在车辆横截面积相同情况下，车辆长度越大，烟气速度的改变位置提前的越多，火源附近烟气的流场更加稳定，对顶层烟气作用越大，从而烟气回流的距离减小，烟气下沉量增大，导致CO浓度增大。

(3)车辆阻塞比对隧道火灾影响(图6)

①随着阻塞比增加，隧道拱顶最高温度增大，拱顶的最高温度顺火源下游方向偏移，阻塞比分别为0.104 2、0.130 2、0.156 3、0.186 3时，拱顶最高温度分别为720，430，350 ℃和280 ℃。当车辆阻塞比φ<0.156 3时，随阻塞比增大，烟气回流的距离增大，但增加的幅度在减小，而当阻塞比φ>0.156 3时，随着阻塞比增加，烟气回流距离减小。

图6　不同阻塞比下二种评价指标变化曲线

②在火源下游方向，随着阻塞比增大，高浓度烟气层的区域越窄，Z=1.70 m处CO浓度值降低，CO浓度值分别为11、20、2.5、1.5 mg/m3。

形成以上现象的原因是因为羽流到达顶篷时的速度不同所造成的，由火羽流理论可知，羽流垂直方向的速度随着羽流高度的上升的变化规律是先逐渐增大而后到达一定高度后再逐步减小。车辆阻塞比φ在0.156 3以下时，拱顶与火源之间的距离较大，位于羽流垂直速度的递减阶段，此时羽流到达顶层的速度随着车辆阻塞比的增加而增大，从而顶层射流也就越强，逆流距离也随之增大；而继续增大阻塞比时，隧道拱顶距火源的距离减小，此时处于羽流垂直速度的上升阶段，因此烟气到达顶篷时的速度较小，顶层射流较弱，逆流距离也就减小；由于火源功率没有发生变化，根据能量守恒，羽流区的温度将不断升高，从而拱顶温度增大。

4.2附近车辆影响

(1)车辆之间间距对隧道火灾影响(图7)

①当车辆位于火源上游时，增加车距对烟气回流距离无影响，火源上方烟气的倾斜角几乎为0；当车辆位于火源下游时，增加车距，烟气回流距离增大，但增加幅度随车距的增大而减小，同时，火源上方烟气倾斜角也在增大。车距分别为-10、-5、5、10 m时，拱顶最高温度均处于火源的正上方附近，且左右两侧温度对称，拱顶温度分别为510，518，540 ℃和630 ℃。

②车辆在火源上游方向时，增加车距对CO浓度无明显影响；当车辆在下游时，CO浓度值相比上游浓度值明显增大，但随着车距增大，Z=1.70 m处CO浓度增大幅度减小，对应的CO浓度值分别为3、3、4.5、5.5 mg/m3。

由于车距减小，火源附近的阻塞比随之增大，车辆上方的流速逐步增大，导致烟气逆流距离减小或向下风方向偏移。上游隧道内烟气主要受车辆下风方向的回流的影响，在该区域湍流强度大，火源处辐射散热加快，烟气蔓延迅速，从而使得烟气向上的速度减小，导致顶篷射流的强度减小，因此烟气回流距离减小，温度与烟气浓度均高于上风方向。

(2)车辆长度对隧道火灾影响(图8)

图7　不同车距下二种评价指标变化曲线

图8　不同车距下二种评价指标变化曲线

图9　不同车距下二种评价指标变化曲线

①随着附近车辆有效长度的增加，隧道拱顶最高温度小幅度增大，在长度分别为5，10，13，15 m时，拱顶的最高温度均处于火源的正上方附近，分别为550、560，570 ℃和630 ℃。当车辆长度小于13 m时，车辆长度增加，烟气回流长度增大；当车辆长度增大至13 m时，烟气回流长度逐渐趋于平稳。

②整个过程中，CO浓度最高值均位于火源上方附近，车辆长度小于10 m时，随着车辆长度增加，CO浓度值越大，当车辆长度为10 m时，CO浓度达到最大值为4.8 mg/m3，继续增大车辆长度，CO浓度降低。

(3)车辆阻塞比对隧道火灾影响(图9)

①隧道拱顶中心线处的温度分布趋势基本相同，左右两侧近似对称，附近车辆阻塞比对拱顶温度和烟气回流长度无明显影响，拱顶最高温度均为550 ℃左右。

②随着阻塞比增加，在火源下游方向，随着阻塞比增大，高浓度烟气层的区域越窄，Z=1.70 m处CO最高浓度值在增大，CO浓度值分别为2、3、4.5、5.8 mg/m3。

5因素敏感性分析

为了从众多不确定的影响因素中找出对火灾有重要影响的敏感因素，对以上的6种因素进行敏感性分析。通过计算因素对评价结果的敏感性程度，考察每种因素对火灾产生多大程度的影响，进而采用相应的控制措施，将火灾提前控制在可控范围之内。

为此，本文参考实际车辆尺寸，设定火灾规模为10 MW，车辆尺寸为5 m×2 m×2 m，车距为L1=10 m。假设第i个影响因素Xi(i=1，2，3，4，5，6)的实际值分别变化-15%、-10%、-5%、0，+5%、+10%、+15%时，对于最终评价结果也会发生变化，设其最后输出拱顶温度值为Ei(xj)，Z=1.70 m处CO浓度为Wi(Kj)。通过观察Ei(xj)、Wi(Kj)的波动变化，可了解到各因素指标对该火灾的敏感性，如表1和图10所示。

为了量化这种敏感性程度，本文采用标准值(Standard Deviation)来衡量各因素的敏感性，其中，第i个因素Xi(i=1，2，3，4，5，6)对拱顶温度和Z=1.70 m处CO浓度的敏感性分别用SM(Ei)、SM(Wi)表示，其计算公式如式(1)和式(2)所示；根据公式(1)和式(2)，计算因素敏感性如图10(c)所示。

(1)

(2)

其中：X1为热释放率，X2为火源车辆长度，X3为火源车辆阻塞比，X4为车辆间距，X5为附近车辆长度，X6为附近车辆阻塞比。

表1　敏感性计算

图10　因素敏感性分析

各因素的敏感性贡献度如表1和图10所示，可以看到6种影响因素中都存在一个敏感性贡献度明显高于其他影响因素的极度敏感因素。其中，热释放率(X1)对隧道拱顶温度的变动最为敏感，车辆长度(X2、X5)对隧道拱顶温度的敏感性次之；着火车辆阻塞比(X3)对隧道内CO浓度的变动最为敏感，热释放率(X1)次之，其余因素对其波动性不大。

因此，着火车辆阻塞比(X3)、热释放率(X1)以及车辆长度(X2、X5)是对隧道火灾安全状态敏感的因素，而其他因素的敏感性较弱。因此在对隧道火灾的安全管理中应重点控制这3个因素，对进出隧道车辆的尺寸大小进行范围控制，加强改善工作的针对性与有效性。

6结论

以武汉长江公路隧道为工程背景，利用FDS5.0分析了公路隧道内着火车辆与附近车辆对火灾的影响，得出以下结论。

(1)对隧道内着火车辆对火灾烟气的影响进行了数值模拟，分别模拟分析了不同热释放率、不同长度和不同阻塞比的着火车辆对隧道拱顶温度和CO浓度的影响。得出，隧道的拱顶温度随着热释放率和阻塞比的增加而增加，随着着火车辆长度的增加而减小；Z=1.70 m处CO浓度随着火灾热释放率和车辆长度的增加而增大，随着阻塞比的增大而减小。

(2)对隧道内火源附近的车辆对火灾烟气的影响进行了数值模拟，分别模拟了不同车距、不同长度和不同阻塞比的附近车辆对隧道拱顶温度和CO浓度的影响。得出，隧道拱顶温度随着车距和长度的增加而小幅度增大；Z=1.70 m处CO浓度随着车距和阻塞比的增大而增大，随着长度的增大先增加后减小。

(3)对隧道拱顶温度的变动最为敏感的因素是热释放率，车辆长度次之；对隧道内CO浓度的变动最为敏感因素是着火车辆阻塞比，热释放率次之，其余因素对其波动性不大。在火灾安全管理中，应重点关注这3个因素。

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收稿日期：2015-10-19； 修回日期：2015-10-30

基金项目：国家自然科学基金(51378235)；湖北省自然科学基金(2014CFA117)；武汉市科技计划(201334)

作者简介：吴贤国(1964—)，女，教授，主要从事工程项目管理、工程安全管理，E-mail：wxg0220@126.com。 通信作者：张立茂(1987—)，男，博士研究生，E-mail:limao_zhang@hotmail.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0089-06

中图分类号：U458

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.019

Numerical Simulation of Interaction of Fire and Vehicles in Road Tunnel

WU Xian-guo1, FANG Wei-li1, JIANG Zhou1，2, ZHANG Li-mao1, LIU Wen-li1

(1.School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2.Administration of Hunan work Safety，Changsha 410007，China)

Abstract：Based on the project of Yangtze River Highway Tunnel，numerical simulation is conducted using FDS5.0 to establish hypostatic tunnel model. The diffusing regularity of dome temperature and CO concentration at the height of 1.7 m during tunnel conflagration are investigated under the condition of different heat release rate，length of the vehicle，blockage ratio and the distance between vehicles，the length of the nearby vehicles，blockage ratio of the nearby vehicles. Meanwhile，this paper also analyzes the sensitivity of the above mentioned six factors. Results show that tunnel dome temperature increases with the increase of heat release rate and blocking ratio，and decreases with the increase of the length of fire-catching vehicle; concentration of CO increases with heat release rate and the length of the vehicle，and decreases with increasing of the blockage ratio. Heat release rate and blocking ratio are the two major factors affecting the fire，and more effective management of the two factors is required．

Key words：Road tunnel; Heat release rate; Blockage ratio; Sensitivity analyses; Fire; Dome temperature; Concentration of CO