鄭衛(wèi)華，蔡龍成，劉勇

（江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

隧道建設(shè)不僅能夠克服高山峻嶺等自然障礙，還能縮短運(yùn)輸時(shí)間與成本，給公眾的出行提供便利，但由于隧道內(nèi)外環(huán)境差異較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、交通車輛多變，隧道內(nèi)的交通與火災(zāi)事故發(fā)生率逐漸上升。隧道火災(zāi)發(fā)生，不僅會(huì)破壞隧道結(jié)構(gòu)，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡[1]。

為深入探究隧道火災(zāi)自熄機(jī)理，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，采用縮尺試驗(yàn)方法建立隧道模型，對(duì)封堵障礙物與隧道壁面邊界對(duì)隧道火災(zāi)自熄的影響進(jìn)行分析[2-9]。

1 封堵障礙物對(duì)隧道火災(zāi)自熄的影響

為研究障礙物對(duì)隧道火災(zāi)自熄的影響，采用1∶20的縮尺隧道模型與甲醇燃料進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)縮尺隧道模型長(zhǎng)度為20.8m，分別在隧道內(nèi)對(duì)稱位置距離火源4m、6m、8m 和10m 的位置設(shè)置障礙物，障礙物的長(zhǎng)度為10cm、寬度為45cm、高度為15cm，封堵率為65%，分別模擬上部封堵（D）和下部封堵（U）情況，并設(shè)置無(wú)封堵障礙物進(jìn)行對(duì)比分析研究。試驗(yàn)過(guò)程中，為得到甲醇燃燒過(guò)程中的質(zhì)量變化，采用精度為0.01g 的天平將其放置在油盆下方進(jìn)行測(cè)量，采用熱電偶樹觀測(cè)隧道內(nèi)溫度的變化，研究煙氣的輸送特性，采用數(shù)碼攝像機(jī)和煙氣流場(chǎng)激光記錄儀觀察并記錄火源燃燒過(guò)程中火焰的形態(tài)和煙氣在隧道內(nèi)的蔓延過(guò)程。試驗(yàn)所采用的火源功率為5.6kW 和11.2kW，甲醇燃料在油盆中的燃燒時(shí)間約為30min，自熄時(shí)間為點(diǎn)火至火焰熄滅的時(shí)間間隔。障礙物布置見圖1，封堵障礙物的試驗(yàn)工況見表1。

表1 封堵障礙物的試驗(yàn)工況（封堵率65%）

圖1 封堵障礙物布置圖（單位：m）

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2.1 自熄時(shí)間

根據(jù)表1 可知，當(dāng)火源功率為5.6kW 時(shí)，設(shè)置上部封堵的隧道自熄時(shí)間分別為388s、485s、650s 和662s，相較于無(wú)封堵隧道的自熄時(shí)間均縮短，分別縮短46%、33%、11%和10%，由此可以看出當(dāng)封堵物離火源越近時(shí)，甲醇的自熄時(shí)間越短；當(dāng)火源功率為5.6kW 時(shí)，對(duì)于雙側(cè)對(duì)稱設(shè)置下部封堵的隧道自熄時(shí)間分別為475s、532s、712s 和716s，相較于無(wú)封堵的隧道自熄時(shí)間均縮短，分別縮短38%、27%、3%和2%，由此可以看出，當(dāng)封堵物離火源越近時(shí)，甲醇的自熄時(shí)間越短，相較于相同位置的上部封堵可以發(fā)現(xiàn)，采用下部封堵對(duì)甲醇的自熄時(shí)間影響較小。因此，當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)宜靠近火源位置設(shè)置上部障礙物。

當(dāng)火源功率為11.2kW 時(shí)，設(shè)置上部封堵的隧道自熄時(shí)間分別為232s、278s、320s 和320s，相較于無(wú)封堵和單側(cè)封堵的隧道自熄時(shí)間均縮短，分別縮短42%、31%、20%和20%，由此可以看出，當(dāng)封堵物離火源越近時(shí)，甲醇的自熄時(shí)間越短。當(dāng)火源功率為11.2kW 時(shí)，對(duì)于雙側(cè)對(duì)稱設(shè)置下部封堵的隧道自熄時(shí)間分別為257s、310s、384s 和370s，相較于無(wú)封堵和單側(cè)封堵的隧道自熄時(shí)間均縮短，分別縮短36%、23%、4%和8%，由此可以看出，當(dāng)封堵物離火源越近時(shí)，甲醇的自熄時(shí)間越短，相較于相同位置的上部封堵可以發(fā)現(xiàn)，采用下部封堵對(duì)甲醇的自熄時(shí)間影響較小。因此，當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)宜靠近火源位置設(shè)置上部障礙物。

1.2.2 火源燃料質(zhì)量損失速率

根據(jù)不同的試驗(yàn)工況繪制火源燃料質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化曲線（見圖2），根據(jù)圖2 可知，當(dāng)隧道無(wú)障礙物封堵處于開放空間狀態(tài)時(shí)，隨著燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)，火源燃料的質(zhì)量損失速率沒有下降的趨勢(shì)；而當(dāng)隧道有封堵物進(jìn)行封堵時(shí)，從圖2（a）和圖2（b）中發(fā)現(xiàn)火源燃料的質(zhì)量損失明顯下降，說(shuō)明隧道內(nèi)的甲醇燃燒均發(fā)生了自熄；當(dāng)障礙物離火源燃料越近，火源燃料的質(zhì)量損失率下降越快，說(shuō)明自熄更快。相比圖2（a）和圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)火源功率11.2kW 時(shí)質(zhì)量損失率停止時(shí)間明顯比5.6kW 的少，說(shuō)明火源功率越大，自熄時(shí)間越短。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)在火源燃料資料損失率下降前燃料的質(zhì)量損失率基本保持一致，說(shuō)明障礙物的封堵距離與火源燃料質(zhì)量損失率的大小無(wú)關(guān)。

圖2 不同火源功率的質(zhì)量損失速率

1.2.3 火源處煙氣濃度

根據(jù)不同的火源功率繪制火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度變化圖（見圖3）。

根據(jù)圖3（a）和圖3（b）可知，火源處的氧氣濃度隨著甲醇燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)在逐漸減小，并且可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)障礙物距離火源越近，氧氣濃度下降越快，火源越快發(fā)生自熄，自熄的時(shí)間越短；當(dāng)隧道無(wú)封堵時(shí)氧濃度下降的斜率最小，有封堵物時(shí)隨封堵物距火源的距離越遠(yuǎn)，氧濃度下降斜率越小。

根據(jù)圖3（c）和圖3（d）可知，火源處的二氧化碳濃度隨著甲醇燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)在逐漸增加，并且可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)障礙物距離火源越近，二氧化碳濃度增加越快，濃度越高；當(dāng)隧道無(wú)封堵時(shí)二氧化碳濃度增大的斜率最小，有封堵物時(shí)隨封堵物距火源的距離越遠(yuǎn)，二氧化碳濃度增加斜率越小。說(shuō)明封堵能夠加快火災(zāi)的自熄。

綜上所述，隧道障礙物上部封堵比下部封堵對(duì)隧道產(chǎn)生的自熄效果更明顯，能縮短隧道火災(zāi)的自熄時(shí)間，并且當(dāng)封堵障礙物距火源越近，隧道自熄的時(shí)間越短，對(duì)火災(zāi)和煙氣的控制效果更好。

2 壁面邊界對(duì)隧道火災(zāi)自熄的影響

為研究壁面邊界對(duì)隧道火災(zāi)自熄的影響，分別設(shè)置防火玻璃隧道1 和防火板隧道2 來(lái)研究壁面的傳熱性能對(duì)火災(zāi)自熄特性的影響。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)縮尺隧道模型長(zhǎng)度為20.8m，在試驗(yàn)期間對(duì)火災(zāi)的自熄時(shí)間、質(zhì)量損失速率和煙氣濃度等特征參數(shù)進(jìn)行采集，壁面邊界的試驗(yàn)工況如表2 所示。

表2 壁面邊界的試驗(yàn)工況

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 自熄時(shí)間

根據(jù)表2 可知，對(duì)于隧道1，隧道壁面采用防火玻璃時(shí)，當(dāng)火源的功率為5.6kW、11.2kW 和16.8kW 時(shí)隧道均會(huì)發(fā)生自熄，自熄的時(shí)間分別為734s、401s 和297s，可見隨著火源功率的增大，隧道的自熄時(shí)間越短，環(huán)境的溫度也逐漸降低。

對(duì)于隧道2，隧道壁面采用防火板時(shí)，當(dāng)火源的功率為5.6kW、11.2kW 和16.8kW 時(shí)隧道均會(huì)發(fā)生自熄，自熄的時(shí)間分別為738s、393s 和297s，可見隨著火源功率的增大，隧道的自熄時(shí)間越短，環(huán)境的溫度也逐漸降低，但對(duì)于火源功率為17.9kW 和17kW，二者隧道內(nèi)的環(huán)境溫度相近。

對(duì)于隧道2*，隧道壁面采用防火板并且采用線香監(jiān)測(cè)煙氣流場(chǎng)時(shí)，當(dāng)火源功率為2.8kW 時(shí)，隧道也未能發(fā)生自熄現(xiàn)象；當(dāng)火源的功率為5.6kW、11.2kW 和16.8kW 時(shí)隧道均會(huì)發(fā)生自熄，自熄的時(shí)間分別為729s、397s 和298s，可見隨著火源功率的增大，隧道的自熄時(shí)間越短，環(huán)境的溫度變化不大。

對(duì)比隧道1 與隧道2 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隧道內(nèi)的火源功率相同時(shí)，不同隧道壁面邊界材料組成的隧道自熄時(shí)間相近。例如，當(dāng)火源功率均為11.2kW 時(shí)，隧道1的自熄時(shí)間為393s，而隧道2 的自熄時(shí)間為397s，說(shuō)明不同傳熱系數(shù)的隧道壁面對(duì)火災(zāi)自熄時(shí)間影響很小。對(duì)比隧道2 和隧道2*可以發(fā)現(xiàn)，相同功率情況下的隧道自熄時(shí)間大致相似，并且均隨火源功率的增大而逐漸縮短，說(shuō)明在隧道內(nèi)線香的使用不影響火災(zāi)的自熄時(shí)間。

2.2.2 火源燃料質(zhì)量損失速率

根據(jù)不同的試驗(yàn)工況繪制火源燃料質(zhì)量損失隨時(shí)間的變化曲線（見圖4）。

圖4 不同火源功率的質(zhì)量損失速率

根據(jù)圖4（a）可知，當(dāng)隧道的火源功率為2.8kW時(shí)，在開放空間、隧道1 和隧道2 內(nèi)甲醇燃料的質(zhì)量損失速率隨燃燒時(shí)間的增加逐漸增大，但隧道2 的火甲醇燃料質(zhì)量損失速率相比隧道1 和開放空間隧道要高。

根據(jù)圖4（b）可知，當(dāng)隧道的火源功率為5.6kW時(shí)，開放空間、隧道1 和隧道2 內(nèi)甲醇燃料的質(zhì)量損失速率隨燃燒時(shí)間的增加逐漸增大；未發(fā)生自熄前時(shí)，質(zhì)量損失速率分別0.25/s、0.30g/s 和0.25g/s，當(dāng)隧道發(fā)生自熄時(shí)，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料質(zhì)量損失速率迅速下降，而開放空間的燃料質(zhì)量損失速率因未能發(fā)生自熄依舊在增大。

根據(jù)圖4（c）可知，當(dāng)隧道的火源功率為11.2kW時(shí)，開放空間、隧道1 和隧道2 內(nèi)甲醇燃料的質(zhì)量損失速率隨燃燒時(shí)間的增加逐漸增大；未發(fā)生自熄前時(shí)，質(zhì)量損失速率分別0.50/s、0.55g/s 和0.50g/s，當(dāng)隧道發(fā)生自熄時(shí)，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料質(zhì)量損失速率迅速下降，而開放空間的燃料質(zhì)量損失速率因未能發(fā)生自熄依舊在增大。

根據(jù)圖4（d）可知，當(dāng)隧道的火源功率為16.8kW時(shí)，開放空間、隧道1 和隧道2 內(nèi)甲醇燃料的質(zhì)量損失速率隨燃燒時(shí)間的增加逐漸增大；未發(fā)生自熄前時(shí)，質(zhì)量損失速率分別0.70/s、0.90g/s 和0.75g/s，當(dāng)隧道發(fā)生自熄時(shí)，隧道1 和隧道2 的甲醇燃料質(zhì)量損失速率迅速下降，而開放空間的燃料質(zhì)量損失速率因未能發(fā)生自熄依舊在增大。

2.2.3 火源處煙氣濃度

根據(jù)不同的火源功率繪制火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度變化圖（見圖5）。

圖5 不同功率煙氣濃度

根據(jù)圖5（a）可知，對(duì)于火源功率為2.8kW 時(shí)兩個(gè)隧道的氧氣濃度持續(xù)下降但氧氣的濃度值保持在16%，火焰未發(fā)生自熄；根據(jù)圖5（b）可知，火源在自熄前火源處的氧氣濃度呈現(xiàn)線性下降，自熄時(shí)隧道1 的氧氣濃度約為15.4%，隧道2 的氧氣濃度約為14.4%；根據(jù)圖5（c）可知，火源在自熄前火源處的氧氣濃度呈現(xiàn)線性下降，自熄時(shí)隧道1 的氧氣濃度約為14.6%，隧道2 的氧氣濃度約為13.6%；根據(jù)圖5（d）可知，火源在自熄前火源處的氧氣濃度呈現(xiàn)線性下降，自熄時(shí)隧道1 的氧氣濃度約為15.6%，隧道2 的氧氣濃度約為13.6%；對(duì)比能發(fā)現(xiàn)隧道2 與隧道1 火源處氧氣濃度發(fā)現(xiàn)，隧道2 的氧氣濃度下降更快，極限氧氣濃度值也更小，說(shuō)明隧道壁面邊界會(huì)影響火源處的氧氣濃度，采用防火板這種絕熱壁面向環(huán)境傳熱的能力弱，不僅能加快火源的燃燒還能消耗大量氧氣，加快火災(zāi)的自熄時(shí)間。

根據(jù)圖5（i）～圖5（l）可知，火源處的二氧化碳濃度逐漸升高，并且發(fā)現(xiàn)隧道2 的二氧化碳濃度增長(zhǎng)率更大，由此可見絕熱壁面在降低氧氣濃度的同時(shí)能加速二氧化碳的生產(chǎn)，并且當(dāng)火源功率越大時(shí)，二氧化碳生產(chǎn)的量越多，自熄時(shí)間越短。

綜上所述，隧道的火災(zāi)的自熄時(shí)間與隧道壁面邊界無(wú)關(guān)，但火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度受壁面邊界的影響，當(dāng)隧道壁面為防火板壁面時(shí)，能加快氧氣的消化率，增加二氧化碳的生成量。

3 結(jié)論

第一，障礙物上部封堵時(shí)對(duì)隧道產(chǎn)生的自熄效果比下部封堵更有效，隧道火災(zāi)的自熄隨封堵物距火源的距離越遠(yuǎn)，自熄時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)火災(zāi)和煙氣的控制效果更差。

第二，隧道的火災(zāi)的自熄時(shí)間與隧道壁面邊界無(wú)關(guān)，但火源處的氧氣濃度和二氧化碳濃度受壁面邊界的影響，當(dāng)隧道壁面為防火板壁面時(shí)，能加快氧氣的消化率，增加二氧化碳的生成量。