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| 內容簡介： |
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《峡谷风作用下隧道火灾特性与烟气防控》较为详尽地介绍了作者多年来在峡谷风作用下隧道火灾发展特性及烟气防控方面的研究成果，内容主要包括隧道火灾及峡谷风的基本特点、隧道火灾研究方法、峡谷风作用下隧道内流场结构演化特征、峡谷风作用下隧道内火羽流行为、峡谷风作用下隧道内烟气流动特性、峡谷风作用下隧道火灾烟气控制方法等。
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目录前言第1章 概论 11.1 隧道火灾特性和防控方法 21.1.1 隧道火灾案例 31.1.2 隧道火灾发展特性 51.1.3 隧道火灾防控方法 61.2 隧道火灾研究进展 81.2.1 隧道火灾燃烧特性研究 81.2.2 隧道火灾温度场特性研究 91.2.3 隧道火灾烟气控制方法研究 101.3 峡谷风特性 121.3.1 峡谷风的成因及作用 131.3.2 峡谷风的特点 141.3.3 峡谷风与隧道火灾的联系 16参考文献 17第2章 隧道火灾研究方法 232.1 全尺寸试验 232.1.1 试验方法简介 232.1.2 应用实例 242.2 缩尺寸试验 272.2.1 相似准则 272.2.2 试验设计 282.3 数值模拟方法 342.3.1 计算机火灾模型 342.3.2 常用的数值模拟工具 36参考文献 47第3章 峡谷风作用下隧道内流场结构演化特征 503.1 模型建立与工况设计 503.1.1 数值模拟模型 503.1.2 网格*立性分析 523.1.3 工况设计 533.1.4 湍流模型与试验验证 543.2 峡谷风作用下隧道内流场特性 563.2.1 隧道内流场结构特点 563.2.2 隧道内流场结构形成机理 563.3 隧道横截面形状对隧道内流场特性的影响 583.3.1 隧道内速度分布 583.3.2 隧道内压力分布 633.4 隧道长度对隧道内流场特性的影响 653.4.1 隧道内流场结构特征 653.4.2 隧道内速度和压力分布 663.4.3 隧道内速度和压力的预测模型 713.5 峡谷风风向对隧道内流场特性的影响 723.5.1 隧道内流场测量结果 723.5.2 隧道内流场区域划分特点 753.5.3 隧道内气流速度分析 76参考文献 78第4章 峡谷风作用下隧道内火羽流行为 824.1 工况设计与试验现象 824.1.1 试验工况设计 824.1.2 典型火焰图像 844.2 峡谷风作用下隧道火灾燃烧速率 874.2.1 燃烧速率的计算方法 874.2.2 峡谷横风作用下燃烧速率的变化规律 884.2.3 峡谷风风向对燃烧速率的影响 914.3 峡谷风作用下隧道内火焰形态特征 974.3.1 火焰形态参数的计算方法 974.3.2 峡谷横风作用下火焰形态参数的变化规律 984.3.3 峡谷风风向对火焰形态参数的影响 102参考文献 106第5章 峡谷风作用下隧道内烟气流动特性 1095.1 烟气温度的测量和计算方法 1095.1.1 烟气温度的测量方法 1095.1.2 烟气温度的计算方法 1105.2 峡谷风作用下隧道内烟气水平蔓延特性 1115.2.1 峡谷横风作用下顶棚下方烟气温度纵向分布规律 1115.2.2 峡谷横风作用下烟气回流长度的变化规律 1185.2.3 峡谷风风向对烟气水平蔓延特性的影响 1245.2.4 峡谷风风向对烟气温度纵向分布规律的影响 1305.3 峡谷风作用下隧道内烟气竖向层化特征 1425.3.1 峡谷横风作用下烟气层温升纵向分布规律 1425.3.2 峡谷横风作用下烟气层厚度的变化规律 1555.3.3 峡谷横风作用下烟气层化特征 160参考文献 172第6章 峡谷风作用下隧道火灾烟气控制方法 1756.1 工况设计与试验现象 1756.1.1 试验工况设计 1756.1.2 试验现象分析 1766.2 峡谷横风与纵向通风耦合作用下隧道火灾燃烧特性 1776.2.1 燃烧速率的变化规律 1776.2.2 火焰倾角的变化规律 1826.2.3 火焰高度的变化规律 1876.3 峡谷横风与纵向通风耦合作用下隧道内烟气运动特性 1926.3.1 下游烟气蔓延长度的变化规律 1926.3.2 烟气回流长度和临界风速的变化规律 195参考文献 201
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第1章概论 我国幅员辽阔，地形类型复杂多样，其中山区地形十分广泛，山地面积约占国土面积的三分之一。近年来，在城市化进程不断推进以及隧道修建技术日益成熟等多重因素影响下，我国隧道工程建设已逐渐从平原地区过渡到高原和山区地带，海拔超过3000m的公路隧道不断涌现。公路隧道建设数量及长度能很好地反映公路交通建设的发展程度。截至2024年底，全国公路隧道28724处、3259.66万延米，比上年增加1427处、236.48万延米，其中特长隧道2261处、1032.87万延米，长隧道8047处、1410.18万延米[1]。2001～2024年我国公路隧道数量和总里程统计数据如图1.1所示，表1.1为2001～2024年我国长、特长公路隧道数量和长度统计数据(图1.1和表1.1中数据来源于2001～2024年交通运输部发布的《交通运输行业发展统计公报》)。 图1.1 2001～2024年我国公路隧道数量和总里程统计数据 1.1隧道火灾特性和防控方法 随着山区隧道建设数量的不断增多和建设规模的持续增大，隧道运营期中的交通安全问题也引发了人们的广泛关注。当隧道内发生意外事故时，往往容易导致较为严重的后果。一方面，隧道的幽闭环境容易引发人员逃生时的恐慌心理而产生不理智行为，导致推搡、踩踏等事件发生造成二次伤害；另一方面，隧道内的驾驶视线较差，且事故发生时可供避让的车道少，高速行驶的车辆容易导致二次事故发生，进而导致事故危害进一步加剧[2]。 按照交通事故类型进行分类，隧道交通事故可分为车辆追尾事故、车辆碰撞事故、车辆撞壁事故、火灾事故以及车辆侧翻事故。隧道火灾发生的频率不高，但一旦发生，往往极具破坏性，会对人员生命安全和财产安全造成极大威胁。 1.1.1 隧道火灾案例 隧道具有纵向长度长、横截面狭窄、出入口数量少等特点，又属于相对封闭的空间，人员疏散逃生困难，一旦发生火灾事故，其猛烈燃烧形成局部高温并产生大量有毒有害气体，容易导致隧道结构坍塌破坏、设备设施毁坏、人员大量伤亡、环境严重污染等严重后果，产生恶劣的社会影响[3-9]。 1.典型隧道火灾案例 1)1999年法国勃朗峰隧道火灾 1999年3月24日，位于法国与意大利交界处的勃朗峰隧道内一辆满载12t面粉和8t黄油的载重卡车突然自燃，30s内整辆车燃起了熊熊大火。无法控制的火势很快引燃了附近满载纸张、轮胎、塑料制品等物资的其他车辆，隧道内的温度很快飙升到1000℃以上，这场火灾持续了近55h，沥青路面烧成了灰土，浓浓黑烟充斥着整条隧道，隧道部分拱顶坍塌。图1.2为事故后隧道内的惨烈场景，勃朗峰隧道因此次事故关闭整修长达三年。 图1.2 1999年法国勃朗峰隧道火灾事故场景 2)2001年瑞士圣哥达隧道火灾 2001年10月24日，瑞士圣哥达隧道内两辆卡车相撞引起大火，火灾产生的烟气与高温导致消防车无法驶入进行扑救(见图1.3)，直到事故发生24h之后消防车才得以进入，火灾产生的上千摄氏度的高温将部分汽车熔解成一堆废铁，并造成约300m隧道拱顶坍塌。 3)2014年山西岩后隧道火灾 2014年3月1日，晋济高速公路山西晋城段岩后隧道发生了一起特别重大的道路交通危险化学品燃爆事故，事故发生的缘由是一辆铰接列车在隧道内未查明前方路况的情况下变道，追尾了一辆半挂危险化学品运输车，导致该车尾部的防撞设施及罐体卸料管损坏，大量甲醇泄漏至地面并起火燃烧，形成**起火点。甲醇流淌火迅速引燃了附近的6辆车，在高温烟气热对流和热辐射的作用下，距离**起火点184m的5辆运煤车也被引燃，形成第二起火点，并导致一辆装载二甲醚的铰接列车罐体受热超压爆炸解体。图1.4为事故后的场景。 图1.3 2001年瑞士圣哥达隧道火灾事故场景 图1.4 2014年山西晋济高速公路岩后隧道火灾事故场景 4)2019年浙江台州猫狸岭隧道火灾 2019年8月27日，G15沈海高速公路猫狸岭隧道中段位置，一辆载有皮革制品的重型半挂车轮胎发生自燃，并引发合成革货物瞬间燃烧，火势难以控制。快速发展的火灾释放大量有毒烟雾，造成隧道内浓烟积聚，并迅速向行车方向蔓延，导致隧道内80余辆汽车及100余人滞留。图1.5为事故处置和调查的场景。 图1.5 2019年浙江台州猫狸岭隧道火灾事故场景 2.事故原因分析 导致隧道内发生火灾的原因众多且较为复杂，但大致上可以从人员、车辆、隧道三个方面来进行分类[10-12]。 1)人员因素 在隧道幽暗狭窄的空间内，驾驶员容易产生不利于安全行车的心理作用：一是狭窄空间引起的边墙效应，驾驶员会不由自主地降低车速或向隧道中心靠拢行驶；二是隧道洞口内外的明亮度差异引起的黑洞效应，会造成驾驶员产生视觉障碍，难以辨识前方车辆和障碍物；此外，部分驾驶员存在疲劳驾驶、超速行驶、违章超车等行为，在以上各类不利因素的耦合作用下，驾驶员在行驶过程中容易发生车与车或车与隧道之间的摩擦碰撞，从而导致火灾事故发生。 2)车辆因素 车辆因素导致隧道内发生火灾的情况较多，主要可以分为三类：一是车辆自身发生机械故障引发火灾，如车辆引擎及电气线路短路起火、汽化器起火、传动系统起火、车辆漏油起火等；二是车辆保养不善引发火灾，如轮胎磨损较大，导致抓地力下降，造成车辆失控，从而发生碰撞引发火灾；三是部分货车运载容易起火的危险化学品或易燃易爆物品，由于货物自燃、车辆追尾相撞等原因发生火灾。 3)隧道因素 一方面，隧道的设计使用年限较长，而设备日常维护相对而言并不达标，在隧道内部湿度大、烟尘多的环境下，隧道内的电气设备、线路容易老化并产生故障，进而引发电气火灾。另一方面，部分隧道没有配置足够的消防设施，如消火栓、灭火器、火灾探测器、排烟风机等，因此在火灾发生初期，无法及时有效地抑制火势，从而错失最佳灭火时间，最终导致火灾不可受控地发展到极具破坏性的地步。 1.1.2 隧道火灾发展特性 与一般的建筑火灾相比，隧道火灾的发展特性较为特殊，主要表现在以下几个方面。 1.火源热释放速率大 隧道中*常见的可燃物是车辆，隧道火灾的热释放速率取决于着火车辆的类型、数量及其运载的货物类型。研究资料表明，一辆普通小型轿车燃烧的热释放速率为2～3MW，一辆小型客车燃烧的热释放速率为10～30MW，而一辆重型货车燃烧的热释放速率高达100MW以上[13-16]。当火灾由交通事故引起时，可能导致多辆汽车同时燃烧，此时热释放速率会进一步增大。 2.火灾蔓延速度快 隧道内一般布置有照明、通风、监控等设施设备，当隧道内火灾防控措施不到位时，火灾极易通过电线电缆等可燃物快速蔓延。移动的着火车辆也会进一步扩大火灾范围，加快火灾蔓延速度。再者，由于隧道特殊的狭长结构，一旦火灾发生，容易在隧道内形成烟囱效应，使火灾在纵向上迅速蔓延。此外，隧道火灾中产生的高温不完全燃烧产物在扩散过程中一旦与空气相遇，将会发生剧烈燃烧，进而引燃其他位置的可燃物导致火灾快速蔓延。 3.烟气温度高、浓度大、毒性强 由于隧道环境相对封闭，燃烧产生的高温烟气无法及时有效地排出隧道，造成隧道内热量积聚，不仅会烧毁隧道内的设备设施，还会对隧道的衬砌结构造成破坏，导致隧道结构的承载能力减弱甚至完全丧失。同时，可燃物燃烧会消耗大量的氧气，造成隧道内氧含量降低，导致可燃物发生不完全燃烧，产生大量有毒气体(如一氧化碳)，从而造成隧道内人员窒息、中毒甚至死亡。对于大部分建筑火灾，相较于火源燃烧及其产生的高温，有毒烟气对人员生命安全的威胁更大，建筑火灾中的罹难人员绝大多数是由于吸入了有毒气体而导致死亡。 4.被困人员疏散困难，消防救援任务艰巨 隧道是典型的受限空间，火灾发生后，隧道自身即是人员疏散的主要路径。隧道横截面小，疏散距离长，加上火灾发生时烟气对人员造成的身体伤害和心理刺激，比普通建筑火灾更易造成混乱拥挤，发生踩踏事故，从而造成二次伤害。隧道中车型多变，起火源与车载物品不确定，造成隧道火灾存在多样性和高度的不确定性。隧道出入口少，火灾发生于隧道内部时，事故现场有可能距离出入口较远，造成消防救援路线单一、距离长。隧道内空间狭窄，导致救援面窄，大型救援设备难以进入。消防救援路线与烟气流动、人员疏散方向冲突，增加了救援难度。火灾中产生的烟气浓度高，导致隧道内能见度低，救援人员无法迅速确定并接近起火点。往往隧道越长、交通量越大，发生火灾的概率就越大，火灾扑救和预防的难度也越大。 1.1.3 隧道火灾防控方法 为保证隧道的火灾安全，既要采取技术措施，又要加强安全管理。隧道火灾防治技术可分为主动性防治对策和被动性防治对策两大类。直接限制隧道火灾发生和发展的技术即主动性防治对策，如自动灭火技术、排烟技术等。提高隧道结构承受火灾破坏能力的技术为被动性防治对策，如结构防火技术、防烟技术等。在隧道防火安全设计时，要综合考虑各类消防技术的应用，对火灾防治做出总体规划。
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