隧道内不同间距双火源火灾试验及模拟研究

为了给隧道双火源事故中的人员疏散和应急救援提供参考,研究隧道内部双火源火灾条件下的燃烧行为和火场环境,搭建1∶10缩尺寸模型隧道,开展不同火源间距下的双火源油池火试验,研究燃烧速率、火焰形态和隧道内纵向温度分布;同时,采用PyroSim数值模拟的方法分析隧道内部双火源之间距底面高度0.1、0.15 m处的温度分布。试验结果表明：对于隧道内双火源火灾,燃烧速率受火源间距影响较大,当间距从2D(D为油盘边长)增加到8D时,燃烧速率从20.43 g·m^-2·s^-1下降至15.61 g·m^-2·s^-1,并逐渐接近单火源燃烧速率;燃烧过程中火焰相互倾斜,倾角会随着间距增加逐渐减小,由18.3°减小至13.7°。由于两火源之间相互限制,火源之间区域内的热量不断积聚,双火源间近顶板温度明显偏高;双火源外侧远端近顶板处纵向温度呈指数衰减规律,与单火源远端顶板温度分布规律保持一致,但温度衰减因子会随着双火源间距的增加逐渐变大。数值模拟结果表明：双火源之间温度分布呈现出凹形分布规律,随着距火源距离的增加,温度迅速下降,后逐渐保持稳定,但稳定区间内的温度仍然较高,会对人员造成伤害。双火源间距对火源之间的温度分布影响较大,随着间距增加,双火源之间的稳定温度逐渐下降,对人员疏散影响逐渐变小。双火源之间温度分布规律研究结果可为火灾初期被困人员的施救提供参考。     

公路隧道火灾疏散场景热释放率增长曲线选择

公路隧道火灾疏散场景分析中,火灾热释放率增长模式不同,逃生分析结果也会有所不同。火灾热释放率增长模型通常有4种：线性增长模型、平方增长模型、指数增长（燃料控制）模型和指数增长（通风控制）模型。论文通过对这4种增长模型以及国外大型公路隧道火灾试验进行统计分析,建议在公路隧道火灾疏散场景中采用平方增长的初始阶段火灾模型作为设计火灾模型,并给出了不同设计火灾的热释放率增长曲线。     

隧道火灾特性评估模型

本文提出了一个确定隧道火灾物理特性的半经验模型。传统上认为，火灾只是简单的与其热释放率有关，热释放率就是烟雾量与烟雾升温的乘积。但是．对于一个给定的火灾，这几个量值具有一定的关系，而且，火灾的规模是由热释放率决定的。本研究着眼于庚烷油池火灾．这种火灾在燃烧过程中只有一种燃烧物．而且容易根据油池大小来确定火灾规模。本文的主要目的是建立一个模型，根据给定庚烷油池直径，可以确定一组热释放率、烟雾量和烟雾温度的数据。通过对燃烧产物的分析，推导出了燃烧速率和掺气率的公式，并和一些国际推荐做了比较。     

火灾高温下盾构隧道衬砌结构热力耦合模型试验

为研究火灾高温下盾构隧道衬砌结构的热力耦合行为,利用自主研制的温度加载设备和衬砌管环外压加载设备,分别设计并开展整环衬砌结构的无外压受热模型试验和热力耦合模型试验。试验使用不考虑接头效应的钢纤维混凝土匀质管片。首先,介绍2种试验设备的原理、主要构造和各类参数;在此基础上,针对模型试验过程进行细致的说明。然后,通过对衬砌管片结构形式的分析确定试验的火灾加载工况;详尽描述不同试验的相关结果,重点分析衬砌结构内表面各处温度场的变化过程、分布情况、管片的变形结果及破坏模式。研究结果表明：温度加载设备和衬砌管环外压加载设备能够较好的满足整环衬砌热力耦合研究的模型试验要求;试验初期底部管片的升温速率相对顶部管片有所滞后,但各部分间的温差数值随加热的持续进行会逐渐减小,衬砌结构内部能够形成稳定的温度场;无外力作用下匀质管片的破坏形式表现为沿幅宽方向的贯穿裂缝,各管片结构的裂缝发展路径存在差异;衬砌管片由于外压作用产生的压应变随温度的升高而减小;外压荷载对衬砌结构在高温下产生的膨胀变形存在抑制效果。研究结果可为盾构隧道整环衬砌结构热力耦合研究的进一步发展提供参考。     

公路隧道火灾排烟临界风速模型试验与数值解析研究

临界风速是防止隧道火灾烟气回流的最小风速,因此是隧道烟气控制的重要参数.根据流体力学相似性原理建立了缩尺寸模型隧道,根据模型隧道的温度分布和烟气蔓延情况来模拟实体隧道的温度分布以及烟气蔓延情况,从而对不同隧道排烟模式下的临界风速等关键设计参数进行研究.并根据模型试验的结论,推导临界风速的解析公式,以便于工程应用.     

隧道内横向偏置火源火灾烟气温度特性全尺寸试验研究

为了研究隧道内火灾温度分布规律和烟气运动状态,使交通隧道火灾灾害降到最低,通过全尺寸隧道火灾试验研究了热释放速率为30 MW火源位于偏离横向中心位置一个车道宽度条件下的顶棚射流的烟气温度特征,分析了烟气在各阶段的温度分布以及沿横向和纵向扩散的规律。结果表明：在火源下游一定区域内,偏置火源火灾产生的烟气在沿隧道横向和纵向扩散温度分布均呈非对称形态;烟气继续沿纵向扩散一段距离后,逐渐出现和形成温度分层;偏置火源顶棚射流的温升趋势随时间呈二次多项式关系增长,远壁面烟气沉降高度和温度衰减幅值大于相应中心火源的试验值;与中心火源的相似,火源在下游30 m内的顶棚射流温升随纵向距离的增加符合指数衰减规律,但同时还受到偏置距离的影响;可使用量纲一的偏距与量纲一的纵向距离的函数关系式描述其分布规律。     

火灾模式下公路隧道竖井温度场分布试验研究

公路隧道发生火灾时,高温和热烟气对隧道威胁巨大,竖井的烟囱效应严重影响温度和烟气的扩散,目前对竖井内温度发展情况的研究甚少。为分析火灾发生后竖井内的烟流特性及温度场的分布规律,利用大比例模型试验,以秦岭终南山公路隧道为研究对象,考察了不同火源点位置、通风工况、火灾规模情况下竖井内温度场的分布规律,对分析其它长大公路隧道火灾时竖井内温度场的分布也有一定的借鉴意义。     

大跨桥梁油罐车燃烧火灾模型计算方法研究

桥梁上油罐车燃烧可分为油罐车火灾和燃油泄漏油池火灾2种,为了建立2种定量分析的火灾模型,基于火灾学原理,采用理论分析与FDS数值模拟相结合的方法,提出了考虑危化品种类、桥面风、油罐车尺寸等因素的油罐车火灾最大热释放速率定量计算方法;建立了燃烧油池最大直径、扩散时间以及直径扩大速度的求解方程,提出了可表征不同泄漏孔径下油池扩散、燃烧动态过程的数学模型,并通过前人的试验结果对模型的正确性进行了验证。通过对依托工程的分析,结果表明:油罐车火灾时,最大热释放速率与桥面风速正相关,但增长幅度逐渐减小,风速从4.96 m·s^-1增至10.84 m·s^-1时,最大热释放速率的变化范围为62.89~113.54 MW,随风速增加至10.84 m·s^-1,燃烧时间逐渐变短,缩短至原来的57%,火焰高度逐渐降低,趋近于9.5 m(含油罐车高度);火焰核心区域随风速增大而增大,且向下风向倾斜。泄漏油池燃烧时,泄漏孔径的变化对热释放速率和油池扩散时间影响较小;泄漏速率比接近于泄漏孔半径的平方比,油池最大直径比、扩大速度比与泄漏孔半径比相当,燃烧时间随泄漏孔半径的增大而减小,减小速度变缓;随着燃烧油池直径增大,火焰高度增加,火焰核心区域增大;当扩散至最大直径时,其火焰的水平影响区域比油罐车燃烧更广,但燃烧时间更短。     

纵向通风隧道火灾场景的选择

随着我国高速公路建设的飞速发展,长及特长公路隧道日益增多,发生在隧道中的火灾也越来越多,因此防火问题显得很突出。火灾场景及火灾发展的确定又是防火问题的关键,而我国在这方面的研究较少。在分析、总结国内外相关研究的基础上,对隧道火灾场景及火灾发展提出了一些看法。     

高地热环境隧道衬砌结构受力特征模型试验研究

随着我国交通事业的发展,深埋高地热条件下的长大隧道越来越多。地热温度不仅对衬砌结构的受力特征有影响,而且会影响隧道结构的耐久性,但目前国内对高地热环境下隧道力学行为的研究有限。针对以上问题,以拟建的高地热环境下的高黎贡山隧道为工程背景,采用室内相似模型试验,通过逐步改变温度的方式,得到不同温度下隧道衬砌结构各部分受力特征和变化趋势： 1）在地热温度作用下,隧道衬砌结构产生内力重分布,即在一定温度范围内,轴力基本随温度呈线性增长;弯矩总体上变化不明显,拱项部位弯矩随温度升高呈降低趋势,其他部分则呈相反变化趋势。2）衬砌结构的拱脚位置受温度影响最明显,应作为设计与施工时的重要控制部位。3）在温度荷载作用下,支护结构的整体安全储备（安全系数）明显降低。     

雨水作用下隧道塌方模型试验研究

采用模型试验方法,研究分析了Ⅳ级围岩条件下隧道开挖后,因降雨而引起的隧道塌方.试验结果表明,随着水的人渗,地表位移逐渐增加,隧道塌方前,地表位移增加趋势明显,塌方后,隧道侧壁垂直应力及水平应力减小,拱底垂直应力增大,且距隧道越近的测点应力变化幅度越大.     

公路隧道火灾情况下风压场变化的模型试验研究

公路隧道发生火灾时,对隧道安全构成威胁的是烟流和温度的扩散,而烟流和温度的扩散速度主要依赖于风流速度,影响风流速度的主要因素是风压。由于隧道火灾产生的烟流节流效应阻力、烟流摩擦阻力、烟流浮力效应的作用,使隧道内风压发生很大的变化,因此,研究风压的变化规律对救援和通风方案的制定有着极其重要的意义。     

高海拔公路隧道火灾烟气控制临界风速研究

为了探究高海拔与低海拔公路隧道火灾燃烧特性的差异,掌握高海拔隧道火灾烟气控制临界风速计算方法,给高海拔隧道防灾通风及人员疏散设计提供参考,建立1∶16的缩尺寸移动式水平模型隧道试验台,对海拔高度为504、3 297、3 544、4 103、4 446 m的5个地点开展隧道火灾热释放率试验研究,并采用三维数值计算方法和量纲分析,对不同海拔高度、不同火灾热释放率工况下水平隧道内烟气控制临界风速进行研究和分析。结果表明：在油盘尺寸相同的情况下,随着海拔高度的增加,火灾热释放率明显减小,燃烧时间显著增长,当海拔超过3 000 m时,高海拔地区隧道稳定段火灾热释放率仅为海拔504 m隧道火灾稳定段热释放率的60.9%。隧道火灾临界风速随着海拔高度的增加而增大,其表现出2种典型变化规律：火灾热释放率大于30 MW时,海拔高度对临界风速影响较小,同一火灾热释放率下,海拔5 000 m时隧道内临界风速较海拔0 m时提高了不到2%;火灾热释放率小于30 MW时,海拔高度对临界风速的影响显著增强,且随着热释放率的减小影响不断增大,当火灾热释放率分别为5.73、12.67 MW时,海拔5 000 m隧道内临界风速较海拔0 m时分别提高了26%和13%。基于高海拔隧道火灾热释放率及隧道火灾临界风速的变化规律,提出了典型双车道高海拔隧道火灾烟气控制临界风速的计算方法。     

在役岩溶公路隧道模型试验研究

以某高速公路某隧道为依托,在优选岩溶填充物、围岩和衬砌材料的相似材料的基础上,开展了几何相似比为1∶40的在役岩溶公路隧道室内相似模型试验,详细分析了对围岩土压力的分布规律和发展趋势,揭示了隧道岩溶处治后的隧道围岩和衬砌力学行为。试验结果表明:1重晶石粉、石膏粉、水泥按1∶12∶2的配比为胶结料,砂胶比3∶1,砂胶混合料水灰比1∶8,能较好的模拟Ⅴ级围岩;2在上覆岩层自重荷载作用下,以低于隧道围岩弹性模量的材料填充岩溶后,会导致填充材料产生比围岩更大的压缩变形,从而引起围岩土压力重分布和地表不均匀沉降;3当岩溶处在衬砌拱肩、拱腰和拱脚时,经处治后的岩溶仍对衬砌产生偏压的不利作用,需要引起高度重视。     

双连拱隧道围岩稳定性模型试验研究

本文结合广(州)惠(州)高速公路小金口双连拱隧道实际工程,利用相似模型在Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下,采用三导坑法、双导坑法和中导坑拓展法三种施工方法进行模型试验研究。得出最大的周边径向位移发生于拱顶, 其次为拱腰部位,径向位移收敛警戒值的范围不能超过10mm;从洞室的失稳特征分析,衬砌最容易在隧道边墙及中墙与衬砌搭接处出现裂缝;通过模型试验提出了连拱隧道在Ⅲ类围岩中采用中导坑拓展法施工,对围岩扰动较小,有利于隧道稳定。研究成果对双连拱隧道的设计与施工具有重要指导作用。     

隧道水灾害模型试验研究

针对隧道工程中出现的管涌、流砂以及隧道围岩中裂隙不同含水填充物的波速和介电常数的特性、二维探地雷达图谱缺点等对隧道水灾害的影响,采用模型试验、MATLAB编程可视化技术、Terzaghi和Taylor理论推导了管涌发生的准则.结果表明:隧道工程施工过程中,围岩裂隙保护层薄弱区最易发生水灾害;将二维探地雷达数据转化,构建三维图谱分析,其结果为复杂地质问题的雷达图谱解释提供了一种直观、可靠和准确性较强的处理方式,可判断裂隙的分布位置,裂隙填充物含水量大小以及渗水病害程度,也是防止施工过程中出现管涌、流砂、突水、涌水等灾害的有效手段,给隧道防排水设计和注浆提供了一定的依据,为同种类型的项目探测解释和病害评价提供了科学依据.     

水平隧道火灾通风纵向控制风速的合理确定

针对2种等宽度、不等高度的水平隧道模型,借助CFD技术分析了环境温度、火灾热释放强度、断面形状对临界风速的影响。选择断面水力高度为特征尺寸,获得2种隧道模型对应的量纲一的临界风速随热释放强度的变化关系,且其与缩尺模型试验及全尺度试验结果相比均具有较好的一致性;并基于CFD模拟结果,分析了Kennedy公式的不足。结果表明,大型隧道火灾通风纵向控制风速的确定过程中应避免使用Kennedy公式计算临界风速。     

隧道衬砌结构火灾工况下受力分析

通过参考国内外有关研究资料,并结合过往项目情况,对高速公路隧道内火灾特点及火灾对隧道衬砌结构的损害机理进行分析,并以洞内燃烧3h作为基本条件对隧道结构火灾工况下的受力情况进行分析,从而判定衬砌结构在高温后是否仍能满足适用要求。     

大跨度小净距公路隧道模型试验研究

文章针对国内新近出现的低跨比双洞八车道,依托相关实际工程,进行了室内模型试验和必要的数值模拟分析。主要研究了该类隧道近接时衬砌内力,洞周位移,接触压力随净距的变化规律,并且结合FLAC~(3D)进行数值模拟计算,与试验得到的各测点受力大小进行对比,阐述了规律形成的原因,分析了隧道净距改变对低高跨比双洞八车道衬砌结构和围岩的破坏特征影响,提出了相应建议,为以后类似工程提供一些参考。     

公路隧道火灾烟气沿程温度分布的合理确定

掌握火灾工况下隧道内烟气的温度分布规律,有利于制定有效的人员逃生方案并对隧道衬砌结构实施科学保护。基于火灾烟气流动特性分析,并根据能量守恒原理,从理论分析的角度分别得到烟气扩散区和火源区的烟气温度分布结果。结果表明,扩散区和火源区的烟气温度分布都受到烟气流速、隧道壁面温度、对流和辐射换热系数的影响;此外火源热释放率和烟气发生量也是影响火源区烟气温度分布的重要因素。