钢壳沉管隧道耐火极限标准与防火保护技术研究——以深中通道沉管隧道为例

为提高我国超大断面钢壳沉管隧道火灾防控水平,以深中通道海底沉管隧道为例,采用热力耦合模拟和材性试验等方法开展钢壳沉管隧道耐火极限标准研究,考虑到龙骨、拼缝等防火构造薄弱环节,进行管节结构和管节接头耐火试验,并提出相应的防火保护技术方案。主要结论如下:1)管节结构的耐火极限标准为火灾时,应将结构内侧钢壳最高温度控制在300℃以内;2)OMEGA橡胶管节接头的耐火极限标准为OMEGA橡胶超过70℃的时间小于2 h,超过100℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150℃;3)GINA橡胶管节接头的耐火极限标准为GINA橡胶超过100℃的时间小于1 h,且最高温度不得超过150℃;4)管节结构可采用35 mm单层防火板L型拼缝,对接面涂热膨胀胶;5)管节接头可采用35 mm防火板+50 mm陶瓷纤维毯双层防火保护体系,龙骨自由端取500 mm,拼缝处采用防火胶封堵。

基于实体试验的电缆隧道中间接头区域防火措施研究

为测试实际隧道中的中间接头区域的防火措施效果,进一步优化配置,设计点火装置和数据采集系统,利用一条待投运的电缆隧道开展实体火灾试验,通过监测图像和数据分析中间接头区域燃烧的火灾发展情况,然后对不同配置下的防灭火效果进行测试分析。结果表明:模拟中间接头击穿破裂故障下的燃烧,温度高且容易产生滴落熔融物,现有防护措施下故障接头周边电缆仍可能受到损伤。优化配置措施为:在中间接头区域上下层都加装防火隔板;在中间接头所在的最上一层支架距电缆接头中心线两侧1 m处各安装一个4 kg的超细干粉灭火装置;对电缆中间接头两侧4 m范围内电缆绕包防火包带,可有效防护中间接头区域火灾。

基于试验与模拟的隧道火灾移动风机应用研究

在尺寸为96.0 m×2.0 m×2.5 m的隧道内进行了2种工况下的火灾试验,分析了移动风机纵向排烟的风量推算方法,并利用PyroSim建立了全尺寸模型进行数值模拟验证。试验与模拟数据表明:无纵向送风时烟气层特征高度分别为0.60,0.64m;在送风工况下,试验中风机出口风量为9 798 m3/h,推算的全尺寸模型风机风量为117 576 m3/h,烟气逆流距离基本一致,分别为8.0,6.0 m,验证了推算方法的正确性。同时对风机形成的纵向气体流量进行了对比,结果表明:试验隧道中,风机营造纵向风流的能力更强。在隧道火场排烟训练过程中,可以根据推算的风量数据,判断训练是否达到预期目的。

钢壳混凝土管节高温破坏机制及防火保护技术研究

钢壳混凝土组合结构是未来巨型沉管隧道的发展方向,但其耐火性能基础研究不足,结构防火设计在方案确定、参数选择等方面缺乏依据。首先通过开展热-力耦合作用下大比例尺物理模型试验,揭示钢壳混凝土管节火灾高温破坏机制,论证结构防火保护的必要性,进而提出钢壳混凝土管节防火保护方案,并通过足尺试验对方案的有效性与可靠性进行验证。研究结果表明:1)火灾高温下管节结构内部温度分布不均匀,竖直方向、水平方向存在的温度梯度在结构内部产生热应力。2)热-力耦合作用下钢壳混凝土管节宏观损伤明显,主要表现为结构变形、表面裂纹产生与扩展、钢材屈服与局部混凝土颜色改变,且荷载越大损伤越严重,结构耐火极限越短。3)钢壳混凝土组合结构变形与火灾温度密切相关,升温阶段位移随温度的升高而增大,恒温阶段位移基本保持恒定,降温阶段位移逐渐恢复。4)结构内部损伤情况与荷载密切相关,当荷载较低时结构变形较小且随火灾温度的降低有所恢复,部分变形不可逆;当荷载较高时,结构在10min左右发生破坏,整个过程呈脆性破坏模式。5)厚度为22.0mm以上的硅酸钙防火板能够有效减少热量向结构传递,使钢壳温度低于临界温度;防火板保护下,受火后的结构表面不存在明显表观损伤;防火板在整个受火过程中结构完整。钢壳混凝土管节防火板设计方案安全可靠。

基于正交试验的隧道火灾影响因素研究

为了探究通风风速、火源位置和火源功率等因素对隧道火灾的影响,通过正交试验法对隧道火灾工况进行设计,并利用FDS进行数值模拟。将模拟结果中的温度、CO浓度和能见度作为分析指标,研究3种因素对隧道火灾的影响效果。结果表明:隧道内烟气温度和能见度是影响人员疏散的重要因素,其中最危险的火灾工况为通风风速为2 m/s、火源功率为10 MW以及火源位置偏移3.5 m。此外,各因素间的相互作用能够导致相似的后果。正交试验分析发现各因素对隧道火灾的影响顺序依次为通风风速、火源功率、火源位置。

基于高压电缆燃烧试验的电缆隧道末端火灾模拟

为研究地下电缆隧道火灾的具体危害性,首先通过锥形量热仪对高压电缆进行燃烧试验,然后将试验所得数据代入FDS仿真软件,对地下电缆隧道末端的电缆火灾进行模拟验证,研究电缆隧道末端火灾的火势发展及烟气扩散、能见度变化、CO生成量、温度变化等的规律。结果表明:电缆隧道末端火灾前期的大量烟气来自高压电缆的阴燃阶段,烟气的蔓延速度极快;由于浮升力的作用,在电缆隧道高度方向上的温度呈上升趋势;电缆隧道内的烟气温度和CO含量的峰值并不在火源位置处,而是距火源有一定的距离;越靠近电缆隧道末端,其温度和CO含量越低。

透射式隧道火灾预警装置的光学设计研究

目的:针对目前我国隧道火灾预警装置存在的漏报问题,设计了一种基于光电技术的透射式隧道火灾预警装置。方法:设计了装置的光学结构及上位机软件,运用光学衰减片模拟大气消光验证装置的可靠性,并进行模拟烟雾测试实验。结果:连续两天的实验测试结果表明,衰减片测量曲线的线性度较高,k值的差别分别为1.84%和1.57%,试验系数R 2都接近于1且差距均为0.01%。验证装置性能后,在实验室环境下通过改变雾量大小模拟汽车尾气与火灾烟雾两种场景,人机交互界面运用Mann-Kendall趋势检验算法判断两种场景下的消光系数变化趋势。模拟实验结果表明,针对两种场景人机交互界面呈现了不同的预警状态,基本达到了设计的预警功能。结论:经过测试,该系统可以实现长期在线精准监测,具有成本低、预警及时、结构简单等优点,可广泛应用于铁路、公路隧道的火灾监测。

隧道火灾不同CFD模型的对比分析及试验验证

为筛选出适用于隧道火灾模拟、科学经济的CFD(Computational Fluid Dynamics,计算流体动力学)模型,为复杂结构的隧道内发生火灾时的数值模拟提供科学参考,基于Heskestad羽流理论,提出传质体热源模型。使用FLUENT软件对比不同物理模型、燃烧模型等的计算结果,并开展缩尺试验进行验证。结果表明,不扩大计算域可能造成顶棚下方温度的不对称分布,而隧道两端扩大的计算域能够消除不合理的边界条件对隧道内温度场的影响。布辛涅斯克(Boussinesq)近似理论假设空气物性不变,但实际上空气的热扩散系数会随着温度的升高而提高,因此使用布辛涅斯克近似的原则得到的温度与实际差异较大。提出的传质体热源模型能够较准确地预测隧道顶棚下方的最大温度,案例的计算误差在10%以内。然而,该模型没有考虑壁面对流散热和空气卷吸的情况,因此在一定程度上高估了纵向温度分布。

全尺寸隧道火灾实验研究与烟气逆流距离的理论预测

在建成的隧道中实施全尺寸火灾试验,得到隧道火灾自然通风模式下的烟气温度纵向变化数据和纵向蔓延情况。用OriginPro7.5软件对实验数据进行处理、拟合,得到3次实验的烟气逆流的顶棚射流温度随着离开火源距离纵向衰减规律,建立了计算烟气逆流距离的预测公式。根据隧道实体火灾实验的测量结果与理论模型的预测结果的对比,验证了理论模型的有效性,为市政公路隧道建设采用自然通风模式提供科学依据。

铁路隧道火灾烟气逆流的计算模型

通过理论分析结合经验公式,构建铁路隧道火灾烟气逆流距离的计算模型。建立长为52.5 m、内径为1.1 m、缩尺寸(1:9)的实验模型隧道。设定了7个隧道坡度、4个纵向风速,用以模拟实际隧道火灾场景,获得不同坡度和不同通风情况下烟气逆流距离的变化。实验结果表明:隧道坡度及通风速度对烟气逆流距离具有明显影响。通过模型隧道火灾实验的测量结果与计算模型的预测结果的对比,验证了计算模型的有效性,可为铁路隧道防灾通风设计提供依据。

公路隧道火灾温度场的分布规律研究

隧道火灾随着通风风速和火灾规模不同 ,其温度场也发生了变化 ,本文对五种不同风速下的三种火灾规模进行了试验 ,研究了火区内和火区下游最高温度的变化规律、温度随时间的变化规律、温度沿隧道纵向分布规律、温度沿隧道横断面分布规律等 ,这对公路隧道防灾减灾设计有现实的指导意义。

隧道火灾研究现状综述

简述了隧道火灾的特点、危害性及其烟气控制方法,回顾了国内外对隧道火灾的研究现状,着重介绍了隧道火灾热释放速率、纵向通风的临界风速方面的试验研究成果,并介绍了火灾时隧道内烟气流场、温度场的数值模拟,以及应用于地铁的环境模拟计算程序SES。最后,提出了在隧道火灾及其烟气控制方面今后需要研究的几个问题。

火灾时隧道内烟流流动状态试验研究

通过大比例火灾模型试验,研究火灾时隧道内烟流流动状态、烟流速度变化以及通风对烟流流动状态的影响。试验模型隧道长100m,内径1.8m。火源采用燃烧床盛放油料模拟,试验中设定了A、B、C三个火灾规模用以模拟实际隧道火灾场景。试验结果表明,点火后,隧道内火区、火区下游烟流速度在2～8min内增加很快,明显大于点火前风速,且其增幅随通风风速、火灾规模的不同而变化。同时,随着火势的逐渐减弱隧道内烟流速度也逐渐减小,并趋于初始风速。试验结果建议对于一般的限制或禁止油罐车通行的隧道,火灾时,隧道内应尽快建立起2～3m/s的纵向风流以抑止烟气的逆流。

实体隧道火灾温度分布试验研究

建立实体隧道火灾现场试验系统及数据采集系统,通过在岩门界隧道开展的实体隧道火灾试验,测试了不同通风模式、不同火灾工况下隧道火源上、下游不同断面处的温度变化及隧道拱顶的温度变化。试验结果表明,与车行方向相同的1.8m/s机械通风能在一定程度上延缓烟气蔓延;有与车行方向相反的自然风时,火源下游温度较低,最高温度出现在火源上游;有机械通风时,温度随风向、风速而变化。

隧道火灾拱顶附近烟气最高温度的研究

为了研究顶部开口的城市隧道在采用自然通风模式下的火灾特性,在已建成的隧道中设计并实施了全尺寸火灾试验,得到了隧道火灾自然通风模式下的拱顶附近烟气最高温度纵向变化数据。通过实验数据与理论预测结果对比的方法验证了H.Kurioka等人建立的隧道火羽流模型及其计算公式的可靠性,为市政公路隧道建设提供了科学依据,为隧道火灾的研究及其消防工作提供理论指导和有益借鉴。

高海拔铁路隧道火灾燃烧特性试验研究

采用火灾模型试验的研究方式,在高海拔特长铁路隧道——关角隧道(32.645 km)的斜井内进行火灾燃烧的全尺寸模型试验,测得不同火灾规模条件下隧道内温度和烟气分布,通过分析试验结果,得到高海拔隧道火灾的燃烧特性。研究结果表明:隧道拱顶处温度高于隧道中心线附近温度;火源附近温度最高,隧道内各位置温度随着距火源点距离增加而降低;纵向风速对隧道内烟气分布有重要影响,火源下游温度高于上游温度。结合试验的分析结果,就高海拔隧道火灾防灾救援设计提出建议。

秦岭特长公路隧道火灾试验研究

特长公路隧道发生火灾,扑救困难,易造成严重损失,是影响隧道安全运营的一个关键因素。借助大比例火灾模型试验,系统研究了火灾时隧道内温度随时间的变化,最高温度与通风风速、火灾规模的关系,提出了火灾阶段划分和隧道火灾的预防救援措施,并将研究成果应用于18 km长的秦岭终南山特长公路隧道防灾工程。

长大公路隧道火灾温度场分布试验研究

为了掌握长大公路隧道内的火灾行为,提升秦岭特长公路隧道的火灾安全性,进行了火灾时隧道内温度场的纵向、横向分布规律及温度场扩散范围的大比例(1:6)火灾模型试验.模型隧道内径为1.8m,长100m.隧道内的风速在10m/s范围内.试验中设定了3个火灾规模用以模拟实际的隧道火灾场景.试验中隧道内烟流温度通过CAN数据采集系统自动记录.试验结果表明,横向温度分布呈现拱顶最高,拱腰、边墙次之,底部最低的规律.对纵向温度分布而言,火区温度最高,随着远离火区温度逐渐降低.火灾规模及通风速度对温度分布及温度扩散范围具有明显的影响.随着火灾规模的增大,隧道内各点烟流温度及影响范围均增大.而随着通风速度的增大,温度扩散范围增大,火区最高温度降低,隧道内温度分布趋于均匀.此外,根据试验成果对结构防火措施、设备布置方案、火灾时通风风速的设定以及行车距离的限制等给出了合理的建议.

长大公路隧道火灾模式下的烟雾特性研究

公路隧道火灾初期对人员逃生造成威胁的并不是高温,而是烟雾。为了更好地控制隧道火灾的蔓延,就必须更好地对隧道火灾烟雾的特性进行研究,总结出一些普遍规律,为火灾救援提供试验基础。文章通过秦岭终南山特长公路隧道的火灾模型试验,对长大公路隧道发生火灾时的烟雾特性进行了研究。

秦岭特长公路隧道火灾温度场分布试验研究

特长公路隧道火灾 ,扑救困难 ,易造成严重损失 ,是影响隧道安全运营的一个关键因素。借助火灾模型试验 ,以火灾规模和通风风速作为两个主要的影响因素 ,研究了火灾时隧道内温度场的纵向及横向分布规律 ,以及火灾时温度场的扩散范围。并根据试验成果对秦岭隧道结构的防火措施、设备的布置方案。