隧道火灾数值分析综述

隧道火灾数值分析综述

杜亭君

重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400041

摘要：公路隧道因其构造较封闭，路面材料易燃，所以容易引发火灾，难以救援。为解决隧道火灾问题，研究者从其根源出发，寻找引发火灾的先决条件，故需采用一系列科学方法模拟、研究火灾情况。在充分了解火灾形成原因与火情之后，选用合适的阻燃剂，制备阻燃沥青，该沥青的阻燃效果依旧需要模拟分析，采用数值分析所学内容，可以更好的进行试验研究，为研究成果提供可靠依据。

关  键  词：公路隧道；火灾；数值分析

1  引言

数值分析是为了研究分析计算公式，简化运算过程，得到准确的计算结果，数值分析求得的是近似解或近似曲线。数学是为其他学科提供帮助，奠定基础，数值分析是数学的分支，在众多研究中发挥作用，是研究结果的数据支撑，是计算机解决科学计算问题的基础。

隧道火灾分析就常利用数值分析作为依据，利用各种数值分析软件，建立模型。

2  研究现状

不少研究者利用数值分析有关软件对隧道发生火灾进行模拟研究，掌握火灾发生时的气流、风速、一氧化碳浓度等信息，从阻燃、疏散、空气流通等方面应对火灾发生，将火灾发生率尽可能降低。

2.1火灾通风分析

随着公路隧道技术的不断发展，隧道不再局限于直线型，技术人员因地制宜，结合各地不同的地形条件，修建曲线型隧道。但曲线型隧道的缺点也逐渐显露，由于曲率变化毫无规律，且影响隧道中烟气的流动，造成火灾事故的发生。黎琳等人[1]依据现有结论，在隧道内烟气扩散规律、临界风速以及通风模式的优化等条件下，在CAD和RHION软件中建立曲线公路隧道模型，再进行火源设置与网格划分，设置初始条件与边界条件，之后运用ANSYS FLUENT软件开展三维数值模拟瞬态计算，总结了不同火源功率和曲率影响下的烟气蔓延和温度分布等规律，并研究机械通风的大小来控制曲线公路隧道内烟气的扩散，为隧道中烟气控制系统设计提供一定的参考。

火灾会使隧道内产生有毒气体且不易排出，应设置隧道通风，加速气体流通，机械通风能使毒扩散。李浩等人[2]以某一隧道为原型使用FDS软件建立隧道火灾三维数值计算模型，主要研究在火灾情况下，不同的纵向风速为变量，隧道内一氧化碳浓度变化规律。沿X轴、Y轴、Z轴建立三维仿真隧道模型，在不同车级以及不同燃烧阶段下计算隧道内一氧化碳浓度。研究结果显示离火源越远，CO浓度越高且浓度变化幅度越明显；机械通风可以有效降低一氧化碳浓度。

隧道火灾原因主要是由车辆碰撞、汽车故障等原因引起。为保证车辆在隧道运行中的安全性，应对火灾发生时隧道内部情况有所掌握。夏怡[3]对纵向通风控制条件下隧道火灾烟流运用CFD进行数值模拟，得出了不同火灾尺度下烟气层、温度场和CO含量的分布规律。

王亚琼等人[4]为消除火灾烟雾对单条公路隧道内人员的影响，建立了火灾数值计算模型。将模糊控制理论引入火烟控制中，模拟隧道内两组喷风机在200 m区域内烟气的往复运动。计算结果表明，当喷雾风机启动间隔为30s，风速为1.0 m s-1时，其运动幅度较小。当间隔为60s，速度为1.5 m s-1时，烟基本控制在80-100 m，其运动为大振幅运动。小振幅运动优于大振幅运动。

吴世先等人[5]以三种火灾场景为背景，即有车辆且存在隧道风、有车辆但无隧道风以及空旷隧道，运用FDS软件建立模型，模拟其烟气扩散蔓延特点。在纵向排烟模式和横向重点排烟模式下, 分析由于车辆行驶和通风诱导的隧道风对烟气温度分布及其扩散距离的影响。先建立隧道模型，设置边界条件，选用FDS数值平台计算。

2.2火灾对结构的影响

   隧道修建一般采用混凝土，混凝土材质坚硬不易燃烧，当火灾发生时，隧道内温度持续上升且在封闭空间中，热量不易散发，造成混凝土发生物理作用与化学变化，影响混凝土性质，破坏其强度与耐久性。

    刘俊、黄汉义[6]，根据某隧道火灾断面结构安全分析评价，从衬砌结构变形和应力角度，通过工程类比、理论和数值分析，对特征隧道断面加固前后的二次衬砌结构安全检查包括衬砌结构的抗压强度、抗拉强度和安全系数。结果表明：部分隧道火段衬砌结构存在不同程度的失稳风险，加固施工后衬砌结构位移和应力状态明显改善，各验证指标限值均满足规范要求。

熊珍珍等人[7]采用数值分析的方法，对衬砌结构混凝土的失效规律进行了定量分析和研究。研究表明，火灾会降低大部分衬砌的应力值，火灾对距离火灾中心和隧道顶衬砌6m范围内的衬砌面有较大影响；隧道顶衬砌面混凝土易发生板裂，内部混凝土易发生倾斜剪切破坏，为隧道消防设计提供参考。

高之然，张一鸣[8]研究火灾发生时衬砌爆裂，采用数值分析方法，收集数据集并建立模型，再以机器学习代码进行参数预测，建立线性回归模型、随机森林回归模型和决策树回归模型，最后对比三种模型得出的结果，采用准确度较高的随机森林回归模型。

3  结论

数值分析是工学试验研究中不可或缺的一步，运用数值分析内容，帮助解决研究中的难点、疑点，它可以是研究的前提，也可以是研究的承上启下的一点。建立模型，进行分析研究，这给众多研究工作者带来了便利和准确性，利于工作的进行。数值分析使用于复杂的计算过程，较快地得出近似解，节约了研究时间，并且再对一些大型建筑或过程进行研究计算时，利用数值分析建立模型，设置参数，使研究对象更加直观形象。

隧道火灾是较为严重的道路事故，不仅会造成人员伤亡、道路拥堵，还会发生隧道坍塌，山体滑坡等危害。设置较为安全有效的通风排烟系统，可以用外部条件降低火灾毒烟的扩散，使用更坚固的材料修建隧道，可以保证隧道的完整性，路面材料可以选用不易燃烧的材质，从各方面降低火灾发生率，为人员疏散提供良好通道，保证道路的安全性。

参考文献：

[1]黎琳, 龚剑, 熊鑫鹏. 单曲率隧道火灾中的烟气流动数值分析[J].南昌航空大学学报(自然科学版),2019,33(03):60-67+88.

[2]李浩,陈树汪,辛韫萧,马强,李志厚.火灾工况下隧道内CO扩散规律数值分析[J].公路交通科技(应用技术版),2016,12(12):107-110.

[3]夏怡.公路隧道运营期火灾数值分析[J].山西科技,2010,25(03):28-29+31.

[4]王亚琼,邓敏,胡彦杰,胡金平,谢永利.单洞对向公路隧道火灾烟气模糊控制(英文)[J].交通运输工程学报,2012,12(05):13-21.DOI:10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.05.002.

[5]吴世先,杨会,朱辉.隧道风对隧道火灾烟气扩散的影响研究[J].铁道科学与工程学报,2017,14(04):801-810.DOI:10.19713/j.cnki.43-1423/u.2017.04.019.

[6]刘俊,黄汉义.基于隧道火灾损伤的衬砌安全性分析与评价[J].现代交通技术,2022,19(05):54-58.

[7]熊珍珍,宋宏伟,敖芃.隧道火灾衬砌混凝土破坏形态的数值分析[J].地下空间与工程学报,2013,9(S2):2014-2018.

[8]高之然,张一鸣.基于机器学习方法的火灾隧道衬砌爆裂评估[J].河北工业大学学报,2020,49(06):60-68.DOI:10.14081/j.cnki.hgdxb.2020.06.010.