CN103469715A - 一种隧道沥青路面结构阻燃方案设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种隧道沥青路面结构阻燃方案设计的新方法，属于沥青路面火灾安全技术领域，解决目前隧道火灾过程沥青路面结构阻燃性能差的问题。先基于数值模拟方法建立隧道火灾模型，重现火灾过程路表面温度场分布及其随时间变化的规律；再分析隧道火灾产生的热量通过辐射、对流、传导对路面结构内部温度场影响，了解火灾过程路面结构不同深度处可能达到的最高温度、燃烧范围，绘制不同路表温度条件下路面结构内沿深度方向温度场分布图；最后，根据温度场分布图和现行沥青路面设计规范规定沥青闪点不低于在230℃要求而设计出不同沥青路面阻燃方案，并优选与温度相匹配的沥青阻燃剂供沥青路面使用。本发明能提高沥青路面阻燃效果，改善路面火灾安全性。

Description

一种隧道沥青路面结构阻燃方案设计方法

技术领域

本发明是一种隧道沥青路面结构阻燃方案设计的方法，属于沥青路面火灾安全的技术领域。

背景技术

随着我国交通运输业的迅猛发展和城镇化水平提高，道路建设迅速发展，道路上的长大型隧道也日益增多。由于隧道在多山地区可用于克服地形与高程障碍，改善线形，缩短行车里程，保护环境，减少对植被的破坏，提高行车速度，节约燃料，并保护生态环境。因此，隧道在特定条件下具有其它路线方案难以替代的作用，在高等级公路上得到广泛应用，一批长大型隧道、隧道群相继建成。我国已经成为世界上隧道工程最多、最复杂、发展速度最快的国家之一。

隧道通常位于高速公路网的重要位置，不仅承担着一般高速公路的交通运输作用，而且对路网交通具有控制性作用。随着公路隧道向长大化方向发展，交通量的增加，车速提高，使得隧道火灾事故的危险性呈上升趋势，隧道面临着严峻的安全问题。隧道是管状半封闭狭长空间，受洞体遮蔽影响，洞内外能见度差别较大，在隧道出入口出现黑白洞效应和洞内的墙效应，使隧道成为交通事故多发段，从而引起隧道火灾，公路隧道火灾事故在国内外都时有发生。隧道火灾不仅严重阻碍交通、损坏隧道设施，还造成大量人员伤亡。

早期隧道路面多采用水泥路面，存在行驶舒适性差、噪音大、维修难度大、抗滑性能差等缺点。随着沥青路面施工和阻燃技术进步，沥青路面因其行车舒适、抗滑性能好、噪音小、建设周期短、维修方便等优点在长大型隧道内日益得到广泛应用。但是，隧道火灾下沥青路面中的沥青具有易燃、助燃的作用，随着温度升高，沥青首先熔融、滴落、流淌，接着是熔珠燃烧、再由燃烧的熔珠洒落、流淌，造成火势蔓延扩大，酿成更大的火灾。沥青的燃烧是一个放热、分解的物理化学过程，燃烧中释放出氢、甲烷、苯、烷烃类等易燃成分，这些成分的燃烧又进一步加快了沥青的热分解。如果大面积的沥青路面燃烧起来，热量聚集，温度急剧上升，可能较早出现轰燃，发生剧烈的光和热的化学反应，消耗大量氧气，释放出更大量的热量、烟雾和有毒气体，给灭火、排烟、人员疏散、救援等带来极大困难，造成严重的次生灾害，直接威胁着人们生命、财产安全。因此，阻燃型沥青路面的研究已受到普遍重视。

因为隧道火灾燃烧机理的复杂性和不可再现性，国内外对隧道火灾的研究主要采用试验模拟和数值模拟两种方法来研究火灾下隧道内通风、温度场与烟气流场分布规律、火灾控制与救援、灾后评价等。但是，隧道火灾模拟试验费用高，试验周期长，测试手段受到高温环境的影响，难以取得较好的相似条件等原因，使得试验研究工作受到限制，所得试验数据没有普适性，缩小比例的模型试验只可作定性分析，很难作定量研究。所以，随着计算机技术及计算数学的快速发展，越来越多的人开始致力于火灾过程的数值模拟研究，该方法具有再现性好、费用低、周期短、信息完整等特点。因此，国内外在隧道火灾数值模拟方面，取得一些有益的积极研究成果。

目前国内外隧道火灾研究主要集中在高温环境下隧道通风、烟气控制、衬砌材料性能变化等方面。没有针对隧道火灾条件下沥青路面结构温度场分布规律、阻燃型沥青路面结构方案设计方面的研究。当隧道发生火灾时，路面结构暴露于高温环境中，随着隧道内温度升高，路面结构内部温度场的变化特性影响着路面内部热应力场、水蒸汽压力场等其它场的变化规律，进而影响沥青路面的燃烧机理、阻燃性能等。

隧道发生火灾时，隧道内温度迅速升高，形成高温热流，这些热量通过对流、辐射传递到路面结构表面，一方面使沥青路面经受高温环境的炙烤作用，另一方面通过热传导方式，向路面结构内部传递，使路面结构内温度升高，导致路面材料物理力学性能劣化，对路面结构产生不同程度的损坏，而路面材料性能的劣化程度及范围则取决于路面不同深度处所达到的最高温度。因此，分析由于火源辐射、对流的热量对路面结构内部温度场分布，为阻燃沥青路面结构方案设计提供参考。

另外，沥青的闪点是指沥青试样受热后，其轻质组分蒸发的形成的烟气，与周围的空气混合组成可燃性的气体，当其温度达到或超过闪点温度后，容易引起沥青路面燃烧。也就是说，闪点是沥青将要燃烧的最低温度点，这是反映沥青材料安全性的一个重要指标，沥青的加温不能超过其闪点，否则就有发生火灾的危险。

因此，本发明采用计算流体力学数值模拟方法建立隧道火灾现场模型，分析在此风速下隧道火灾过程路表面温度场及其随时间变化分布规律，再了解火灾过程路面结构不同深度处可能达到的最高温度、燃烧范围及其随时间变化的规律，最后根据上述温度场分布提出隧道沥青路面结构阻燃设计方案，为阻燃型隧道沥青路面设计和施工提供了依据，对提高隧道交通安全、舒适、耐久性能具有重要的现实意义。

发明内容

(1)技术问题

本发明目的是提供一种隧道沥青路面结构阻燃方案设计的新方法，采用数值模型重现隧道火灾过程温度场分布规律，解决目前隧道火灾过程沥青路面结构阻燃性能差的问题，提高沥青路面火灾安全性。

(2)技术方案

鉴于目前隧道火灾过程沥青路面结构设计方案阻燃性能差的问题，且隧道火灾复杂性和不可再现性，本发明借助数值模拟手段，提供隧道沥青路面结构阻燃方案设计的新方法，使沥青路面热分解受到有效抑制，提高隧道火灾时沥青路面的阻燃效果，改善沥青路面的安全性。本发明技术方案如下：首先，采用计算流体力学数值模拟方法，建立基于有限体积法的带有源项修正的标准k-ε紊流模型，并验证模型的可靠性；然后，分析隧道火灾过程路表面温度场及其随时间变化分布规律；其次，采用有限元方法，分析隧道火灾产生的热量通过辐射、对流、传导对路面结构内部温度场影响，了解火灾过程路面结构不同深度处可能达到的最高温度、燃烧范围及其随时间变化的规律，绘制不同路表温度条件下路面结构沿深度方向温度场分布图；最后，根据上述温度场分布图和现行沥青路面设计规范规定沥青闪点不低于在230℃要求而设计出不同沥青路面阻燃方案，提高隧道沥青路面火灾安全性。

(3)有益效果

由于隧道狭长半封闭的空间结构特点，使得隧道火灾的危害性更大，给人们生命财产安全带来巨大威胁，从隧道沥青路面的角度提高隧道火灾过程安全性也是重要方面。通过隧道沥青路面结构阻燃方案设计，抑制沥青在高温环境下分解、燃烧，减少并延缓热量和有毒烟气释放，为人们及时离开火灾现场赢得宝贵时间，对被困人员逃生及火灾救援具有重要的意义。

本发明基于有限体积法，采取计算流体力学数值模拟方法，利用计算机对控制流体流动的偏微分方程组进行数值计算，求解隧道火灾过程沥青路面结构温度场分布及其随时间变化规律，并根据沥青路面有关规范要求提出了阻燃设计方案，为隧道工程阻燃沥青路面阻燃设计提供了依据，有利于提高隧道交通安全、舒适、耐久性。该方法具有再现性好、费用低、周期短、信息完整等特点。

附图说明

图1路面结构内距路表不同深度达到的最高温度分布规律

1-横坐标轴(路表温度(℃))  2-纵坐标轴(距路表深度(cm))

3-路表温度为300℃时；4-路表温度为400℃时；5-路表温度为500℃时；

6-路表温度为600℃时；7-路表温度为700℃时；8-230℃

具体实施方式

本发明目的是提供一种隧道沥青路面结构阻燃方案设计的新方法，具体实施步骤如下：

(1)根据具体隧道工程，采用计算流体力学数值模拟方法，建立基于有限体积法的带有源项修正的标准k-ε紊流模型，并与足尺寸隧道火灾试验结果进行比较，验证隧道火灾模型的可靠性；

(2)利用该隧道火灾模型，分析火灾规模、发生位置、通风速度等不同工况下隧道空间温度场、流场的变化规律，确定临界风速，并了解在临界风速下隧道火灾过程路表面温度场分布及其随时间变化的规律；

(3)基于有限元热分析方法，分析隧道火灾产生的热量通过辐射、对流、传导对沥青路面结构内部温度场影响，明确隧道火灾过程沥青路面结构不同深度处达到的最高温度、燃烧范围及其随时间变化的规律，绘制不同路表温度条件下路面结构内部沿深度方向温度场分布图，如图1；

(4)根据上述沥青路面结构内温度场分布图和现行沥青路面设计规范规定沥青闪点不低于在230℃要求，当隧道火灾过程路表面温度不超过500℃时，只需在上面层(约4cm)采用阻燃措施；当路表温度超过500℃时，中面层部分温度也超过230℃，需在上面层和中面层(共计约10cm)同时采用阻燃措施；

(5)针对不同隧道沥青路面结构内可能达到的最高温度，优选与该温度相匹配的沥青阻燃剂供隧道沥青路面阻燃方案设计时使用。

Claims (1)

1.一种基于数值模拟重现火灾过程沥青路面温度场分布规律的隧道沥青路面结构阻燃方案设计的新方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

(1)根据具体隧道工程，采用计算流体力学数值模拟方法，建立基于有限体积法的带有源项修正的标准k-ε紊流模型，并与足尺寸隧道火灾试验结果进行比较，验证隧道火灾模型的可靠性；

(2)利用该隧道火灾模型，分析火灾规模、发生位置、通风速度等不同工况下隧道空间温度场、流场的变化规律，确定临界风速，并了解在临界风速下隧道火灾过程路表面温度场分布及其随时间变化的规律；

(3)基于有限元热分析方法，分析隧道火灾产生的热量通过辐射、对流、传导对沥青路面结构内部温度场影响，明确隧道火灾过程沥青路面结构不同深度处达到的最高温度、燃烧范围及其随时间变化的规律，绘制不同路表温度条件下路面结构内部沿深度方向温度场分布图，如图1；

(4)根据上述沥青路面结构内温度场分布图和现行沥青路面设计规范规定沥青闪点不低于在230℃要求，当隧道火灾过程路表面温度不超过500℃时，只需在上面层(约4cm)采用阻燃措施；当路表温度超过500℃时，中面层部分温度也超过230℃，需在上面层和中面层(共计约10cm)同时采用阻燃措施；

(5)针对不同隧道沥青路面结构内可能达到的最高温度，优选与该温度相匹配的沥青阻燃剂供隧道沥青路面阻燃方案设计时使用。

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