分析地铁区间停驶列车火灾烟气扩散及控制要求的特殊性,归纳地铁区间火灾研究的关键科学问题。总结国内外学者在地铁列车火灾燃烧及羽流行为特性,区间隧道顶棚下方烟气温度分布特性,区间烟气控制特性以及区间人员疏散特性问题的研究进展情况及成果。研究指出,传统地铁区间防排烟系统与人工智能及物联网等新技术结合来提高区间火灾防控能力是未来的重要研究方向。

为给我国隧道火灾安全的科学应急提供参考依据,对公路隧道火灾烟气行为特征、隧道火灾预测技术、隧道火灾探测与预警技术以及隧道火灾控制技术四方面的研究现状与进展进行系统阐述,并提出未来发展方向:探明复杂因素耦合驱动下公路隧道多火源燃烧行为和烟气蔓延特性;基于深度学习、AI数据和大数据分析等先进算法与技术,开发数字化与智慧化隧道火灾预测技术;采用互联网、物联网和云计算等新一代信息技术,实现隧道火灾快速实时监测与智能感知提前预警;研制集火烟消灭材料、智慧应急装置、多功能通风防排烟技术和智能疏散为一体的隧道火灾综合控制技术;建立公路隧道火灾全过程全面-高效-协同的应急技术体系。

以济南某大直径隧道为研究对象,研究盾构隧道在火灾作用下温度场分布、结构变形以及内力分布规律,建立盾构隧道的全尺寸数值分析模型,提出盾构隧道衬砌结构的热-力耦合分析方法。研究结果表明:火灾作用下,内表面受火区域的温度明显高于外表面,衬砌在距离内表面300 mm的部分基本不受火灾影响;衬砌结构受热发生膨胀变形,拱顶和拱底的变形逐渐降低,拱腰的水平方向变形不断增加,且部分管片接头明显张开;衬砌逐渐从受火面开始进入屈服状态,混凝土出现了应力重分布现象,连接处螺栓在高温作用下发生局部屈服;衬砌结构整体轴力下降并且弯矩剧烈增大,拱腰位置的弯矩比火灾前增大近一倍。

为了应对极端降雨天气对隧道火灾的烟气防控带来的挑战,基于Froude相似准则建立缩尺隧道火灾试验平台,研究降雨与纵向通风耦合作用下的隧道火灾烟气蔓延规律、垂直温升特性及烟气分层状态。试验结果显示:降雨诱导产生的纵向气流阻碍烟气向降雨侧蔓延,随着降雨强度增大,烟气逐渐被控制在通风侧,通风侧烟气层厚度增大;启动纵向通风后,烟气同时受到降雨诱导气流和强制通风气流的作用,烟气与冷空气的掺混加剧,烟气层厚度增加;随着纵向通风速度持续增大,烟气逐渐被控制在隧道降雨侧,烟气发生沉降;降雨强度增大和通风速度增大都会破坏烟气的稳定分层,当纵向通风气流与降雨产生的诱导气流强度相当时,隧道内烟气分层保持相对稳定。

为评估防火涂料对装配式框架隧道耐火性的影响,通过火灾试验分析涂有膨胀型防火涂料的隧道接头构件的温度场分布规律,并采用有限元数值模拟方法研究火灾下防火涂料对装配式框架隧道温度、变形、损伤的影响。研究结果表明:防火涂料阻碍热量向隧道衬砌传递,大幅降低隧道衬砌的温度峰值,延迟温度峰值产生的时间;防火涂料厚度影响隧道衬砌在火灾下的升温速率与温度峰值,当膨胀型防火涂料厚度大于10 mm,增加防火涂料的厚度不能有效降低隧道在火灾下的变形;火灾下装配式框架隧道最大变形处为顶板跨中位置,损伤最严重处为隧道接头位置,可间接通过优化接头结构受力性能来提升装配式框架隧道的耐火性。

针对隧道火灾事故的不可预见性,提出一种交通隧道火灾概率的动态量化方法,并结合统计分析法开展实例研究。基于隧道火灾原因统计,明确车辆为隧道火灾的主要致灾因素。考虑行驶状态及隧道环境影响,对各类型车辆的单车火灾频率进行修正,并结合隧道内车辆数,获取隧道内车辆火灾概率。综合由统计数据获取的隧道其他火灾概率,构建隧道火灾概率量化模型。选取两个隧道进行应用实例分析,获得隧道24 h的火灾概率分布,实现了火灾发生可能性的动态量化,可为隧道火灾实时风险识别和事故预防提供依据。

为解决高地温施工隧道因高温引发的热害问题,以云南省红河哈尼族彝族自治州建水(个旧)至元阳高速公路个旧至元阳段尼格隧道为依托,使用Fluent软件数值模拟通风和冰块降温下隧道温度场的变化规律进行对照分析,研究尼格隧道采用降温措施的效果。主要利用Fluent建立施工隧道通风模型,在风量一致的情况下,将两种通风方式加冰块降温的组合方式在不同通风风量下的降温效果进行对比分析,结果表明当围岩温度为45 ℃时,对于加以冰块辅助的两种通风降温方式,拱顶压入式通风和侧壁通风不能将冰块冷却的空气很好的控制在掌子面附近,冷空气容易被回风带走,降低的温度不容易维持,而风幕通风则可以将冰块冷却的低温空气控制在掌子面附近,并且风幕通风方式比压入式通风对掌子面附近的温度多降低3~5 ℃,降温范围更广更稳定,降温效果更为显著。

为探明曲线型隧道最不利火灾位置,进而明确曲线型隧道防灾通风设计方法,分析曲线隧道典型火灾场景,研究曲线隧道火灾控制临界风速的影响因素,并总结曲线隧道防灾射流风机的配置方法。结果表明:建议按照曲线稳定段断面内侧发生火灾考虑曲线隧道防灾通风设计;曲线型隧道最不利火灾控制临界风速显著大于直线隧道,分别给出针对火灾位置、曲线半径及隧道坡度的火灾控制临界风速修正系数;曲线型隧道防灾射流风机数量显著大于直线隧道,明确火灾工况下曲线隧道防灾射流风机开启数量的计算方法。

为了对超大断面扁平结构隧道矿山法开挖过程中存在的超欠挖现象进行优化控制,以某公路隧道为例,分别对隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩段建立数值模型,再现隧道断面爆破过程,利用现场实测数据对数值模型进行验证,并根据计算结果分析不同爆破方案中爆破损伤云图、爆破轮廓线、最大超欠挖距离、平均超欠挖距离、超挖面积的变化规律,讨论不同周边孔孔距、掏槽孔孔距以及各炮孔装药量对隧道爆破开挖超欠挖的影响,并在此基础上对爆破方案进行优化。数值模拟结果结合现场实测数据,最终得出有效减小爆破超挖现象的最优施工方案为:Ⅲ级围岩调整周边孔孔距为1 m,Ⅳ级围岩调整周边孔孔距为0.8 m。

为解决盾构隧道因纵向不均匀变形引起的结构局部破坏和渗漏水等病害,对盾构隧道二次衬砌施作时机的影响规律及合理施作时机进行研究,建立双层衬砌盾构隧道三维纵向精细化数值模型,模拟管片螺栓力学特性和双层衬砌层间接触面交互特性,以施作二衬时管片衬砌变形程度作为二衬施作时机,通过隧道纵向等效抗弯刚度、纵向变形及结构受力情况分析二衬施作时机对双层衬砌盾构隧道纵向力学性能的影响。研究结果表明:二衬的施作能够有效提高结构抵抗纵向变形能力,减小管片衬砌纵向内力,且施作越早效果越明显。然而,过早施作二衬会导致二次衬砌承载较大,且不能充分发挥管片的承载能力,造成结构性能的浪费。结合双层衬砌结构纵向受力情况,引入合理程度作为判断标准,确定二衬合理施作时机为管片变形达到最终变形的37.5%~62.5%。在此施作时机下,管片衬砌变形处于容许范围内,隧道结构可以同时满足工程经济性和结构可靠性的要求。