隧道火灾造成人员伤亡的主要原因是火灾发生后产生的有毒有害气体。由于隧道处于地下空间，相对较为封闭，在火灾发生后短时间内，有害烟气无法及时排出而大量聚集，从而造成人员伤亡和财产损失。对隧道火灾的研究有助于建立隧道火灾的应急预案、减少隧道火灾的风险和损失。

隧道建设常见有盾构法、暗挖法、矿山法等，均可在施工过程中形成独头隧道。部分隧道由于其用处特殊，不予贯通，保留其独头隧道的形式，因此独头隧道广泛存在于地下工程中。吴中立^[1]对独头隧道爆破后的通风问题进行研究，经多次实验测定并结合理论分析，对爆破后炮烟排出过程和现有的通风方法进行全面讨论，并提出优化方法。

由于施工阶段隧道一端封闭的特性，施工人员在独头隧道内工作时所采取的通风换气模式较为特殊，常见为压入式通风。施工区域的工作机器如盾构机等含有大量的电器元件和机械结构，施工辅助区域有脚手板、防水板等多种可燃物。施工过程中发生火灾的情况复杂。起火后施工人员难以立即作出合理应对，火灾所产生的烟气无法快速地通过通风换气从隧道中排出，严重影响施工人员的生命安全。例如，2017年2月厦门某地铁施工区间盾构机在减压舱减压过程中发生起火，导致3人烧伤。因此，通过开展全尺寸实验研究施工阶段的独头隧道火灾烟气扩散模式和烟气危险性参数变化规律，对于指导防排烟设计优化、制定应急疏散方案具有重要意义。

国内外学者对单一结构隧道火灾开展了较多全尺寸实验研究，对于隧道火灾烟气流动规律认识、烟气控制参数计算和防排烟设计形成了重要支撑。例如，Hu等^[2]在不同场所开展多组全尺寸火灾实验，对隧道火灾顶棚下方烟气温度分布进行总结。Han等^[3]在重庆某城市交通隧道中连续开展14组全尺寸火灾实验，研究了横向通风对烟气温度和速度分布及烟气分层特性的影响。Guo等^[4]在双车道公路隧道中开展了4组双火源全尺寸火灾实验，对双火源产生的耦合效应作了深入研究。Yan等^[5]在高海拔地区的某一公路隧道开展全尺寸火灾实验。Jiang等^[6]对港珠澳大桥的海底隧道段火灾风险进行评估，并在一等比例海底隧道模型内开展全尺寸实验，研究侧壁排烟系统在实际工程中的效果。Hu等^[7]在某段88 m长的地下走廊开展全尺寸火灾实验，建立了隧道火灾的烟气扩散模型。Tong等^[8]通过开展一系列全尺寸实验测量了5 MW规模火灾的烟气能见度和烟气温度，同时研究了在自然通风条件下竖井的烟气扩散规律。Kashef等^[9]在某公路隧道开展了1 MW规模的全尺寸火灾场景实验，同时结合30 MW火灾数值模拟，通过分析风机启动的数量和位置对烟气危险性各类参数的影响，提出了通风优化模式。胡隆华^[10]对隧道火灾进行了全面研究，通过开展大量隧道火灾的全尺寸实验，建立了隧道火灾烟气层温度纵向分布规律模型，并对烟气逆流临界纵向抑制风速及隧道内横向与纵向排烟方式进行了优化。翁庙成等^[11]以重庆某段349 m长的一端连接地下车站、另外一端与室外相通的地铁区间隧道为例，开展全尺寸火灾实验，分析了利用区间隧道事故风口进行机械排烟和机械送风的烟气控制模式的效果。刘畅^[12]针对地铁隧道分岔联络区域的烟气扩散特性, 开展了多次全尺寸实验，深入研究了隧道分岔结构对顶棚温度分布的影响。

相较于一般城市公路隧道和地铁隧道，施工阶段地铁隧道由于其一端封闭，形成独头隧道的特殊形式。有学者对施工阶段的独头隧道开展了针对性研究。例如，王明年等^[13]利用数值模拟法对大直径铁路盾构隧道火灾场景进行模拟，研究隧道衬砌及内部结构的变形、温度分布和内部应力变化。闫治国^[14]全面研究了隧道火灾对衬砌结构的影响，从衬砌材料、结构等方面研究火灾高温的影响。刘涛^[15]以上海市青草沙原水工程输水隧道为原型, 对可能的火灾事故进行预先研究，得到了狭长施工隧道中发生火灾的烟气和温度扩散规律。尽管目前关于施工阶段隧道火灾烟气蔓延特性已经有部分数值模拟研究，但仍缺乏全尺寸实验的支持和验证，因此本文在广州某地铁施工隧道区间开展了一系列全尺寸火灾实验，研究了独头隧道在不同火灾场景下的顶棚温度分布、烟气扩散速率、烟气层高度等重要参数的变化。

1 全尺寸实验设计 1.1 实验隧道概况

本实验隧道属于广州地铁正在建设的L18号线路，截至实验开展时建成线路已达58.3 km，实验隧道段位于沙溪至南村万博区间。本实验隧道采用盾构法施工，隧道断面为圆形，直径为7.7 m。隧道一端尚未贯通，盾构机在这一封闭端开展掘进工作；另一端与外界连通，初步施工完毕，铺设有临时铁轨可运输物资，如图 1和2所示。实验区域的地铁隧道施工场景具有代表性，由于中国各城市地铁隧道多数采用盾构法施工，该施工场景普遍存在于地下轨道交通建设中。隧道中，在盾构机前端和末端都存在较多局部人员密集区域，机械作业频繁，一旦发生火灾，烟气将在独头隧道内蔓延，严重威胁施工人员的安全。

1.2 实验测量系统

实验测量系统包括温度采集系统和风速采集系统。

温度采集系统包含14根测温电缆(CH#1—CH#14)。测温电缆从距离盾构机末端6 m处开始，向隧道连通端方向每隔12 m布置一根，如图 3所示。每根测温电缆上设有11个热电偶(T#1—T#11)，如图 4所示。测温电缆垂直悬挂于隧道顶端，使测温点位在垂直方向分布。每根测温电缆的第1测量点位T#1距离隧道顶端0.1 m，T#2—T#6每点距离前一点位0.5 m，T#7—T#11每点距离前一点位1 m。通过分布式温度测量系统能够获取隧道空间内温度场的实时变化情况、烟气沉降和扩散速度及烟气从起火区域向隧道其他区域蔓延情况。为测量实验隧道的气流速度，在实验隧道1.2 m高度处设置了2个风速测点，测点1距盾构机末端24 m，测点2距盾构机末端48 m，可实时检测实验过程中的风速变化情况。为了便于后文描述，定义烟气向隧道封闭端方向扩散为向火源内侧扩散，向隧道连通端方向扩散为向火源外侧扩散。

1.3 实验火灾场景

火源系统由火源发生装置和火源保护装置组成。火源发生装置采用油池火，单个油盆的内部尺寸为841 mm(长)×595 mm(宽)×130 mm(高)。实验时采用1个油盆或2个拼接油盆，形成0.5 m²或1.0 m²的燃烧面积。采用甲醇作为实验燃料并进行标定，1个油盆火源近似火灾功率为0.25 MW，2个拼接油盆火源近似火灾功率为0.50 MW^[16-17]。火源保护装置包括火源周围的防火板、支撑立柱及在周围铺设的防火布等，以防止实验过程中火焰和高温对周围设备设施造成破坏。

由于隧道封闭端处于正常施工状态，实验需在充分保证安全的情况下进行，因此火源位置的选取需要与盾构机末端保持一定的距离。在距离盾构机末端36、72、108 m处模拟施工阶段独头隧道火灾发生的不同情况，具体实验场景如图 5所示。6种测试工况设计如表 1所示。各工况均采用总体积为10 L的甲醇燃料。

2 全尺寸实验结果与分析

基于全尺寸实验结果，分析独头隧道火灾的风速分布、温度分布、烟气层高度等特点。

2.1 风速分布

火源功率较大情况下产生的烟气量较多，对整体隧道内空气流场影响较为明显。靠近盾构机末端处，受盾构机阻碍和隧道整体布局影响较为明显。因此，选择test 2、test 4两组实验进行对比研究风速分布情况。

test 2中，两风速测点分别位于火源两侧，测得的风速分布情况相近，如图 6所示。取起火时刻为0 s，在火源发展阶段即起火后0~200 s内，火源燃烧不充分，产生的烟气量较少，对整体风速流场影响较小，因此火源两侧风速测量值较小；随着火源逐渐进入稳定燃烧阶段即起火200 s以后，火源产生的烟气量逐渐增大，风速在600 s时最大，向火源内侧方向风速可达0.5 m/s，向火源外侧方向风速可达0.6 m/s。同时观察到，在火灾发展全过程中，向火源内侧的风速均小于向火源外侧的风速，这是由于独头隧道内侧有盾构机的阻挡，且最前端为封闭的施工端，烟气在该方向上的扩散受到阻碍，烟气扩散速度慢于向隧道连通端方向。

test 4中，两测点均位于火源内侧。由图 6可以看出，两测点测得的风速在火源发展初期差异增大，测点2较测点1更靠近火源，风速上升速度更快，最大可达0.7 m/s。在火源进入稳定燃烧阶段后，两测点风速基本相同，独头隧道内的整体流场进入较为稳定的状态，整体风速稳定在0.4 m/s左右。

2.2 顶棚烟气温度分布

施工中的独头隧道空间结构复杂，火灾烟气的扩散受隧道壁面、盾构机末端结构、隧道内杂物等影响，容易产生烟气蓄积，这种现象在实验火源位置靠近盾构机末端时更为明显，因此选择test 1—test 4研究顶棚烟气温度分布情况。如图 7所示，test 1中火源在起火后200 s左右进入稳定燃烧阶段。在稳定燃烧阶段，距离火源相同距离处，火源外侧顶棚烟气温度普遍高于火源内侧，最大温升11 ℃在火源外侧6 m处测得。烟气在火源附近和靠近盾构机的区域形成一个平均最高温度在37 ℃左右的高温区域。该区域是施工区域人员逃离的首要危险区域。

由于每组实验采用相同体积的燃料，test 2中火源的燃烧表面积更大，燃料消耗速度更快。如图 8所示，test 2在燃烧达到最大状态即顶棚烟气温度达到最大值后，由于后续燃料不足，温度开始逐渐衰减，观察到test 4、test 6有相同的实验现象；而test 1整体燃料厚度更厚，燃烧时间更长，因此test 1中火源存在更长的稳定燃烧阶段。

如图 9、10所示，test 3、test 4整体顶棚烟气温度分布规律与test 1、test 2相同，但顶棚烟气温度部分高于test 1、test 2，该现象在靠近火源处更为明显。由于test 3、test 4的火源相较于test 1、test 2距离盾构机末端更远，受盾构机阻挡影响较小，火源附近空气的流动更为畅通，火源燃烧更为充分。同时，对比图 7、8与图 9、10可以发现，在test 1、test 2中顶棚烟气温度的纵向衰减较为均匀，在火源内外两侧均随距离增加而逐渐降低，而在test 3、test 4中，顶棚烟气温度纵向衰减呈分段下降状态，烟气在距离火源内外两侧的18 m和42 m处均出现温度骤降现象。

2.3 顶棚烟气最高温度

如图 11所示，对比test 1、test 2可以看出，两组火源均位于隧道纵向位置36 m处，尽管功率有大小差异，但整体顶棚烟气最高温度分布情况近似相同。顶棚烟气最高温度的最大值均在火源外侧6 m处测得，test 1中接近43 ℃，而test 2中超过了45 ℃。两组实验均存在相同现象，即由于烟气向隧道连通端即火源外侧扩散不会受到限制，而向火源内侧方向扩散会受到盾构机末端的阻碍影响，导致在距离火源相同距离处火源内侧的顶棚烟气最高温度低于外侧，且顶棚烟气最高温度衰减幅度在隧道连通端方向小于封闭端方向。

将test 3、test 4与test 1、test 2进行对比。由图 11可知，随着火源位置改变为隧道纵向72 m处，火源距隧道封闭端的距离变远，test 3和test 4火源两侧的顶棚烟气最高温度衰减幅度相近，顶棚烟气最高温度分布情况不再显著受隧道封闭的影响，温度最高点均在火源外侧6 m处。由于距离盾构机较远，空气流动循环更为通畅，火源燃烧更为充分，所产生的烟气整体温度更高，test 4中顶棚烟气最高温度接近48 ℃。尽管test 3、test 4顶棚烟气最高温度在火源两侧的整体衰减趋势相同，但与test 1、test 2同样出现了距离火源相同位置处，外侧顶棚烟气最高温度高于内侧。

test 5、test 6与test 1—test 4相比，由图 11可知，随着火源位置改变为隧道纵向位置108 m，火源距隧道独头一侧的距离更远，火源两侧的顶棚烟气最高温度衰减幅度相近，温度分布情况几乎不受隧道封闭的影响。

下面将实验数据与目前已有的火灾烟气顶棚最高温度分布模型进行对比。由于本实验隧道为标准的长直地铁隧道，根据胡隆华^[10]的经典理论模型，

$ \frac{\Delta T_x}{\Delta T_0}=\mathrm{e}^{b\left(x-x_0\right)}. $

(1)

式中：x₀为最大温升处坐标；ΔT₀为最大温升；x为测点坐标；ΔT_x为x处的温升；b为温度衰减系数。参数b的选取如表 2所示。

图 12—14对比了6种工况下实验结果与式(1)模型的计算结果。如图 12所示，在隧道连通端方向，实验结果与理论模型吻合较好；但在隧道封闭端方向，实验测得的顶棚烟气最高温度普遍低于理论值。这是由于盾构机在封闭端的影响，烟气在该方向上的扩散受到阻碍，产生回流，与原有方向的烟气形成耦合沉降，导致了顶棚烟气最高温度在封闭端方向相同距离处低于连通端方向。对比图 12—14可以看出，3处不同火源位置所开展的全尺寸实验中，顶棚烟气最高温度分布均在连通端方向与理论值吻合较好，而在封闭端方向实验值与理论值有较大差异，实验值与理论值的差值大小随火源距盾构机末端距离的增加而减小。

2.4 烟气前锋到达时间

将测点温度发生突变视为烟气扩散至该位置，该时间点即为烟气前锋到达时间，由此可计算烟气向内侧、外侧的扩散速率，研究独头隧道结构特性对烟气蔓延速率的影响。由图 15可以看出，test 1和test 2中烟气向隧道封闭端方向扩散速率要慢于向连通端方向。这是由于向隧道封闭端扩散的气流受盾构机末端结构阻塞，产生回流现象，其流动方向发生改变，与原方向相反，对原方向的气流产生抑制作用，使烟气的扩散速率降低。test 2的火源位置虽然与test 1相同，但火源功率不同，由图 15可以看到，test 1和test 2烟气扩散的整体规律相同，向封闭端的扩散速率小于向连通端的扩散速率，但test 2在较大的火源功率条件下，烟气扩散速率比test 1更大。

如图 16所示，与test 1、test 2相比，test 3、test 4的火源位置距盾构机末端72 m，烟气向两侧扩散的速率依旧存在显著差异，规律与test 1、test 2相同；而如图 17所示，test 5、test 6的火源位置已经远离盾构机末端，其烟气向火源两侧扩散的速率差异很小，基本不受独头隧道结构特性的影响。

2.5 烟气温度随高度变化

烟气层在高度方向的温度分布受隧道的具体结构影响。选取更靠近盾构机末端的火源1处的工况test 1、test 2在稳定燃烧阶段的部分数据进行深入分析。这两组实验距离隧道封闭端最近，是本次实验中独头隧道施工阶段发生火灾的最危险工况。

由图 18、19可知，test 1、test 2烟气温度随高度变化整体趋势相同，烟气温度在5 m以下随高度变化较为平缓，但在5 m以上随高度增加烟气温度快速上升。距火源相同距离的火源内侧烟气分布受隧道结构影响，其温度均低于外侧。由于火源进入稳定燃烧阶段后，烟气在隧道顶棚不断蓄积，形成一定厚度的稳定烟气层，因此距离火源纵向距离18 m及18 m以外测量点位, 高度7.1 m处温度均高于高度7.6 m处。test 2火源功率比test 1大，在稳定燃烧阶段烟气整体温度高于test 1，同时在高度5 m以上部分，test 2中烟气温度随高度的变化速率也大于test 1。

2.6 烟气层高度

烟气层的高度对人员安全有极大的影响。NFPA92B—2009^[18]提出采用竖直方向温度数据计算烟气层高度的方法，计算公式为

$ T_{\mathrm{n}}=C_{\mathrm{n}}\left(T_{\max }-T_0\right)+T_0. $

(2)

式中：T_n为烟气层与空气分界面的温度；T_max为竖直方向最高温度；T₀为环境温度；C_n为0~1的常数，当C_n为0.8~0.9时，认为T_n所在的高度为烟气层高度。在考虑较为危险的情况时，将烟气层高度所对应的C_n取为0.8。根据实验数据计算可得不同工况下隧道整体烟气层高度分布。计算test 1至test 4烟气层高度结果如图 20所示。

test 1—test 4的烟气层高度分布整体相同，在距离盾构机末端30 m以外的区域，烟气层高度均位于4 m左右，处于相对较为安全的高度，但在盾构机末端附近，即30 m以内的区域，烟气层高度急剧降低，尤其在test 3中，距离盾构机末端6 m处烟气层高度仅有约1.5 m，其余3组实验也均出现了盾构机末端附近烟气层高度显著降低的现象。由于盾构机末端机械结构的阻挡，烟气在火灾发生过程中不断在盾构机末端蓄积，烟气层厚度不断增加，高度不断降低。盾构机末端区域是盾构机内工作人员遇到危险时疏散的必经之路，烟气在盾构机末端的蓄积会严重威胁施工人员的安全，因此人员疏散和通风排烟策略设计时应重点考虑该区域。

3 结论

本文在某地铁施工区间独头隧道的盾构机末端区域开展0.25、0.50 MW的全尺寸火灾实验，对烟气温度分布、烟气层高度和烟气扩散速率等进行研究，主要结论如下：

1) 受独头隧道结构特点和通风条件影响，烟气向火源两侧的扩散速率明显不同，烟气向隧道封闭端扩散过程受盾构机和其他施工设施影响，扩散速率明显慢于向隧道连通端扩散。但当火源位置远离盾构机(108 m)时，烟气向火源两侧扩散速率差异较小，整体烟气分布受盾构机封堵的影响可忽略。

2) 烟气温度分布受隧道结构特点影响，在火源两侧区别明显。由于盾构机末端对烟气扩散的阻碍作用，在距火源相同距离的两侧位置出现封闭端方向的顶棚烟气温度低于连通端方向。顶棚烟气温度在封闭端方向的纵向分布梯度更大，形成明显的温度分段下降现象，而在连通端方向温度纵向分布更为均匀，烟气温度随距离增加逐渐降低。

3) 烟气在盾构机末端发生明显的蓄积，形成一个长约30 m的危险区域，该区域为火灾发生时施工人员撤离的必经区域，但该区域内烟气层高度可低至1.5 m，严重影响隧道前端施工区域的工作人员撤离，因此需要优化该区域内的隧道通风模式，以降低该区域的火灾危险性。