摘 要

城市地下综合管廊（以下简称“综合管廊”）也称“共同沟”，是指建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施。由于综合管廊建设于城市地下，结构狭长且相对封闭，一旦发生火灾，极易造成严重后果。综合管廊内部布设有大量电力、通信电缆，火灾发生的概率及其危险性较高，且电缆燃烧时产生大量高温有毒烟气，严重影响消防及救援行动的开展。本文将基于CFD数值模拟方法，开展综合管廊电缆火灾数值模拟研究，探讨不同桥架间距对于城市地下综合管廊电缆火灾特性的影响，揭示管廊内部在不同火灾条件下的温度场分布和烟气变化规律，研究综合管廊电缆火蔓延特性及火灾危险性，为城市地下综合管廊电缆火灾的消防及控制提供理论支撑。

关键词：综合管廊；电缆火灾；数值模拟；火灾特性

Abstract

The urban underground integrated pipe gallery (hereinafter referred to as the “comprehensive pipe gallery”) is also referred to as “common ditch” and refers to the structures and ancillary facilities built in the underground of the city to accommodate two or more types of urban engineering pipelines. Since the integrated pipe gallery is built underground in the city, the structure is long and relatively closed, and once a fire occurs, it is very likely to cause serious consequences. A large number of electric power and communication cables are arranged inside the integrated pipe gallery. The probability of fire occurrence and its danger is high, and a large amount of high-temperature toxic fumes are generated when the cable is burned, which seriously affects the development of fire fighting and rescue operations. Based on the CFD numerical simulation method, this paper will carry out numerical simulation research on integrated pipe corridor cable fire, explore the influence of different bridge spacing on the fire characteristics of urban underground integrated pipe corridor, and reveal the temperature field distribution and smoke in the fire corridor under different fire conditions. Change the law, study the fire spread characteristics and fire hazard of the integrated pipe corridor, and provide theoretical support for the fire control and control of the urban underground integrated pipe corridor cable fire.

Key Words: integrated pipe gallery; cable fire; numerical simulation; fire characteristics

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 国外综合管廊电缆火灾研究现状 1

1.2.2 国内综合管廊电缆火灾研究现状 2

1.3 研究内容及技术方案 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术方案 4

第2章 综合管廊电缆火灾危险性分析 5

2.1 电缆火灾危险性 5

2.1.1 综合管廊内电缆火灾的致因 5

2.1.2 综合管廊内电缆火灾的危害 6

2.1.3 城市地下综合管廊电缆火灾特点 6

2.2 PVC电缆的燃烧特性 7

2.3 本章小结 8

第3章 综合管廊电缆火灾数值模型 9

3.1 模拟工况介绍 9

3.2 网格划分 10

3.3 模型化简 10

3.4 本章小结 13

第4章 综合管廊电缆桥架火灾特性研究 14

4.1 桥架间距对电缆燃烧热释放速率影响 14

4.2 桥架间距对管廊内温度场分布影响 15

4.3 桥架间距对烟气运动规律影响 20

4.4 火蔓延分析 24

4.4.1 PVC电缆材料的热物性选择 25

4.4.2 模型建立 25

4.4.3 模拟结果分析 26

4.5 本章小结 32

第5章 结论与展望 33

5.1结论 33

5.2展望 33

参考文献 35

致谢 38

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

城市地下综合管廊也称“共同沟”，是指建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施,是现代化城市重要的“生命线工程”。由于管廊内火灾隐患众多且结构狭长封闭，一旦发生火灾，火势迅速扩张、烟气迅速蔓延，极易造成严重后果^[1]。而在其中的大量高压电缆管线是重大危险因素，也是火灾发生的重要原因之一。

近年来，随着城市化建设的推进，城市综合管廊建设成为热点，但是相关技术性灾害也逐渐增加，如2011年上海市淮海西路华山路口的一处正在施工的地下电缆突然失火，导致周围停电，地铁系统瘫痪；2012年东莞市纸厂地下电缆爆炸后引发火灾，造成重大经济损失^[2] ；2013年，吉林省吉林老金厂金矿股份有限公司由于井内电缆起火，引燃周围可燃物而发生重大火灾事故，造成10人死亡、28人受伤（其中1人重伤）；2016年日本东京电力公司的地下电缆起火引发火灾，导致东京都大面积停电，超58万用户停电。此外，核电站中的电缆桥架火也多次发生，根据经济合作与发展组织FIRE数据库，在20世纪90年代末至2014年底，共发生了70次涉及电缆作为燃料的核电厂火灾事件^[3]。著名的布朗斯费里核电站于1975年发生的电缆火灾，其导致的直接经济损失约1000万美元，间接损失达3亿至5亿美元（1975年的经济环境下），数千人19个月后才恢复工作^[4]。

综合管廊电缆火灾虽然造成的人员伤亡较小，但是由于其承担的“城市生命线”功能，不仅会严重危害人们的生产生活安全，也会打击到周围地区甚至是更大范围内的经济发展，影响人们的日常生活。由于近年来城市综合管廊建设成为热点，但是目前关于综合管廊的建设标准和规范还不完善^[5]，因此，为了满足城市现代化发展的安全需求，提高地下管廊的安全管理水平，建立健全管廊建设标准和制度，有必要研究城市地下综合管廊电缆桥架的火蔓延特性，这对于分析和预测综合管廊电缆火灾发展、烟气演化和发展等过程具有重要意义。

本文将基于CFD数值模拟方法，建立综合管廊数值模拟模型，研究不同桥架间距对于城市地下综合管廊电缆火灾的影响，揭示管廊内部在不同火灾条件下的温度和烟气变化规律，以及火蔓延行为变化，为城市地下综合管廊电缆火灾的消防及控制提供理论支撑。

1.2 研究现状

1.2.1 国外综合管廊电缆火灾研究现状

从世界各国城市地下综合管廊建设时序和发展规模来看，综合管廊19世纪发源于欧洲，至今已有180多年发展历程^[6]，其中1832年，巴黎开创性的将供水、燃气和通信等管线布置在以排水为主的廊道内，这便是共同沟的雏形^[7]；且自1975年布朗斯费里核电站发生火灾以来，人们对理解和预测电缆桥架火灾的发展有着浓厚的兴趣。

Zavaleta^[3]等通过进行室内电缆燃烧实验，分别研究了空间局限和通风条件对电缆桥架火的影响，得出密闭条件会导致火灾增长速率、热释放率峰值降低；Jae-Wook Kwon^[8]等人将FDS预测与5米PMMA面板上向上火焰蔓延的经验相关性和实验数据进行比较，说明了FDS V.4向上火焰蔓延预测的能力及局限性；Matala^[9]等利用FDS模拟电缆隧道，研究了火灾沿电缆蔓延的情况，以及水抑制对电缆火灾的预防效果；Tarek Beji^[10]等通过FDS模拟电缆桥架火灾场景发现仅仅基于锥形量热法(CC)测试数据的预测模拟结果，与大规模测试中观察到的情况相比，火灾的规模和速度都要小得多，并提出了模型优化方法，使得模型结果与实验结果误差大大降低；Xianjia Huang^{[11; 12]}等人研究了位于墙壁上的电缆桥架的燃烧模式，使用具有松散和密集电缆布置的三托盘电缆托架进行了火灾实验，研究了沿着电缆桥架的水平扩展和电缆桥架火灾的电缆托架之间的垂直传播，并在前人大型、台架火灾试验研究成果的基础上，对火焰在水平电缆塔板上传播的模型进行了修正和改进，利用台架实测数据估算了大型电缆火灾的放热速率等。

1.2.2 国内综合管廊电缆火灾研究现状

目前国内迎来了城市综合管廊建设热潮，相应的对于城市综合管廊内电缆火灾的研究也在逐年增多，但是由于现实条件制约，相关研究多集中于数值模拟和小尺寸实验研究，实体研究相对较少。

李文婷^[13]通过实验得出电缆材料的热释放速率和质量损失速率等参数，并利用FDS建立综合管廊电缆火灾模型研究其烟气蔓延和热量传递过程，得到电缆管舱内局部温度达到1000℃时，可能引起缆线轰燃和管舱结构变形；彭玉辉^[14]采用数值模拟方法，研究了典型船用狭长通道电缆火灾内烟气浓度、热释放速率、隧道纵向温度变化规律，得出电缆起火点上方温度出现较大波动，CO在横断面的分布规律；苏洪涛^[15]等通过对管廊内电缆火灾隐患分析，总结引起电缆火灾的原因，以及目前可有效控制管廊电缆火灾灭火的灭火系统是超细干粉灭火系统；戴文涛^[16]等通过研究得出采用非接触缆式线型感温火灾探测器进行连续在线火灾探测报警，能够解决目前线型感温火灾探测器在电缆隧道接头区存在的局限性；王方舜^[17]通过数值模拟研究综合管廊内电缆火灾发展过程，得到管廊内电缆发生火灾后，火势迅速向两侧蔓延，电缆火灾可划分为火灾增长、充分燃烧、急剧衰退三个阶段；王明年^{[18; 19]}等人以义乌商城大道综合管廊工程为依托，采用FDS模拟软件建立全尺寸火灾模型，分别分析了电缆舱室内火灾发展过程及烟气温度分布规律，并研究舱室截面尺寸对电缆火灾热释放速率的影响，以及针对电缆火灾对其舱室内部火灾发展过程及温度分布进行模拟研究，以300℃作为混凝土结构高温损伤的临界条件，通过ANSYS有限元软件对舱室结构进行热分析，得到火灾下管廊结构温度场分布以及结构高温损伤深度；郝冠宇^[20]利用FDS建立管廊火灾模型进行分析，得出采用一进一排不设诱导风机的排烟方式进行通风更容易降低火灾危害；梁震寰^[21]等人通过实验进行了综合管廊内线型火源烟气温度场研究，发现随着火源当量直径减小，管廊内的最高温度逐渐降低，不同火源条件下，烟气温度均呈现幂函数衰减；杨永斌^[22]通过数值模拟研究，得到点火源的不同位置对综合管廊内部火灾蔓延及温度变化的影响规律；韦岩^[23]等人利用FDS建立管廊火灾模型,研究不同断面高宽比对火灾温度和排烟效果等的影响，得到断面形状影响燃烧速率,高宽比越小燃烧速度越快,顶棚温度越低，高宽比对于排烟效率影响较大,高宽比越小,其整体排烟效率越高等等。

综合国内外的研究现状可以看出，关于城市综合管廊电缆火灾的研究已经开始广泛开展，但是由于条件限制，对于全尺寸的火灾研究较少；并且由于综合管廊电缆火灾的影响因素较多，则对于其火灾发展的影响因素的具体研究还是相对较少。本文就研究城市地下综合管廊电缆火灾在不同桥架间距影响下的火蔓延行为特性，以揭示管廊内部在不同火灾条件下的温度和烟气变化规律。

1.3 研究内容及技术方案

1.3.1 研究内容

（1）调研国内外综合管廊电缆火灾以及相关由电缆燃烧而导致的火灾爆炸事故案例，了解并分析管廊内部电缆火灾的致因和危害，以及调查相关电缆的燃烧特性；

（2）调研相关文献，深入了解一般综合管廊结构特点，并结合电缆的燃烧行为总结综合管廊电缆火灾的特点；

（3）根据综合管廊结构特点，采用火灾动态模拟软件PyroSim进行建立数值模型，从而运行求解，模拟研究在不同桥架间距影响下的综合管廊电缆桥架火灾特性：热释放速率、温度场分布，烟气分布规律及火蔓延特性等。

1.3.2 技术方案

图1.1 技术方案路线图

综上，本文确定采用的方法如下：

（1）基于前人研究得到的相关电缆燃烧特性和管廊电缆火灾危险性，并结合相关规定，合理设置不同桥架间距工况，简化并优化模型。

（2）采用适用于FDS version 5和SMV的Pyrosim界面操作软件，建立综合管廊电缆火灾模型，其中主体管廊内分别建立垂直间距为0.25m，0.3m,0.35m，0.4m,0.45m,0.5m的电缆桥架，并在模型中合适的位置处设置热电偶，烟气层高度探测器，以及温度切片，记录火灾过程温度及其分布和烟气高度变化数据，以便后期研究分析。

（3）运用FDS求解器对模型进行解算，得到各测量仪器设备记录的监测数据，并利用Origin软件针对不同工况和不同测点的监测数据进行相关处理，分析温度、烟气高度在空间的分布情况，并且分析不同桥架间距对火灾热释放速率、温度分布、烟气运动以及火蔓延变化规律的影响。

（4）综合分析得到的数据，利用相关理论进行研究分析所得现象，最后得出结论。

第2章 综合管廊电缆火灾危险性分析

2.1 电缆火灾危险性

2.1.1 综合管廊内电缆火灾的致因

综合管廊内部布设有大量电力、通信电缆，火灾负荷大，因此火灾发生的概率及其危险性较高。通常情况下，一般引起综合管廊电缆火灾的原因可分为两类，内部原因主要有电缆短路、电缆漏电、超载运行、接触不良等；外部原因是由设计或运行维护等过程中的不当操作而引发火灾。总结归纳为以下5点：

1）由电缆短路引发火灾：电缆间绝缘层局部老化破损，就有可能发生短路，导致短路点与电源之间的阻抗突然降低，根据欧姆定律，电流与阻抗成反比，因此该处负载电流瞬间增大，产生大量的热，从而造成局部温度升高达到电缆绝缘层的燃点而发生火灾。

2）由电缆漏电引发火灾：由电缆的绝缘层绝缘能力下降产生的漏电电流将产生大量的热，引起电缆温度骤升，还可能出现电弧、电火花等，通常电火花温度都在3000℃以上，因此会瞬间点燃电缆以及其周边存在的其他可燃物而发生火灾。产生漏电的原因主要有以下几个方面^[24]：

第一，自然老化导致绝缘外皮绝缘能力下降，电缆使用时间超过规定年限，长时间的使用导致绝缘能力自然下降；第二，在外力作用下，电缆绝缘层由于受到损伤产生漏电；第三，电缆的绝缘层在输电过程中，由于电能转化为热能，发热量增大导致电缆温度升高，继而使绝缘能力降低，导致发热量继续增大，形成恶性循环，造成绝缘能力降低进而引发电缆漏电，最终导致火灾发生。

3）由电缆超载运行引发火灾：在安全载流情况下，电缆载流的产热量与散热量数值上维持动态平衡；反之，当电缆载流超过安全电流时，产热量由成平方倍的增长，导致电缆温度迅速升高。若长时间维持这种过载状态，将会加速电缆绝缘层绝缘能力下降，温度升高速率增加，进而引发短路或漏电，最终导致火灾发生。

4）由电缆接触不良引发火灾：接触不良的两个导体之间由于存在缝隙而导致两导体之间的电阻增大，电流流经时将会出现局部过热现象。长时间接触不良将致使电缆间热量不断增加累积，温度不断升高，产生火灾。

5）由设计或运行维护不当引发火灾：设计时管廊内通风系统存在漏洞或不完善，没有达到规范要求，通过排风的散热量远不及管廊内电缆积聚的热量，导致温度逐渐升高，电缆被点燃；施工或者检修人员的不当操作或电焊火花飞溅而引燃电缆，导致火灾发生。

2.1.2 综合管廊内电缆火灾的危害

根据近几年的国内外综合管廊电缆火灾事故案例，查看相应的事故报告，以及调研相关研究，现总结综合管廊内电缆火灾的危险主要表现在以下5个方面：

第一，发生概率大。综合管廊电缆起火原因复杂，电缆内部因素如绝缘层绝缘能力下降、外部因素如在设计、安装、使用和维护中稍有不当都有可能引起火灾，并且由于综合管廊位于地下，空间封闭狭长，火灾发生时不易及时发现，发现时往往已经火势较大。

第二，蔓延迅速，热时放量大。由于综合管廊电缆舱内有数排电缆支架，上面布满了电缆，火灾荷载大。一条电缆起火后，极易引燃旁边其他电缆，热放出大量的热。

第三，发烟量大，毒性强。在火灾过程中，燃烧的电缆会产生大量的烟雾，短时间内让建筑物迅速充满烟气，使得可见度下降，同时电缆在燃烧过程中还会产生大量有毒气体和腐蚀性气体，例如氯化氢、一氧化碳等，这些气体不仅会造成电子仪器和通讯控制系统的腐蚀，使其失去功能或扰乱系统运行，还会威胁人们的生命安全。