近間距雙洞單向隧道洞口火災(zāi)煙氣流動分析

付 召 王子云

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近間距雙洞單向隧道洞口火災(zāi)煙氣流動分析

付 召 王子云

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院 成都 610065）

對洞口間距小，雙洞單向公路隧道火災(zāi)排煙工況進(jìn)行研究，通過對不同工況火災(zāi)隧道排煙風(fēng)速及運營隧道通風(fēng)速度下的火災(zāi)煙氣流動利用計算流體動力學(xué)進(jìn)行模擬分析，得出了雙洞單向隧道排煙風(fēng)速與通風(fēng)風(fēng)速之間的影響關(guān)系，并利用該關(guān)系對排煙及通風(fēng)設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化，有效地減少了非著火隧道的吸入煙氣量，確保了運營隧道的空氣品質(zhì)。結(jié)果對該類型公路隧道工程排煙通風(fēng)設(shè)計具有一定參考價值。

雙洞單向隧道；排煙風(fēng)速；通風(fēng)速度；數(shù)值模擬

0 引言

目前我國已成為世界上隧道數(shù)最多的國家[1]。隧道的發(fā)展給人們出行帶來了極大的便利，但同時隧道火災(zāi)也給人們帶來了極大的危害。近年來國內(nèi)發(fā)生過多起隧道火災(zāi)事故，如2007年重慶大學(xué)城隧道因客車自燃使得6人受傷，1輛中巴車燒毀；2011年甘肅第七道梁隧道2輛罐車追尾著火造成了4人死亡，1人受傷，3輛車燒毀的嚴(yán)重后果；2014年山西巖后隧道因甲醇車追尾引發(fā)火災(zāi)，造成了31人死亡，9人失蹤，42輛車燒毀的慘劇[2]。減少隧道火災(zāi)發(fā)生時的危害是人們不斷探究的課題。根據(jù)相關(guān)研究，火災(zāi)時的煙氣是導(dǎo)致人員死亡的主要原因[3]，故迅速排出火災(zāi)煙氣，并保持隧道內(nèi)安全的空氣環(huán)境是減小火災(zāi)危害的重要手段。

雙洞單向隧道在生活中已十分常見，目前廣泛采用的縱向排煙方式已趨于成熟[4]。但對于雙洞間距較近，在一側(cè)隧道保持正常運營通風(fēng)時，火災(zāi)側(cè)隧道排出的煙氣難免會有部分被吸入運營隧道，造成相鄰隧道空氣品質(zhì)下降。因此，有必要對著火隧道的排煙風(fēng)速以及運營隧道的通風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行研究，確保煙氣不被吸入相鄰隧道。

本文基于某實際雙洞單向隧道工程，利用FDS火災(zāi)模擬軟件[5]對其火災(zāi)排煙工況進(jìn)行研究，得出了雙洞單向隧道排煙風(fēng)速與運營風(fēng)速之間的影響關(guān)系并利用該關(guān)系優(yōu)化了排煙及通風(fēng)設(shè)計，對該類型隧道工程排煙通風(fēng)設(shè)計具有一定參考價值。

1 模型及參數(shù)設(shè)置

結(jié)合工程實際，該雙洞單向隧道平面尺寸，火源面積大小及位置（=0，貼地面），溫度測點位置（=1.8m）如圖1所示，火源熱釋率設(shè)置為20MW。該隧道出口立面尺寸如圖2所示。同時在=1.8m高度處設(shè)置溫度水平剖面。

圖1 雙洞單向隧道平面圖

圖2 雙洞單向隧道出口立面圖

2 理論計算分析

2.1 臨界風(fēng)速計算

臨界風(fēng)速是縱向排煙工程中一個極為重要的參數(shù)[6]。本文采用Heselden&Kennedy公式[7]計算臨界風(fēng)速，如式（1）～（2）所示。

其中，v是臨界風(fēng)速，m/s；k為坡度修正系數(shù)，平坡和上坡取1.0，下坡取1+0.0374grade0.8；grade為百分比形式表示的隧道坡度對應(yīng)的正切值；為無量綱系數(shù)，為0.61；為重力加速度，9.81m/s2；為火源熱釋放速率，kW；為隧道截面凈高，m；0為周圍空氣密度，1.163kg/m3；c為定壓比熱容，1.005kJ/kg·K；為隧道通風(fēng)面積，m2；T為煙氣溫度，K；0為環(huán)境空氣溫度，293K。對于本模型，k取1.0；取0.61；取9.81m/s2；取20000kW；取6.7m；0取1.163kg/m3；c取1.005kJ/kg·K；為54.94m2；帶入數(shù)據(jù)計算得臨界風(fēng)速v=2.17m/s。

2.2 通風(fēng)風(fēng)速計算

運營通風(fēng)風(fēng)速由《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D70/2-02-2014）[8]中公式6.2.2-6.4.2確定。計算取隧道全長為3km，假設(shè)不同車型交通量如下表1設(shè)置。分別計算得稀釋隧道煙霧所需風(fēng)速v(VI)=0.56m/s；稀釋隧道CO所需風(fēng)速v(VO)=0.42m/s；為保持隧道內(nèi)較高空氣舒適標(biāo)準(zhǔn)，換氣次數(shù)取為5次/h，計算得稀釋隧道內(nèi)空氣異味所需風(fēng)速v=4.2m/s。

表1 不同車型交通量

3 模擬數(shù)據(jù)分析

3.1 溫度分布云圖分析

運營通風(fēng)風(fēng)速v=4.0m/s，排煙風(fēng)速分別為=2.5m/s，4.5m/s，6.5m/s時溫度分布如圖3所示。排煙風(fēng)速v=2.5m/s，運營通風(fēng)風(fēng)速v=4m/s，3m/s，1.5m/s時溫度分布如圖4所示。為便于分析，溫度凡是高于30℃時均設(shè)置為紅色。

圖3 vt=4.0m/s時，vp=2.5m/s，4.5m/s，6.5m/s（從左至右）時隧道空氣溫度分布

分析圖3可知，若不考慮雙洞相互影響，將v設(shè)置為4.0m/s，v設(shè)置為2.5m/s，這將導(dǎo)致大量煙氣被吸入運營隧道，通風(fēng)效果適得其反；當(dāng)將v增加到4.5m/s時，運營隧道高溫空氣范圍更廣，即此時有更多煙氣進(jìn)入運營隧道；當(dāng)將v增加到6.5m/s時，運營隧道空氣溫度均在30℃以下，即基本無煙氣進(jìn)入運營隧道。

圖4 vp =2.5m/s時，vt =4m/s，3m/s，1.5m/s（從左至右）時隧道空氣溫度分布

分析圖4可知，將v由4m/s降低到3m/s時，運營隧道高溫空氣范圍減少，即進(jìn)入運營隧道的煙氣量有一定減少，當(dāng)v降低到1.5m/s時，運營隧道空氣溫度均在30℃以下，即基本無煙氣進(jìn)入運營隧道。

3.2 臨界通風(fēng)風(fēng)速及臨界排煙風(fēng)速確定

運營通風(fēng)風(fēng)速v=4.0m/s時，改變右側(cè)隧道排煙風(fēng)速v，運營隧道=4.2m，=1.8m，=0～18m長度范圍內(nèi)溫度分布如圖5所示。

圖5 運營隧道內(nèi)X=4.2m，Z=1.8m，Y=0～18m長度范圍內(nèi)空氣溫度變化（vt =4.0m/s）

由上圖可知，隨著距洞口距離增大，隧道空氣溫度逐漸降低；在v由2.5m/s增大到7m/s的過程中，運營隧道空氣溫度先升高再逐漸降低，即進(jìn)入運營隧道的煙氣量先增加后逐漸減少；當(dāng)v增大到6.5m/s時，隧道空氣溫度突降為與環(huán)境溫度（20℃）基本一致，即基本無煙氣進(jìn)入正常運營通風(fēng)隧道，稱此時的v為臨界排煙風(fēng)速v。當(dāng)v一定，v>v時，無煙氣進(jìn)入。改變v，得出不同v下相應(yīng)的v，如下圖6所示。

圖6 不同vt下相應(yīng)的vpl

v=3.0m/s時，改變右側(cè)隧道v，運營隧道=4.2m，=1.8m，=0～18m長度范圍內(nèi)溫度分布如圖7所示。

圖7 運營隧道內(nèi)X=4.2m，Z=1.8m，Y=0～18m長度范圍內(nèi)空氣溫度變化（vp =3.0m/s）

由圖7可知，在v由3m/s降低到1m/s的過程中，當(dāng)v降低到1.5m/s時，隧道空氣溫度突降為與環(huán)境溫度（20℃）基本一致，即基本無煙氣進(jìn)入正常運營通風(fēng)隧道，稱此時的v為臨界通風(fēng)風(fēng)速v。當(dāng)v一定，v<v時，無煙氣進(jìn)入。改變v，得出不同v下相應(yīng)的v，分析可得不同v下v均為1.5m/s。

根據(jù)上述計算及分析，若不考慮雙洞排煙與通風(fēng)之間的相互影響，分別按照各自的排煙及通風(fēng)需求進(jìn)行設(shè)計，可能會導(dǎo)致火災(zāi)隧道煙氣被吸入相鄰保持正常運營通風(fēng)隧道，通風(fēng)效果適得其反。當(dāng)以滿足高質(zhì)量空氣品質(zhì)為目的，保持v=4m/s時，為使煙氣不被吸入，需將v增大到6.5m/s，從圖3可知此時無煙氣吸入。但v增大過多，既增加了風(fēng)機(jī)能耗，又影響了下游煙霧分層，增大了下游煙霧的紊亂程度，不利于人員疏散。當(dāng)以大于臨界風(fēng)速作為縱向排煙要求，保持v=2.5m/s時，為使煙氣不被吸入，需將v降低至1.5m/s，從圖4可知此時無煙氣吸入，雖然此時v<v，但v>v()及v> v(co)，即雖不能保證隧道內(nèi)較高的空氣品質(zhì)，但能保證隧道煙霧及CO濃度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時由于風(fēng)速較小，軸流風(fēng)機(jī)能耗較低，故在相鄰隧道火災(zāi)時短時間內(nèi)采用降低運營隧道v方式進(jìn)行通風(fēng)是可行的。

4 結(jié)語

本文對雙洞單向隧道排煙與通風(fēng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)雙洞間隔較近時，一側(cè)隧道的排煙對相鄰側(cè)的通風(fēng)有一定影響，若不調(diào)整v或v，可能會導(dǎo)致火災(zāi)隧道煙氣被吸入相鄰保持正常運營通風(fēng)隧道，影響通風(fēng)效果。

（2）提出了臨界通風(fēng)速度v及臨界排煙速度v，在v一定時，v>v；或在v一定時，v<v，即能保證煙氣不被吸入運營通風(fēng)隧道；一般情況下，減小v優(yōu)于增大v。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)v略大于v時，進(jìn)入運營隧道煙氣量最多，當(dāng)v遠(yuǎn)小于v或遠(yuǎn)大于v時，進(jìn)入運營隧道煙氣量較少，但由于降低v往往會低于臨界風(fēng)速，不能保證縱向排煙效果，故一般不采用。

[1] 王夢恕.中國鐵路、隧道與地下空間發(fā)展概況[J].隧道建設(shè),2010,30(4):351-364.

[2] 賴金星,周慧,程飛,等.公路隧道火災(zāi)事故統(tǒng)計分析及防災(zāi)減災(zāi)對策[J].隧道建設(shè),2017,37(4):409-415.

[3] 王友博.火災(zāi)煙氣致死原因分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2003,(S1):109-110.

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[6] 周慶,倪天曉,彭錦志.公路隧道火災(zāi)時縱向通風(fēng)排煙下臨界風(fēng)速問題探討[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2011,11(3):3-6.

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[8] JTG/T D70/2-02-2014,公路隧道通風(fēng)設(shè)計細(xì)則[S].北京:人民交通出版社,2014.

Smoke Movement Analysis of Entrances Belongs to Double Hole One-Way Tunnel in Close Space

Fu Zhao Wang Ziyun

( College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu, 610065 )

Analysis the smoke evacuation of double hole one-way tunnel in close space. Simulate several conditions through CFD and get the relationship between smoke evacuation velocity and ventilation velocity. Then optimize the design of smoke evacuation and ventilation and reduce the amount of smoke accessed into the operating tunnel effectively to ensure the air quality in operating tunnel. The results have some reference value for smoke evacuation and ventilation projects in such highway tunnels.

Double hole one-way tunnel; smoke evacuation velocity; ventilation velocity; CFD

U458.1

A

1671-6612（2018）02-109-04

付 召（1993.12-），男，在讀碩士研究生，E-mail：282436807@qq.com

王子云（1972.11-），男，博士，副教授，E-mail：wzyfirst@163.com

2017-12-08