南昌紅谷水下互通立交隧道通風(fēng)排煙組織研究

王東偉， 戴　新， 李國(guó)江

(1. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津　300133； 2. 中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司， 河北 三河　065201)

0　引言

目前，我國(guó)已成為世界上隧道工程建設(shè)規(guī)模最大、數(shù)量最多的國(guó)家。隨著隧道長(zhǎng)度、行車(chē)速度和密度的增大，也帶來(lái)了諸多問(wèn)題。其中，車(chē)輛在隧道中的故障及互相撞擊、貨物的自燃等是誘發(fā)隧道火災(zāi)的直接原因[1]。根據(jù)英國(guó)通風(fēng)專(zhuān)家Haeter[2]的統(tǒng)計(jì)，大約每行車(chē)1 000萬(wàn)km平均發(fā)生2次隧道火災(zāi)，該數(shù)據(jù)隨統(tǒng)計(jì)樣本的不同而不同。我國(guó)高速公路隧道火災(zāi)事故率約為4次/億車(chē)千米[3]。相比普通開(kāi)放式道路，公路隧道發(fā)生事故的數(shù)量相對(duì)較少，但后果及影響往往較大，尤其是發(fā)生火災(zāi)，后果可能是極具破壞性和危險(xiǎn)性的[4]。對(duì)于接線復(fù)雜的水下互通立交隧道，在匝道分合流位置更易發(fā)生交通事故。近年來(lái)，相關(guān)研究也逐漸增加，如文獻(xiàn)[5-6]以膠州灣隧道為背景，探究了長(zhǎng)大城市道路水下隧道的防排煙設(shè)計(jì)； 文獻(xiàn)[7-8]分析探討了城市地下交通聯(lián)系隧道及多匝道隧道的通風(fēng)及防排煙設(shè)計(jì)。以往研究大多局限于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模擬、匝道通風(fēng)阻力特性和防排煙數(shù)值模擬等方面[9-10]，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排煙試驗(yàn)的分析研究和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)很少。

南昌紅谷隧道位于南昌大橋與八一大橋之間，連接紅谷灘新區(qū)與東岸老城區(qū)，東岸以地下互通立交形式接沿江中大道、中山西路等，隧道全長(zhǎng)約2 650 m，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為50 km/h。西岸設(shè)置主線進(jìn)出口和2條進(jìn)出口匝道，東岸共設(shè)置7條匝道，為城市水下多匝道互通立交隧道，如圖1所示。根據(jù)隧道的特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)隧道火災(zāi)防排煙及人員疏散安全的研究十分重要。

圖1　南昌紅谷隧道工程?hào)|岸匝道效果圖

Fig. 1The impression drawing of East Bank ramp of Nanchang Honggu Tunnel Project

本文通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法研究隧道坡度、匝道氣流相互耦合等因素對(duì)通風(fēng)排煙控制方案、逃生疏散方案等的影響，以期為本工程的設(shè)計(jì)、施工及安全運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)支撐； 同時(shí)也為國(guó)內(nèi)外類(lèi)似隧道工程項(xiàng)目提供參考。

1　模擬火源點(diǎn)位置

本文重點(diǎn)研究南昌紅谷隧道東岸N1進(jìn)口匝道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，匝道分岔處會(huì)否出現(xiàn)煙氣回流現(xiàn)象，抑制煙氣回流的臨界風(fēng)速，以及相鄰匝道采取何種防煙措施； 東岸S1出口匝道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，匝道分岔處的煙氣組織模式、排煙控制方案等。

通過(guò)綜合對(duì)比分析《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[11]和PIARC[12]發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)隧道內(nèi)火災(zāi)熱釋放功率的規(guī)定，根據(jù)隧道交通量預(yù)測(cè)和交通組成分析，取火災(zāi)熱釋放功率為20 MW。隧道采用全射流縱向通風(fēng)及縱向排煙模式，煙氣由隧道出洞口排出，為保證煙氣能夠順利排除，在東岸各匝道內(nèi)均布置了射流風(fēng)機(jī)。

針對(duì)紅谷隧道工程實(shí)際情況，利用火災(zāi)模擬軟件FDS對(duì)影響火災(zāi)場(chǎng)景的火源位置以及對(duì)應(yīng)不同坡度下縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速進(jìn)行分析?；鹪袋c(diǎn)位置如圖2—3所示，具體的火災(zāi)場(chǎng)景參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2　北線隧道火源點(diǎn)位置示意圖

圖3　南線隧道火源點(diǎn)位置示意圖

線路火源功率/MW火源位置坡度/%縱向風(fēng)速/(m/s)編號(hào)北線南線20N1匝道與F匝道分岔口(FK0+025)-62.5N0120N1匝道與C匝道分岔口(N1K2+760)-62.5N0220S1匝道與D匝道分岔口(S1K2+760)63.0S0120H匝道與D匝道分岔口(DK0+160)62.5S02

2　數(shù)值模擬分析

通過(guò)模擬紅谷隧道全射流縱向通風(fēng)及排煙模式下，火災(zāi)發(fā)生在不同坡度時(shí)不同縱向通風(fēng)速率對(duì)煙氣蔓延的控制效果，研究該通道中抑制煙氣回流所需臨界風(fēng)速，從而為隧道內(nèi)火災(zāi)工況下制定合理煙氣控制方案提供參考和依據(jù)。

2.1　北線隧道進(jìn)口匝道煙氣蔓延特性分析

2.1.1N01煙氣蔓延特性分析

在隧道北線東岸N1進(jìn)口匝道與F進(jìn)口匝道分岔處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，匝道坡度接近-6%，煙氣蔓延特性如圖4所示。由圖4可知，在自然排煙條件下，由于煙囪效應(yīng)作用，火源上游煙氣很快蔓延至N1匝道和F匝道洞口，火源下游煙氣蔓延至N1匝道與C匝道分岔口前部，極不利于火災(zāi)點(diǎn)上游人員疏散逃生。為保證煙氣不回流，應(yīng)在監(jiān)控設(shè)備探測(cè)到火災(zāi)后，由監(jiān)控中心隧道管養(yǎng)人員及時(shí)開(kāi)啟排煙模式，進(jìn)行縱向排煙。

圖4　N01場(chǎng)景自然排煙煙氣蔓延特性圖

Fig. 4Smoke spread characteristics of natural smoke exhausting in scenario N01

開(kāi)啟位于N1、F、C匝道洞口處的射流風(fēng)機(jī)正向通風(fēng)排煙，排煙風(fēng)速為2.5 m/s。由圖5所示煙氣蔓延特性可以看出，在2.5 m/s的縱向排煙風(fēng)速下，N1、F匝道段火源上游無(wú)煙氣回流，C單線匝道段無(wú)煙氣回流，隧道內(nèi)的煙氣在縱向風(fēng)速的作用下沿主隧道向火源下游擴(kuò)散。

圖5　N01場(chǎng)景縱向排煙煙氣蔓延特性圖

Fig. 5Smoke spread characteristics of longitudinal smoke exhausting in scenario N01

2.1.2N02煙氣蔓延特性分析

在隧道北線N1匝道、C匝道分岔口處發(fā)生火災(zāi)，隧道坡度接近-6%，開(kāi)啟位于N1、C匝道進(jìn)口端處的射流風(fēng)機(jī)正向通風(fēng)排煙，排煙風(fēng)速為2.5 m/s。由圖6所示煙氣蔓延特性可以看出，在2.5 m/s的縱向排煙風(fēng)速下，N1匝道火源上游沒(méi)有煙氣回流，通道內(nèi)的煙氣在縱向風(fēng)的作用下向火源下游蔓延； C匝道段，火源上游存在約50 m的較稀薄的煙氣回流，回流部分集中在匝道分岔口過(guò)渡部分，回流現(xiàn)象不明顯。因此，可增開(kāi)C匝道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)，適當(dāng)加大C匝道內(nèi)的臨界風(fēng)速，以確保無(wú)回流現(xiàn)象產(chǎn)生。

(a) 180 s煙氣蔓延圖

(b) 400 s煙氣蔓延圖

(c) 800 s煙氣蔓延圖

(d) 1 800 s煙氣蔓延圖

2.2　南線隧道出口匝道煙氣蔓延特性分析

2.2.1S01煙氣蔓延特性分析

在隧道南線S1、D匝道分岔口處發(fā)生火災(zāi)，隧道坡度接近6%，在3 m/s縱向風(fēng)速的作用下，煙氣蔓延特性如圖7所示。由圖7可知，在火源上游主隧道約有20 m煙氣回流，通道內(nèi)的煙氣在縱向風(fēng)速的作用下向火源下游蔓延。但由于匝道曲度大，曲線隧道壁面阻力較大[13-14]，此處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，縱向排煙風(fēng)速在3 m/s以上才能夠控制煙氣回流，保證火災(zāi)上游人員疏散安全。

(a) 180 s煙氣蔓延圖

(b) 400 s煙氣蔓延圖

(c) 800 s煙氣蔓延圖

(d) 1 800 s煙氣蔓延圖

2.2.2S02煙氣蔓延特性分析

在H、D匝道分岔口處發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道沉管段進(jìn)口初設(shè)風(fēng)速為2.5 m/s。由圖8所示煙氣蔓延特性可以看出，在800 s前火源上游H、D匝道存在20～30 m煙氣回流，1 050 s開(kāi)始煙氣回流減小到0。主要原因是D匝道段曲率較大，在彎道的阻力及分流作用下，到達(dá)著火位置的實(shí)際風(fēng)速減小，而在通風(fēng)氣流形成后，煙控效果較好。

書(shū)稿排印時(shí)的技術(shù)錯(cuò)誤也可能會(huì)導(dǎo)致“正字誤錄”現(xiàn)象，《中華道藏》中反復(fù)出現(xiàn)一些常用字反而被錄成了形體相近的罕見(jiàn)字，這種情況不大可能歸咎于點(diǎn)校者，更可能是排印過(guò)程出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

(a) 180 s煙氣蔓延圖

(b) 400 s煙氣蔓延圖

(c) 800 s煙氣蔓延圖

(d) 1 050 s煙氣蔓延圖

(e) 1 800 s煙氣蔓延圖

3　排煙試驗(yàn)分析

紅谷隧道北線，車(chē)流由東岸進(jìn)口的N1匝道、F匝道和C匝道匯流至主隧道； 隧道南線，車(chē)流在東岸由S1匝道、E匝道、D匝道和H匝道分離駛出。隧道排煙的重難點(diǎn)在于東岸諸多匝道的分合流處。

為驗(yàn)證隧道通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際排煙效果，選取隧道2個(gè)位置進(jìn)行排煙試驗(yàn)，將煙霧充滿(mǎn)隧道。北線進(jìn)口匝道排煙試驗(yàn)點(diǎn)里程為N1K2+860，南線出口匝道排煙試驗(yàn)點(diǎn)里程為S1K2+600，風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式見(jiàn)表2—3。

表2　試驗(yàn)風(fēng)機(jī)排煙S-1運(yùn)行模式(原設(shè)計(jì))

注： 01，02，…，18表示射流風(fēng)機(jī)編號(hào)； “正”為風(fēng)機(jī)正向開(kāi)啟，“×”為風(fēng)機(jī)停機(jī)； 下同。

表3　試驗(yàn)風(fēng)機(jī)排煙S-2運(yùn)行模式(原設(shè)計(jì))

試驗(yàn)主要以紅谷隧道北線2個(gè)進(jìn)口合流匝道和南線3個(gè)出口分岔匝道作為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，采集排煙風(fēng)速數(shù)據(jù)并分析排煙效果影響因素，驗(yàn)證設(shè)計(jì)排煙模式的合理性，為后期隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)排煙模式的優(yōu)化提供支持。

3.1　進(jìn)口匝道排煙試驗(yàn)分析

北線進(jìn)口匝道在無(wú)機(jī)械排煙作用條件下，受煙氣煙囪效應(yīng)的影響，煙氣回流顯著，部分煙氣擴(kuò)散至N1、F匝道洞口附近，無(wú)法有效排除，90 s后基本覆蓋分岔口至N1、F匝道洞口整個(gè)區(qū)域，如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果基本相符，S-1模式會(huì)影響火災(zāi)點(diǎn)上游人員的疏散安全，故不建議采用。在射流風(fēng)機(jī)形成有效排煙氣流前，煙氣依然會(huì)出現(xiàn)短暫回流現(xiàn)象，故運(yùn)管人員應(yīng)特別注意較大負(fù)坡的隧道進(jìn)口的運(yùn)行狀況，在火災(zāi)發(fā)生90 s內(nèi)啟動(dòng)排煙模式，盡快形成有效的控?zé)煔饬鳌?/p>

對(duì)于F匝道，按照原設(shè)計(jì)模式，匝道內(nèi)設(shè)置的2臺(tái)射流風(fēng)機(jī)未開(kāi)啟，從試驗(yàn)結(jié)果看，在風(fēng)機(jī)形成有效排煙氣流120 s后，匝道內(nèi)回流集聚煙氣無(wú)法排除，能見(jiàn)度較低。啟動(dòng)F匝道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)100 s后，煙氣被迅速沿行車(chē)方向排除，能見(jiàn)度得以有效提高。

綜上分析，在進(jìn)口分岔較多的匝道內(nèi)，車(chē)流活塞效應(yīng)較弱時(shí)，由于反坡較大，煙氣受煙囪效應(yīng)影響極易回流，且回流煙氣無(wú)定向性。為保證能夠有效排除回流煙氣，各進(jìn)口匝道內(nèi)均應(yīng)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)； 在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為減少煙氣對(duì)火災(zāi)點(diǎn)上游人員疏散的影響，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員疏散情況，盡早正向開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙。

(a) N1匝道20 s煙氣蔓延圖

(b) N1匝道90 s煙氣蔓延圖

(c) F匝道180 s煙氣蔓延圖

(d) F匝道280 s煙氣蔓延圖

3.2　出口匝道排煙試驗(yàn)分析

(a) S1匝道30 s煙氣蔓延圖

(b) S1匝道90 s煙氣蔓延圖

(c) S1匝道120 s煙氣蔓延圖

(d) S1匝道180 s煙氣蔓延圖

根據(jù)李俊梅等[15]對(duì)多匝道城市地下道路縱向排煙系統(tǒng)的分析研究及其他對(duì)分岔隧道的排煙研究，對(duì)比分析3種工況： 1)開(kāi)啟分岔口兩側(cè)匝道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)同時(shí)排煙； 2)一個(gè)匝道排煙，另一個(gè)匝道送風(fēng)阻止煙氣進(jìn)入； 3)只開(kāi)啟其中一個(gè)匝道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)排煙。分析得出開(kāi)啟一側(cè)匝道進(jìn)行排煙的效果較好，盡量減少分岔處中隔墻對(duì)煙氣流動(dòng)的影響，煙氣可以順利排出。

本次試驗(yàn)充分驗(yàn)證了以上結(jié)論，但與前述FDS軟件模擬結(jié)果中2條匝道同時(shí)排煙的情況不太一致。實(shí)際工程中應(yīng)盡量縮短煙氣在隧道內(nèi)的流程，開(kāi)啟洞口距離火災(zāi)點(diǎn)較近的匝道內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙。由于隧道內(nèi)活塞效應(yīng)和隧道正坡煙囪效應(yīng)的作用，隧道出口發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣回流的幾率不大，火災(zāi)初期可充分借助高溫?zé)煔夥謱拥奶匦?，保障火?zāi)點(diǎn)附近人員的疏散和下游車(chē)輛迅速駛離隧道。本項(xiàng)目排煙試驗(yàn)也可證實(shí)，上游提供的縱向臨界風(fēng)速可抑制火災(zāi)煙氣向后回流，但同時(shí)也對(duì)火災(zāi)煙氣的分層結(jié)構(gòu)造成一定影響?？v向風(fēng)的剪切作用，使大量空氣被卷吸進(jìn)入上層煙氣，加快了火災(zāi)煙氣的沉降，尤其在煙氣前鋒迎風(fēng)面處，此種現(xiàn)象更為明顯，如圖11所示。因此，當(dāng)隧道正坡或出口處發(fā)生火災(zāi)，且前方交通阻滯時(shí)，人員安全疏散階段的縱向排煙風(fēng)速不宜過(guò)大，以減少煙氣擾動(dòng)，可在完成火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)人員疏散后再開(kāi)啟風(fēng)機(jī)排煙。

(a) 熱煙試驗(yàn)初期煙氣分層

(b) 熱煙受擾動(dòng)下沉

3.3　排煙模式優(yōu)化

經(jīng)過(guò)排煙試驗(yàn)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煙氣蔓延情況的分析，對(duì)原設(shè)計(jì)排煙風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化： 開(kāi)啟進(jìn)口F匝道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)，防止煙氣回流聚集而無(wú)法排除，影響人員疏散； 主線隧道、S1匝道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙氣由距離隧道洞口較近、隧道結(jié)構(gòu)流線順暢的S1匝道排出，關(guān)閉D、H匝道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)，主線隧道、S1和E匝道排煙模式合并，簡(jiǎn)化排煙模式。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)排煙運(yùn)行模式見(jiàn)表4—5，風(fēng)機(jī)啟停位置見(jiàn)圖12—13。

表4　隧道風(fēng)機(jī)排煙S-1運(yùn)行模式(優(yōu)化設(shè)計(jì))

表5　隧道風(fēng)機(jī)排煙S-2運(yùn)行模式(優(yōu)化設(shè)計(jì))

圖12　進(jìn)口匝道火源點(diǎn)位置及優(yōu)化后S-1模式風(fēng)機(jī)啟停位置圖

圖13　出口匝道火源點(diǎn)位置及優(yōu)化后S-2模式風(fēng)機(jī)啟停位置圖

4　結(jié)論與建議

本文通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)南昌市紅谷隧道東岸匝道分岔區(qū)域火災(zāi)時(shí)的排煙進(jìn)行研究，分析進(jìn)出口匝道在不同工況下的縱向排煙煙氣蔓延特性、排煙臨界風(fēng)速及排煙效果等要素，以及復(fù)雜水下互通立交隧道通風(fēng)排煙的特點(diǎn)，制定合理的控?zé)熌Ｊ健?/p>

1)東岸進(jìn)口匝道內(nèi)，火源點(diǎn)位于N1或C匝道內(nèi)時(shí)，在2.5 m/s的縱向風(fēng)速下，N1、F和C匝道火源上游無(wú)煙氣回流，分岔部位無(wú)串煙現(xiàn)象。

2)東岸出口匝道內(nèi)，由于匝道曲度大，曲線隧道壁面阻力較大，需增加縱向通風(fēng)風(fēng)速至3.0～3.5 m/s，才能實(shí)現(xiàn)良好的煙控效果。

3)在進(jìn)口分岔較多的匝道內(nèi)，火災(zāi)初期，從風(fēng)機(jī)開(kāi)啟至形成有效的排煙氣流約需90 s，在此期間，極易出現(xiàn)煙氣回流現(xiàn)象。為保證回流煙氣能夠有效排除，各進(jìn)口匝道內(nèi)均應(yīng)設(shè)置射流風(fēng)機(jī)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員疏散情況，盡早正向開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙。

4)在出口匝道內(nèi)，煙氣受煙囪效應(yīng)影響，向下游擴(kuò)散速度較快，煙氣基本在風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后90～120 s全部排除。在火災(zāi)點(diǎn)前后需要人員疏散時(shí)，為保證有利的煙氣分層特性，應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)風(fēng)速情況啟停射流風(fēng)機(jī)。

5)出口分岔匝道縱向排煙時(shí)，應(yīng)利用有利的結(jié)構(gòu)形式，選擇流體流線順暢、煙氣流程較短的匝道，采用分岔口一側(cè)的匝道進(jìn)行排煙，不啟動(dòng)另一側(cè)匝道內(nèi)射流風(fēng)機(jī)。

6)隧道熱煙、冷煙試驗(yàn)規(guī)模較小，僅能探知部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)煙氣特性和起到示蹤氣體的作用，出于對(duì)隧道安全的考慮，復(fù)雜接線隧道的煙氣特性和煙氣排除時(shí)間有待進(jìn)一步考察。