基于多指標(biāo)約束的V形坡隧道煙氣控制方案

李國棟

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

0 引言

近年來，城市水下隧道得到了長足發(fā)展。為保障火災(zāi)時人員安全，水下隧道多采用重點(diǎn)排煙模式。但水下隧道“V”形連續(xù)縱坡使得隧道內(nèi)煙氣流動更為復(fù)雜[1,2]，亟需考慮不同坡度段發(fā)生火災(zāi)對煙氣控制效果的影響，進(jìn)而明確隧道煙氣控制最佳方案，以提升救援有效性。

部分學(xué)者對隧道火災(zāi)煙氣控制方案進(jìn)行了研究。徐志勝[3]建立了+3%坡度隧道數(shù)值模型，研究了集中排煙模式下排煙口的最佳開啟方式；林鵬[4]針對水平、3.2%單坡隧道進(jìn)行研究，結(jié)果表明傾斜隧道中排煙效率對排煙口位置更加敏感；曾艷華[5]研究了坡度隧道通風(fēng)排煙方式和排煙口開啟狀態(tài)對排煙效果的影響，發(fā)現(xiàn)同時開啟火源上下游排煙口時排煙效率更高；王國卓[6]通過縮尺寸實驗，得出縱向與橫向排煙相結(jié)合能達(dá)到較好煙氣控制效果；肖志行[7]對“相向射流+豎井自然排煙”組合模式進(jìn)行了研究，分析得出射流風(fēng)速和火源位置對煙氣控制的影響；蔡崇慶[8]針對單坡隧道不同重點(diǎn)排煙模式進(jìn)行研究，制定了合理的排煙方案；潘一平[9]研究了重點(diǎn)排煙模式下排煙口的數(shù)量、間距、位置和面積，結(jié)果表明火源兩側(cè)的排煙口都打開時排煙效果更好；李保軍[10]針對單側(cè)集中排煙隧道研究了排煙口開啟數(shù)量對煙控效果的影響，結(jié)果表明開啟火源附近4個排煙口時煙氣控制效果最好；姜學(xué)鵬[11,12]提出將排煙效率、煙氣蔓延范圍、能見度作為縱向合理機(jī)械補(bǔ)風(fēng)的判定三個指標(biāo)，并通過縮尺寸模型試驗對重點(diǎn)排煙與縱向補(bǔ)風(fēng)共同作用下的臨界風(fēng)速進(jìn)行了研究，提出合理縱向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速應(yīng)小于臨界風(fēng)速值。上述研究多通過構(gòu)建單一水平和單坡隧道數(shù)值模型對煙氣控制方案進(jìn)行探討，未針對非對稱V形坡隧道不同位置火災(zāi)的煙氣控制方案進(jìn)行研究，且對排煙效果的評價指標(biāo)零散，缺少系統(tǒng)性的評價方法。

以武漢兩湖隧道為研究對象，構(gòu)建全尺寸水下V形坡隧道數(shù)值模型，針對不同坡度段火災(zāi)位置，探究不同縱向通風(fēng)與重點(diǎn)排煙口開啟方式下的煙控效果，依據(jù)評價指標(biāo)，進(jìn)而提出科學(xué)合理的隧道火災(zāi)煙氣控制方案。

1 數(shù)值建模及工況設(shè)計

1.1 工程概況

武漢兩湖隧道為雙層超大直徑隧道，其中省博緊急出入口—光谷大橋段長3720m，整個隧道呈不對稱“V”字形，最大縱坡為4.5%。隧道內(nèi)徑13.7m，上層行車道凈高4.25m。排煙道橫斷面面積7.27m2，在排煙道頂隔板上間隔60m設(shè)長1m×寬4m排煙口。隧道出入端各設(shè)置一處豎井雙向均衡排煙，總排煙量為90m3/s。隧道上層橫斷面如圖1所示，隧道縱斷面如圖2所示。

圖1 兩湖隧道上層橫斷面Fig.1 Upper cross section of Lianghu tunnel

圖2 火源設(shè)置示意Fig.2 Schematic diagram of fire source setting

1.2 數(shù)值模型建立

為真實模擬兩湖隧道火災(zāi)煙氣流動情況，采用FDS構(gòu)建3720m長的全尺寸隧道模型?？紤]2～3輛小汽車碰撞火災(zāi)，設(shè)火災(zāi)規(guī)模為15MW超快速t2火。火源位于隧道中心線，尺寸為長5.5m×寬2m（高度忽略不計），火源燃料默認(rèn)為丙烷。網(wǎng)格大小選擇1/16～1/4倍火源特征直徑作為模擬網(wǎng)格尺寸[13]，火源上下游采用0.5m×0.5m×0.5m局部加密網(wǎng)格，其余網(wǎng)格尺寸均為1m×1m×1m。隧道兩端出口設(shè)置為自然開口，排煙道端口處設(shè)為EXHAUST，壓力為101325Pa，其環(huán)境溫度設(shè)置為20℃。墻體為混凝土，模擬計算時間為1200s，選取1100s～1200s的模擬數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行研究討論。

1.3 工況設(shè)定

考慮火災(zāi)位置、排煙口開啟方式、縱向通風(fēng)等對排煙效果的影響，設(shè)定在隧道出入段、隧道最低點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)，如圖2所示。負(fù)號代表隧道下坡方向，近省博緊急出入口側(cè)為上游，近光谷大橋側(cè)為下游。采用“雙向機(jī)械補(bǔ)風(fēng)（隧道兩端洞口同時補(bǔ)風(fēng)）”+排煙口對稱開啟（上游、下游各開啟3個）及“單向機(jī)械補(bǔ)風(fēng)（沿行車方向單向機(jī)械補(bǔ)風(fēng)）”+排煙口對稱開啟/不對稱開啟（上游2個、下游4個）3種不同通風(fēng)排煙控制方案，每種方案配合不同補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速，共計27組模擬工況，詳見表1。

表1 不同火源位置煙氣蔓延長度Table 1 Smoke spread length at different fire source locations

2 隧道火災(zāi)煙氣控制效果評價模型

2.1 排煙控制評價指標(biāo)

火災(zāi)時，隧道重點(diǎn)排煙系統(tǒng)應(yīng)滿足如下目標(biāo)：

（1）保障人員安全疏散需要，避免縱向風(fēng)擾亂煙氣分層，使清晰高度處煙氣溫度、濃度保持在安全范圍內(nèi)，最大程度減小煙氣對人員疏散影響。

（2）有效地將煙氣排入煙道，盡可能將煙氣控制在火源附近排煙口開啟區(qū)域內(nèi)，控制高溫?zé)煔庥绊懛秶?/p>

基于以上控制目標(biāo)，有效的重點(diǎn)通風(fēng)排煙系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)：火災(zāi)煙氣控制在排煙口開啟區(qū)段內(nèi)，清晰高度處煙氣溫度與能見度安全化，且排煙有效化。

2.2 數(shù)學(xué)模型

將上述排煙效果評價指標(biāo)，凝煉為煙氣前鋒蔓延長度、排煙效率、清晰高度處能見度和溫度等4個指標(biāo)[14,15]。構(gòu)建基于疏散安全和排煙有效的多指標(biāo)約束的通風(fēng)排煙策略的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。

其中，式（1）為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，式（2）為約束條件。式中，L60℃為排煙道底板下方60℃煙氣溫度前鋒蔓延距離，m；Tz為清晰高度處溫度，℃；Vz為清晰高度處能見度，m；η為排煙效率，%；n為上游側(cè)排煙口開啟數(shù)量，個；mesi為第i個排煙口單位時間排出的CO2量，kg/s；mp為單位時間內(nèi)CO2生成總量，kg/s。

3 結(jié)果與討論

3.1 煙氣蔓延長度

表1為不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的煙氣蔓延長度。

隧道2.2%-1%下坡段A點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)時，上游煙氣受到縱向風(fēng)流的抑制作用，其蔓延長度隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大而減小，最小蔓延長度為45m；下游則隨風(fēng)速增大而增加，蔓延總長均＜300m。由式（2）中煙氣蔓延長度判據(jù)可得：排煙口上3+下3開啟時，煙氣蔓延長度均滿足L上60℃≤L=150m、L下60℃≤L=150m；排煙口上2+下4開啟，單向1m/s補(bǔ)風(fēng)，上游煙氣蔓延長度不滿足L上60℃≤L=90m。

隧道最低點(diǎn)B發(fā)生火災(zāi)時，上游煙氣受到縱向風(fēng)流的抑制作用，其蔓延長度隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大而減小，最小蔓延長度為25m；下游則由于煙囪效應(yīng)耦合增大的風(fēng)速而增加，總蔓延長度均＜300m。由判據(jù)可得：排煙口上3+下3開啟，補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速≤1.5m/s時，煙氣蔓延長度均滿足L上60℃≤L=150m、L下60℃≤L=150m；排煙口上2+下4開啟，不同補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速均能將煙氣控制在排煙口開啟區(qū)段。

隧道1%-4.5%上坡段C點(diǎn)發(fā)生火災(zāi)雙向補(bǔ)風(fēng)時，隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速的增大，上游煙氣逐漸增加，下游逐漸減??；單向補(bǔ)風(fēng)時，煙氣則被吹往下游，呈現(xiàn)上游減小，下游增加的趨勢?？偮娱L度＜300m。由判據(jù)可得：雙向補(bǔ)風(fēng)≥1m/s時，滿足判據(jù)；排煙口上3下3開啟+單向補(bǔ)風(fēng)≤1.5m/s、排煙口上2下4開啟+單向補(bǔ)風(fēng)≥1.5m/s時，滿足煙控要求。

3.2 清晰高度處溫度分析

圖3-圖5為不同火源位置、不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的溫度分布。

由圖3可知，A點(diǎn)火災(zāi)時：溫度呈現(xiàn)不對稱分布，上游的溫度稍高于下游。隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大，上游溫度迅速降低，下游逐漸升高，距離火源越近L1-R1排煙口開啟區(qū)段受火羽流影響溫度波動較大。60℃以上高溫?zé)煔饩刂圃谂艧熆陂_啟區(qū)段（375m-675m）。由式（2）中Tz≤60℃判據(jù)可得：不同煙控組合方式均滿足要求。

圖3 火源A點(diǎn)清晰高度處溫度分布Fig.3 Temperature distribution at the clear height of point A of fire source

由圖4可知，B點(diǎn)火災(zāi)時：隧道右側(cè)坡度更大，故下游的溫度稍高于上游。由于雙向補(bǔ)風(fēng)將煙氣控制在排煙口開啟區(qū)段（1490m-1790m)內(nèi)，整體溫度有緩慢上升的趨勢。沿行車方向補(bǔ)風(fēng)時，上游溫度隨風(fēng)速增大迅速降低，而下游則逐漸升高。上游溫度均低于60℃，下游R1-R2開啟區(qū)段溫度在60℃上下波動。由判據(jù)可得：不同煙控組合方式均滿足要求。

圖4 火源B點(diǎn)清晰高度處溫度分布Fig.4 Temperature distribution at the clear height of point B of fire source

由圖5可知，C點(diǎn)火災(zāi)時：因其位于連續(xù)上坡段，煙氣朝上坡蔓延，故下游的溫度高于上游。C點(diǎn)距離隧道出口僅675m，遠(yuǎn)小于與入口的距離，故雙向補(bǔ)風(fēng)時，下游補(bǔ)風(fēng)將煙氣吹往上游，使上游溫度升高、下游降低。單向補(bǔ)風(fēng)時，規(guī)律同B點(diǎn)類似，但補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速為2m/s時，“煙囪效應(yīng)”得到促進(jìn)，高溫?zé)煔獗淮罅看低掠?，使R1-R3排煙口開啟區(qū)段（3045m-3195m)內(nèi)溫度驟升超過60℃。由判據(jù)可得：除單向補(bǔ)風(fēng)2m/s外，不同煙控組合方式均滿足要求。

圖5 火源C點(diǎn)清晰高度處溫度分布Fig.5 Temperature distribution at the clear height of point C of fire source

3.3 清晰高度處能見度分析

圖6～圖8為不同火源位置、不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的溫度分布。

A點(diǎn)火災(zāi)時（見圖6）：較小補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速下，下游能見度高于上游。隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大，煙氣逐漸聚集在下游，上游能見度逐漸增加，下游能見度逐漸降低。由式（2）中Vz≤10m判據(jù)可得：雙向補(bǔ)風(fēng)煙控效果較好；單向補(bǔ)風(fēng)+排煙口上3下3開啟時，1m/s補(bǔ)風(fēng)煙控效果較好、上2下4開啟時，除2m/s補(bǔ)風(fēng)外，基本滿足要求。

圖6 火源A清晰高度處能見度分布Fig.6 Visibility distribution at clear height of fire source A

B、C點(diǎn)火災(zāi)時（圖7、圖8）：由于右側(cè)整體坡度大于左側(cè)，上游能見度高于下游。雙向補(bǔ)風(fēng)時，下游煙囪效應(yīng)被抑制，上游能見度隨風(fēng)速增大而降低、下游則相反。單向補(bǔ)風(fēng)時，煙囪效應(yīng)得到促進(jìn)，上游能見度逐漸升高而下游逐漸降低。由判據(jù)可得：B點(diǎn)火災(zāi)時，雙向補(bǔ)風(fēng)以及單向1m/s補(bǔ)風(fēng)時煙控效果較好；C點(diǎn)火災(zāi)時，雙向補(bǔ)風(fēng)≤1.5m/s以及單向1m/s補(bǔ)風(fēng)時煙控效果較好。

圖7 火源B清晰高度處能見度分布Fig.7 Visibility distribution at clear height of fire source B

圖8 火源C清晰高度處能見度分布Fig.8 Visibility distribution at clear height of fire source C

3.4 排煙效率分析

排煙效率η≥95%是衡量排煙系統(tǒng)效果最直接的指標(biāo)。不同火源位置，不同縱向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合方式下的排煙效率如表2所示。

表2 不同火源位置排煙效率Table 2 Smoke exhaust efficiency at different fire source locations

A點(diǎn)火災(zāi)時（位于2.2%-1%下坡段），各工況排煙效率呈不對稱分布，上游側(cè)（2.2%坡度）排煙口效率最高。隨補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速增大，上游側(cè)排煙效率逐漸降低而下游逐漸升高。當(dāng)單向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速≤1.5m/s時，隨排煙口向下游偏移（上2下4），排煙效率呈增加趨勢。由式（2）中判據(jù)可得：雙向補(bǔ)風(fēng)+排煙口上3下3開啟時，風(fēng)速≥1.5m/s；單向補(bǔ)風(fēng)+不同排煙口開啟組合時，風(fēng)速≤1.5m/s滿足要求。

B、C點(diǎn)火災(zāi)時，各工況排煙效率呈不對稱分布，下游側(cè)整體排煙效率較高。雙向補(bǔ)風(fēng)時，上游側(cè)L1-L3效率逐漸增加，下游則減小。單向補(bǔ)風(fēng)時，煙氣被大量吹往下游，隨縱向風(fēng)速的增大，上游排煙效率逐漸降低，出現(xiàn)負(fù)值，表明該排煙口失效，而下游則逐漸升高。B點(diǎn)火災(zāi)時，雙向補(bǔ)風(fēng)≤1.5m/s、單向補(bǔ)風(fēng)1m/s時，排煙效率大于95%；C點(diǎn)火災(zāi)時，雙向補(bǔ)風(fēng)效果不佳，排煙口上3下3開啟、單向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速1m/s和排煙口上2下4開啟、單向補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速≤1.5m/s時煙控效果較好。

3.5 討論

通過對不同火源位置、不同補(bǔ)風(fēng)方式+排煙口開啟方式進(jìn)行探究，考慮煙氣蔓延長度、清晰高度處溫度、能見度、排煙效率4個煙氣控制指標(biāo)，進(jìn)而得出煙氣控制方案，如表3所示。

表3 排煙方案Table 3 Smoke exhaust scheme

由于隧道內(nèi)火災(zāi)發(fā)生位置的隨機(jī)性，控制模式多樣化則不便于工程實際操作。當(dāng)采用雙向補(bǔ)風(fēng)時，C點(diǎn)無合適的補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速滿足煙控要求；當(dāng)單向補(bǔ)風(fēng)配合排煙口上2下4時，三種火災(zāi)位置無統(tǒng)一的風(fēng)速可滿足要求；當(dāng)排煙口上3下3配合1m/s單向補(bǔ)風(fēng)時，均可較好實現(xiàn)煙氣控制效果，故推薦此方案。

4 結(jié)論與討論

本文依托武漢市兩湖V形坡隧道，對隧道不同坡度段位置發(fā)生火災(zāi)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析討論得到如下結(jié)論：

（1）基于人員安全疏散、煙氣是否有效排出的要求，構(gòu)建了包含60℃煙氣前鋒蔓延長度、排煙效率、清晰高度處溫度與能見度4個約束指標(biāo)的隧道火災(zāi)煙氣控制效果評價模型。

（2）針對武漢兩湖非對稱V形坡隧道，通過對不同火源位置、縱向通風(fēng)+排煙口開啟組合方式進(jìn)行模擬分析，得到：發(fā)生在任意坡度段的火災(zāi)，均采用上游隧道洞口處單向機(jī)械補(bǔ)風(fēng)、排煙口上游、下游各開啟3個、配合1m/s的補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速，均可保證達(dá)到較好的煙氣控制效果。