半敞開式公路隧道結(jié)構(gòu)對(duì)排煙特性影響研究

洪 城 潘益鑫 黃 鑫 陳韻海 呂德磊

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江省巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 紹興 312000)

0 引言

公路隧道由于其狹長(zhǎng)而相對(duì)封閉的特殊結(jié)構(gòu)，一旦發(fā)生火災(zāi)，高溫有毒煙氣難以排出，隧道內(nèi)溫度越來越高，不僅對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成破壞，還威脅人們的生命安全并給救援帶來困難.據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在建筑火災(zāi)中，85%的人員傷亡是由高溫、有毒煙氣造成的[1].隨著城市交通壓力的增加，由于半敞開式公路隧道這種較新型的隧道結(jié)構(gòu)突破了傳統(tǒng)隧道相對(duì)密閉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而受到廣泛使用，其頂部開口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可使火災(zāi)煙氣在隧道內(nèi)的行程大大縮短，更有利于人員逃生，但目前暫無對(duì)其的相關(guān)規(guī)范.因此，研究半敞開式隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣的排放問題對(duì)隧道建設(shè)及安全具有重要意義.

目前已有國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道頂部開孔自然通風(fēng)方式的火災(zāi)問題開展了相關(guān)研究，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用Fluent和FDS兩類CFD軟件模擬研究各類參數(shù)對(duì)隧道火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響.如胡春艷[2]和葛家美[3]主要通過不同通風(fēng)孔布置方式、開孔面積及孔組內(nèi)孔間距對(duì)隧道內(nèi)污染物分布情況進(jìn)行模擬研究，得出隧道頂部開孔自然通風(fēng)方式的通風(fēng)規(guī)律.林鵬等[4]通過改變隧道坡度和排煙口位置得出最優(yōu)排煙效率的工況.李開源[5]和許秦坤等[6]研究了不同火源功率下的煙氣運(yùn)動(dòng)情況并給出了火災(zāi)救援建議.趙冬和Lomas等[7,8]基于不同的通風(fēng)方式對(duì)隧道火災(zāi)煙氣進(jìn)行研究，得出自然通風(fēng)和混合通風(fēng)能起到很好的排煙作用.王彥富等[9]基于正交試驗(yàn)通過選取豎井寬度、高度、組間距以及每組豎井?dāng)?shù)量作為可控因子，研究半敞開式隧道豎井不同參數(shù)組合下的排煙性能.Gao等[10]采用FDS軟件模擬混合通風(fēng)模式對(duì)煙氣的影響，討論自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)的相互作用，表明混合通風(fēng)能更有效地抑制煙氣擴(kuò)散.

在現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)中，采用數(shù)值模擬研究半敞開式隧道的火災(zāi)煙氣特征，主要集中在自然通風(fēng)模式下的均勻分布或成組均勻布置的頂部開孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如目前我國已有的半敞開式隧道有成都市紅星路隧道和南京龍?bào)粗新匪淼繹11]，鮮有對(duì)集中布置的半敞開段結(jié)構(gòu)通風(fēng)方案的研究.因此，本文采用FDS軟件模擬研究半敞開式隧道集中布置的不同敞開段結(jié)構(gòu)的排煙特性.

1 隧道模型的建立

1.1 隧道概況與建模

本文建立的隧道模型是依據(jù)浙江省杭州市某在建隧道作為研究對(duì)象，該隧道一期工程全長(zhǎng)1 930 m，雙向六車道規(guī)模，隧道內(nèi)設(shè)隔離墻，采用地面道路結(jié)合隧道和管廊的建設(shè)形式，地下隧道總長(zhǎng)約1.8 km，管廊全長(zhǎng)2 km，在隧道暗埋段中采用中間開口的結(jié)構(gòu)形式.

由于FDS只能識(shí)別矩形網(wǎng)格，故在Pyrosim中采用多個(gè)矩形結(jié)構(gòu)疊加近似逼近弧形結(jié)構(gòu)的建模方法.由于該隧道結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算模擬時(shí)間，選取隧道右路末段600 m區(qū)間(包含敞開段)為計(jì)算長(zhǎng)度，隧道模型正視簡(jiǎn)化圖如圖1所示，尺寸為長(zhǎng)600 m，寬7 m，高7 m，依據(jù)實(shí)際工程，隧道整體均為混凝土材料，采用水平—上坡(+2.5%)—敞開段(200 m)—下坡(-1.8%)到二期工程的結(jié)構(gòu)形式.將隧道分為A、B、C三段以便區(qū)分，A段為封閉段，B段為敞開段，C段為下游段.A段隧道頂棚布設(shè)兩臺(tái)射流風(fēng)機(jī)，間距為150 m，尺寸為2 m*1 m*1 m，單臺(tái)風(fēng)機(jī)流量30 m3/s， 排風(fēng)方向由左向右. 隧道初始溫度為20 ℃， 火源處于A段水平坡度處(距B段275 m)，采用聚氨酯氣相反應(yīng).

圖1 隧道模型圖

1.2 網(wǎng)格劃分

在FDS計(jì)算中，網(wǎng)格尺寸大小對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間影響很大，與此相關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)是火源特征直徑D*， 其定義如下式所示，且網(wǎng)格大小應(yīng)在D*/4～D*/16范圍內(nèi).由公式可以看出，影響火源特征直徑D*的主要因素為火源功率(HRR)，兩者為對(duì)應(yīng)關(guān)系.

式中：Q為火源功率；ρ0為環(huán)境空氣密度；T0為環(huán)境溫度；Cp為比熱；g為重力加速度.

本文參照以往研究， 選取5 MW[12]和10 MW[13]兩種火源功率進(jìn)行模擬，火源尺寸設(shè)置為2 m*1 m*1 m，位于隧道地面的橫向中心處，其所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸范圍見表1.

表1 各功率對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸范圍

由表1可知5 MW和10 MW兩種火源功率所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格尺寸范圍，為減少網(wǎng)格大小對(duì)模擬結(jié)果的影響，本文建立的隧道模型網(wǎng)格尺寸大小均設(shè)置為0.3 m*0.3 m*0.3 m，總網(wǎng)格數(shù)為1 740 690.由于隧道整體有坡度變化，預(yù)留出一部分網(wǎng)格高度，且在敞開段上部設(shè)置相同尺寸大小的網(wǎng)格以研究煙氣流動(dòng)情況.

1.3 敞開段結(jié)構(gòu)設(shè)定

本文基于隧道實(shí)際工程中的B段頂部為全敞開結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行模擬，考慮隧道整體剛度和城市景觀要求，將B段頂部結(jié)構(gòu)設(shè)置為5個(gè)寬度為10 m的橫梁均勻分布及等比分布(最后兩個(gè)橫梁均勻分布)兩種結(jié)構(gòu)，模擬研究不同橫梁結(jié)構(gòu)對(duì)排煙的影響.敞開段結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 B段頂部結(jié)構(gòu)圖

1.4 模擬工況設(shè)定

模擬采用射流風(fēng)機(jī)結(jié)合自然通風(fēng)的方式進(jìn)行排煙，排煙方向自左向右，在火源位置不變的情況下，通過改變火源功率，研究不同敞開段結(jié)構(gòu)的煙氣流動(dòng)特性.

為提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)際工程對(duì)整個(gè)隧道進(jìn)行模擬.在HRR為5 MW和10 MW下排列組合模擬共6組工況.模擬工況如表2所示.

表2 數(shù)值模擬工況

2 模擬結(jié)果分析與討論

2.1 煙氣分布

隧道發(fā)生火災(zāi)后，煙氣在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)隧道頂棚后，煙氣沿隧道頂棚兩側(cè)流動(dòng)，工況1～6在射流風(fēng)機(jī)的作用下，煙氣全部向火源右側(cè)方向擴(kuò)散，A段隧道內(nèi)煙氣層遭到破壞，擴(kuò)散較為混亂，煙氣逐漸向隧道底部下沉.對(duì)比A段中不同HRR下的煙氣分布發(fā)現(xiàn)，在相同燃燒時(shí)間內(nèi)，10 MW工況下煙氣前鋒蔓延距離越遠(yuǎn)，故HRR越大，煙氣在封閉段中蔓延越快，主要是因?yàn)?0 MW火源功率產(chǎn)生的煙氣溫度高，導(dǎo)致煙氣浮力大，高溫?zé)煔庥|碰到隧道頂棚后在坡度作用下向下游擴(kuò)散越快.模擬結(jié)果顯示5 MW和10 MW工況下的煙氣在A段隧道內(nèi)的蔓延時(shí)間分別為68 s、73 s，圖3為工況1～6(從上至下)計(jì)算模擬300 s時(shí)的煙氣分布圖，從圖中可以看出，煙氣在B段的蔓延時(shí)間比A段長(zhǎng)，說明敞開段對(duì)煙氣有很好的擴(kuò)散作用.

圖3 工況1～6隧道煙氣分布圖

對(duì)比圖3中的六種工況發(fā)現(xiàn)，同一HRR的不同敞開段結(jié)構(gòu)下的煙氣蔓延距離不同，不同HRR的同一敞開段結(jié)構(gòu)下的煙氣蔓延距離也不同，說明敞開段結(jié)構(gòu)和火源功率對(duì)煙氣擴(kuò)散均有一定的影響.將工況1～6在B段隧道中每隔10 s的煙氣蔓延距離相對(duì)比，可得出如圖4所示的煙氣水平蔓延速度變化曲線圖，圖中X、Y坐標(biāo)分別為煙氣前鋒到達(dá)時(shí)間、煙氣蔓延距離.

從圖4(a)可以看出，隨著燃燒時(shí)間的變化，敞開段中的煙氣水平蔓延速度由快變慢，三種工況下的煙氣速度在113 s后產(chǎn)生明顯差距，工況2、3到達(dá)C段的時(shí)間分別為183 s、220 s，且工況1在300 s未到達(dá)C段.圖4(b)中的煙氣水平蔓延速度與(a)中分布規(guī)律一致，煙氣速度產(chǎn)生明顯差距是在98 s后，工況4、5、6在300 s內(nèi)均未到達(dá)C段，其中工況5的煙氣蔓延最快，工況4蔓延最慢.

(a)HRR=5 MW

由此可見：同一HRR下，橫梁均勻分布的工況其煙氣蔓延較快，全敞開的煙氣蔓延較慢；同一敞開段結(jié)構(gòu)下，HRR越大，其煙氣水平蔓延越慢.這是因?yàn)闊煔獾竭_(dá)水平段后主要在浮力作用下向上運(yùn)動(dòng)，HRR越大，煙氣溫度梯度力越大，浮力越大，煙氣上浮速度越快，故水平蔓延速度越小，增加C段救援時(shí)間；當(dāng)煙氣遇到橫梁時(shí)產(chǎn)生向兩端的擴(kuò)散速度，導(dǎo)致有橫梁的煙氣水平運(yùn)動(dòng)比全敞開快，且敞開段前部分橫梁面積越大被阻擋的高溫?zé)煔夥植荚蕉啵揭讛U(kuò)散，水平蔓延距離越長(zhǎng).

2.2 溫度分布

圖5為工況1～6模擬t=300 s時(shí)人體高度處的隧道縱向溫度分布圖.從模擬結(jié)果可以看出：同一HRR的工況其溫度分布規(guī)律趨于一致，火源處溫度最高可達(dá)450 ℃，在射流風(fēng)機(jī)噴射出的高速氣體不斷卷吸隧道內(nèi)低溫氣體的影響下，火源右側(cè)溫度迅速降低至50 ℃左右，在煙氣溫度有上升趨勢(shì)之處，50 ℃煙氣前鋒向火源下游縱向蔓延至2號(hào)射流風(fēng)機(jī)處時(shí)，5 MW工況的煙氣溫度迅速降低至40 ℃左右，10 MW工況的煙氣溫度緩慢降低至約55 ℃.對(duì)比圖5中六種工況的煙氣溫度分布可知：5 MW下的煙氣溫度整體比10 MW下的低，在不同敞開段結(jié)構(gòu)中，人體高度處的隧道縱向溫度差別很小，但在全敞開的情況下，B段內(nèi)煙氣溫度分層明顯，溫度稍高的煙氣在溫度梯度力作用下向上蔓延，且橫梁的存在使煙氣出現(xiàn)擾流現(xiàn)象.

圖5 Y=3.5m截面上溫度分布圖

故選取溫度較高的10 MW工況對(duì)B段隧道內(nèi)溫度分層現(xiàn)象進(jìn)行分析研究.圖6是工況4、5、6模擬計(jì)算t=300 s時(shí)B段隧道縱向溫度分層圖.在Y=3.5 m截面上，距離火源280 m處的煙氣溫度保持在50 ℃以下，工況4、6、5隧道內(nèi)整體溫度由低變高，主要是因?yàn)闊煔庥|碰橫梁出現(xiàn)分層破壞情況，致使B段內(nèi)高溫?zé)煔馐茏栌跈M梁下方并擴(kuò)散，擾亂煙氣溫度分層，導(dǎo)致隧道整體溫度增加，且工況6在B段隧道頂部的敞開口呈等比分布，大部分高溫?zé)煔饨?jīng)過第一個(gè)大面積敞開口排出隧道外，故工況6隧道整體溫度低于工況5.從圖中可以看出：工況5中的煙氣層有擾動(dòng)現(xiàn)象，相反工況6中煙氣層內(nèi)部能夠呈現(xiàn)較好的煙氣分層現(xiàn)象，這是由于工況6在B段的前部分敞開口面積越大對(duì)煙氣的擾動(dòng)作用越小所致；工況6中煙氣溫度縱向蔓延距離較工況5短，主要是因?yàn)槊娣e大的敞開口對(duì)煙氣的擴(kuò)散作用強(qiáng)于稍小面積的敞開口.

圖6 工況4～6在B段內(nèi)縱向溫度分層圖

2.3 CO分布

大量統(tǒng)計(jì)資料表明，50%以上的火災(zāi)事故死亡人員是由CO氣體窒息所導(dǎo)致的[14].工況1～6模擬t = 300 s時(shí)在2 m高度處CO濃度變化如圖7如示.可以看出：在射流風(fēng)機(jī)作用下，A段內(nèi)CO氣體向下游蔓延，且HRR越大，CO濃度變化幅度越大，整體下降趨勢(shì)較平緩；進(jìn)入B段的CO氣體濃度在混合通風(fēng)條件下的下降速率明顯增加，故敞開段對(duì)CO氣體濃度有較好的稀釋作用.

對(duì)B段內(nèi)CO濃度進(jìn)行分析，圖7(a)中工況1和4的CO濃度起伏較大，主要是由于CO氣體充分接觸空氣，濃度分層被打亂所導(dǎo)致.對(duì)比六條曲線可以看出，進(jìn)入敞開段40 m后CO濃度隨不同的敞開段結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其中有橫梁結(jié)構(gòu)中的工況3、6波動(dòng)幅度較明顯，這是因?yàn)闄M梁等比分布下敞開段前部分敞開口面積大，CO濃度隨接觸空氣的面積增加而降低.空氣中CO濃度值高于160 ppm時(shí)人體會(huì)產(chǎn)生頭痛、惡心等不適癥狀[15]，工況1、2、3在300 s模擬時(shí)間內(nèi)B段CO濃度均低于該值，而工況4、5、6只有全敞開的后半段低于該值，主要是因?yàn)镃O濃度值隨火源功率的增加而等倍數(shù)增加，且在橫梁作用下緩慢降低.得出結(jié)論：火源功率越大，敞開段結(jié)構(gòu)對(duì)CO濃度值影響越大，處于煙霧區(qū)域的人員應(yīng)盡快撤離，并采取相關(guān)措施加以控制CO濃度值.

將工況6中的風(fēng)機(jī)流量設(shè)為15 m3/s，可得到如圖7(b)所示的CO濃度變化圖.從圖中可以看出，風(fēng)速減小一半，B段內(nèi)2 m高度處的CO濃度降低至50 ppm，在人體可承受范圍內(nèi)，但A段隧道內(nèi)的CO濃度值較高，且在距火源120 m(即2號(hào)風(fēng)機(jī))處受機(jī)械風(fēng)影響較大.由此可以看出，機(jī)械通風(fēng)風(fēng)速對(duì)CO濃度分布有很大影響，是因?yàn)闊煔鉁囟入S風(fēng)機(jī)風(fēng)速增大而減小，破壞了煙氣分層，使B段中的煙氣更傾向于水平方向蔓延，適用于上游處的風(fēng)機(jī)設(shè)置以便加快隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng).

(a)工況1～6中CO濃度變化圖

3 結(jié)論

本文利用FDS對(duì)不同火源功率和不同半敞開段結(jié)構(gòu)的隧道進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析火源功率和半敞開段結(jié)構(gòu)對(duì)隧道中火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律，其結(jié)論如下：

(1)火災(zāi)煙氣在機(jī)械通風(fēng)和坡度作用下向下游快速蔓延，煙氣層逐漸下降，68 s時(shí)煙氣已蔓延至敞開段，300 s時(shí)大部分工況的煙氣還未到達(dá)C段，且大量煙氣在浮力作用下從敞開段排出隧道外，為人員逃生提供了一定的安全保障.

(2)相同火源功率(HRR)下，煙氣在封閉隧道中的水平蔓延速度比敞開段中快約4.5倍；t=300 s時(shí)煙氣最長(zhǎng)蔓延距離在HRR=5 MW和10 MW下分別為540 m和490 m，說明HRR越大煙氣在敞開段中的蔓延長(zhǎng)度越短，排煙效率越高.

(3)在射流風(fēng)機(jī)影響下，隧道內(nèi)煙氣溫度迅速降低至50 ℃，不同敞開段結(jié)構(gòu)下的煙氣溫度分層有明顯差異；機(jī)械通風(fēng)風(fēng)速對(duì)隧道內(nèi)CO濃度值有很大影響，可采取上游處風(fēng)機(jī)速度大、下游處風(fēng)機(jī)速度小的方式，提高隧道內(nèi)整體安全性.

(4)在頂部集中排煙系統(tǒng)中，不同的敞開段結(jié)構(gòu)對(duì)排煙效率有一定的影響，等比分布方式的排煙效率優(yōu)于均勻分布方式.在不同敞開段結(jié)構(gòu)下，火災(zāi)煙氣對(duì)敞開段下游隧道中的人員和行車安全影響均非常小.