分離式公路隧道火災(zāi)工況通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案研究

楊繼廳,郭洪雨,丁海洋,鄭國(guó)平,馮 展

(1. 浙江數(shù)智交院科技股份有限公司 杭州市 310030; 2. 浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 杭州市 310014)

0 引言

公路隧道空間狹長(zhǎng)且封閉,在隧道內(nèi)進(jìn)行疏散、救援和消防活動(dòng)的難度大于普通敞開(kāi)路段的公路,因此,即使是很小的事故也有可能造成重大損失。

煙氣造成的窒息是火災(zāi)造成人員傷亡的主要因素,因此,煙氣控制是應(yīng)對(duì)火災(zāi)事故的重要環(huán)節(jié)。目前,國(guó)內(nèi)外公路山嶺隧道普遍采用縱向排煙模式,并結(jié)合“橫向疏散”模式?；鹪聪掠蔚能囕v被認(rèn)為能快速駛離隧道,而火源上游人員需要就近從橫通道疏散至相鄰非火災(zāi)隧道中。另一方面,我國(guó)的行業(yè)規(guī)范《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)(以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)10.4.1條要求專用避難疏散通道、獨(dú)立避難所的余壓值不小于50Pa。非火災(zāi)隧道和橫通道作為分離式隧道的避難疏散通道,需要合理的通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案,以防止煙氣通過(guò)橫通道串流至相鄰隧道形成次生災(zāi)難。

然而,目前已開(kāi)展的研究絕大部分多著眼于單個(gè)隧道,將左右洞隧道通風(fēng)系統(tǒng)作為整體開(kāi)展的研究較少,比如,趙忠杰等[1]選用FDS 軟件建立秦嶺Ⅰ號(hào)隧道(上行線)局部模型,給出了各工況的通風(fēng)控制策略;惠豫川等[2]建立了二車道單洞隧道通風(fēng)井排出式縱向排煙及疏散仿真模型,并開(kāi)展相關(guān)分析;曹正卯等[3]驗(yàn)證了火源下游車行橫通道門未關(guān)閉時(shí)會(huì)導(dǎo)致煙氣蔓延至非火災(zāi)隧道的問(wèn)題;蔚艷慶等[4]研究四洞公路隧道火災(zāi)模式下煙氣控制策略和相鄰非火災(zāi)隧道的反向通風(fēng)臨界風(fēng)速;李杰等[5]分析了分離式隧道在不同風(fēng)機(jī)開(kāi)啟情況下橫通道內(nèi)的氣流方向。

對(duì)分離式隧道通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略的研究還非常少,因此,文章擬將分離式隧道的左右洞及橫通道視為一個(gè)整體,通過(guò)研究隧道正洞內(nèi)風(fēng)機(jī)開(kāi)啟情況對(duì)火源煙氣擴(kuò)散情況、橫通道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向的影響,提出雙洞隧道通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案,以達(dá)到橫通道、正洞同時(shí)進(jìn)行煙氣控制的目的,確保隧道內(nèi)人員的安全。

1 通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案擬定

射流風(fēng)機(jī)起到調(diào)節(jié)氣壓、推動(dòng)氣流的作用,為節(jié)省電纜成本通常跟隨變電站進(jìn)行布置,在3km以下的隧道中通常布置于隧道兩端。為了闡述聯(lián)動(dòng)控制方案的工作原理并提高普遍適用性,將隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)分為4個(gè)群組,如圖1所示,每個(gè)群組分別代表若干臺(tái)安裝于隧道進(jìn)、出口段的射流風(fēng)機(jī),以此提出3種聯(lián)動(dòng)控制方案,詳見(jiàn)表1。

表1 通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案及對(duì)應(yīng)壓力曲線表

圖1 風(fēng)機(jī)群組布置圖

通過(guò)建立數(shù)值模擬模型對(duì)上述3種工況下主隧道及橫通道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、煙氣控制效果對(duì)比分析,最終確定分離式隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制方案。

2 不同聯(lián)動(dòng)控制方案的防煙性能數(shù)值分析

2.1 數(shù)值分析模型建立

文章采用Pyrosim軟件建立雙向四車道分離式公路隧道火災(zāi)場(chǎng)景模型,橫斷面采用半徑為5.7m的單心圓,如圖2所示,并通過(guò)實(shí)體疊加法建立分析模型,模型長(zhǎng)度設(shè)為200m。根據(jù)消防要求,人行橫通道通常具有自動(dòng)關(guān)閉功能,即人員疏散進(jìn)入后即自動(dòng)關(guān)閉,能有效防止左右洞之間的竄流問(wèn)題,因此,模型中未考慮人行橫通道。車行橫通道既用于疏解阻滯車輛,也用于司乘人員撤離和消防人員進(jìn)攻,一般采用卷簾門形式,且一旦開(kāi)啟就將長(zhǎng)時(shí)間處于開(kāi)啟狀態(tài)。因此,模型中考慮了一處車行橫通道,橫斷面尺寸為寬6m,高5m。

圖2 隧道橫斷面尺寸(單位:m)

文中數(shù)值模擬火源選擇穩(wěn)態(tài)火源,使火源能夠盡快達(dá)到最大功率,使聯(lián)動(dòng)控制方案能夠適應(yīng)各種火災(zāi)發(fā)展情況。火災(zāi)規(guī)模根據(jù)《細(xì)則》取為30MW,火源位置在橫通道下游10m處。

網(wǎng)格尺寸根據(jù)FDS手冊(cè)內(nèi)式(1)計(jì)算得到,當(dāng)D*/δx的值在4～16之間時(shí),選取的網(wǎng)格大小即符合要求。數(shù)值模擬模型火源的特征直徑D*為3.61m,所以,結(jié)合隧道截面的特征,X、Y方向網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.5m,Z方向網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.3m。

(1)

式中:D*為火源的特征直徑,單位m;Q為火源熱釋放速率,單位kW;ρ0為空氣密度,單位kg·m-3;Cp為環(huán)境空氣比熱,單位J·kg-1·℃-1;T0為環(huán)境空氣溫度,單位℃-1;g為重力加速度,單位m·s-2。

在火災(zāi)發(fā)生之前,隧道內(nèi)空氣流動(dòng)以活塞風(fēng)為主,根據(jù)設(shè)計(jì)行車速度、車流量、車型比例、隧道長(zhǎng)度等參數(shù),測(cè)算得到交通活塞風(fēng)速約為5.0m/s?；馂?zāi)發(fā)生后,車輛逐漸停滯,活塞風(fēng)不斷減小至0。隨著射流風(fēng)機(jī)逐組不斷開(kāi)啟,隧道內(nèi)風(fēng)速逐漸達(dá)到臨界風(fēng)速即3.5m/s,此過(guò)程需耗時(shí)5min以上[6],CFD模型中隧道進(jìn)出口的邊界條件根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。

聯(lián)動(dòng)控制方案三中非火災(zāi)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)為對(duì)向開(kāi)啟,會(huì)引導(dǎo)氣流進(jìn)入橫通道內(nèi),并在橫通道內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng),影響人員通過(guò)橫通道疏散,因此,需要限制非火災(zāi)隧道內(nèi)的對(duì)向風(fēng)量,最終設(shè)定非火災(zāi)隧道兩側(cè)邊界速度值為0.5m/s。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

分別對(duì)3種聯(lián)動(dòng)控制方案對(duì)應(yīng)的主隧道、橫通道內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向、煙氣流動(dòng)情況等進(jìn)行了分析,結(jié)果如下:

(1)聯(lián)動(dòng)控制方案一:在火災(zāi)發(fā)生32s后,火災(zāi)隧道頂部的回流煙氣開(kāi)始侵入橫通道內(nèi),并在61s后侵入非火災(zāi)隧道,但煙氣流量較少。橫斷面上及沿橫通道縱向的風(fēng)速波動(dòng)較大,大部分橫通道空間內(nèi)氣流不穩(wěn)定,以渦旋狀態(tài)為主,平均風(fēng)速小于1m/s。在橫通道內(nèi),渦旋氣流不斷擴(kuò)散,逐漸蔓延至整個(gè)空間,橫通道內(nèi)1.8m高處溫度變化在6℃以內(nèi)。

(2)聯(lián)動(dòng)控制方案二:火災(zāi)發(fā)生8s后,已有回流煙氣從火災(zāi)隧道侵入橫通道內(nèi);在火災(zāi)發(fā)生15s后,侵入非火災(zāi)隧道內(nèi),且侵入煙氣量大而快速;橫通道內(nèi)煙氣呈渦旋狀,彌漫了整個(gè)橫通道斷面,能見(jiàn)度下降明顯,平均風(fēng)速為3m/s;橫通道內(nèi)溫度急劇上升,1.8m高處最大溫度上升至75℃,對(duì)火源上游疏散人員造成明顯危害。

(3)聯(lián)動(dòng)控制方案三:火災(zāi)初期有多個(gè)方向氣流侵入橫通道內(nèi),風(fēng)速在2～5m/s之間波動(dòng),氣流變化明顯,呈現(xiàn)紊亂的狀態(tài)。100s后,橫通道內(nèi)形成從非火災(zāi)隧道流向火災(zāi)隧道的穩(wěn)定氣流,平均風(fēng)速為4m/s。在該方案作用下,橫通道內(nèi)將有足夠的新鮮空氣形成氣流保護(hù)橫通道不被煙氣影響,并且,受隧道結(jié)構(gòu)引導(dǎo),氣流進(jìn)入火災(zāi)隧道后,將在火災(zāi)隧道內(nèi)形成一道流向火源的氣流,輔助火災(zāi)隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)對(duì)煙氣進(jìn)行強(qiáng)有力的控制,將煙氣限制在火源下游,為火源上游人員提供安全保障。

將差別最大的聯(lián)動(dòng)控制方案三及方案二的數(shù)值模擬結(jié)果,將橫通道內(nèi)風(fēng)速分布、風(fēng)速-時(shí)間分布、300s時(shí)煙氣擴(kuò)散情況列舉如圖3～圖5所示。

圖5 300s時(shí)煙氣擴(kuò)散情況

2.3 方案對(duì)比分析

匯總以上3種聯(lián)動(dòng)控制方案的橫通道風(fēng)速、風(fēng)向、煙氣流動(dòng)情況,如表2所示。

表2 通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案綜合對(duì)比

聯(lián)動(dòng)控制方案的目的是為火源上游人員創(chuàng)造有利的疏散條件,通過(guò)以上分析和對(duì)比可見(jiàn),采用方案三時(shí),隧道主洞與橫通道的煙氣控制效果良好,火災(zāi)隧道內(nèi)無(wú)煙氣發(fā)生回流,橫通道內(nèi)氣流風(fēng)速穩(wěn)定、分布均勻。同時(shí),橫通道的開(kāi)啟需要注意非火災(zāi)隧道內(nèi)的氣流變化,避免非火災(zāi)隧道內(nèi)風(fēng)速降低過(guò)程引起的壓力變化對(duì)火災(zāi)隧道內(nèi)煙氣產(chǎn)生抽吸作用。

3 結(jié)語(yǔ)

通風(fēng)系統(tǒng)可以聯(lián)動(dòng)控制較少的風(fēng)機(jī)數(shù)量同時(shí)進(jìn)行隧道、橫通道的煙氣控制,防止煙氣侵入火源上游橫通道、保證橫通道與隧道正洞內(nèi)人員的安全。推薦方案為:開(kāi)啟火災(zāi)隧道內(nèi)火源上游的射流風(fēng)機(jī)形成穩(wěn)定的臨界風(fēng)速,同時(shí),相向開(kāi)啟非火災(zāi)隧道橫通道兩側(cè)風(fēng)機(jī),并控制風(fēng)速至0.5m/s左右。

根據(jù)分析,因隧道內(nèi)風(fēng)量較小,沿程損失及阻塞車輛引起的通風(fēng)阻力較小,采用常用的φ1120/30kW風(fēng)機(jī),升壓力約為10.5Pa,左右兩側(cè)各開(kāi)啟5臺(tái),即可以在橫通道位置產(chǎn)生50Pa的余壓。

研究彌補(bǔ)了《細(xì)則》中對(duì)火災(zāi)工況下分離式公路隧道中射流風(fēng)機(jī)如何進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制的技術(shù)空白。但是,隧道火災(zāi)時(shí)煙氣控制方法是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,因模型長(zhǎng)度有限,文中僅考慮了火源附近的橫通道。今后可開(kāi)展更接近實(shí)際火災(zāi)的全尺寸火災(zāi)試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證聯(lián)動(dòng)控制方案的可行性。