杨继厅,郭洪雨,丁海洋,郑国平,冯 展

(1. 浙江数智交院科技股份有限公司 杭州市 310030; 2. 浙江工业大学 土木工程学院 杭州市 310014)

0 引言

公路隧道空间狭长且封闭,在隧道内进行疏散、救援和消防活动的难度大于普通敞开路段的公路,因此,即使是很小的事故也有可能造成重大损失。

烟气造成的窒息是火灾造成人员伤亡的主要因素,因此,烟气控制是应对火灾事故的重要环节。目前,国内外公路山岭隧道普遍采用纵向排烟模式,并结合“横向疏散”模式。火源下游的车辆被认为能快速驶离隧道,而火源上游人员需要就近从横通道疏散至相邻非火灾隧道中。另一方面,我国的行业规范《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)(以下简称《细则》)10.4.1条要求专用避难疏散通道、独立避难所的余压值不小于50Pa。非火灾隧道和横通道作为分离式隧道的避难疏散通道,需要合理的通风系统联动控制方案,以防止烟气通过横通道串流至相邻隧道形成次生灾难。

然而,目前已开展的研究绝大部分多着眼于单个隧道,将左右洞隧道通风系统作为整体开展的研究较少,比如,赵忠杰等[1]选用FDS 软件建立秦岭Ⅰ号隧道(上行线)局部模型,给出了各工况的通风控制策略;惠豫川等[2]建立了二车道单洞隧道通风井排出式纵向排烟及疏散仿真模型,并开展相关分析;曹正卯等[3]验证了火源下游车行横通道门未关闭时会导致烟气蔓延至非火灾隧道的问题;蔚艳庆等[4]研究四洞公路隧道火灾模式下烟气控制策略和相邻非火灾隧道的反向通风临界风速;李杰等[5]分析了分离式隧道在不同风机开启情况下横通道内的气流方向。

对分离式隧道通风系统联动控制策略的研究还非常少,因此,文章拟将分离式隧道的左右洞及横通道视为一个整体,通过研究隧道正洞内风机开启情况对火源烟气扩散情况、横通道内的风速、风向的影响,提出双洞隧道通风系统联动控制方案,以达到横通道、正洞同时进行烟气控制的目的,确保隧道内人员的安全。

1 通风系统联动控制方案拟定

射流风机起到调节气压、推动气流的作用,为节省电缆成本通常跟随变电站进行布置,在3km以下的隧道中通常布置于隧道两端。为了阐述联动控制方案的工作原理并提高普遍适用性,将隧道内的射流风机分为4个群组,如图1所示,每个群组分别代表若干台安装于隧道进、出口段的射流风机,以此提出3种联动控制方案,详见表1。

表1 通风系统联动控制方案及对应压力曲线表

图1 风机群组布置图

通过建立数值模拟模型对上述3种工况下主隧道及横通道内的风速、风向、烟气控制效果对比分析,最终确定分离式隧道内风机联动控制方案。

2 不同联动控制方案的防烟性能数值分析

2.1 数值分析模型建立

文章采用Pyrosim软件建立双向四车道分离式公路隧道火灾场景模型,横断面采用半径为5.7m的单心圆,如图2所示,并通过实体叠加法建立分析模型,模型长度设为200m。根据消防要求,人行横通道通常具有自动关闭功能,即人员疏散进入后即自动关闭,能有效防止左右洞之间的窜流问题,因此,模型中未考虑人行横通道。车行横通道既用于疏解阻滞车辆,也用于司乘人员撤离和消防人员进攻,一般采用卷帘门形式,且一旦开启就将长时间处于开启状态。因此,模型中考虑了一处车行横通道,横断面尺寸为宽6m,高5m。

图2 隧道横断面尺寸(单位:m)

文中数值模拟火源选择稳态火源,使火源能够尽快达到最大功率,使联动控制方案能够适应各种火灾发展情况。火灾规模根据《细则》取为30MW,火源位置在横通道下游10m处。

网格尺寸根据FDS手册内式(1)计算得到,当D*/δx的值在4～16之间时,选取的网格大小即符合要求。数值模拟模型火源的特征直径D*为3.61m,所以,结合隧道截面的特征,X、Y方向网格尺寸设为0.5m,Z方向网格尺寸设为0.3m。

(1)

式中:D*为火源的特征直径,单位m;Q为火源热释放速率,单位kW;ρ0为空气密度,单位kg·m-3;Cp为环境空气比热,单位J·kg-1·℃-1;T0为环境空气温度,单位℃-1;g为重力加速度,单位m·s-2。

在火灾发生之前,隧道内空气流动以活塞风为主,根据设计行车速度、车流量、车型比例、隧道长度等参数,测算得到交通活塞风速约为5.0m/s。火灾发生后,车辆逐渐停滞,活塞风不断减小至0。随着射流风机逐组不断开启,隧道内风速逐渐达到临界风速即3.5m/s,此过程需耗时5min以上[6],CFD模型中隧道进出口的边界条件根据实际情况设置。

联动控制方案三中非火灾隧道内风机为对向开启,会引导气流进入横通道内,并在横通道内产生强风,影响人员通过横通道疏散,因此,需要限制非火灾隧道内的对向风量,最终设定非火灾隧道两侧边界速度值为0.5m/s。

2.2 数值模拟结果

分别对3种联动控制方案对应的主隧道、横通道内风速、风向、烟气流动情况等进行了分析,结果如下:

(1)联动控制方案一:在火灾发生32s后,火灾隧道顶部的回流烟气开始侵入横通道内,并在61s后侵入非火灾隧道,但烟气流量较少。横断面上及沿横通道纵向的风速波动较大,大部分横通道空间内气流不稳定,以涡旋状态为主,平均风速小于1m/s。在横通道内,涡旋气流不断扩散,逐渐蔓延至整个空间,横通道内1.8m高处温度变化在6℃以内。

(2)联动控制方案二:火灾发生8s后,已有回流烟气从火灾隧道侵入横通道内;在火灾发生15s后,侵入非火灾隧道内,且侵入烟气量大而快速;横通道内烟气呈涡旋状,弥漫了整个横通道断面,能见度下降明显,平均风速为3m/s;横通道内温度急剧上升,1.8m高处最大温度上升至75℃,对火源上游疏散人员造成明显危害。

(3)联动控制方案三:火灾初期有多个方向气流侵入横通道内,风速在2～5m/s之间波动,气流变化明显,呈现紊乱的状态。100s后,横通道内形成从非火灾隧道流向火灾隧道的稳定气流,平均风速为4m/s。在该方案作用下,横通道内将有足够的新鲜空气形成气流保护横通道不被烟气影响,并且,受隧道结构引导,气流进入火灾隧道后,将在火灾隧道内形成一道流向火源的气流,辅助火灾隧道内风机对烟气进行强有力的控制,将烟气限制在火源下游,为火源上游人员提供安全保障。

将差别最大的联动控制方案三及方案二的数值模拟结果,将横通道内风速分布、风速-时间分布、300s时烟气扩散情况列举如图3～图5所示。

图5 300s时烟气扩散情况

2.3 方案对比分析

汇总以上3种联动控制方案的横通道风速、风向、烟气流动情况,如表2所示。

表2 通风系统联动控制方案综合对比

联动控制方案的目的是为火源上游人员创造有利的疏散条件,通过以上分析和对比可见,采用方案三时,隧道主洞与横通道的烟气控制效果良好,火灾隧道内无烟气发生回流,横通道内气流风速稳定、分布均匀。同时,横通道的开启需要注意非火灾隧道内的气流变化,避免非火灾隧道内风速降低过程引起的压力变化对火灾隧道内烟气产生抽吸作用。

3 结语

通风系统可以联动控制较少的风机数量同时进行隧道、横通道的烟气控制,防止烟气侵入火源上游横通道、保证横通道与隧道正洞内人员的安全。推荐方案为:开启火灾隧道内火源上游的射流风机形成稳定的临界风速,同时,相向开启非火灾隧道横通道两侧风机,并控制风速至0.5m/s左右。

根据分析,因隧道内风量较小,沿程损失及阻塞车辆引起的通风阻力较小,采用常用的φ1120/30kW风机,升压力约为10.5Pa,左右两侧各开启5台,即可以在横通道位置产生50Pa的余压。

研究弥补了《细则》中对火灾工况下分离式公路隧道中射流风机如何进行联动控制的技术空白。但是,隧道火灾时烟气控制方法是一项复杂的工作,因模型长度有限,文中仅考虑了火源附近的横通道。今后可开展更接近实际火灾的全尺寸火灾试验,进一步验证联动控制方案的可行性。