道路隧道聲屏障區段的煙氣流動研究

宋　飛

(上海市消防總隊，上海　200051)

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道路隧道聲屏障區段的煙氣流動研究

宋飛

(上海市消防總隊，上海200051)

近年來道路隧道敞開段聲屏障的設置給隧道的排煙和疏散救援等設計帶來了新問題、新挑戰。應用CFD模擬軟件，針對聲屏障頂部不同的敞口尺寸對道路隧道的排煙、降噪等影響進行了模擬及理論分析。結合研究結果提出了道路隧道聲屏障開口比例等具體設計建議，為聲屏障在道路隧道中的應用提供借鑒。

道路隧道；聲屏障；煙氣

隨著城鎮化進程不斷加快，以交通擁堵為代表的城市交通問題普遍成為困擾各大城市的難題。而大中型城市拆遷費用高昂、可利用土地面積潛力有限，道路建設受到投資和城市用地約束，因此，近年來各大城市不斷興建地下道路隧道，在一定程度上有效緩解了城市交通擁堵現象[1-3]。然而，隨著交通量的增大，對于地下道路引出段，汽車產生的噪音對周圍居民的生活造成了相當的影響。為減少地下道路引出段汽車噪音，目前一般隧道出入口部位設置各類聲屏障設施[4-5]。其中將引道段由敞開狀態變為半封閉狀態的全影型聲屏障的設置，對隧道的煙氣擴散和疏散救援將會產生影響。對于地下道路內火災的研究，目前已經有不少學者進行了大量研究[6-13]，但對于加設聲屏障后的道路隧道火災的煙氣流動及對疏散、救援情況的影響研究還相對較少。本文以上海某一在建道路隧道為研究對象，利用CFD軟件模擬研究不同聲屏障敞口尺寸對隧道排煙的影響情況，為道路隧道引出段聲屏障設計提供理論依據。

1　模型建立與設置

1.1隧道火災數學模型的建立

對隧道火災三維模型作如下簡化：(1)隧道內的溫度和壓力變化不大，故假設隧道內流體不可壓縮，忽略流體體積變化對計算精度的影響；(2)火災工況下，火源前方車輛駛出隧道，火源后方車輛停止，故忽略交通風效應；(3)忽略隧道拐彎以及一些結構細部的影響；(4)忽略特大貨車外表結構細部的影響，簡化火源車輛模型。

基于雷諾平均(RANS)的CFD模擬在研究繞流和壓力分布時已有不少成功的算例[14]，故本文采用Fluent軟件對隧道內火災工況下的煙霧流動和溫度傳遞進行數值模擬，采用標準k-ε模型的控制方程如下：

(1)

采用有限容積法對這些控制方程在微小單元上進行積分離散，求解質量和動量守恒微分方程組。壓力項與速度項耦合利用SIMPLE算法。對流項的離散采用二階迎風差分格式，擴散項的離散具有二階精度。各變量的松弛因子介于0.8～1.0，壓力和速度的松弛因子的和為1.0。

火災工況下隧道內煙氣濃度分布模擬中，Fluent通過第i種物質的對流擴散方程計算每種物質的質量分數Yi，組分輸運守恒方程的通用形式如下：

(2)

式中，ρ為物質i的密度；Ri為化學反應的凈生成速率；Si為離散相及用戶定義的源項所導致的額外速率；Ji是物質i的擴散通量，由濃度梯度產生，當缺省時，可表示為：

(3)

式中，Di,m為混合物中第i種物質的擴散系數。

采用DO模型作為輻射計算模型。對于火災非穩態工況數值模擬，采用UDF編寫火源模型，采用快速t2火來模擬火災發生初期的增長趨勢，能比較好地反應油類或針織類物品開始燃燒階段的規律。

1.2計算模型及初始參數設置

本文以上海某一在建隧道浦東段出口引道段為研究對象。如圖1所示，計算模型總長度為300 m，其中隧道區段100 m，聲屏障區段為200 m。隧道區段坡度為4.95%，聲屏障區段坡度為0。根據該隧道設計通行車輛情況，火災釋熱量設定為20 MW。為考慮隧道內發生火災后煙氣的流向，火災發生點設在距出口50 m處。

圖1　模型示意圖

聲屏障區段橫斷面積尺寸如圖2所示，數值模擬中火源尺寸為12 m×2.5 m×3 m(長×寬×高)，火災成長系數為0.187 8，煙氣生成速率為60 kg·s-1，煙氣中CO比例為2%。

圖2　聲屏障區段橫斷面示意圖

研究表明[16]，火災中85%以上的死亡者是由于煙氣的影響，其中影響最大的是CO，其他有害氣體或者毒性很小，或者毒性雖然較高，但是產生的數量卻很有限，故本文仿真模擬中只對CO的濃度分布進行研究。根據文獻[16]，CO濃度在2 500～3 200 ppm，5～10 min即產生頭痛頭昏，人會在30 min后死亡；CO濃度超過6 400 ppm，人會在10 min內死亡；CO濃度超過10 000 ppm，人會在3 min內死亡。本文模擬中認為當CO濃度達到2 500 ppm，就對人構成嚴重危害，人眼特征高度取為1.6 m。

模型邊界條件設定為：(1)隧道底部和上部設為壁面邊界，并根據實際的粗糙度給定相應的壁面函數中的參數；(2)隧道出口設為壓力出口邊界條件；(3)隧道頂部自然通風口設為壓力出口邊界條件；(4)排煙時以大于臨界風速排煙，隧道入口設為等速邊界條件，取值2.5 m·s-1；(5)風機壁面、隧道內壁為固體邊界條件。

隧道區段襯砌壁的壁面粗糙系數取0.01 m，考慮壁面的一維熱傳導作用，傳熱范圍認為到達厚度0.5 m處。厚度0.5 m處，保持恒溫17 ℃。聲屏障區段壁面材質按照鋁質材料考慮，采用默認值。空氣的比熱容和導熱系數不考慮隨溫度的變化而變化，取為常數。數值模擬中，空氣密度為1.22 kg·m-3，通風空氣溫度為27 ℃，重力加速度為9.8 m·s-2，外界空氣壓力為1.013×105Pa，混凝土導熱系數為1.209 W·m-1·K-1，混凝土比熱容為1 100 J·kg-1·K-1，空氣導熱系數為0.024 2 W·m-1·K-1，空氣比熱容為1 006.43 J·kg-1·K-1。計算模型網格劃分采用六面體結構化網格體系，經過網格獨立性分析，總網格數均取122 800。

2　模擬結果與分析

為研究不同敞口尺寸對隧道排煙的影響情況，本文對聲屏障區段敞口尺寸D占對應地面尺寸1/5、1/3、1/2、2/3這4種情況進行模擬。

2.1典型斷面CO平均濃度分布分析

對于不同的聲屏障區敞口尺寸，模擬火災發生后7 min內，聲屏障區段距隧道洞口不同位置的橫斷面CO平均濃度的瞬態分布，模擬結果如圖3所示。從圖3可以看出，聲屏障區段距離隧道洞口越遠，其橫斷面CO平均濃度越小，且距離隧道洞口到某個位置后，其橫斷面CO平均濃度快速下降。這是因為距離火源越近，受火源產生的煙氣影響越大，隨著聲屏障區段的延伸，總的敞口面積增大，更多的煙氣被排到大氣環境中，外界的新鮮空氣不斷被卷吸進入聲屏障區域，且煙氣的溫度也不斷較低，火風壓減小，到某一臨界位置，煙氣擴散被明顯阻止，從而導致聲屏障段橫斷面CO平均濃度快速下降。故如何使人員能及時逃離到該位置是設計聲屏障敞口尺寸大小的重要依據。

(a)火災發生1 min

(b)火災發生3 min

(c)火災發生5 min

(d)火災發生7 min

從圖3中可以看出，隨著火災發生時間的推移，CO的影響范圍呈先擴大后減小的趨勢。以敞口尺寸D占對應地面尺寸1/5為例，CO濃度為2 500 ppm的臨界點分別出現位于1 min-150 m、3 min-195 m、5 min-115 m、7 min-30 m。這是因為在火災發展初期，CO在臨界風速的影響下迅速向外延伸，3 min后，隨著煙氣高速排出，外界的新鮮空氣不斷被卷吸進入聲屏障區域，CO濃度得以降低。在同一時間和位置下，隨著敞口尺寸的增大，該聲屏障區段橫斷面CO平均濃度減小。敞口尺寸越大，煙氣影響范圍越小，如圖3(c)，當火災發生5 min時，對于敞口尺寸1/5的CO平均濃度超過2 500 ppm的區段長度為115 m，敞口尺寸1/3為90 m，敞口尺寸1/2為70 m，敞口尺寸2/3為50 m，可見敞口尺寸越大，更有利于人員逃生。但是敞口尺寸的增大，也會造成聲屏障區段的降噪音能力減弱，對平時周邊環境不利，需綜合考慮敞口尺寸的大小。而由圖3可知，敞口尺寸1/3和1/2已經足夠滿足自然排煙要求，且到火災發生7 min時，其聲屏障區段內煙氣的影響范圍與敞口尺寸2/3基本相同，同時它們相對于敞口尺寸2/3更能起到降低車輛噪音的效果，故相對更為合適。

2.2人體呼吸高度CO濃度分布分析

對于不同的聲屏障區段敞口尺寸，模擬火災發生后5 min時，聲屏障區段距隧道洞口不同位置在人體高度處的CO濃度的瞬態分布，模擬結果如圖4所示。從圖4可以看出，在人體呼吸高度處，隨著聲屏障區段的位置距隧道洞口越遠，其CO濃度越小。距離火源較近的區段，CO濃度較高，基本在10 000～15 000 ppm。這是因為距離火源越近，受火源產生的煙氣影響越大，火風壓較大，阻止了外界新鮮空氣的進入，并推動煙氣向聲屏障區段出口處擴散，引起聲屏障區段一定區域CO濃度超高，超過了人體呼吸安全值，從而影響人員的逃生。直到距離洞口一定距離，火風壓壓頭減弱，外界的新鮮空氣進入聲屏障區段，從而使該位置之后的人體高度處的CO濃度值迅速降低，達到2 500 ppm以下，從而成為人員逃生的安全區段。故如何使人員能及時逃離到該區段是設計聲屏障敞口尺寸大小的重要依據。

(a)占地面1/5

(b)占地面1/3

(c)占地面1/2

(d)占地面2/3

圖4中，隨著敞口尺寸的擴大，CO的濃度影響范圍不斷縮小。在敞口尺寸為1/5時，CO濃度影響的聲屏障區段范圍是90 m；敞口尺寸為1/3時，CO濃度影響的聲屏障區段范圍是75 m；敞口尺寸為1/2時，CO濃度影響的聲屏障區段范圍是55 m；敞口尺寸為2/3時，CO濃度影響的聲屏障區段范圍是40 m。從圖中的CO濃度分布可以看出，敞口尺寸越大，不僅CO濃度超出安全值的范圍越小，同時，CO濃度在10 000～15 000 ppm的區域也更小，對人體的傷害也會降低，更利于人員的逃生。但是敞口尺寸的增大也導致了聲屏障降低噪音的能力下降，在日常情況下，會在一定程度上對周圍居民的日常生活造成不利影響，故需綜合考慮相關因素，合理設置聲屏障敞口尺寸的大小。圖中敞口尺寸占地面1/3和1/2已經足夠滿足自然排煙要求，且到火災發生7 min時，其聲屏障區段內煙氣的影響范圍與敞口尺寸2/3基本相同，同時它們相對于敞口尺寸2/3更能起到降低車輛噪音的效果，故相對更為合適。

3　結論

由模擬研究可得出如下結論：(1)聲屏障區段距離隧道洞口越遠，受火源產生煙氣的火風壓影響越小，其橫斷面CO平均濃度和人體高度處的CO濃度越小，在距離隧道洞口到某個位置后，其CO濃度快速下降。(2)聲屏障區段的敞口尺寸越大，其橫斷面CO平均濃度和人體高度處的CO濃度的危險區段范圍越小，有利于人員逃生，但同時也會造成聲屏障區段的降噪能力減弱，影響周圍居民的日常生活，故聲屏障設計應綜合考慮各方因素，合理選擇開口比例。(3)棚架形式的隧道聲屏障區段，其頂部開口凈面積占聲屏障覆蓋地面面積比例大于1/3時，可滿足隧道自然排煙要求；比例大于1/2時，隧道口部位煙氣影響范圍較小，可作為隧道安全區域考慮。

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(責任編輯馬龍)

On the Influence of Noise Barrier on the Road Tunnel to the Smoke Movement

SONG Fei

(ShanghaiFireCrops,Shanghai200051,China)

Problems about smoke-exhaustion, evacuation and rescue of tunnel are raised with the design of noise barrier in recent years. This paper analyzes the influence of the open size of noise barrier on smoke-exhaustion and noise-reduction by means of CFD. The suggestions to the area ratio of the open size are being made. All of which renders

for the practice of the noise barrier in road tunnel project.

road tunnel; noise barrier; smoke

2016-02-26

宋飛(1982—)，男，山東聊城人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2016)06-0011-05