南昌紅谷水下互通立交隧道通風排煙組織研究

王東偉， 戴　新， 李國江

(1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津　300133； 2. 中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河　065201)

0　引言

目前，我國已成為世界上隧道工程建設規模最大、數量最多的國家。隨著隧道長度、行車速度和密度的增大，也帶來了諸多問題。其中，車輛在隧道中的故障及互相撞擊、貨物的自燃等是誘發隧道火災的直接原因[1]。根據英國通風專家Haeter[2]的統計，大約每行車1 000萬km平均發生2次隧道火災，該數據隨統計樣本的不同而不同。我國高速公路隧道火災事故率約為4次/億車千米[3]。相比普通開放式道路，公路隧道發生事故的數量相對較少，但后果及影響往往較大，尤其是發生火災，后果可能是極具破壞性和危險性的[4]。對于接線復雜的水下互通立交隧道，在匝道分合流位置更易發生交通事故。近年來，相關研究也逐漸增加，如文獻[5-6]以膠州灣隧道為背景，探究了長大城市道路水下隧道的防排煙設計； 文獻[7-8]分析探討了城市地下交通聯系隧道及多匝道隧道的通風及防排煙設計。以往研究大多局限于通風網絡模擬、匝道通風阻力特性和防排煙數值模擬等方面[9-10]，通過現場排煙試驗的分析研究和經驗數據很少。

南昌紅谷隧道位于南昌大橋與八一大橋之間，連接紅谷灘新區與東岸老城區，東岸以地下互通立交形式接沿江中大道、中山西路等，隧道全長約2 650 m，設計行車速度為50 km/h。西岸設置主線進出口和2條進出口匝道，東岸共設置7條匝道，為城市水下多匝道互通立交隧道，如圖1所示。根據隧道的特點，加強對隧道火災防排煙及人員疏散安全的研究十分重要。

圖1　南昌紅谷隧道工程東岸匝道效果圖

Fig. 1The impression drawing of East Bank ramp of Nanchang Honggu Tunnel Project

本文通過數值模擬和現場實測方法研究隧道坡度、匝道氣流相互耦合等因素對通風排煙控制方案、逃生疏散方案等的影響，以期為本工程的設計、施工及安全運營提供科學支撐； 同時也為國內外類似隧道工程項目提供參考。

1　模擬火源點位置

本文重點研究南昌紅谷隧道東岸N1進口匝道發生火災時，匝道分岔處會否出現煙氣回流現象，抑制煙氣回流的臨界風速，以及相鄰匝道采取何種防煙措施； 東岸S1出口匝道發生火災時，匝道分岔處的煙氣組織模式、排煙控制方案等。

通過綜合對比分析《公路隧道通風設計細則》[11]和PIARC[12]發布的標準中對隧道內火災熱釋放功率的規定，根據隧道交通量預測和交通組成分析，取火災熱釋放功率為20 MW。隧道采用全射流縱向通風及縱向排煙模式，煙氣由隧道出洞口排出，為保證煙氣能夠順利排除，在東岸各匝道內均布置了射流風機。

針對紅谷隧道工程實際情況，利用火災模擬軟件FDS對影響火災場景的火源位置以及對應不同坡度下縱向通風臨界風速進行分析。火源點位置如圖2—3所示，具體的火災場景參數見表1。

圖2　北線隧道火源點位置示意圖

圖3　南線隧道火源點位置示意圖

線路火源功率/MW火源位置坡度/%縱向風速/(m/s)編號北線南線20N1匝道與F匝道分岔口(FK0+025)-62.5N0120N1匝道與C匝道分岔口(N1K2+760)-62.5N0220S1匝道與D匝道分岔口(S1K2+760)63.0S0120H匝道與D匝道分岔口(DK0+160)62.5S02

2　數值模擬分析

通過模擬紅谷隧道全射流縱向通風及排煙模式下，火災發生在不同坡度時不同縱向通風速率對煙氣蔓延的控制效果，研究該通道中抑制煙氣回流所需臨界風速，從而為隧道內火災工況下制定合理煙氣控制方案提供參考和依據。

2.1　北線隧道進口匝道煙氣蔓延特性分析

2.1.1N01煙氣蔓延特性分析

在隧道北線東岸N1進口匝道與F進口匝道分岔處發生火災時，匝道坡度接近-6%，煙氣蔓延特性如圖4所示。由圖4可知，在自然排煙條件下，由于煙囪效應作用，火源上游煙氣很快蔓延至N1匝道和F匝道洞口，火源下游煙氣蔓延至N1匝道與C匝道分岔口前部，極不利于火災點上游人員疏散逃生。為保證煙氣不回流，應在監控設備探測到火災后，由監控中心隧道管養人員及時開啟排煙模式，進行縱向排煙。

圖4　N01場景自然排煙煙氣蔓延特性圖

Fig. 4Smoke spread characteristics of natural smoke exhausting in scenario N01

開啟位于N1、F、C匝道洞口處的射流風機正向通風排煙，排煙風速為2.5 m/s。由圖5所示煙氣蔓延特性可以看出，在2.5 m/s的縱向排煙風速下，N1、F匝道段火源上游無煙氣回流，C單線匝道段無煙氣回流，隧道內的煙氣在縱向風速的作用下沿主隧道向火源下游擴散。

圖5　N01場景縱向排煙煙氣蔓延特性圖

Fig. 5Smoke spread characteristics of longitudinal smoke exhausting in scenario N01

2.1.2N02煙氣蔓延特性分析

在隧道北線N1匝道、C匝道分岔口處發生火災，隧道坡度接近-6%，開啟位于N1、C匝道進口端處的射流風機正向通風排煙，排煙風速為2.5 m/s。由圖6所示煙氣蔓延特性可以看出，在2.5 m/s的縱向排煙風速下，N1匝道火源上游沒有煙氣回流，通道內的煙氣在縱向風的作用下向火源下游蔓延； C匝道段，火源上游存在約50 m的較稀薄的煙氣回流，回流部分集中在匝道分岔口過渡部分，回流現象不明顯。因此，可增開C匝道內射流風機，適當加大C匝道內的臨界風速，以確保無回流現象產生。

(a) 180 s煙氣蔓延圖

(b) 400 s煙氣蔓延圖

(c) 800 s煙氣蔓延圖

(d) 1 800 s煙氣蔓延圖

2.2　南線隧道出口匝道煙氣蔓延特性分析

2.2.1S01煙氣蔓延特性分析

在隧道南線S1、D匝道分岔口處發生火災，隧道坡度接近6%，在3 m/s縱向風速的作用下，煙氣蔓延特性如圖7所示。由圖7可知，在火源上游主隧道約有20 m煙氣回流，通道內的煙氣在縱向風速的作用下向火源下游蔓延。但由于匝道曲度大，曲線隧道壁面阻力較大[13-14]，此處發生火災時，縱向排煙風速在3 m/s以上才能夠控制煙氣回流，保證火災上游人員疏散安全。

(a) 180 s煙氣蔓延圖

(b) 400 s煙氣蔓延圖

(c) 800 s煙氣蔓延圖

(d) 1 800 s煙氣蔓延圖

2.2.2S02煙氣蔓延特性分析

在H、D匝道分岔口處發生火災時，隧道沉管段進口初設風速為2.5 m/s。由圖8所示煙氣蔓延特性可以看出，在800 s前火源上游H、D匝道存在20～30 m煙氣回流，1 050 s開始煙氣回流減小到0。主要原因是D匝道段曲率較大，在彎道的阻力及分流作用下，到達著火位置的實際風速減小，而在通風氣流形成后，煙控效果較好。

書稿排印時的技術錯誤也可能會導致“正字誤錄”現象，《中華道藏》中反復出現一些常用字反而被錄成了形體相近的罕見字，這種情況不大可能歸咎于點校者，更可能是排印過程出現的錯誤。

(a) 180 s煙氣蔓延圖

(b) 400 s煙氣蔓延圖

(c) 800 s煙氣蔓延圖

(d) 1 050 s煙氣蔓延圖

(e) 1 800 s煙氣蔓延圖

3　排煙試驗分析

紅谷隧道北線，車流由東岸進口的N1匝道、F匝道和C匝道匯流至主隧道； 隧道南線，車流在東岸由S1匝道、E匝道、D匝道和H匝道分離駛出。隧道排煙的重難點在于東岸諸多匝道的分合流處。

為驗證隧道通風系統的實際排煙效果，選取隧道2個位置進行排煙試驗，將煙霧充滿隧道。北線進口匝道排煙試驗點里程為N1K2+860，南線出口匝道排煙試驗點里程為S1K2+600，風機運行模式見表2—3。

表2　試驗風機排煙S-1運行模式(原設計)

注： 01，02，…，18表示射流風機編號； “正”為風機正向開啟，“×”為風機停機； 下同。

表3　試驗風機排煙S-2運行模式(原設計)

試驗主要以紅谷隧道北線2個進口合流匝道和南線3個出口分岔匝道作為研究對象，通過現場測試，采集排煙風速數據并分析排煙效果影響因素，驗證設計排煙模式的合理性，為后期隧道運營時排煙模式的優化提供支持。

3.1　進口匝道排煙試驗分析

北線進口匝道在無機械排煙作用條件下，受煙氣煙囪效應的影響，煙氣回流顯著，部分煙氣擴散至N1、F匝道洞口附近，無法有效排除，90 s后基本覆蓋分岔口至N1、F匝道洞口整個區域，如圖9所示。試驗結果與模擬計算結果基本相符，S-1模式會影響火災點上游人員的疏散安全，故不建議采用。在射流風機形成有效排煙氣流前，煙氣依然會出現短暫回流現象，故運管人員應特別注意較大負坡的隧道進口的運行狀況，在火災發生90 s內啟動排煙模式，盡快形成有效的控煙氣流。

對于F匝道，按照原設計模式，匝道內設置的2臺射流風機未開啟，從試驗結果看，在風機形成有效排煙氣流120 s后，匝道內回流集聚煙氣無法排除，能見度較低。啟動F匝道內射流風機100 s后，煙氣被迅速沿行車方向排除，能見度得以有效提高。

綜上分析，在進口分岔較多的匝道內，車流活塞效應較弱時，由于反坡較大，煙氣受煙囪效應影響極易回流，且回流煙氣無定向性。為保證能夠有效排除回流煙氣，各進口匝道內均應設置射流風機； 在發生火災時，為減少煙氣對火災點上游人員疏散的影響，建議根據現場人員疏散情況，盡早正向開啟射流風機進行排煙。

(a) N1匝道20 s煙氣蔓延圖

(b) N1匝道90 s煙氣蔓延圖

(c) F匝道180 s煙氣蔓延圖

(d) F匝道280 s煙氣蔓延圖

3.2　出口匝道排煙試驗分析

(a) S1匝道30 s煙氣蔓延圖

(b) S1匝道90 s煙氣蔓延圖

(c) S1匝道120 s煙氣蔓延圖

(d) S1匝道180 s煙氣蔓延圖

根據李俊梅等[15]對多匝道城市地下道路縱向排煙系統的分析研究及其他對分岔隧道的排煙研究，對比分析3種工況： 1)開啟分岔口兩側匝道內的射流風機同時排煙； 2)一個匝道排煙，另一個匝道送風阻止煙氣進入； 3)只開啟其中一個匝道內的射流風機排煙。分析得出開啟一側匝道進行排煙的效果較好，盡量減少分岔處中隔墻對煙氣流動的影響，煙氣可以順利排出。

本次試驗充分驗證了以上結論，但與前述FDS軟件模擬結果中2條匝道同時排煙的情況不太一致。實際工程中應盡量縮短煙氣在隧道內的流程，開啟洞口距離火災點較近的匝道內的風機進行排煙。由于隧道內活塞效應和隧道正坡煙囪效應的作用，隧道出口發生火災時煙氣回流的幾率不大，火災初期可充分借助高溫煙氣分層的特性，保障火災點附近人員的疏散和下游車輛迅速駛離隧道。本項目排煙試驗也可證實，上游提供的縱向臨界風速可抑制火災煙氣向后回流，但同時也對火災煙氣的分層結構造成一定影響。縱向風的剪切作用，使大量空氣被卷吸進入上層煙氣，加快了火災煙氣的沉降，尤其在煙氣前鋒迎風面處，此種現象更為明顯，如圖11所示。因此，當隧道正坡或出口處發生火災，且前方交通阻滯時，人員安全疏散階段的縱向排煙風速不宜過大，以減少煙氣擾動，可在完成火災現場人員疏散后再開啟風機排煙。

(a) 熱煙試驗初期煙氣分層

(b) 熱煙受擾動下沉

3.3　排煙模式優化

經過排煙試驗后，根據現場煙氣蔓延情況的分析，對原設計排煙風機運行模式進行優化： 開啟進口F匝道內射流風機，防止煙氣回流聚集而無法排除，影響人員疏散； 主線隧道、S1匝道發生火災時，煙氣由距離隧道洞口較近、隧道結構流線順暢的S1匝道排出，關閉D、H匝道內射流風機，主線隧道、S1和E匝道排煙模式合并，簡化排煙模式。優化后的風機排煙運行模式見表4—5，風機啟停位置見圖12—13。

表4　隧道風機排煙S-1運行模式(優化設計)

表5　隧道風機排煙S-2運行模式(優化設計)

圖12　進口匝道火源點位置及優化后S-1模式風機啟停位置圖

圖13　出口匝道火源點位置及優化后S-2模式風機啟停位置圖

4　結論與建議

本文通過數值模擬和現場試驗，對南昌市紅谷隧道東岸匝道分岔區域火災時的排煙進行研究，分析進出口匝道在不同工況下的縱向排煙煙氣蔓延特性、排煙臨界風速及排煙效果等要素，以及復雜水下互通立交隧道通風排煙的特點，制定合理的控煙模式。

1)東岸進口匝道內，火源點位于N1或C匝道內時，在2.5 m/s的縱向風速下，N1、F和C匝道火源上游無煙氣回流，分岔部位無串煙現象。

2)東岸出口匝道內，由于匝道曲度大，曲線隧道壁面阻力較大，需增加縱向通風風速至3.0～3.5 m/s，才能實現良好的煙控效果。

3)在進口分岔較多的匝道內，火災初期，從風機開啟至形成有效的排煙氣流約需90 s，在此期間，極易出現煙氣回流現象。為保證回流煙氣能夠有效排除，各進口匝道內均應設置射流風機，并根據現場人員疏散情況，盡早正向開啟射流風機進行排煙。

4)在出口匝道內，煙氣受煙囪效應影響，向下游擴散速度較快，煙氣基本在風機開啟后90～120 s全部排除。在火災點前后需要人員疏散時，為保證有利的煙氣分層特性，應根據隧道內風速情況啟停射流風機。

5)出口分岔匝道縱向排煙時，應利用有利的結構形式，選擇流體流線順暢、煙氣流程較短的匝道，采用分岔口一側的匝道進行排煙，不啟動另一側匝道內射流風機。

6)隧道熱煙、冷煙試驗規模較小，僅能探知部分現場試驗煙氣特性和起到示蹤氣體的作用，出于對隧道安全的考慮，復雜接線隧道的煙氣特性和煙氣排除時間有待進一步考察。