西藏林芝某特長公路隧道排煙安全方案研究

摘要：本文以西藏某特長公路隧道為模型，主要研究火災位置和誘導風速對排煙效果的影響，并從該隧道的合理縱向誘導風速、排煙閥數量、排煙閥間距及風機數量方面，對該隧道的排煙方案進行優化。使用Pyrosim軟件進行隧道火災物理模型的建立，并用FDS軟件進行氣體動力學仿真計算，模擬不同條件下不同因素對排煙效果的影響規律。設計建立西藏林芝某特長隧道的數學模型，計算并得到不同因素對排煙效果的影響，根據溫度，煙層高度等參數比較不同方案的排煙效果，從而確定西藏林芝某特長公路隧道最優化的排煙方案。

關鍵詞：公路隧道；數值模擬；排煙規律；排煙方案

近年來，由于交通規模的不斷擴大，我國國民經濟快速穩定發展，我國的公路建設，特別是特長公路建設迅猛發展。特長公路隧道帶來了很大的交通便利，但是長大化的特性也導致了防排煙設計和施工技術等方面的問題，極易引發安全隱患。隧道防排煙系統設計的重要組成部分在于當發生火災事故，在最短的時段內將煙氣排出隧道或控制蔓延范圍，以此來降低煙氣對事故人員造成的傷害，確保其人身安全。要想合理有效的控制隧道火災煙霧，首先要研究獲得火災中煙霧的蔓延特性及擴散規律。并以此為根據，使預防工作的開展能夠更為有效的且有針對的進行。但是在國內外的研究中沒有針對高海拔大坡度隧道煙氣排放方面的研究，由于隧道傾斜造成的煙氣排放的不同對煙氣的排放會造成影響，煙氣上浮到隧道頂部時，具有一定坡度的隧道會影響煙氣的蔓延，上升的氣流遇到有坡度的隧道壁會沿壁面斜向上運動，但不同外界情況會對這一現象產生的影響其具體規律需要進行研究。結合高原公路隧道具有大坡度和高原缺氧等特點，來研究隧道火災的煙氣蔓延規律，同時為隧道火災的排煙設計與合理控制給出自己的見解與改進建議。

一、不同火源位置對排煙效果的影響

西藏林芝某特長公路隧道，采用獨立排煙道系統，在隧道的兩端設置與排煙道相通的排煙豎井。由于公路隧道火災發生的位置是隨機的，火災位置的不同致使和風機位置的距離也不大相同，所以為了更好的保護受災群眾及救援群眾、更好的引導煙氣排離行車道，將對不同的火源位置進行計算。

（一）模擬計算組別設計

當隧道火災發生之后，其排煙閥的開啟策略與隧道中的火源位置關系密切，所以把隧道分成5段，主要表示在如圖1中。主要包括排煙閥外區域下段與上段（K1、K5段）、排煙閥所在區域上段與下段（K2、K4段）以及排煙道中間段火災（K3段）等5段。

圖1為火災發生在K1-K5段的煙氣控制示意圖。如圖所示，兩側的排煙風機保持開啟狀態，火災發生的位置即排煙閥所處位置的中間部分。在誘導風速、誘導風風向、排煙閥數量、排煙閥間距及風機數量不變的情況下，分別對K1-K5不同火源位置對排煙效果產生的影響做模擬。在模擬過程中，需要建立一段300m的模型隧道，該隧道的行車高度與寬度方面分別要求是6.9m和8.6m。該風機的出口流量是24m3/s，火源產生的熱釋放率是5MW，時間是300s。

在實驗模擬的開展進程中，先假設火源參數保持不變，將隧道中煙氣層的高度、溫度場分布以及能見度等相關參數指標做詳細的對比分析，得到其在排煙閥數量、排煙閥間距、誘導風速及風向相同情況下不同的煙氣蔓延規律。

（二）火源位置對煙氣分布的影響

收集整理分析上述數值模擬計算結果。例如K3，可用來對煙氣的擴散與排煙等過程做相應的描述。如下圖3所示，主要體現的內容是火源位置處于K3位置時部分時刻的煙氣模擬圖。如圖3（a）所示，觀察圖像可以看出，在縱向誘導風的作用下，煙氣大多蔓延在火源的下風向隧道內，直至火災發生30s之后煙氣將充滿整個隧道，此時，其排煙管道中所含煙氣較少，可以看出排煙功能沒有發揮其作用。當火災發生60s時煙氣蔓延更加廣泛，但從圖3（b）中可以觀察到排煙管道內有大量煙氣存在，說明排煙系統正在產生作用。比較圖3（c）和圖3（d）其煙氣分布并未有明顯變化，煙氣分布達到穩定狀態。

通過圖3的比較得出120s后煙氣分布達到較為穩定的狀態，因此選擇時刻30s、60s和120s三個不同時刻，針對不同火源位置中煙氣的分布情況做分析對比。如圖4所示為30s時不同火源位置煙氣分布圖的對比，由圖中可以看出火源發生位置的不同導致煙氣范圍的不同，其共同點是火源上風向的范圍內并無煙氣分布。該現象產生的主要原因是其縱向通風的風速達到了2.0m/s，由于受到縱向誘導風的作用，煙氣的流動空間主要分布在火源的下風向。

（三）火源位置對煙氣高度的影響

本節中，在不同火源位置情況下，對不同火源位置的煙氣高度進行了數值模擬并進行對比分析，通過5種不同火源位置火源上風向50m、下風向50m處及下風向100m處部分煙氣高度隨時間的變化曲線，可以得出，火源上風向50m處沒有煙氣存在，人員及車輛在這一位置非常安全。而在火源位置下風向的50m～100m處時煙氣較為嚴重，其煙氣層高度在2m高度附近。與下風向50m處相比，100m處的煙氣高度略有下降，且擾動較小，煙氣層相對平穩。

（四）火源位置對能見度的影響

火災發生附近區域的能見度，對人員的疏散及救援人員的工作尤為重要。能見度過低會導致人員流動的混亂，在慌亂的過程中容易發生踩踏等二次傷害，混亂的人流也會對救援人員的救援效率造成影響。通過不同火源位置火災發生30s時可視距離分布可以看出，火災的發生能夠對可視距離產生的影響的范圍主要是在火源前后的10m內。距離火源超過10m其可視距離基本不受火災影響。

二、西藏林芝某特長公路隧道煙控方案優化

（一）排煙閥間距離設計優化

從行車道內煙霧高度和其內溫度兩個方面對不同閥間距離進行效果的對比分析。在表2中列出了不同排煙閥距離下煙氣高度的平均值，可以看到當排煙閥間距為25m時，其在50m和100m處的平均高度相對較高。

表3中展示的是在距離火源50m和100m時在高度2m高度時的平均溫度，根據整理的數據得知，間距在25m時，平均溫度相對較高。

平均溫度與煙氣高度二者的規律相同，通過這兩個參數的對比可以得出：排煙閥間距離為25m時，排煙效果最佳。因此在建設成本相同的情況下，排煙閥間最佳距離為25m時，其排煙效果較好，有利于受災人員的疏散和救援人員的撲救工作。

（二）風機數量設計優化

將風機數量設置為0個、1個、2個，對這三種不同的情況下的煙氣高度和平均溫度進行記錄對比。在表4中可以看出無排煙風機情況下50m和100m處煙氣的平均高度均比有風機時小，這個現象說明排煙風機與排煙系統的排煙效果密切相關。

表5列出了不同排煙風機數量平均溫度表，對比同距離下的溫度其規律與煙氣高度的規律一樣，可見風機在排煙系統中有著重要作用。為了防止縱向誘導風向的變化，在排煙閥所在區域兩端加裝排煙風機，以達到無論風向怎樣變化都可以對隧道內的煙氣順利排出的作用。

（三）排煙閥尺寸的設計優化

本節討論排煙閥尺寸對排煙效果的影響，對不同排煙閥尺寸下進行模擬計算。排煙閥的形狀為矩形，其尺寸分別設置為3m2、6m2、10m2，對這三種不同的情況下的煙氣高度和平均溫度進行記錄對比。在表6中可以看出排煙閥尺寸為6m2時，煙氣層高度相對于排煙閥尺寸為3m2、10m2時，煙氣層的高度更高，更加有利于人員的安全疏散，對煙氣控制的效果明顯更好。

表7列出了不同排煙閥大小尺寸下的平均溫度表，對比同距離下的2m高度處溫度，其規律與煙氣高度的規律一樣，可見排煙閥的大小尺寸對排煙效果有著較為重要的影響，排煙閥尺寸為6m2時，隧道內能見度相對于排煙閥尺寸為3m2、10m2時，能見度更高，對煙氣控制的效果明顯更好，更加有利于人員的安全疏散。

三、結語

以西藏林芝某特長公路隧道為原型自主建立坡度隧道煙氣計算模型，并對火源位置、誘導風、排煙閥個數及間距、風機數量、隧道坡度等對排煙效果的影響因素進行模擬分析。通過對煙氣分布、煙氣層高度、特定點溫度、能見度等參數的監測記錄，研究不同因素對公路隧道排煙效果的影響，從而增強對高海拔大坡度公路隧道的煙氣蔓延規律的認識，進而為西藏林芝某特長公路隧道防排煙系統設計提供實際價值的改進建議。

參考文獻：

周旭，趙明華，劉義虎.長大隧道火災與防治設計研究[J].中南公路工程，2002，（04）：87-90.

薛保勇，鄭晅，高一然，等.公路隧道不同風速條件下火災煙氣層數值模擬及分析[J].公路交通科技（應用技術版），2014，（11）：135-137+162.

徐琳.長大公路隧道火災熱煙氣控制理論分析與實驗研究[D].同濟大學，2007.

趙凱強，劉萬福，王國卓，等.異形結構隧道火災安全疏散研究[J].消防科學與技術，2016，（03）：336-341.