地下互通隧道火災通風方案數值模擬研究

丁鴻志 陳研

摘要：依托建寧西路過江通道工程項目，研究建寧西路過江通道橫江大道右線火災場景下通風排煙方案。結果表明，當火源功率為30MW、火源位于主線時，僅開啟主線車行下游的射流風機，縱向風速為3m/s時能有效排煙；當火源位于各匝道時，開啟火源所在匝道的排煙口以及相鄰匝道分岔口附近的射流風機，縱向風速為3～4m/s時可以有效控制煙氣。

關鍵詞：地下互通隧道；火災；通風方案；FDS

為了緩解地面交通壓力，我國城市地下隧道越來越多，地下隧道的結構形式也越來越復雜。在結構如此復雜多變的隧道內，一旦發生火災，煙氣的蔓延與長直隧道有很大區別，傳統的煙氣控制方式也不再適用。

董興國等人[1]利用FDS軟件，模擬分析UTLT隧道臨界風速與火源功率、隧道水力直徑和寬高比的關聯式。華高英等人[2]對城市地下交通聯系隧道縱向防排煙方案設計和全橫向排煙方案設計進行了對比，提出了城市環隧防排煙方案設計的思路和方法。馬尉翔[3]運用軟件模擬分析了大型互通立交隧道火災煙氣蔓延規律和臨界風速影響因素。朱廷宇[4]按火源位置及排煙組織的不同提出了不同的防災救援通風方案及風速控制值。ZHONG等人[5]對自然通風地下空間中傾斜長大曲線隧道的火災煙氣蔓延進行了全尺寸實驗研究。廖曙江等人[6]開展了全尺寸火災實驗，分析了橫向排煙的煙控效果，并驗證了Alpert頂棚最高溫升衰減模型。WANG等人[7]運用數值模擬的方法，給出了曲線隧道內火源位于不同橫向位置時的臨界通風速度和煙氣運動特征。路世昌和潘潔等人[8-9]分析了城市地下交通聯系隧道中火災煙氣蔓延的特點及規律，通過數值模擬，對其通風系統設計提出了建議。鄧濤[10]采用模型實驗、理論分析以及數值模擬等方法，針對一種適用于互通隧道的匝道半橫向主隧道縱向組合式通風方法，對分岔結構局部阻力系數、組合式通風方案和火災煙氣控制進行了研究。

本文依托南京市建寧西路過江通道工程項目，運用軟件FDS，對建寧西路過江通道橫江大道右線進行火災場景下，不同熱釋放速率、射流風機開啟方式條件下的煙氣控制策略進行研究。

1 數值模擬

1.1? 工程概況

建寧西路過江通道是南京江南主城對接江北核心區的重要通道，建寧西路過江通道主線隧道長度超5km，橫江大道隧道長度超3km，惠民路隧道長度超過了2km，均為雙向六車道，互通匝道長度均超過500m，其中橫江大道為該工程的互通段之一，分為左右兩線，由主線段、A匝道、B匝道、C匝道、D匝道組成。

1.2? 模型搭建

運用軟件SketchUp建立建寧西路過江通道橫江大道右線全尺寸模型，導入軟件FDS（見圖1），其中主線段、A匝道、B匝道橫斷面尺寸分別為12.75m×6.70m、9.65m×6.26m、9.18m×6.43m，A匝道頂棚以及B匝道右側壁設置有排煙口。考慮到該隧道的交通情況，火源功率選取30MW；產煙量按123.39m3/s計算，考慮1.2的安全余量，排煙量為148.06m3/s；縱向風速設置為0～4m/s，具體工況見表1。

結合FDS用戶指南[11]，通過對不同網格大小的模型進行模擬后，考慮到計算時間的問題，最終選取網格大小為0.5m×0.5m×0.5m。

2 結果分析

2.1? 火源位于主線

火源位于橫江大道右線主線時，圖2展示了火源位于主線時橫江大道右線主線頂棚沿程溫度分布，隨著風速的增大，頂棚溫度逐漸降低，當風速大于3m/s時，車行下游的溫度降至環境溫度，車行上游的溫度逐漸趨于80℃。

2.2? 火源位于A1匝道

當火源位于A1匝道時，見圖3，由于煙囪效應的影響，更多的煙氣向車行上游蔓延，車行上游的溫度遠高于車行下游，車行下游溫度逐漸降至環境溫度，且隨著縱向風速的增大，溫度逐漸降低。

2.3? 火源位于A匝道中部

圖4為火源位于A匝道中部時隧道頂棚溫度分布圖，A1匝道溫度隨B匝道縱向風速的增加而降低，當風速為4m/s時，溫度逐漸降至50℃；B匝道縱向風速越大，溫度降低越快，當風速大于2m/s時，煙氣被限制在A、B匝道分岔口附近；A匝道內排煙口處溫度均有所降低，但由于B匝道的縱向風速增大，導致更多的煙氣向A匝道下游蔓延，使得溫度升高。總體來看，當B匝道縱向風速為3～4m/s時，降溫效果最好。

2.4? 火源位于B匝道中部

圖5為火源位于B匝道中間時橫江大道右線各隧道段頂棚溫度分布圖，A1匝道內頂棚溫度均低于75℃，A匝道風速達到3m/s時，溫度最低；A匝道風速越大，溫度越低，風速為3m/s左右時，降溫效果最好；B匝道內排煙口處的溫度均有所下降，限制了煙氣的進一步擴散。

3 結論

通過數值模擬的方法研究建寧西路過江通道橫江大道右線不同火源位置時的通風方案，得出以下結論：

當火源位于主線段時，由于主線車行上游存在敞開段，通過開啟主線車行下游射流風機，將煙氣排出洞口，縱向風速為3m/s時，能夠有效防止煙氣逆流和沉降。

當火源位于A1匝道時，煙囪效應的作用使得煙氣向上坡方向蔓延并從匝道洞口排出，為了避免煙氣逆流至A、B匝道，故開啟A、B匝道內各一組風機，當縱向風速為3～4m/s時，能夠有效降低溫度并控制煙氣。

當火源位于A匝道時，開啟A匝道內所有排煙口以及B匝道內一組射流風機，當風速為3～4m/s時，能夠防止煙氣進入B匝道，并有效降低溫度，但風速越大，越促使煙氣向A匝道車行下游蔓延。

當火源位于B匝道時，由于煙囪效應，較少的煙氣會蔓延至A匝道，而更多的煙氣蔓延至A1匝道，開啟B匝道內的所有排煙口以及A匝道內一組射流風機，當縱向風速為3m/s時，能夠有效降低隧道內溫度，煙氣通過匝道洞口以及B匝道內排煙道排出，但此風速下會促使A1匝道內煙氣沉降。

參考文獻：

[1]董興國，王偉，李思成.城市地下交通聯系隧道臨界風速關聯式的建立與驗證[J].建筑科學，2014，30（6）：83-86+107.

[2]華高英，李磊，南化祥，等.城市地下交通聯系隧道防排煙設計分析[J].建筑科學，2014，30（9）：88-92.

[3]馬尉翔.大型互通立交隧道火災煙氣遷移規律及控制研究[D].成都：西南交通大學，2015.

[4]朱廷宇.大型地下互通運營與防災通風技術研究[D].成都：西南交通大學，2016.

[5]Zhong M H，Shi C L，He L，et al.Smoke development in full-scale sloped long and large curved tunnel fires under natural ventilation[J].Applied Thermal Engineering，2016，108：857-865.

[6]廖曙江，林昊宇，翁廟成，等.城市地下交通聯系隧道煙氣控制探討[J].安全與環境學報，2017，17（2）：546-552.

[7]WANG F，WANG M N，CARVEL R，et al.Numerical study on fire smoke movement and control in curved road tunnels[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2017，67：1-7.

[8]路世昌，倪照鵬，劉萬福，等.城市地下交通聯系隧道火災煙氣控制試驗研究[J].消防科學與技術，2018，37（4）：468-471.

[9]潘潔.城市地下交通聯系隧道通風排煙方式的研究[J].智能城市，2020，6（24）：111-112.

[10]鄧濤.地下互通隧道組合式通風方法及其控制技術研究[D].成都：西南交通大學，2019.

[11]Mcgrattan K B，Mcdermott R J，Weinschenk C G，et al.Fire

Dynamics Simulator， User's Guide[J].Nist Special Publication，2013.

Numerical simulation study on ventilation scheme of underground interchange tunnel fire

Ding Hongzhi，Chen Yan

（Nanjing Construction Center of Public Works，Jiangsu? Nanjing? 210019）

Abstract： Based on the project of Jianning West Road River Crossing Channel， this paper studies the ventilation and smoke extraction scheme of the right line of Hengjiang Avenue in the Jianning West Road River Crossing Channel. The results show that when the heat release rate is 30MW and the fire source is located in the main tunnel， only open the jet fan downstream of the main tunnel and the longitudinal wind speed is 3m/s can effectively exhaust smoke. When the fire source is located at each branch tunnel， open the smoke exhaust port of the branch tunnel where the fire source is located and the jet fan near the fork of the adjacent branch tunnel. When the longitudinal wind speed is 3～4m/s， the smoke can be effectively controlled.

Keywords： underground interchange tunnel;fire;ventilation scheme;FDS