分離式公路隧道火災工況通風系統聯動控制方案研究

楊繼廳,郭洪雨,丁海洋,鄭國平,馮 展

(1. 浙江數智交院科技股份有限公司 杭州市 310030; 2. 浙江工業大學 土木工程學院 杭州市 310014)

0 引言

公路隧道空間狹長且封閉,在隧道內進行疏散、救援和消防活動的難度大于普通敞開路段的公路,因此,即使是很小的事故也有可能造成重大損失。

煙氣造成的窒息是火災造成人員傷亡的主要因素,因此,煙氣控制是應對火災事故的重要環節。目前,國內外公路山嶺隧道普遍采用縱向排煙模式,并結合“橫向疏散”模式?；鹪聪掠蔚能囕v被認為能快速駛離隧道,而火源上游人員需要就近從橫通道疏散至相鄰非火災隧道中。另一方面,我國的行業規范《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)(以下簡稱《細則》)10.4.1條要求專用避難疏散通道、獨立避難所的余壓值不小于50Pa。非火災隧道和橫通道作為分離式隧道的避難疏散通道,需要合理的通風系統聯動控制方案,以防止煙氣通過橫通道串流至相鄰隧道形成次生災難。

然而,目前已開展的研究絕大部分多著眼于單個隧道,將左右洞隧道通風系統作為整體開展的研究較少,比如,趙忠杰等[1]選用FDS 軟件建立秦嶺Ⅰ號隧道(上行線)局部模型,給出了各工況的通風控制策略;惠豫川等[2]建立了二車道單洞隧道通風井排出式縱向排煙及疏散仿真模型,并開展相關分析;曹正卯等[3]驗證了火源下游車行橫通道門未關閉時會導致煙氣蔓延至非火災隧道的問題;蔚艷慶等[4]研究四洞公路隧道火災模式下煙氣控制策略和相鄰非火災隧道的反向通風臨界風速;李杰等[5]分析了分離式隧道在不同風機開啟情況下橫通道內的氣流方向。

對分離式隧道通風系統聯動控制策略的研究還非常少,因此,文章擬將分離式隧道的左右洞及橫通道視為一個整體,通過研究隧道正洞內風機開啟情況對火源煙氣擴散情況、橫通道內的風速、風向的影響,提出雙洞隧道通風系統聯動控制方案,以達到橫通道、正洞同時進行煙氣控制的目的,確保隧道內人員的安全。

1 通風系統聯動控制方案擬定

射流風機起到調節氣壓、推動氣流的作用,為節省電纜成本通常跟隨變電站進行布置,在3km以下的隧道中通常布置于隧道兩端。為了闡述聯動控制方案的工作原理并提高普遍適用性,將隧道內的射流風機分為4個群組,如圖1所示,每個群組分別代表若干臺安裝于隧道進、出口段的射流風機,以此提出3種聯動控制方案,詳見表1。

表1 通風系統聯動控制方案及對應壓力曲線表

圖1 風機群組布置圖

通過建立數值模擬模型對上述3種工況下主隧道及橫通道內的風速、風向、煙氣控制效果對比分析,最終確定分離式隧道內風機聯動控制方案。

2 不同聯動控制方案的防煙性能數值分析

2.1 數值分析模型建立

文章采用Pyrosim軟件建立雙向四車道分離式公路隧道火災場景模型,橫斷面采用半徑為5.7m的單心圓,如圖2所示,并通過實體疊加法建立分析模型,模型長度設為200m。根據消防要求,人行橫通道通常具有自動關閉功能,即人員疏散進入后即自動關閉,能有效防止左右洞之間的竄流問題,因此,模型中未考慮人行橫通道。車行橫通道既用于疏解阻滯車輛,也用于司乘人員撤離和消防人員進攻,一般采用卷簾門形式,且一旦開啟就將長時間處于開啟狀態。因此,模型中考慮了一處車行橫通道,橫斷面尺寸為寬6m,高5m。

圖2 隧道橫斷面尺寸(單位:m)

文中數值模擬火源選擇穩態火源,使火源能夠盡快達到最大功率,使聯動控制方案能夠適應各種火災發展情況?；馂囊幠８鶕都殑t》取為30MW,火源位置在橫通道下游10m處。

網格尺寸根據FDS手冊內式(1)計算得到,當D*/δx的值在4～16之間時,選取的網格大小即符合要求。數值模擬模型火源的特征直徑D*為3.61m,所以,結合隧道截面的特征,X、Y方向網格尺寸設為0.5m,Z方向網格尺寸設為0.3m。

(1)

式中:D*為火源的特征直徑,單位m;Q為火源熱釋放速率,單位kW;ρ0為空氣密度,單位kg·m-3;Cp為環境空氣比熱,單位J·kg-1·℃-1;T0為環境空氣溫度,單位℃-1;g為重力加速度,單位m·s-2。

在火災發生之前,隧道內空氣流動以活塞風為主,根據設計行車速度、車流量、車型比例、隧道長度等參數,測算得到交通活塞風速約為5.0m/s。火災發生后,車輛逐漸停滯,活塞風不斷減小至0。隨著射流風機逐組不斷開啟,隧道內風速逐漸達到臨界風速即3.5m/s,此過程需耗時5min以上[6],CFD模型中隧道進出口的邊界條件根據實際情況設置。

聯動控制方案三中非火災隧道內風機為對向開啟,會引導氣流進入橫通道內,并在橫通道內產生強風,影響人員通過橫通道疏散,因此,需要限制非火災隧道內的對向風量,最終設定非火災隧道兩側邊界速度值為0.5m/s。

2.2 數值模擬結果

分別對3種聯動控制方案對應的主隧道、橫通道內風速、風向、煙氣流動情況等進行了分析,結果如下:

(1)聯動控制方案一:在火災發生32s后,火災隧道頂部的回流煙氣開始侵入橫通道內,并在61s后侵入非火災隧道,但煙氣流量較少。橫斷面上及沿橫通道縱向的風速波動較大,大部分橫通道空間內氣流不穩定,以渦旋狀態為主,平均風速小于1m/s。在橫通道內,渦旋氣流不斷擴散,逐漸蔓延至整個空間,橫通道內1.8m高處溫度變化在6℃以內。

(2)聯動控制方案二:火災發生8s后,已有回流煙氣從火災隧道侵入橫通道內;在火災發生15s后,侵入非火災隧道內,且侵入煙氣量大而快速;橫通道內煙氣呈渦旋狀,彌漫了整個橫通道斷面,能見度下降明顯,平均風速為3m/s;橫通道內溫度急劇上升,1.8m高處最大溫度上升至75℃,對火源上游疏散人員造成明顯危害。

(3)聯動控制方案三:火災初期有多個方向氣流侵入橫通道內,風速在2～5m/s之間波動,氣流變化明顯,呈現紊亂的狀態。100s后,橫通道內形成從非火災隧道流向火災隧道的穩定氣流,平均風速為4m/s。在該方案作用下,橫通道內將有足夠的新鮮空氣形成氣流保護橫通道不被煙氣影響,并且,受隧道結構引導,氣流進入火災隧道后,將在火災隧道內形成一道流向火源的氣流,輔助火災隧道內風機對煙氣進行強有力的控制,將煙氣限制在火源下游,為火源上游人員提供安全保障。

將差別最大的聯動控制方案三及方案二的數值模擬結果,將橫通道內風速分布、風速-時間分布、300s時煙氣擴散情況列舉如圖3～圖5所示。

圖5 300s時煙氣擴散情況

2.3 方案對比分析

匯總以上3種聯動控制方案的橫通道風速、風向、煙氣流動情況,如表2所示。

表2 通風系統聯動控制方案綜合對比

聯動控制方案的目的是為火源上游人員創造有利的疏散條件,通過以上分析和對比可見,采用方案三時,隧道主洞與橫通道的煙氣控制效果良好,火災隧道內無煙氣發生回流,橫通道內氣流風速穩定、分布均勻。同時,橫通道的開啟需要注意非火災隧道內的氣流變化,避免非火災隧道內風速降低過程引起的壓力變化對火災隧道內煙氣產生抽吸作用。

3 結語

通風系統可以聯動控制較少的風機數量同時進行隧道、橫通道的煙氣控制,防止煙氣侵入火源上游橫通道、保證橫通道與隧道正洞內人員的安全。推薦方案為:開啟火災隧道內火源上游的射流風機形成穩定的臨界風速,同時,相向開啟非火災隧道橫通道兩側風機,并控制風速至0.5m/s左右。

根據分析,因隧道內風量較小,沿程損失及阻塞車輛引起的通風阻力較小,采用常用的φ1120/30kW風機,升壓力約為10.5Pa,左右兩側各開啟5臺,即可以在橫通道位置產生50Pa的余壓。

研究彌補了《細則》中對火災工況下分離式公路隧道中射流風機如何進行聯動控制的技術空白。但是,隧道火災時煙氣控制方法是一項復雜的工作,因模型長度有限,文中僅考慮了火源附近的橫通道。今后可開展更接近實際火災的全尺寸火災試驗,進一步驗證聯動控制方案的可行性。