复杂截面上盖式地下隧道空间...烟气扩散规律及防火隔墙优化_刘春.pdf

收稿日期：基金项目：湖南省重点领域研发计划项目（）；湖南省科技成果转化及产业化计划项目（）作者简介：刘春（），男，湖南醴陵人，高级工程师，工学硕士，：。通讯作者：龚光彩（），男，湖南澧县人，教授，博士研究生导师，：。第 卷第期 年月长安大学学报（自然科学版）（）刘春，曾田胜，龚光彩，等复杂截面上盖式地下隧道空间火灾烟气扩散规律及防火隔墙优化长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：复杂截面上盖式地下隧道空间火灾烟气扩散规律及防火隔墙优化刘春，曾田胜，龚光彩，方曦，石星，王洪顺，淳良（广东省公路建设有限公司，广东 广州 ；湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 ）摘要：为解决复杂截面上盖式地下隧道空间通风防火隔墙设置问题，将隧道空间划分为单一空间、多个组合空间、个组合空间以及个组合空间，通过 仿真计算得到不同隧道空间防火隔墙设置方案下火灾烟气扩散规律，结合模拟结果提出合理的防火隔墙优化方案，并在实际项目中实施。同时，对比分析主桥设置防火隔墙和不设置防火隔墙的火灾烟气扩散规律。研究结果表明：复杂截面上盖式地下隧道空间内不设置隔墙会造成烟气朝多个方向无组织扩散，严重影响位置较高行车面的人员安全。设置过多的隔墙会减小火灾在隧道内部的扩散空间，致使烟气较快地扩散到整个立交隧道空间，从而减少人员逃生时间，产生安全隐患。在主桥边界位置处设置隔墙可以将隧道划分为个相对独立的空间，既可以避免烟气无组织扩散，又可以保障隧道有足够大的空间和足够长的逃生时间。双向行车的主桥中间设置隔墙（个组合空间）有利于在火灾工况下为人员争取更多的逃生时间。故最优方案为将整个上盖式地下隧道空间分割为个组合空间，即在匝道与主桥连接处分别设置道隔墙，并在主桥中间加设道隔墙。该研究为复杂截面上盖式地下隧道空间通风防火隔墙分区设计提供了参考依据，并且指导了实际工程应用。关键词：隧道工程；复杂截面；上盖式地下隧道空间；火灾烟气；通风；防灾；防火隔墙中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），：；引言土地资源的短缺制约着城市的发展。交通拥堵、城市建设用地不足和绿地有限是现代城市中最常见的问题。解决这些问题不仅要增加城市用地面积，而且要实现城市空间的一体化。城市地下空间开发可以使城市更加高效立体。通风防灾是地下空间发展的一项关键技术，国内外学者在地下空间通风防灾领域开展了广泛的研究。在火灾发生时，需要有方便快捷的逃生通道，并合理设置应急方案和逃生路线保障人员安全。王磊等通过 计算分析和图像识别的方法分析了城市地下空间污染物动态扩散和人员动态分布规律，并提出了一种脆弱性指标用于描述地下空间火灾污染源对整个空间的危害程度。石来等利用虚拟现实技术（）和火灾动态模拟技术（）构建了火灾逃生演练系统。黄昕等基于算法提出了一种地下空间火灾疏散路径识别和动态规划的方法，该算法较传统静态路径规划算法更有优势。梁晶分析了地下空间区域之间的联通通道对火灾工况下人员疏散情况的影响，论证了联通通道对人员逃生的积极作用。等研究了协同通风模式对消除列车火灾烟气的效果，针对不同的火灾场景提出了应急方案，为互通式隧道发生火灾时提供快速安全的疏散路径。在火灾发生时，隧道风速对温度分布有很大的影响，因此，有必要研究风速与温度的关系，从而确定隧道最佳通风风速和通风方式。陈长坤等研究了分岔隧道内火源位置对临界风速的影响，并建立了 不 同 火 源 位 置的 隧 道 顶 棚最 大 升 温 模型。刘艺璇等研究纵向通风不同风速工况下烟气层的高度、隧道横截面竖向温度，结果表明，研究的火灾参数与纵向通风风速关系为非线性。刘斌等研究大曲率和变坡度复杂结构隧道火灾的烟气扩散特性，使用 数值模拟软件分析了不同通风速度下隧道内的纵向温度分布规律。在发生火灾时，隧道内会产生大量对人体有害的烟气，研究烟气扩散流动特性，合理设置排烟井、排烟口以及排烟方式，可以为被困人员提供更多的逃生时间。石文林等通过数值模拟研究了大型地铁站火灾场景下的烟气流动扩散特性。徐海斌等长安大学学报（自然科学版）年利用 数值模拟研究了地下环形车道火灾工况下烟气扩散规律和排烟控制方案，并建议设置竖井排烟通道。姜学鹏等利用 模拟研究了火车站地下交通通道火灾烟气蔓延扩散规律，并根据排烟控制区段提出了不同的烟气控制方案。吕锋利用 模拟分析了不同结构尺寸的敞廊结构内火灾排烟通风规律。李森生通过数值模拟方法研究了环节风对浅埋隧道自然排烟井高度的影响，并认 为 当 竖 井 高 度 为 时，综 合 排 烟 效 果 最好。刘轩等利用 研究了不同交叉隧道夹角对火灾烟气特征的影响规律，发现钝角方向的烟气浓度大于锐角方向。李建等研究了坡度区间隧道火灾烟气蔓延及温度分布规律，发现坡度越大，下行风流对坡度隧道烟囱效应的抑制效果越弱，上游区域的烟气逆流长度越长。陈圣元等通过相似试验研究了竖井结构对竖井内烟气扩散流动的影响规律，并发现竖井高度与横截面面积增大均会产生吸穿效应。赵超峰等利用 模拟研究了不同车道火源对烟气蔓延范围以及排烟效率的影响，发现火源位于不同车道对于横向集中排烟的效率影响较大，火源距排烟口的横向距离越远，排烟效果越好。王明年等通过数值计算研究了列车活塞风对地下车站排烟效果的影响，并发现有活塞风情况下隧道的排烟效率高于无活塞风情况下的排烟效率。赵忠杰等探究隧道火灾烟气蔓延规律，模拟在不同纵向风条件下的隧道火灾烟气扩散规律，并提出秦岭号隧道（上行线）最优通风控制策略。陈建忠等研究了侧壁排烟模式下超宽隧道的排烟特性，并分析了侧壁排烟模式在不同工况下的适应性。等通过一系列试验研究了在隧道顶棚设置固体障碍物对纵向通风隧道火灾烟气的影响，结果表明挡板有效阻止了烟气返层流动，从而降低了临界风速。以上研究表明，火灾分区对火灾烟气扩散规律具有显著影响。同时，关于公路交通领域复杂截面上盖式地下隧道空间研究较少，鲜有研究开展对防火隔墙作用机理分析，同时公路隧道设计规范也未涉及复杂截面地下隧道空间防火分区方案。因此，本文以广东省某地下立交隧道为例，对不同隔墙设置方案下的火灾烟气进行 模拟分析，探究复杂截面上盖式地下隧道空间的火灾烟气扩散规律以及防火隔墙作用机理，并提出可行的火灾分区以及烟气控制方案，以期为复杂截面上盖式地下隧道空间防火分区设计提供参考依据。工程简介本项目位于广州新塘，属于复杂截面的半地下大空间通风防灾类模拟。该项目是在立交空间上部建设绿化公园，邻近区域建设高档小区，上盖面内空间为立交桥行车隧道空间。项目通过改造互通立交和区域道路，提升交通通行能力，是推进广深科技创新走廊建设、推进高速公路交通改造和土地空间复合利用深度融合的试点示范项目。主线范围采用高速公路标准，设计速度 ，主线全长 ，匝道总长 ，国道 改造总长 ，南碱路总长 。互通改造范围主线由双向车道改造为双向 车道，主线设计速度 ，桥涵设计汽车荷载等级为公路级，路基标准横断面宽 。设大桥 座，中小桥 座；设中隧道 座（国道 隧道宽 、匝道隧道 ）；主线桥隧比约 。设置隔音降噪上盖结构面积 （其中主 线 上 盖 为 ，主 线 南 北 过 渡 段 为 ，匝道上盖为 ，架空走廊、管理用房等为 ）。本文主要分析下部隧道立交空间内的火灾烟气流动规律，分析隔墙设置方案，图为项目建成后的示意；图为隧道下部立交空间示意。下部隧道立交空间总长度为 （此长度隧道在规范中未明确规定必须设置相应通风排烟方案，需结合实际情况分析），最大处宽度为 ，最高处高度为，此隧道为复杂截面（截面形式包括常规矩形、梯形等不规则形式）上盖式地下隧道空间，隧道平面图和截面如图所示。图项目建成后示意 数学模型 基本控制方程本文利用 技术研究立交隧道内火灾烟气第期刘春，等：复杂截面上盖式地下隧道空间火灾烟气扩散规律及防火隔墙优化图下部立交空间示意 扩散情况，所采用的计算流体模型的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、理想气体物性方程。湍流模型为 模型。火灾工况下，对人体产生的危害较大，因此，本研究中将 作为代表性污染物，分析不同火灾工况下的有害气体浓度变化情况。对不同火灾工况进行 模拟时，应用的控制方程分别如下。质量输运方程（?）（）动量输运方程图立交隧道截面示意?（?）?（）?（）（?）?（）能量输运方程?（）（）（）组分输运方程?（）式中：?为速度矢量（）；为空气密度（）；为压力（）；?为切应力二阶张量（）；?为重力加速度（）；为层流动力黏度（）；为湍流动力黏度（）；为定压比热（）；为温度（）；为导热系数（）；表示污染物浓度（）；表示质量源，表示热源；为散度。边界条件隧道的入口边界为速度入口边界，广州市秋冬两季平均风速分别为 、，春夏两季平均风速分别为 、，结合工程实际，入口风速定为；温度为 ；隧道出口为压力出口边界，相对压力为；隧道的壁面为绝热壁面边界；隧道中间点起火是烟气扩散最不利的场合，同时也是人员往两边逃生最不方便之处，隧道中间点具有一定代表性，因此将火灾发生位置定为隧道中间点（隧道每个独立空间均为一处着火）；根据赫塞尔登火灾规模中货运汽车着火产生热量为 ，本文以货运汽车起火为例进行研究，将火灾热源定为，隧道高度为，计算得出烟气释放率为 ，其计算如下 .（）式中：为烟气的羽流质量流量（）；为火源热释放速率中的对流部分（），.，为火源热释放速率，依据相关隧道火灾研究结论及公路隧道现实情况，确定隧道火灾火源功率为 ；为火焰极限高度，.；为燃料面至烟长安大学学报（自然科学版）年气层底部的高度取。数值方法利用 算法进行求解，该方法直接将方程组的全隐式离散化形式作为一个系统进行求解，具有收敛稳定的优点。对流项格式为二阶迎风格式，连续性方程残差收敛标准为，其他变量的残差收敛标准为。网格无关性检验 网格尺度检验按时间步长为，对网格数量 万、万、万、万进行网格尺度无关性检验，通过仿真模拟达到稳态后，得出的结果如表所示。表网格尺度无关性检验结果 项目不同网格数量 万 万 万 万入口截面平均压强 隧道中间截面平均压强 由表可知：网格数量对仿真模拟结果有影响，当网格数量大于 万时，不同网格数量的模拟结果变化差异不显著，网格数量从 万增加到 万时，模拟结果变化仅为 。时间尺度检验以网格数量 万为网格模型，按时间步长、进行时间尺度无关性检验，在模拟结果达到稳态后，得出的结果如表所示。表时间尺度无关性检验结果 项目不同时间步长（）下的参数 入口截面平均压强 隧道中间截面平均压强 由表可知：当网格数量为 万时，不同时间步 长 的 模 拟 结 果 变 化 差 异 不 大。时 间 步 长 从 增加到 时，模拟结果变化仅为 。根据上述结果，本研究选取网格数量为 万，时间步长为 。结果与讨论 设置为单一空间方案图为火灾发生后下部立交空间温度分布。可以发现，当下部立交隧道为一个大空间时，由于主桥行车平面高于两侧匝道的行车平面，高温烟气会向主桥区域和下游顺风区域同时扩散，烟气逐渐漂浮扩散到主桥上，这对于主桥上的行车和人员安全是不利的。图为下部立交隧道内烟气污染物浓度截面分布，图为下部立交隧道内温度截面分布。可以看出，高温烟气从火灾源头处逐渐扩散到主桥的桥面区域，这严重威胁到主桥桥面上的人员安全。同时，这种情况下烟气的流动区域较大，难以通过风机对烟气的流动进行控制，所以不建议在实际工程中采取这种隧道形式。图无隔墙隧道内温度整体分布 图无隔墙隧道内污染物截面分布 图无隔墙隧道内温度截面分布 设置为多个组合空间方案为了避免下部立交隧道烟气朝多个方向扩散，拟通过建设隔墙的方式将下部立交隧道分割成多个第期刘春，等：复杂截面上盖式地下隧道空间火灾烟气扩散规律及防火隔墙优化相对独立的空间，并配合风机控制火灾烟气的流动。图为采用多隔墙对下部立交隧道空间进行分割之后，各个隧道内发生火灾后的温度分布。图为各个隧道内烟气污染物浓度分布。可以发现，当下部立交隧道空间被划分为多个空间后，高温烟气可以被控制在火灾发生的隧道内，不会向其他的行车通道扩散。然而，由于隔墙数量较多，各个小型隧道内的空间较小，难以承担强度较大的火灾，这会造成某一强度的火灾烟气迅速充满整个隧道空间，不利于人群的逃生和疏散。工程上不宜将隧道空间分割成多个尺寸较小的空间。图多隔墙隧道内温度整体分布 图多隔墙隧道内污染物整体分布 设置为个组合空间方案根据以上分析结果，考虑适当降低隔墙数量，以主桥为界限将隧道空间分割成为个相对独立的空间。图为采用双隔墙对下部立交隧道空间划分后，各隧道发生火灾时的温度分布，图 为相应的污染物浓度分布。可以发现，高温烟气并没有填充各个隧道的大部分区域，这说明这种隔墙设置方案具有一定的合理性。图 图 分别为主桥路面 高处温度和污染物浓度分布，匝道路面 高处温度和污染物浓度分布。可以发现，这种隔墙设置方案可以有效降低路面 处的温度和污染物的浓度，为火灾人员逃生赢得更多的时间和空间。利用隔墙将下部立交空间分割为个相对独立的空间既可以避免污染物在多个方向上的扩散，又可以避免匝道烟气上浮，危害主桥的行车安全，还可以保证隧道内有足够大的空间，避免烟气迅速充满整个空间，为人员逃生创造更多的缓冲空间或时间。为了比较不同分区设计方案下具体污染物分布，选取了单一空间、多个组合空间、个组合空间这种方案起火点下风口、距地面高度 点处 浓度值进行比较，通过模拟得到种方案下 浓度值分别为 、，可知个组合空间方案的 的浓度值最低。因此，在工程上推荐采用这种方案。图双隔墙隧道内温度整体分布 图 双隔墙隧道内污染物整体分布 图 双隔墙隧道内主桥桥面上 处温度分布 设置为个组合空间方案在第 节中将复杂截面上盖式地下隧道空间长安大学学报（自然科学版）年图 双隔墙隧道内匝道地面上 处温度分布 图 双隔墙隧道内主桥桥面上 处污染物分布 图 双隔墙隧道内匝道地面上 处污染物分布 设置为个组合空间方案的基础上，进一步讨论主桥隔墙设置方案。主桥上为双向高速行车区域，最大设计车速为 。为了保障行车安全，控制火灾烟气的流动扩散，计划采取在道路之间设置隔墙的方案。为了论证主桥中央的隔墙设置情况，计算分析了无风工况下火灾污染物在有无隔墙时的扩散情况。火灾工况下，有害气体会聚集在隧道顶部，随着火灾时间的推移，有害气体烟气逐渐向地面附近扩散，火灾烟气浓度超过安全限值将会对人员造成危害。因此，本研究将有害气体烟气浓度高于烟气安全临界值处的高度作为“有效逃生通道的高度”。图 和图 分别表示不同时刻无隔墙和有隔墙情况下主桥污染物分布情况。可以发现，在火灾发生 时候，在不设置隔墙工况下的有效逃生通道的高度高于设置隔墙工况时，这说明在火灾刚开始发生的时候，不设置隔墙是有利于主桥上的人员行车安全的。然而，随着火灾持续时间的增加，情况发生了改变。在火灾发生 时，设置隔墙工况下的有效逃生通道的高度高于不设置隔墙工况。通过以上结果可知，设置隔墙对于此时人员逃生是有利的，因为在火灾刚开始发生的时候，隧道内的人员和车辆都有足够的逃生空间和时间，此时是否设置隔墙的影响不大。然而，当火灾持续一段时间之后，隧道内已经出现了很多有毒的高温烟气，此时争取更多的逃生空间意义重大。在无隔墙的情况下，污染物扩散距离较短，但是污染物距底部的高度较小，这不利于人群逃生。在无隔墙的情况下，污染物扩散距离较长，污染物距底部的高度较大。因此，从逃生的角度，在双向行车道主桥上设置隔墙安全性能更高，最终整个上盖式地下隧道空间被分割为个组合空间。图 主桥无隔墙情况下污染物扩散 本文方案在实际工程中得到实施。图 为施工现场图，图 为项目防火分区示意，施工采用的方案与本文方案一致，在匝道与主桥连接处分别设置道隔墙，同时在双向行车道主桥中间单独设置隔墙，从而将整个上盖式地下隧道空间分割为个组合空间。本研究主要是结合 的模拟结果分析不同分区设计方案下火灾工况的影响趋势及程度，并选择最合适的分区设计方案。结语（）复杂截面上盖式地下隧道空间内不设置隔第期刘春，等：复杂截面上盖式地下隧道空间火灾烟气扩散规律及防火隔墙优化图 主桥有隔墙情况下污染物扩散 图 项目施工现场 图 项目防火分区示意 墙会造成烟气朝多个方向无组织扩散，严重影响位置较高的行车面的人员安全。（）复杂截面上盖式地下隧道空间内部设置过多的隔墙会减小火灾在隧道内部的扩散空间，烟气可以较快扩散到整个立交隧道空间，从而减少人员逃生时间，产生安全隐患。（）复杂截面上盖式地下隧道空间设置为个组合空间方案，即在匝道与主桥连接处分别设置道隔墙，同时在双向行车道主桥中间设置隔墙。该方案在火灾工况下可以避免烟气在隧道内无组织扩散，同时可保障隧道内部有足够大的扩散空间，从而争取更多的人员逃生时间。（）本文主要分析火灾工况下火灾烟气的扩散规律，但实际火灾发生后，不仅会对隧道内部人员造成危害，同时对隧道内部结构及承载力也会有较大的影响，下一步当对火灾工况下隧道结构以及承载力开展研究。参考文献：，（）：，：，：，：王磊，张琨，康健，等城市地下空间的污染物扩散和脆 弱 性 研 究环境 科 学 与 管 理，（）：，（）：石来，陈超，李晓军，等基于 的地下空间增强体验式火灾逃生 系统中国安全科学学报，（）：，（）：黄昕，靳健，林作忠，等基于算法的深部地下空间火灾疏散路径动态规划北京工业大学学报，（）：，（）：长安大学学报（自然科学版）年 梁晶 城市地下空间连通工程对人员疏散的影响 消防科学与技术，（）：，（）：，：陈长坤，焦伟冰，雷鹏，等 分岔隧道火灾火源位置对临界风速影响的数值模拟分析 中国安全生产科学技术，（）：，（）：刘艺璇，杨永斌公路隧道内纵向通风对火灾参数影响的试 验研究 安 全与环 境学报，（）：，（）：刘斌，安军，郭汝杰，等复杂结构隧道火灾烟气逆流与温度分布的数值模拟安全与环境学报，（）：，（）：石文林，张立业某地铁站火灾烟气运动数值模拟消防科学与技术，（）：，（）：徐海斌，徐志胜，赵伟 某地下车道火灾排烟有效性数值模 拟 研究 消 防科 学 与技术，（）：，（）：姜学鹏，徐志胜，黄益良，等 苏州火车站地下交通联系通道火灾烟控方案的性能 科技导报，（）：，（）：吕锋 敞廊尺寸对地下空间排烟效果的影响 消防科学与技术，（）：，（）：李森生 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