火源位置影响下平导特长隧道火灾烟气通风策略.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 23 日 作者简介：刘玉(1980)，男，汉族，山西晋中人，工程师，本科，研究方向为隧道与地下工程。-170-火源位置影响下平导特长隧道火灾烟气通风策略 刘 玉 中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401121 摘要：摘要：平导特长隧道火灾烟气通风是隧道安全运营研究的重点。本文依托设平行导洞的特长隧道工程，采用 FDS火灾动力学仿真软件，分析火源位置对平导特长隧道通风排烟、临界能见度和温度分布特征的影响规律。研究表明：当人行通道距离火源 250m 时疏散时间为 5min，距离火源 125m 时疏散时间为 3min；为控制主隧道内烟气蔓延速率，当火源位于横通道时，最迟开启邻近隧道风机时间为 5min，当火源位于横通道中部时，最迟开启邻近隧道风机时间为 3min；火灾高温集中在火源上下游 300m 范围内，火源两侧横通道风机应及时开启，主隧道风机在形成烟气空气分层结构前不宜过大，之后及时开启隧道内风机排烟。研究成果可为此类隧道的通风设计方案提供必要技术参考。关键词：关键词：隧道工程；通风策略；数值模拟；火源位置；平行导洞 中图分类号：中图分类号：U453 0 引言 我国是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、建造技术发展速度最快的国家1-3。新建白云山隧道全线位于重庆市，隧道穿越桐麻湾背斜两翼含煤地层，为高瓦斯隧道，由于技术、管理等原因极易诱发火灾事故。狭窄的空间、限制的逃生通道和烟气等有害气体，导致人员很难安全迅速逃离4-8。因此，选择合适的火灾烟气通风方案显得尤为重要。国内外学者针对隧道火灾通风和人员疏散问题进行了系统性研究。Seyfried 等9开展逃生人员疏散实验，验证逃生人群流量和宽度之间的线性增长模式。Kady10研究逃生人员行为、速度和密度之间的关系。周勇狄11分析公路隧道火灾温度场，揭示被困人员在高温环境下的逃生情况。要忠茹12研究火灾烟气与温度共同影响下人员逃生情况。王星等13利用流体计算软件 PHOENICS，研究单洞双向公路隧道内部人员的火灾逃生问题。陈汉波14依托巴朗山公路隧道工程，利用流体动力学仿真软件 CFD 建立适用于高海拔低压、低氧环境下的火灾模型，分析火灾热释放率、烟气浓度、扩散速度和流动形态等特性。郭洪雨等15采用火灾动力学模拟软件 FDS 建立隧道局部模型，研究平行导洞公路隧道通风排烟方案。田伟等16基于 FDS 对设平行导洞的单洞双向行车特长隧道开展通风排烟模拟，得出将超过临界风速的纵向风不断地向下游输送，可以有效地抑制烟气向上游扩散。综上所述，国内外关于公路隧道火灾通风研究方面已经开展了大量研究工作。然而，尚未明确火源位置对烟气蔓延速率的影响，致使现阶段在进行特长隧道通风方案设计时仍存在一定的盲目性。本文采用火灾动力学仿真软件 FDS 建立长 1250 m的隧道节段火灾通风分析模型，分析不同火源位置情况下隧道烟气蔓延情况、能见度和温度特征。1 工程概况 白云山隧道全长 6442m，设计速度 80km/h，隧道净宽 14.00m，隧道结构如图 1 所示。主体结构包括隧道主洞、平行导洞、车行横通道和人行横通道。隧道穿越煤层、采空区及瓦斯等不良地质，为了保证通风，隧道内安装多组风机。2 计算模型 2.1 简化模型 本节采用火灾动力学仿真软件 FDS，建立平行导洞特长隧道火灾通风排烟与隧道临界温度分析数值模型。FDS 是由美国国家标准技术研究所(NIST)研发并被广泛采用的计算流体力学软件，采用大涡模拟湍流。参照公路隧道通风设计细则(JTG/T D70/2-02-2014)(简称规范)17开展模拟设计。采用平行导洞、车行横通道和人行横通道搭配射流风机方式规划通风方案。根据特长隧道模型，将人 中国科技期刊数据库 工业 A-171-图 1 隧道通风布置 图 2 分析模型示意图 图 3 隧道结构简化参数 行横通道与车行横通道间距设置为 250m，且两个车行横通道内包含两个人行横通道，见图 2。距离洞口125m 布置第一个人行横通道，之后 1 个车横通道两侧各布置 2 个人行横通道，间距均为轴线间隔 250m。主洞与平行导洞之间距离设为 25m。鉴于隧道全长模拟网格量需求大与求解周期长，选取 1250m 长隧道节段模型，隧道排烟模拟以车行横通道作为中心轴，计算人员通过最近人行横通道疏散时间、节段内排烟速度和温度影响。主隧道、平行导洞、车行和人行横通道简化模型参数见图 3。基于最不利角度考虑，将火源位置设置于主隧道中部与横通道中部。参考规范功率设置为 20MW。根据 FDS 大涡模型火焰特征长度计算公式(1)(2)，参数详见 FDS 说明，其中 Q 为火源功率，dx为网格尺寸，综合计算时间与模拟精度设置全局网格尺寸为1.0m。D=(Q0T0Cpg)25(1)D/dx=416(2)人员疏散方向洞口轴流风机关闭洞口轴流风机关闭电动风门开启射流风机开启主洞平行导洞射流风机开启电动风门开启气流方向射流风机人员疏散方向火灾发生位置加压风机开启横通道加压风机开启横通道加压风机开启横通道加压风机开启横通道10m7m5m4.5m4.5m1.5m2.0m2.5m5m中国科技期刊数据库 工业 A-172-2.2 通风设置 基于 Kennedyetal 理论18计算火灾影响下隧道通风临界风速，见式(3)(5)，参数含义参考 FDS 计算原理，临界风速为 2.55m/s，考虑安全系数不小于 10%，设置临界风速为 3m/s。H=4A/P(3)Q=Q0CpT0g1/2(H)5/2(4)v=vcrgH(5)隧道主洞采用全射流纵向通风，6 组 900 的射流风机(每组 2 台)，间距应小于 120m，维持风速 1.5m/s。平行导洞洞身段设置6组900的射流风机(每组1台)，每个横通道平行导洞处都设置一组加压风机，风速1.5m/s，风速应高于 1.2m/s。2.3 工况设置 针对隧道 1250m 节段进行模拟。工况 1 中，火灾位置设置为隧道中心，为全局不利位置。工况 2 中，火灾位置设置为车行横通道和相邻人行横通道中间位置，为局部不利位置。060s：主隧道内风速从 1.5m/s 降到 0m/s；60120s：横通道开始加压送风，横通道1/2/4/5 内风速从 0m/s 增至 1.2m/s；60360s：平行导洞开始增压送风，横通道1/2/4/5 内风速从 0m/s 增至 1.5m/s，方向从导洞吹向主隧道；360s：横通道均关闭；3601000s：主隧道内风速从 0m/s 开始增至3.0m/s，方向从下游吹向上游(与初始风向相反)。3 计算结果与分析 3.1 工况 1 3.1.1 隧道烟气分析 图 4 为隧道纵剖面烟气场随时间变化情况，可以看出，在 060s，隧道内风速从 1.5m/s 降到 0m/s，小于临界风速，隧道内烟气逆流现象严重，烟气自由发展；开启风机，在 342s 烟气先后抵达人行横通道 4 和2，在 612s 烟气先后抵达人行横通道 5 和 1，以烟气蔓延为限制时间，工况 1 下无损伤最短人员疏散时间在5min(距离最近通道 250m)和 10min 内需通过最近的通道口。图 4 隧道纵剖面烟气场变化 3.1.2 隧道临界能见度分析 规范 规定隧道内人员疏散临界可视范围为 10m，模拟分析中设置视野临界可视范围为 102m，以通过横通道时视野达到临界范围为隧道临界能见度分析指标。分别设置人行可视范围为 2m，横通道排烟临界范围为 4m，主隧道烟气发展为 6m。图 5 为隧道 10m 能见度烟气场临界时间分析，可以看出，隧道高度 2m、4m 和 6m 位置，首次出现临界能见度时间分别为 447s、252s 和 108s，烟气抵达 2(4)通道的时间分别为 538s、407s 和 340s，烟气抵达 1(5)通道的时间分别为 766s、632s 和 619s，烟气流出隧道节段时间分别为 925s、800s 和 776s。鉴于此，人员疏散时间在 9min 和 12min，可分别通过两组人行横通道。火灾邻近横通道启动最迟通风时间应为 5min 和 10min。3.1.3 隧道温度分布分析 规范规定隧道内人员疏散临界温度建议不超过 60，设置临界温度为 602，参考隧道能见度为时间指标，截取 450s、550s、750s 和 950s。从图6 可以看出，高度 2m 处温度最高达到 55，满足疏散要求；950s 时，人行横通道 2 和 4 的 4m 高处温度达到60，横通道有超过 15min 的通风降温时间；750s 时，高度 6m 处超过 60的烟气在主隧道内达到最近横通道位置，且温度传递速度降低，集中在 550m 范围内。图 7 为车行横通道温度随烟气临界时间变化，可以看出火焰发展在 750s 达到极限，之后基本维持稳定。中国科技期刊数据库 工业 A-173-首次出现临界能见度 烟雾抵达 2（4）通道 烟雾抵达 1（5）通道 烟雾抵达左（右）通道(a)隧道高度 2m 首次出现临界能见度 烟雾抵达 2（4）通道 烟雾抵达 1（5）通道 烟雾抵达左（右）通道(b)隧道高度 4m 首次出现临界能见度 烟雾抵达 2（4）通道 烟雾抵达 1（5）通道 烟雾抵达左（右）通道(c)隧道高度 6m 图 5 隧道 10m 能见度烟气场临界时间 t=450s t=550s t=750s t=950s(a)隧道高度 2m 中国科技期刊数据库 工业 A-174-t=450s t=550s t=750s t=950s(b)隧道高度 4m t=450s t=550s t=750s t=950s(c)隧道高度 6m 图 6 隧道温度分布 t=450s t=550s t=750s t=950s 图 7 火灾车行横通道温度 3.2 工况 2 3.2.1 隧道烟气分析 图 8 为隧道纵剖面烟气场随时间变化情况。可知，在 060s，隧道内风速从 1.5m/s 降到 0m/s，小于临界风速，隧道内烟气逆流现象严重，烟气自由发展；开启风机，在 207s 烟气抵达人行横通道 2，214s 烟气抵达车行横通道 3，在 475s 烟气抵达人行横通道 1，在 490s烟气抵达人行横通道 4，612s 抵达上游出口，在 804s烟气抵达人行横通道 5，最后在 970s 烟气从下游蔓出。因此，以烟气蔓延为限制时间，无损伤最短人员疏散时间在 3min、7min 和 10min 内需通过最近的通道口。60s 主隧道风机停止 207s 烟气抵达人行通道 2 214s 烟气抵达车行通道 3 475s 烟气抵达人行通道 1 490s 烟气抵达人行通道 4 612s 烟气抵达上游出口 804s 烟气抵达人行通道 5 970s 烟气抵达下游出口 图 8 隧道纵剖面烟气场变化 中国科技期刊数据库 工业 A-175-3.2.2 隧道临界能见度分析 图 9 为隧道 10m 能见度烟气场临界时间分析。可见，隧道高度 2m、4m 和 6m 位置，首次出现临界能见度时间分别为 391s、252s 和 107s，烟气抵达 2 通道的时间分别为 391s、311s 和 222s，烟气抵达 1 通道的时间分别为 617s、481s 和 474s，烟气流出隧道节段时间分别为 787s、660s 和 609s。鉴于此，人员疏散时间在6min 和 10min，可分别通过两组人行过道；火灾邻近横通道启动最迟时间为 3min 和 7min。3.2.3 隧道温度分布分析 图 10(a)截取了火灾下 2m 高处隧道内温度变化，在 1000s 的模拟时间内，温度最高达 55，满足疏散要求；图 10(b)截取了火灾下 4m 高处隧道内温度变化，550s时，在人行横通道2和车行横通道3温度达到60，横通道有超过 9min 的通风降温时间；图 10(c)截取了火灾下 6m 高处隧道内温度变化，在 750s 后温度范围基本维持，超过 60的烟气在主隧道内向下一位置继续排烟，且传递速度降低，集中在 550m 范围内。首次出现临界能见度 烟雾抵达 2（4）通道 烟雾抵达 1（5）通道 烟雾抵达左（右）通道(a)隧道高度 2m 首次出现临界能见度 烟雾抵达 2（4）通道 烟雾抵达 1（5）通道 烟雾抵达左（右）通道(b)隧道高度 4m 首次出现临界能见度 烟雾抵达 2（4）通道 烟雾抵达 1（5）通道 烟雾抵达左（右）通道(c)隧道高度 6m 图 9 隧道 10 m 能见度烟气场临界时间 中国科技期刊数据库 工业 A-176-t=450s t=550s t=750s t=950s(a)隧道高度 2m t=450s t=550s t=750s t=950s(b)隧道高度 4m t=450s t=550s t=750s 隧道高度 6m 950s(c)隧道高度 6m 图 10 隧道温度分布 中国科技期刊数据库 工业 A-177-图11为火灾车行横通道温度随烟气临界时间变化，火焰发展在750s前达到极限，之后火焰基本维持稳定。且烟气基本维持在隧道上半段，烟气对人行横通道影响较小。根据规范中隧道火灾试验结论，火灾发生后的 810min 内，火场纵向气流上、下风方向 700m 范围内形成明显的烟气空气分层结构，高温烟气层集中在拱顶。为保证安全疏散阶段内不破坏烟气空气分层结构，曲点附近的气流流动速度不宜过大。因此，安全疏散阶段，排烟速度不应大于 0.5m/s，本文分析中前 600s 内排烟距离均不超过 500m，基本满足要求。t=450s t=550s t=750s t=950s 图 11 火灾车行横通道温度 4 结论 本文基于平行导洞特长隧道火灾通风排烟与隧道临界温度分析模型，研究火灾位置对隧道烟气扩展、临界能见度和温度分布的影响规律，主要得到以下结论：(1)以烟气蔓延为限制时间，当火灾发生在隧道中心位置时，无损伤最短人员疏散时间为 5min；当火灾发生在车行横通道和相邻人行横通道中间位置时，无损伤最短人员疏散时间为 3min。(2)参照隧道临界能见度设置为人员疏散时限，若火源位于隧道中心位置，人员疏散时间为 9min 和12min，火灾邻近横通道启动最迟通风时间应为 5min和 10min；若火源位于横通道之间，人员疏散时间为6min 和 10min。火灾邻近横通道启动最迟时间为 3min和 7min。(3)隧道 2 m 高度下温度均不超过 55，对人员疏散影响小；基于降温考虑横通道风机开启时间，当火灾位于隧道中心时，15min 内应开启临近横通道风机进行降温，当火灾位于横通道之间时，9min 内应开启临近横通道风机进行降温。(4)火灾高温均集中在火源的上下游300m范围内，基于降温考虑火源两侧横通道风机应及时开启，主隧道风机在形成烟气空气分层结构前不宜过大，之后及时开启隧道内风机排烟。参考文献 1洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望J.隧道建设,2017,37(02):123-134.2中国公路学报编辑部.中国隧道工程学术研究综述2015J.中国公路学报,2015,28(05):1-65.3洪开荣,冯欢欢.中国公路隧道近 10 年的发展趋势与思考J.中国公路学报,2020,33(12):62-76.4洪丽娟,刘传聚.隧道火灾研究现状综述J.地下空间与工程学报,2005(01):149-155.5康晓龙,王伟,赵耀华,等.公路隧道火灾事故调研与对策分析J.中国安全科学学报,2007(05):110-116.6 孙 茂 贵,陈 建 忠,杨 孟,等.高 海 拔 隧 道 纵 向 风 速 对 人 员 疏 散 环 境 的 影 响 研 究 J.公 路 交 通 技术,2023,39(01):142-150.7 李 旭,陈 晓 利,李 远 哲,等.火 灾 工 况 下 公 路 隧 道 通 风 智 能 控 制 模 型 研 究 J.公 路 交 通 技术,2022,38(06):156-162.8 邓 实 强,丁 浩,杨 孟,等.基 于 视 频 图 像 的 公 路 隧 道 火 灾 烟 雾 检 测 J.隧 道 建 设(中 英文),2022,42(02):291-302.9Seyfried A,Steffen B,Passon O,et al.New insights into pedestrian flow through bottlenecksJ.Transportation Science,2009,43(3):395-406.10Kady R A.The development of a movement-density relationship for people going on four in 中国科技期刊数据库 工业 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