田 偉，鄭曉卿，張雨帆

（浙江數(shù)智交院科技股份有限公司（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310030）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)公路交通發(fā)展迅速，公路隧道作為其重要的組成部分，發(fā)展亦是突飛猛進(jìn)，隨之而來(lái)的是與日俱增的隧道火災(zāi)事故。隧道是長(zhǎng)條形且相對(duì)封閉的構(gòu)造物，洞內(nèi)一旦發(fā)生火災(zāi)，人員逃生和救援均比較困難，后果極為嚴(yán)重。尤其是單洞雙向的公路隧道，一旦有火災(zāi)，因?yàn)殡p向行車會(huì)使得火災(zāi)的上、下游都有被困人員和車輛[1]。如果不能及時(shí)控制煙氣，會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

目前國(guó)內(nèi)已有部分學(xué)者針對(duì)單洞雙向行車隧道火災(zāi)通風(fēng)展開了系統(tǒng)性研究。王飛[2]基于Fluent對(duì)一條長(zhǎng)3 km的單洞雙向行車隧道進(jìn)行了火災(zāi)工況模擬，分析了隧道3處不同位置火災(zāi)在不同風(fēng)速條件下煙氣蔓延變化規(guī)律及導(dǎo)致的火災(zāi)臨界危險(xiǎn)時(shí)間變化；陳漢波[3]以設(shè)平行導(dǎo)洞的巴朗山公路隧道為工程依托，利用CFD軟件建立了適用于高海拔低壓、低氧條件下的火災(zāi)模型，對(duì)火災(zāi)的熱釋放率、煙氣濃度、擴(kuò)散速度及流動(dòng)形態(tài)等特性進(jìn)行了研究；高原[4]采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)某單洞雙向公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出火災(zāi)工況下隧道合理的通風(fēng)、人員疏散及滅火方案。

在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，該文以黃泥崗頭隧道為工程依托，考慮平行導(dǎo)洞的增壓送風(fēng)，研究主隧道內(nèi)3種通風(fēng)方案對(duì)隧道火災(zāi)煙氣在不同時(shí)間段蔓延的影響。

1 工程概況

1.1 依托工程

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1—2018）規(guī)定：“單洞雙向行車的特長(zhǎng)隧道需考慮駕乘人員緊急情況下的臨時(shí)避難設(shè)施，宜設(shè)置平行通道，并與主洞通過橫通道相連”。在公路隧道的實(shí)際應(yīng)用中，平導(dǎo)的設(shè)置多結(jié)合隧道長(zhǎng)度和通風(fēng)規(guī)模，以隧道長(zhǎng)度3 000 m為界進(jìn)行考慮[5]。國(guó)內(nèi)外單洞雙向行車特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)及輔助通道設(shè)置統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 國(guó)內(nèi)外單洞雙向行車特長(zhǎng)公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)及輔助通道統(tǒng)計(jì)表

黃泥崗頭隧道為該文依托工程，主隧道全長(zhǎng)3 920 m，采用二級(jí)路60 km/h的標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到隧道通風(fēng)防災(zāi)需求，在主隧道一側(cè)建設(shè)一條平行導(dǎo)洞，導(dǎo)洞建筑限界凈寬4.5 m，凈高3.5 m。主隧道與導(dǎo)洞之間用橫向人行通道連接，間距250 m。

1.2 通風(fēng)系統(tǒng)

黃泥崗頭隧道主洞通風(fēng)采用全射流縱向通風(fēng)，洞頂共設(shè)置17組φ900的射流風(fēng)機(jī)（每組2臺(tái)）。

平行導(dǎo)洞的通風(fēng)形式主要有平導(dǎo)送風(fēng)型和平導(dǎo)排風(fēng)型[6]，該工程平行導(dǎo)洞作為主隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的主要逃生通道，采用平導(dǎo)送風(fēng)型的通風(fēng)方式：進(jìn)出口各設(shè)置一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，于主洞火災(zāi)時(shí)啟用，以保持導(dǎo)洞正壓；導(dǎo)洞洞身段設(shè)置16臺(tái)風(fēng)機(jī)，平時(shí)用于維持導(dǎo)洞內(nèi)空氣質(zhì)量，火災(zāi)時(shí)輔助軸流風(fēng)機(jī)加壓送風(fēng)。主洞與導(dǎo)洞通風(fēng)形式如圖1所示。

圖1 平行導(dǎo)洞加壓送風(fēng)示意圖

2 理論計(jì)算

2.1 臨界風(fēng)速計(jì)算

隧道發(fā)生火災(zāi)后，由于火災(zāi)產(chǎn)生的浮力效應(yīng)，會(huì)在隧道頂棚形成一層向上下游蔓延的煙氣。此時(shí)隧道內(nèi)如果提供充足的通風(fēng)風(fēng)量，則所有煙氣會(huì)向下風(fēng)口流動(dòng)，若通風(fēng)風(fēng)量不足，則部分煙氣會(huì)沿著相反于通風(fēng)風(fēng)量的方向蔓延，即出現(xiàn)“逆流現(xiàn)象”。為避免隧道火災(zāi)情況下產(chǎn)生“逆流現(xiàn)象”，隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)所需提供的最小排煙風(fēng)速即“臨界風(fēng)速”。

影響臨界風(fēng)速的因素很多，包括火災(zāi)規(guī)模、縱坡坡度、隧道斷面形狀、火源位置等方面[7]，該文采用Kennedyetal臨界風(fēng)速理論計(jì)算公式[8]對(duì)黃泥崗頭隧道主洞火災(zāi)工況下的臨界風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，該公式已在各國(guó)鐵路、公路、地鐵隧道等防災(zāi)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用：

式中：uc為臨界風(fēng)速，m/s；g為重力加速度，m/s2；H為隧道高度，m；Qc為火災(zāi)時(shí)熱釋放速率，W；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；S為隧道凈橫斷面面積，m2；cp為空氣定壓比熱，J/kg·K；T為熱空氣溫度，K；Ta為環(huán)境空氣溫度，K；k為無(wú)量綱常數(shù)，k=0.61；Kg為坡度修正系數(shù)，Kg=1+0.037α0.8，α為隧道縱向坡度。

通過上述公式求得火源功率為20 MW的條件下，黃泥崗頭隧道的臨界風(fēng)速約2.23 m/s，與《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D70/2-02—2014） 中20 MW條件下采用縱向排煙的公路隧道火災(zāi)臨界風(fēng)速（2.0～3.0 m/s）相吻合。

2.2 平行導(dǎo)洞加壓送風(fēng)量計(jì)算

為防止隧道主洞發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣侵入平行導(dǎo)洞，通過在平行導(dǎo)洞兩端洞口設(shè)置軸流風(fēng)機(jī)加壓送風(fēng)以保證導(dǎo)洞內(nèi)呈正壓狀態(tài)進(jìn)行防煙，提高人員疏散時(shí)的安全性。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)隧道加壓送風(fēng)的研究多集中在加壓需風(fēng)量、隧道內(nèi)余壓、通風(fēng)方式和風(fēng)機(jī)布置等。李偉平[9]等以錢江盾構(gòu)隧道為依托，建議隧道火災(zāi)時(shí)，疏散通道內(nèi)的余壓應(yīng)控制在30～50 Pa；劉琪[10]等在確定隧道集中排煙量和排煙口面積的基礎(chǔ)上，用FDS軟件對(duì)不同排煙口間距下的隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得出了隧道排煙口的最佳設(shè)置間距。由于目前尚沒有針對(duì)公路隧道縱向疏散通道加壓送風(fēng)量計(jì)算的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，該文借鑒《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251—2017）中一般建筑加壓送風(fēng)量的確定辦法，對(duì)黃泥崗頭隧道平行導(dǎo)洞火災(zāi)工況下的需風(fēng)量進(jìn)行了計(jì)算，加壓需風(fēng)量主要分為以下兩部分：

a）疏散口關(guān)閉時(shí)，保持疏散通道一定的正壓所需的加壓送風(fēng)量：

式中：A1為每個(gè)疏散門的有效漏風(fēng)面積，m2，疏散門的門縫寬度取0.002～0.004 m；Δp為計(jì)算漏風(fēng)量的平均壓力差，Pa；n為指數(shù)，一般取2；N1為漏風(fēng)疏散門的數(shù)量。

b）疏散口開啟時(shí)，保持疏散口處風(fēng)速所需的加壓送風(fēng)量：

式中：A2為每個(gè)開啟的疏散門面積，m2；v為人行橫通道的斷面風(fēng)速，m/s，通常取0.7～1.2 m/s；N1為開啟的疏散門數(shù)量。

假定每次火災(zāi)時(shí)，開啟火源前后合計(jì)5處人通防火門。通過上述公式求得，加壓需風(fēng)量Q1=1.72 m3/s，Q2=39.42 m3/s，逃生通道的合計(jì)加壓需風(fēng)量為41.14 m3/s。從計(jì)算結(jié)果可以看出，開啟的疏散口所需送風(fēng)量Q2遠(yuǎn)大于閉合的疏散口所需送風(fēng)量Q1，而在人行橫通道結(jié)構(gòu)斷面不變、橫通道內(nèi)風(fēng)速變化不大的情況下，開啟的人行橫通道數(shù)量是決定逃生通道加壓需風(fēng)量的主要控制因素。

3 隧道火災(zāi)模擬分析及結(jié)果

3.1 模型構(gòu)建

該文以黃泥崗頭隧道及其平行導(dǎo)洞為研究對(duì)象（隧道主洞與導(dǎo)洞中線間距26 m），研究主隧道內(nèi)不同風(fēng)速環(huán)境對(duì)隧道火災(zāi)煙氣蔓延的影響。該文選取1 250 m長(zhǎng)的隧道進(jìn)行FDS數(shù)值模擬，模型主要由主隧道、平行導(dǎo)洞及橫通道3部分組成。隧道橫斷面尺寸及橫通道布置位置如圖2、圖3所示。

圖2 隧道橫斷面圖（單位：m）

圖3 隧道平面布置圖（單位：m）

隧道在FDS中的幾何模型如圖4～圖6所示，火源位置按最不利考慮，設(shè)置于主隧道中間。

圖4 隧道三維幾何模型

圖5 整體分析模型

圖6 火源位置示意圖

3.2 工況設(shè)定

考慮隧道工程位置區(qū)域、交通量及組成等因素，將火源功率設(shè)定為20 MW，位置設(shè)置于主隧道中間。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，主隧道初始風(fēng)速為1.5 m/s，方向從上游吹向下游。根據(jù)不同時(shí)間段、隧道主洞風(fēng)速、導(dǎo)洞增壓送風(fēng)風(fēng)速的變化，共設(shè)定3種工況（見表2）。

表2 工況設(shè)置表

3.3 結(jié)果分析

通過對(duì)火災(zāi)發(fā)生后隧道內(nèi)煙氣蔓延情形及橫通道內(nèi)溫度的分析，來(lái)對(duì)比3種工況對(duì)隧道內(nèi)煙氣蔓延、溫度變化的控制能力。

3.3.1 主隧道煙氣蔓延及逆流情況

a）工況一 從隧道縱剖面煙氣場(chǎng)中可以看出，隧道內(nèi)煙氣僅在火災(zāi)早期發(fā)生過輕微逆流，逆流距離不足30 m，后續(xù)基本不存在逆流現(xiàn)象。這是由于工況一主隧道內(nèi)初始風(fēng)速為1.5 m/s，略小于臨界風(fēng)速，所以在火災(zāi)早期出現(xiàn)輕微逆流；之后由于風(fēng)速逐漸提高至3 m/s，滿足臨界風(fēng)速要求，所以隧道內(nèi)煙氣不發(fā)生逆流。

b）工況二 由于0～60 s，隧道內(nèi)風(fēng)速?gòu)?.5 m/s降低到0 m/s，小于臨界風(fēng)速，隧道內(nèi)煙氣逆流現(xiàn)象嚴(yán)重；360 s時(shí)，煙氣向上游蔓延距離達(dá)180 m；360～660 s，主隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)重新啟動(dòng)，由于剛啟動(dòng)時(shí)風(fēng)速較小，不滿足臨界風(fēng)速要求，煙氣繼續(xù)向上游蔓延；420 s時(shí)最大蔓延距離大約225 m，之后風(fēng)機(jī)風(fēng)速滿足臨界風(fēng)速要求，煙氣向下游蔓延。

表3 各工況主隧道縱剖面煙氣場(chǎng)隨時(shí)間變化對(duì)比

c）工況三 該工況煙氣蔓延情形和工況二類似，但方向相反。360 s煙氣向下游蔓延距離約190 m；風(fēng)機(jī)重新啟動(dòng)后，初期階段煙氣繼續(xù)向下游蔓延，420 s時(shí)蔓延距離約210 m；當(dāng)后續(xù)風(fēng)機(jī)風(fēng)速滿足臨界風(fēng)速后，煙氣基本向上游蔓延，不存在逆流現(xiàn)象。

3.3.2 隧道內(nèi)橫通道溫度變化對(duì)比

a）工況一 從表4和表5可以看出，火災(zāi)發(fā)生后660 s內(nèi)基本沒有煙氣蔓延至1號(hào)和2號(hào)橫通道處；從表6和表7可以看出，煙氣在240 s時(shí)，已蔓延至4號(hào)橫通道，此時(shí)主隧道4號(hào)橫通道處溫度約70℃；煙氣大約在330 s時(shí)蔓延至5號(hào)橫通道，此時(shí)主隧道5號(hào)橫通道處平均溫度約45℃。該結(jié)果說明隨著煙氣的蔓延距離越長(zhǎng)，煙氣溫度逐漸降低，同時(shí)由于橫向通道大量地補(bǔ)充新風(fēng)進(jìn)入主隧道，亦對(duì)煙氣場(chǎng)起到降溫作用。

表4 各工況1號(hào)橫通道處溫度等色圖對(duì)比表

表5 各工況2號(hào)橫通道處溫度等色圖對(duì)比表

表6 各工況4號(hào)橫通道處溫度等色圖對(duì)比表

表7 各工況5號(hào)橫通道處溫度等色圖對(duì)比表

b）工況二 從表4和表5可以看出，與工況一相同，火災(zāi)發(fā)生后660 s內(nèi)基本沒有煙氣蔓延至1號(hào)和2號(hào)橫通道處；表6和表7的結(jié)果顯示，煙氣大約在398.5 s時(shí)蔓延至4號(hào)橫通道，此時(shí)主隧道4號(hào)橫通道處溫度約90℃；煙氣蔓延至5號(hào)橫通道的時(shí)間大約在539.8 s，此時(shí)主隧道5號(hào)橫通道處溫度約50℃。從結(jié)果來(lái)看，工況二由于60～360 s期間關(guān)閉了射流風(fēng)機(jī)，所以在煙氣蔓延速度上小于工況一。工況二在上游煙氣蔓延距離總體可控的前提下，延長(zhǎng)了下游煙氣蔓延至橫通道的時(shí)間，為人員逃生提供了更充足的時(shí)間。

c）工況三 從表6和7可以看出，該工況下火災(zāi)發(fā)生后660 s內(nèi)基本沒有煙氣蔓延至4號(hào)和5號(hào)橫通道處；而表4和5顯示煙氣蔓延至2號(hào)橫通道和1號(hào)橫通道的時(shí)間分別為409 s和555.6 s，這兩個(gè)時(shí)刻主隧道在2號(hào)和1號(hào)橫通道處的溫度分別為95℃和70℃。從結(jié)果來(lái)看，工況三煙氣蔓延至橫通道的時(shí)間要晚于工況二和工況一，但橫通道內(nèi)溫度亦大于前兩個(gè)工況。

3.3 小結(jié)

綜上對(duì)比，可以看出隧道內(nèi)縱向風(fēng)速是否達(dá)到臨界風(fēng)速是控制煙氣逆流的決定性因素，縱向風(fēng)速大于臨界風(fēng)速時(shí)，隧道內(nèi)基本不存在逆流現(xiàn)象。

各工況下所有時(shí)間段橫通道內(nèi)溫度基本沒有變化，這主要是因?yàn)椋?/p>

a）主隧道拱頂?shù)膬?chǔ)煙倉(cāng)空間足夠。

b）橫通道的高度較小，且存在正壓送風(fēng)，煙氣主要聚集在拱頂，少量煙氣沉降也受正壓影響難以進(jìn)入橫通道。

c）橫通道距離火源位置較遠(yuǎn)，且橫通道在360 s已經(jīng)關(guān)閉。

從人員疏散安全的角度來(lái)看，工況一基本能保證上游人員的安全疏散，但由于煙氣向下游蔓延較快，下游人員安全疏散時(shí)間較短；工況二和工況三類似，煙氣在初始階段向上下游均有蔓延，不利于人員逃生，但整體蔓延速度和距離基本可控，工況三的安全疏散時(shí)間略長(zhǎng)于工況二。理論上工況一最有利于人員安全疏散，工況三其次，工況二最差，但考慮到實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，隧道發(fā)生火災(zāi)后難以判斷火災(zāi)上下游被困人員具體位置，若下游被困人員較多，工況一的通風(fēng)排煙方案則存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此實(shí)際運(yùn)營(yíng)中應(yīng)根據(jù)隧道內(nèi)被困人員位置及數(shù)量再確定最優(yōu)的通風(fēng)排煙方案。

4 結(jié)論

本文以黃泥崗頭隧道為依托工程，平行導(dǎo)洞加壓送風(fēng)+主洞縱向通風(fēng)為主要通風(fēng)形式，通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬的方式，明確了平行導(dǎo)洞加壓送風(fēng)需風(fēng)量，并對(duì)多種火災(zāi)工況下的通風(fēng)排煙方案進(jìn)行對(duì)比，得到以下結(jié)論：

a）采用Kennedyetal臨界風(fēng)速理論計(jì)算公式求得了主隧道內(nèi)縱向通風(fēng)的臨界風(fēng)速，計(jì)算結(jié)果與規(guī)范規(guī)定范圍和數(shù)值模擬基本吻合。

b）根據(jù)《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，計(jì)算求得平行導(dǎo)洞加壓需風(fēng)量為41.14 m3/s，該需風(fēng)量主要由火災(zāi)時(shí)開啟的人行橫通道數(shù)量決定。因此，隧道的防災(zāi)救援方案設(shè)計(jì)對(duì)平行導(dǎo)洞的需風(fēng)量有著決定性影響，進(jìn)而影響導(dǎo)洞通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

c）通過數(shù)值模擬可知，3種工況各時(shí)間段橫通道和平行導(dǎo)洞內(nèi)溫度沒有明顯變化，說明平行導(dǎo)洞加壓送風(fēng)可有效抑制煙氣進(jìn)入橫通道和平行導(dǎo)洞。因此，建議二級(jí)公路特長(zhǎng)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)平行導(dǎo)洞進(jìn)行加壓送風(fēng)，為逃生人員預(yù)留出一條安全通道。

d）隧道發(fā)生火災(zāi)后，從人員安全疏散角度來(lái)看，工況一在逃生時(shí)間較為充足的情況下，有效控制了煙氣蔓延方向，通常情況下是最為合理的通風(fēng)排煙方案。但考慮到單洞雙向行車隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，上下游均有被困人員和車輛，實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)應(yīng)根據(jù)火源上下游人員疏密程度進(jìn)行更有針對(duì)性的通風(fēng)排煙方案選擇。