“日”字形城市地下交通聯(lián)系隧道煙氣控制模擬研究

翟 越,李 雯,屈 璐,侯亞楠,徐福順,2

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054;2.青島港建設(shè)管理中心有限公司,山東 青島 266000)

由于地面空間過渡開發(fā),我國城市交通堵塞以及空氣污染問題日益嚴重,因此我國開始發(fā)展地下交通、管網(wǎng)系統(tǒng)以及地下倉儲設(shè)施等，城市地下交通聯(lián)系隧道(UTLT,urban traffic link tunnel)成為地下交通中重要的組成部分[1]。UTLT主隧道呈環(huán)狀,出入口多、斷面狹小、支隧道坡度大,結(jié)構(gòu)特殊,可以有效緩解交通堵塞等問題，但三岔路口增多后,會影響隧道內(nèi)穩(wěn)定風(fēng)壓的形成,并擴大煙氣蔓延范圍,發(fā)生火災(zāi)時將嚴重影響煙氣流動及人員疏散[2],因此需針對UTLT煙氣運動規(guī)律開展研究。

目前,許多國內(nèi)外專家針對隧道內(nèi)煙氣運動分別開展了試驗和數(shù)值模擬研究，如文獻[3-5]中分別通過試驗?zāi)Ｐ脱芯苛税霗M向通風(fēng)下的煙氣控制效果和不同坡度下煙氣發(fā)生回流的速度,分析得出采用半橫向通風(fēng)方式有很好的煙控效果；高云驥等[6-7]通過小尺寸試驗分別研究了在分岔隧道中不同縱向通風(fēng)速度的影響以及縱向通風(fēng)和豎井排煙對隧道火災(zāi)煙氣運動規(guī)律的影響；侯乾坤[8]通過小尺寸試驗研究了UTLT分岔角度對煙氣的影響,得出主隧道頂棚溫度受分岔角度影響較小,支隧道頂棚溫度受分岔角度影響較大的結(jié)論；王婧璇等[9]通過小尺寸試驗研究了組合排煙模式煙控效果,發(fā)現(xiàn)在縱向和單點排煙模式下,煙控效果更好。盡管試驗研究能夠得到真實數(shù)據(jù),但試驗成本較高,并具有一定偶然性,而數(shù)值模擬成本低,模擬條件靈活,且模擬效果能夠接近真實數(shù)據(jù),對于火羽流的構(gòu)建與隧道場之間的動力學(xué)特性更具有優(yōu)勢。文獻[10-11]中通過建立數(shù)值模型研究在不同工況下隧道煙氣蔓延規(guī)律以及在不同縱向風(fēng)速情況下隧道內(nèi)煙氣、溫度等參數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系,并提出合理煙控措施；劉斌等[12]分析了隧道發(fā)生重型貨車火災(zāi)時不同風(fēng)速對隧道內(nèi)縱向溫度分布影響；文獻[13-15]中通過建立數(shù)值模型,驗證了“自然排煙口+半橫向通風(fēng)”排煙模式的有效性,證明合理的防火分區(qū)并采用“豎井+送風(fēng)”排煙模式,能夠有效控制煙氣蔓延。

根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以得出,目前許多國內(nèi)外專家主要通過試驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模擬研究分析簡單隧道發(fā)生火災(zāi)時煙氣流動特性、人員疏散和防排煙措施,對于復(fù)雜的“日”字形結(jié)構(gòu)隧道半橫向及排煙優(yōu)化措施研究較少。因此，以西安某“日”字形UTLT為背景,使用Pyrosim軟件,研究在半橫向和縱向通風(fēng)(支隧道)方式下的煙氣控制模擬,與煙控指標(biāo)進行對比,分析不同火源位置煙氣控制效果和存在的問題,并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

1 火災(zāi)場景設(shè)計

1.1 火災(zāi)工程概況

以西安市某“日”字形UTLT為例,該隧道主要分為主隧道、連接隧道和支隧道,位于城市繁華區(qū)域,周圍有7棟超高層建筑,因此交通量大,火災(zāi)風(fēng)險系數(shù)高?！叭铡弊中蜺TLT平面和交通流示意圖如圖1所示。隧道總長度為2 356.4 m,建筑面積為25 140.3 m2,凈高4.5 m,是二類城市交通隧道工程,設(shè)計速度在30 km/h以下。

圖1 隧道平面和交通流示意圖Fig.1 Schematic diagram of tunnel plane and traffic flow

1.2 場景設(shè)計

將該隧道劃分為6個防火分區(qū),每個防火分區(qū)面積不超過2 000 m2,之間設(shè)置0.75 m擋煙垂壁,每個防火分區(qū)設(shè)置獨立豎井和通風(fēng)排煙機房。在隧道與地下車庫進出口設(shè)置特級防火卷簾,確保火災(zāi)發(fā)生時煙氣不流通。

設(shè)置3個火災(zāi)場景,分別為火源位于主隧道、連接隧道和支隧道,在3個火災(zāi)場景中采用半通風(fēng)和縱向通風(fēng)(支隧道)方式,在火災(zāi)發(fā)生后60 s時同時啟動防火分區(qū)3的排煙風(fēng)機和防火分區(qū)2、4的送風(fēng)機(隧道頂部布置)。場景一位于主隧道右側(cè)交叉路口附近;場景二位于連接隧道中段;場景三位于支隧道左側(cè)入口,如圖2所示。

圖2 隧道防火分區(qū)及火災(zāi)場景圖Fig.2 Tunnel fire partition and fire scene diagram

1.3 監(jiān)測點設(shè)置

研究在“日”字形UTLT內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時,半通風(fēng)和縱向通風(fēng)(支隧道)方式下不同火源位置煙氣蔓延情況、溫度分布、煙氣層高度及能見度的變化情況,主要監(jiān)測點包括人員特征高度處[16](1.6 m)溫度測點、頂棚(4.5 m)溫度測點和煙氣層高度測點,每個測點間隔10 m,以便于觀察火災(zāi)發(fā)生時火源周圍溫度及煙氣層高度變化,具體場景如圖3所示。

圖3 3種火災(zāi)場景測點布置Fig.3 Layout of measuring points for three fire scenarios

2 隧道模型基本參數(shù)

使用Pyrosim軟件進行模擬,該隧道主要通行中小型車輛,考慮最不利因素影響,2～3輛小汽車發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的火災(zāi)規(guī)模為10 MW,火源設(shè)置為面熱源,尺寸設(shè)置為4.6 m×1.7 m。在火災(zāi)發(fā)生時,人員最佳逃生時間為10 min,因此將模擬時間設(shè)置為10 min。為了使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確,將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1.2 m,將火源附近30 m處的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.6 m,共計6.156 45×105個網(wǎng)格。

風(fēng)機能夠有效阻止煙氣擴散,但需要一定時間啟動。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,考慮在最危險情況下,將風(fēng)機開啟時間均設(shè)置為60 s。

根據(jù)文獻[18],煙控指標(biāo)設(shè)置見表1。

表1 煙控指標(biāo)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 煙氣蔓延

模擬結(jié)束后,通過Smokeview導(dǎo)出煙氣模擬圖(見圖4),火源位于主隧道時,煙氣僅蔓延至火源附近,火源上游煙氣濃度高于下游;火源位于連接隧道時,煙氣充滿連接隧道并未向主隧道蔓延;火源位于支隧道時,在風(fēng)機縱向通風(fēng)作用下,煙氣完全控制在支隧道內(nèi),并未蔓延到其他隧道。因此適當(dāng)增加風(fēng)機量[19]能夠加快空氣流動,加速煙氣蔓延,使煙氣快速排出,進而減少煙氣聚集,有利于人員疏散,降低危險性。

圖4 煙氣蔓延情況Fig.4 The spread of smoke

模擬結(jié)束后,在Pyrosim軟件中可以清楚看到煙氣蔓延范圍,并通過煙氣蔓延最遠處與火源之間的距離得出火源上下游煙氣蔓延距離,煙氣總蔓延距離為煙氣上下游蔓延距離總和,如表2所列。在只考慮隧道煙氣蔓延的情況下,開啟風(fēng)機后,蔓延速率明顯下降。模擬結(jié)束后,主隧道煙氣蔓延距離最大,為263 m,在3種場景中煙氣蔓延距離均滿足煙控指標(biāo)。

表2 模擬結(jié)束后煙氣蔓延距離

3.2 溫度分布

不同位置火源附近溫度切片如圖5所示。由圖5可知,火源位于主隧道時,由于風(fēng)機布置在頂部,火源上游溫度明顯高于下游;火源位于連接隧道時,由于頂部風(fēng)機的作用,火源左側(cè)與右側(cè)溫度相差較小;火源位于支隧道時,火源左側(cè)煙氣在風(fēng)機的作用下快速流動,導(dǎo)致左右兩側(cè)溫度相差較大?；鹪次挥?種場景時,由于頂部風(fēng)機縱向通風(fēng)作用,煙氣向上蔓延速度較快,高溫基本分布在頂棚處。

圖5 火源位于不同位置時溫度切片變化Fig.5 Temperature slice changes when the fire source is located at different positions

根據(jù)圖3中測點位置，在隧道頂棚處插入熱電偶,模擬結(jié)束后,能夠得出火源上下游頂棚溫度變化的具體情況,并用Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果見圖6。火源位于主隧道和連接隧道時,頂棚最高溫度出現(xiàn)在火源正上方,溫度隨著距離的增大而減小,300 s時溫度基本趨于穩(wěn)定;火源位于支隧道時,在縱向通風(fēng)作用下,頂棚最高溫度出現(xiàn)在火源左側(cè)10 m處,火源左側(cè)溫度明顯高于右側(cè),在300 s時溫度基本趨于穩(wěn)定?；鹪次挥?種場景時,距離火源30 m處頂棚溫度均小于150 ℃,滿足煙控指標(biāo)。

圖6 火源位于不同位置時頂棚溫度變化Fig.6 Temperature changes of the ceiling when the fire source is located at different positions

根據(jù)圖3中測點位置,在隧道中人員特征高度處(1.6 m)插入熱電偶,模擬結(jié)束后,能夠得出火源上下游人員特征高度處溫度變化具體情況,并用Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果見圖7?；鹪次挥谥魉淼罆r,人員特征高度處最高溫度出現(xiàn)在火源正上方,火源下游溫度高于上游,在300 s時基本趨于穩(wěn)定;火源位于連接隧道時,人員特征高度處最高溫度出現(xiàn)在火源正上方,火源左右兩側(cè)溫度基本一致,并在300 s時基本趨于穩(wěn)定;火源位于支隧道時,由于縱向通風(fēng)的作用,人員特征高度處最高溫度出現(xiàn)在火源左側(cè)10 m處,火源左側(cè)溫度明顯高于右側(cè),在300 s時基本趨于穩(wěn)定?；鹪次挥?種場景時,主隧道和連接隧道人員特征高度處溫度均低于60 ℃,滿足煙控指標(biāo),支隧道左側(cè)人員特征高度處溫度高于60 ℃,不滿足煙控指標(biāo),右側(cè)人員特征高度處溫度基本趨于20 ℃,滿足煙控指標(biāo)要求。

圖7 火源位于不同位置時人員特征高度處溫度變化Fig.7 Temperature changes at the characteristic height of personnel when the fire source is located at different positions

3.3 能見度

火災(zāi)發(fā)生時產(chǎn)生大量煙氣,煙氣中帶有遮光性粒子,導(dǎo)致能見度降低,影響人員安全疏散[20]。

研究分別在人員特征高度處和頂棚插入能見度切片,模擬結(jié)束時,能夠?qū)С鋈藛T特征高度處和頂棚能見度分布圖,分別如圖8和圖9所示。由圖8和圖9可知，火源位于主隧道時,火源上游受煙氣影響較大,部分隧道能見度小于10 m,火源下游受煙氣影響較小,隧道內(nèi)絕大部分能見度大于10 m,滿足煙控指標(biāo);火源位于連接隧道時,在頂部風(fēng)機的作用下,僅連接隧道能見度小于10 m,其余隧道均不受影響,滿足煙控指標(biāo);火源位于支隧道時,在縱向通風(fēng)作用下,僅火源左側(cè)受煙氣影響較大,能見度小于10 m,不滿足煙控指標(biāo),火源右側(cè)幾乎不受影響,滿足煙控指標(biāo)。

圖8 火源位于不同位置時人員特征高度處能見度分布Fig.8 The distribution of the height of visibility of personnel characteristics when the fire source is located at different positions

圖9 火源位于不同位置時頂棚能見度分布Fig.9 Visibility distribution of the ceiling when the fire source is located at different positions

3.4 煙氣層高度

煙氣層高度也稱為煙氣層厚度,一般指隧道內(nèi)煙氣層與空氣層分界層到隧道底部地面的距離[21]。

根據(jù)圖3中測點位置，在隧道插入測煙氣層高度裝置,模擬結(jié)束后能夠得到距離火源不同位置煙氣層高度變化情況,并用Origin軟件進行數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖10?；鹪次挥谥魉淼罆r,在排煙風(fēng)機的作用下,煙氣向上加速流動,火源上游和下游煙氣層高度基本高于1.5 m；火源位于連接隧道時，距離火源40 m處由于測點位于與彎道相連部分，且彎道容易導(dǎo)致煙氣聚集，煙氣高度較低，煙氣層高度基本高于1.5 m；火源位于支隧道時，在縱向通風(fēng)的作用下，火源左側(cè)煙氣層高度低于右側(cè)，高度在1.0～1.5 m之間，火源右側(cè)基本高于1.5 m?；鹪次挥谥魉淼篮瓦B接隧道時，滿足煙控指標(biāo)；火源位于支隧道時，火源左側(cè)煙氣層高度不滿足煙控指標(biāo)，右側(cè)滿足煙控指標(biāo)。因此可以在連接隧道兩端加裝射流風(fēng)機(可逆轉(zhuǎn))，在火災(zāi)發(fā)生后根據(jù)火勢大小，有選擇的開啟射流風(fēng)機，防止煙氣蔓延至主隧道，加快煙氣流動。

圖10 不同火源位置煙氣層高度Fig.10 The height of smoke layer at different fire source positions

4 結(jié)論

(1) 在半橫向通風(fēng)方式下,火源位于主隧道時,火源右側(cè)支隧道充滿煙氣,影響人員安全疏散,煙氣模擬參數(shù)均滿足煙控指標(biāo);火源位于連接隧道時,煙氣充滿整個連接隧道,并未向主隧道和支隧道蔓延,煙氣模擬參數(shù)均滿足煙控指標(biāo),相對主隧道和支隧道更為安全。

(2) 在縱向通風(fēng)方式下,當(dāng)火源位于支隧道時,在風(fēng)機的作用下將煙氣控制在火源左側(cè)并從出口排出,確保右側(cè)支隧道和主隧道沒有煙氣,僅火源左側(cè)人員特征高度處、能見度及煙氣層高度不滿足煙控指標(biāo),其余煙氣模擬參數(shù)均滿足煙控指標(biāo)。3種火災(zāi)場景中,火源位于支隧道更為危險。

(3) 采用半橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)(支隧道)能夠有效控制煙氣,滿足煙控指標(biāo)要求。模擬得出半橫向通風(fēng)和縱向通風(fēng)(支隧道)條件下煙氣蔓延、溫度分布、能見度和煙氣層高度在不同位置時的變化情況,為防排煙設(shè)計提供了參考依據(jù)。