“日”字形城市地下交通联系隧道烟气控制模拟研究

翟 越,李 雯,屈 璐,侯亚楠,徐福顺,2

(1.长安大学地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054;2.青岛港建设管理中心有限公司,山东 青岛 266000)

由于地面空间过渡开发,我国城市交通堵塞以及空气污染问题日益严重,因此我国开始发展地下交通、管网系统以及地下仓储设施等，城市地下交通联系隧道(UTLT,urban traffic link tunnel)成为地下交通中重要的组成部分[1]。UTLT主隧道呈环状,出入口多、断面狭小、支隧道坡度大,结构特殊,可以有效缓解交通堵塞等问题，但三岔路口增多后,会影响隧道内稳定风压的形成,并扩大烟气蔓延范围,发生火灾时将严重影响烟气流动及人员疏散[2],因此需针对UTLT烟气运动规律开展研究。

目前,许多国内外专家针对隧道内烟气运动分别开展了试验和数值模拟研究，如文献[3-5]中分别通过试验模型研究了半横向通风下的烟气控制效果和不同坡度下烟气发生回流的速度,分析得出采用半横向通风方式有很好的烟控效果；高云骥等[6-7]通过小尺寸试验分别研究了在分岔隧道中不同纵向通风速度的影响以及纵向通风和竖井排烟对隧道火灾烟气运动规律的影响；侯乾坤[8]通过小尺寸试验研究了UTLT分岔角度对烟气的影响,得出主隧道顶棚温度受分岔角度影响较小,支隧道顶棚温度受分岔角度影响较大的结论；王婧璇等[9]通过小尺寸试验研究了组合排烟模式烟控效果,发现在纵向和单点排烟模式下,烟控效果更好。尽管试验研究能够得到真实数据,但试验成本较高,并具有一定偶然性,而数值模拟成本低,模拟条件灵活,且模拟效果能够接近真实数据,对于火羽流的构建与隧道场之间的动力学特性更具有优势。文献[10-11]中通过建立数值模型研究在不同工况下隧道烟气蔓延规律以及在不同纵向风速情况下隧道内烟气、温度等参数之间的内在联系,并提出合理烟控措施；刘斌等[12]分析了隧道发生重型货车火灾时不同风速对隧道内纵向温度分布影响；文献[13-15]中通过建立数值模型,验证了“自然排烟口+半横向通风”排烟模式的有效性,证明合理的防火分区并采用“竖井+送风”排烟模式,能够有效控制烟气蔓延。

根据国内外研究现状可以得出,目前许多国内外专家主要通过试验模型和数值模拟研究分析简单隧道发生火灾时烟气流动特性、人员疏散和防排烟措施,对于复杂的“日”字形结构隧道半横向及排烟优化措施研究较少。因此，以西安某“日”字形UTLT为背景,使用Pyrosim软件,研究在半横向和纵向通风(支隧道)方式下的烟气控制模拟,与烟控指标进行对比,分析不同火源位置烟气控制效果和存在的问题,并提出了相应的优化措施。

1 火灾场景设计

1.1 火灾工程概况

以西安市某“日”字形UTLT为例,该隧道主要分为主隧道、连接隧道和支隧道,位于城市繁华区域,周围有7栋超高层建筑,因此交通量大,火灾风险系数高。“日”字形UTLT平面和交通流示意图如图1所示。隧道总长度为2 356.4 m,建筑面积为25 140.3 m2,净高4.5 m,是二类城市交通隧道工程,设计速度在30 km/h以下。

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

1.2 场景设计

将该隧道划分为6个防火分区,每个防火分区面积不超过2 000 m2,之间设置0.75 m挡烟垂壁,每个防火分区设置独立竖井和通风排烟机房。在隧道与地下车库进出口设置特级防火卷帘,确保火灾发生时烟气不流通。

设置3个火灾场景,分别为火源位于主隧道、连接隧道和支隧道,在3个火灾场景中采用半通风和纵向通风(支隧道)方式,在火灾发生后60 s时同时启动防火分区3的排烟风机和防火分区2、4的送风机(隧道顶部布置)。场景一位于主隧道右侧交叉路口附近;场景二位于连接隧道中段;场景三位于支隧道左侧入口,如图2所示。

图2 隧道防火分区及火灾场景图Fig.2 Tunnel fire partition and fire scene diagram

1.3 监测点设置

研究在“日”字形UTLT内发生火灾时,半通风和纵向通风(支隧道)方式下不同火源位置烟气蔓延情况、温度分布、烟气层高度及能见度的变化情况,主要监测点包括人员特征高度处[16](1.6 m)温度测点、顶棚(4.5 m)温度测点和烟气层高度测点,每个测点间隔10 m,以便于观察火灾发生时火源周围温度及烟气层高度变化,具体场景如图3所示。

图3 3种火灾场景测点布置Fig.3 Layout of measuring points for three fire scenarios

2 隧道模型基本参数

使用Pyrosim软件进行模拟,该隧道主要通行中小型车辆,考虑最不利因素影响,2～3辆小汽车发生碰撞所产生的火灾规模为10 MW,火源设置为面热源,尺寸设置为4.6 m×1.7 m。在火灾发生时,人员最佳逃生时间为10 min,因此将模拟时间设置为10 min。为了使模拟结果更加准确,将网格尺寸设置为1.2 m,将火源附近30 m处的网格尺寸设置为0.6 m,共计6.156 45×105个网格。

风机能够有效阻止烟气扩散,但需要一定时间启动。根据相关标准规定,考虑在最危险情况下,将风机开启时间均设置为60 s。

根据文献[18],烟控指标设置见表1。

表1 烟控指标

3 模拟结果分析

3.1 烟气蔓延

模拟结束后,通过Smokeview导出烟气模拟图(见图4),火源位于主隧道时,烟气仅蔓延至火源附近,火源上游烟气浓度高于下游;火源位于连接隧道时,烟气充满连接隧道并未向主隧道蔓延;火源位于支隧道时,在风机纵向通风作用下,烟气完全控制在支隧道内,并未蔓延到其他隧道。因此适当增加风机量[19]能够加快空气流动,加速烟气蔓延,使烟气快速排出,进而减少烟气聚集,有利于人员疏散,降低危险性。

图4 烟气蔓延情况Fig.4 The spread of smoke

模拟结束后,在Pyrosim软件中可以清楚看到烟气蔓延范围,并通过烟气蔓延最远处与火源之间的距离得出火源上下游烟气蔓延距离,烟气总蔓延距离为烟气上下游蔓延距离总和,如表2所列。在只考虑隧道烟气蔓延的情况下,开启风机后,蔓延速率明显下降。模拟结束后,主隧道烟气蔓延距离最大,为263 m,在3种场景中烟气蔓延距离均满足烟控指标。

表2 模拟结束后烟气蔓延距离

3.2 温度分布

不同位置火源附近温度切片如图5所示。由图5可知,火源位于主隧道时,由于风机布置在顶部,火源上游温度明显高于下游;火源位于连接隧道时,由于顶部风机的作用,火源左侧与右侧温度相差较小;火源位于支隧道时,火源左侧烟气在风机的作用下快速流动,导致左右两侧温度相差较大。火源位于3种场景时,由于顶部风机纵向通风作用,烟气向上蔓延速度较快,高温基本分布在顶棚处。

图5 火源位于不同位置时温度切片变化Fig.5 Temperature slice changes when the fire source is located at different positions

根据图3中测点位置，在隧道顶棚处插入热电偶,模拟结束后,能够得出火源上下游顶棚温度变化的具体情况,并用Origin软件进行数据处理，结果见图6。火源位于主隧道和连接隧道时,顶棚最高温度出现在火源正上方,温度随着距离的增大而减小,300 s时温度基本趋于稳定;火源位于支隧道时,在纵向通风作用下,顶棚最高温度出现在火源左侧10 m处,火源左侧温度明显高于右侧,在300 s时温度基本趋于稳定。火源位于3种场景时,距离火源30 m处顶棚温度均小于150 ℃,满足烟控指标。

图6 火源位于不同位置时顶棚温度变化Fig.6 Temperature changes of the ceiling when the fire source is located at different positions

根据图3中测点位置,在隧道中人员特征高度处(1.6 m)插入热电偶,模拟结束后,能够得出火源上下游人员特征高度处温度变化具体情况,并用Origin软件进行数据处理，结果见图7。火源位于主隧道时,人员特征高度处最高温度出现在火源正上方,火源下游温度高于上游,在300 s时基本趋于稳定;火源位于连接隧道时,人员特征高度处最高温度出现在火源正上方,火源左右两侧温度基本一致,并在300 s时基本趋于稳定;火源位于支隧道时,由于纵向通风的作用,人员特征高度处最高温度出现在火源左侧10 m处,火源左侧温度明显高于右侧,在300 s时基本趋于稳定。火源位于3种场景时,主隧道和连接隧道人员特征高度处温度均低于60 ℃,满足烟控指标,支隧道左侧人员特征高度处温度高于60 ℃,不满足烟控指标,右侧人员特征高度处温度基本趋于20 ℃,满足烟控指标要求。

图7 火源位于不同位置时人员特征高度处温度变化Fig.7 Temperature changes at the characteristic height of personnel when the fire source is located at different positions

3.3 能见度

火灾发生时产生大量烟气,烟气中带有遮光性粒子,导致能见度降低,影响人员安全疏散[20]。

研究分别在人员特征高度处和顶棚插入能见度切片,模拟结束时,能够导出人员特征高度处和顶棚能见度分布图,分别如图8和图9所示。由图8和图9可知，火源位于主隧道时,火源上游受烟气影响较大,部分隧道能见度小于10 m,火源下游受烟气影响较小,隧道内绝大部分能见度大于10 m,满足烟控指标;火源位于连接隧道时,在顶部风机的作用下,仅连接隧道能见度小于10 m,其余隧道均不受影响,满足烟控指标;火源位于支隧道时,在纵向通风作用下,仅火源左侧受烟气影响较大,能见度小于10 m,不满足烟控指标,火源右侧几乎不受影响,满足烟控指标。

图8 火源位于不同位置时人员特征高度处能见度分布Fig.8 The distribution of the height of visibility of personnel characteristics when the fire source is located at different positions

图9 火源位于不同位置时顶棚能见度分布Fig.9 Visibility distribution of the ceiling when the fire source is located at different positions

3.4 烟气层高度

烟气层高度也称为烟气层厚度,一般指隧道内烟气层与空气层分界层到隧道底部地面的距离[21]。

根据图3中测点位置，在隧道插入测烟气层高度装置,模拟结束后能够得到距离火源不同位置烟气层高度变化情况,并用Origin软件进行数据处理结果见图10。火源位于主隧道时,在排烟风机的作用下,烟气向上加速流动,火源上游和下游烟气层高度基本高于1.5 m；火源位于连接隧道时，距离火源40 m处由于测点位于与弯道相连部分，且弯道容易导致烟气聚集，烟气高度较低，烟气层高度基本高于1.5 m；火源位于支隧道时，在纵向通风的作用下，火源左侧烟气层高度低于右侧，高度在1.0～1.5 m之间，火源右侧基本高于1.5 m。火源位于主隧道和连接隧道时，满足烟控指标；火源位于支隧道时，火源左侧烟气层高度不满足烟控指标，右侧满足烟控指标。因此可以在连接隧道两端加装射流风机(可逆转)，在火灾发生后根据火势大小，有选择的开启射流风机，防止烟气蔓延至主隧道，加快烟气流动。

图10 不同火源位置烟气层高度Fig.10 The height of smoke layer at different fire source positions

4 结论

(1) 在半横向通风方式下,火源位于主隧道时,火源右侧支隧道充满烟气,影响人员安全疏散,烟气模拟参数均满足烟控指标;火源位于连接隧道时,烟气充满整个连接隧道,并未向主隧道和支隧道蔓延,烟气模拟参数均满足烟控指标,相对主隧道和支隧道更为安全。

(2) 在纵向通风方式下,当火源位于支隧道时,在风机的作用下将烟气控制在火源左侧并从出口排出,确保右侧支隧道和主隧道没有烟气,仅火源左侧人员特征高度处、能见度及烟气层高度不满足烟控指标,其余烟气模拟参数均满足烟控指标。3种火灾场景中,火源位于支隧道更为危险。

(3) 采用半横向通风和纵向通风(支隧道)能够有效控制烟气,满足烟控指标要求。模拟得出半横向通风和纵向通风(支隧道)条件下烟气蔓延、温度分布、能见度和烟气层高度在不同位置时的变化情况,为防排烟设计提供了参考依据。