分离式公路隧道火灾应急通风联动控制模型试验研究

丁海洋 吴根强 杨继厅 郑国平

摘要：为研究隧道左、右洞通风系统的联动控制，文章提出了三种射流风机联动控制方案，采用1∶10模型试验方法研究三种控制方案时横通道内的风速、风向及烟气蔓延情况，通过对比分析提出合理的联动控制方案：即火灾隧道开启火源上游风机，相邻非火灾隧道相向开启横通道两侧风机以形成正压。研究结论弥补了行业规范中对火灾工况下分离式公路隧道通风系统联动控制技术的空白。

关键词：公路隧道；模型试验；火灾；通风系统；联动控制

中图分类号：U458.1 A 39 124 4

0 引言

公路隧道空间狭长且封闭，出入口有限，在隧道内进行救援、疏散和灭火活动的难度远大于敞开路段的公路。因此，即使是较小的事故也有可能导致重大损失，包括人员群死群伤、设备财产损失和交通中断［1］。如1999年意法边境Mont-Blanc隧道火灾、奥地利Tauern隧道火灾、2001年瑞士St.Gotthard隧道火灾、2019年浙江猫狸岭隧道火灾等，均造成了大量人员伤亡［2-4］。另据新闻报道，2022-12-29，韩国第二京仁高速公路葛岘高架桥隔音隧道火灾致5人死亡；2023-01-25，广东河源汕昆高速公路金花隧道内发生追尾事故造成一辆小轿车爆燃，一人重伤，多人弃车逃离。

众所周知，火灾烟气引起的窒息是造成人员伤亡的主要因素，因此，烟气控制是特长隧道通风排烟系统设计的重要功能目标。目前常用的排烟模式有纵向排烟、横向/半横向排烟、点式集中排烟等。纵向排烟模式能够利用日常运营的纵向通风系统设备，即利用交通活塞风，因此，通风、排烟系统的造价较低、运营管理简单，纵向排烟模式也成为我国公路山岭隧道主要的排烟模式。同时，分离式公路山岭隧道有左、右两孔隧道，并设置横通道。因此，一般采用“横向疏散”模式，火灾时上游人员可以就近从横通道疏散至相邻非火灾隧道中。为了防止烟气从火灾隧道串流至非火灾隧道造成次生灾害，《公路隧道通风设计细则》（JTG T D702-02-2014）（以下简称《细则》）10.4.1条明确建议：专用避难疏散通道、独立避难所的余压值≥50 Pa。

可见，在火灾工况下，从逃生、疏散、救援和烟气控制的角度来看，火灾隧道、非火灾隧道和横通道内的通风系统应视为一个整体进行控制，然而，目前已开展的研究绝大部分多着眼于单个隧道。比如，赵忠杰等［5］采用FDS软件建立了秦岭1号隧道右洞局部模型，得到了各工况下的通风控制方案；惠豫川等［6］建立了单洞二车道隧道通风井仿真模型，开展纵向排烟及疏散相关分析；姜学鹏等［7］采用数值模拟方法，得到侧部点式排烟模式的临界风速与火源热释放速率、排烟量、排烟口与火源距离的量化关系；曹正卯等［8］采用现场火灾试验，验证了在风机运转时及火源下游的横通道门未关闭的情况下，烟雾会蔓延至非火灾隧道；蔚艳庆等［9］采用CFD研究火灾模式下成都天府国际机场高速公路龙泉山并列四孔公路隧道烟气控制策略，提出相邻非火灾隧道的临界逆向通风风速；李杰等［10］采用现场实测和通风网络解算相结合的方法，分析了不同风机开启工况下分离式公路隧道横通道内的气流流向。

总而言之，目前对双洞分离式隧道内通风系统联动控制策略的研究还较少，《细则》对于在避难疏散通道内如何产生余压的技术措施也未提出建议。因此，本文将双洞分离式隧道及横通道视作一个整体，采用模型试验方法分析隧道正洞内风机开启情况下，针对火源烟气扩散情况、横通道内的风速、风向，提出双洞隧道通风系统联动控制策略，实现主隧道、横通道同时进行烟气控制的目的，提高隧道内人员的安全性。

1 通風系统联动控制方案的拟定

在采用纵向排烟方式的分离式公路隧道中，射流风机起到产生气压和促进气流的作用。对于长度＞3 km的特长公路隧道，通常在变电站附近布置射流风机，以节省电缆成本；对于长度＜3 km的高速公路隧道，变电站通常设置于两端洞口，因此通常在隧道两端布置风机。为了介绍联动控制方案的工作原理，提高其普遍适用性，将隧道内的射流风机分为4个群组（图1），每组代表若干安装在隧道进、出口段的射流风机。同时，为了保证火灾隧道内的气压为正，只开启1号风机群组，然后根据3号、4号风机群组的不同开启方案，提出三种联动控制方案（见表1）。

通过建立数值模拟模型对上述三种方案下主隧道及横通道内的风速、风向、烟气控制效果对比分析，最终确定分离式隧道内风机联动控制方案。

2 不同联动控制方案的模型试验研究

2.1 模型试验平台

模型试验的原型隧道为双向四车道分离式公路隧道，隧道横断面采用半径为5.7 m的单心圆（见图2）。同时，为了兼顾试验结果的准确性、试验的经济性以及试验场地的局限性，采用1∶10的相似比，模型总长度为25 m。原型与模型的相似方法采用Froude模拟法，即原型与模型具有相等的Froude数。

根据消防要求，人行横通道通常具有自动关闭功能，即人员疏散进入人行横通道后即自动关闭，能有效防止左右洞之间的串流问题，因此模型中未考虑人行横通道。车行横通道既用于阻滞车辆的疏解，也用于司乘人员的撤离和消防人员的进攻，一般采用卷帘门形式，且一旦开启就将长时间处于开启状态。因此，模型中考虑了一处车行横通道，横断面原型尺寸为宽6 m、高5 m。模型隧道的轮廓弯曲，大功率火源温度高，因此采用铁皮制作。为了便于观察隧道和横通道内的烟气流动情况，在隧道和横通道上开口并覆盖有机玻璃板，制作成透明窗口，用以观察隧道、横通道内部的烟气流动情况。

为了便于控制火源功率并较为真实地模拟隧道内的火灾，火源采用以汽油和柴油作为燃料的方形油盘进行模拟。通过质量传感器实时监控油盘燃烧时的质量变化，再根据热释放速率公式计算火源的热释放速率，并调整油盘尺寸至42 cm×42 cm、汽油柴油比例为1∶5，得到95 kW火源（对应原型30 MW火灾）的热释放速率。

在隧道模型两端入口处设置3台轴流风机，以模拟图1中的1号、3号、4号风机群组，并利用风速传感器和变频器调节隧道中的风速直至达到工况要求。由于试验模型长度有限，且通过风机输送空气进入隧道后至形成充分发展湍流需要一段较长距离，所以在风机下游1 m处设置了一道格栅，使空气流动尽快进入湍流充分发展阶段。

在火灾发生之前，隧道内空气流动以活塞风为主，根据设计车流量、车型比例、行车速度、隧道长度、断面积等，测算得到原型隧道内的交通活塞风速约为5.0 m/s。火灾发生后，隧道洞口的值守点快速切断了交通流，而已经进入隧道的车辆则逐渐减速，活塞风消失。随后，射流风机逐组开启，直到形成稳定的临界风速，根据《细则》取值为3.5 m/s。从交通活塞风速到形成稳定的临界风速可能耗时＞5 min［11］，模型试验过程中考虑了这个过程。

2.2 传感器与数据采集

本文研究重点是风机联动控制产生的横通道气流对于烟气流动的影响，从而制定合适的联动控制方案。试验测试数据包括横通道风速、风向与烟气流动情况，其中传感器布置如下：

控制风速：风机下游5倍当量直径处截面中心布置一台风速传感器。

横通道顶部风速：事先采用数值模拟观察到横通道内顶部风速较为稳定，适合作为风速数据采集位置。因此，传感器测点布设于模型横通道四等分截面的顶部（见图3），每个测点布置两台风速传感器，分别测试两个相反方向的空气流动。

烟气流动：通过观察窗人工观察、记录，并在横通道内设置湿润白色细布辅助观察烟气。

根据Froude相似法，原型火灾发展时间与模型火灾时间比例tm/tp=（1/10）1/2，则模型试验火灾发展96 s对应原型火灾发展300 s，因此，传统手工检测方法难度较大，试验通过PLC数据采集系统自动采集所有传感器数据并对其进行统一整理、输出，数据采集频率设置为1次/s，能够较好地满足模型试验需要。

2.3 试验结果分析

模型试验使用的是油盘火源，火灾特点为需要一段时间发展至最大火源功率、燃烧可见产物分为烟气和烟尘颗粒，所以相较于数值模拟结果，模型试验烟气蔓延时间更长，烟气可视性略差。因此，观察横通道侵入烟气需要以烟尘颗粒为主。

为了方便对比，将模型试验中得到的时间根据时间相似比tm/tp=（1/10）1/2折算为现实时间，结果记录如下：

（1）联动控制方案一：在横通道中，可见明显的烟气串流现象，3个测点测得的纵向风速波动较大，表明横通道内的气流很不稳定，根据相似比折算得到的平均风速＞1 m/s。火灾隧道内，火灾发生30 s后，隧道顶部回流烟气开始侵入横通道，并继续向非火灾隧道蔓延。在非火灾隧道中，火灾发生后60 s烟气开始侵入，侵入烟流量不大。在烟气窜向非防火隧道的过程中，涡旋状的烟气在横通道内不断扩散，直到扩散至整个横通道空间。

（2）联动控制方案二：在横通道内，火灾烟气弥漫了整个横通道，3个测点测得的平均风速为3 m/s。横通道内的气流同样不稳定，主要呈涡流状态。火灾隧道起火10 s后，少量烟气已串流至横通道顶部；火灾后16 s，串流烟气从横通道顶部开始侵入非火灾隧道，侵入量大且速度快；在烟雾侵入过程中，由于横通道内的涡流气流，烟雾在横通道内迅速扩散，侵入整个横通道空间，影响横通道内的能见度。

（3）联动控制方案三：在横通道中，气流方向明显为非火灾隧道流向火灾隧道，横通道内风速在3～4 m/s之间连续波动，烟气也呈现无序状态。火灾发生90 s后，横向通道气流趋于稳定，从非火灾隧道流向火灾隧道内的稳定气流，平均风速为3.5 m/s。在该方案的作用下，横通道内有足够的新鲜空气气流，保护横通道不受烟雾影响。气流进入火灾隧道后，与火灾隧道内既有的临界风速混合后更为有效地阻止烟气回流，为火源上游人员提供安全保障。烟气呈稳定状态向下游流动，大致呈层状分布。

综上所述，从主隧道及横通道内的风速、风向、烟气控制效果来看，联动控制方案三无疑是最佳的。

3 结语

本文针对分离式公路隧道提出了三种通风系统联动控制方案，采用1∶10模型试验方法，对横通道内的风速、风向、烟气流量和烟气扩散进行了对比分析。推荐通风系统风机联动控制方案为：在火灾隧道内开启火源上游的射流风机，形成稳定的临界风速；同时，相向开启非火灾隧道中横通道上下游两侧的风机形成对向气流，并将风速控制在0.5 m/s左右。通风系统联动控制，以较少风机数量同时控制主隧道和横通道内的烟气，防止烟气侵入火源上游横通道，确保了主隧道和横通道现场人员的安全。

本文的研究工作填补了行业规范中关于火灾工况下分离式公路隧道通风系统如何进行联动控制的技术空白。然而，隧道火灾现场情况瞬息万变，通风排烟系统操控是一项复杂的工作。本文只考虑了火源附近的横通道，隧道模型长度也较短，未来可针对实体隧道，开展更接近实际火灾情况的全尺寸火灾试验，进一步验证通风系统联动控制方案的可行性。

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收稿日期：2023-09-16