“日”字形城市地下交通联系隧道烟气控制模拟研究_翟越.pdf

引 用 格 式：，.日 ，（）：翟越，李雯，屈璐，等“日”字形城市地下交通联系隧道烟气控制模拟研究 甘肃科学学报，（）：“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，（长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 ；青岛港建设管理中心有限公司，山东 青岛 ）摘要对“日”字形城市地下交通联系隧道（）使用 软件展开模拟研究。根据隧道危险性特点设置种火灾场景（火源分别位于主隧道、连接隧道和支隧道），研究半横向通风和纵向通风（支隧道）条件下隧道内烟气蔓延、温度分布（隧道顶棚温度和人员特征高度处温度）、能见度和烟气层高度等烟气参数特征。结果表明，在半横向通风和纵向通风（支隧道）条件下，火源位于主隧道时，烟气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，烟气参数均满足烟控指标；火源位于支隧道时，仅靠近火源能见度及烟气层高度不满足烟控指标，其余烟气参数均满足烟控指标，相对于主隧道和连接隧道位置发生火灾情况更加危险。针对半横向通风和纵向通风（支隧道）存在的问题提出相应优化措施，为防排烟设计提供了参考依据。关键词“日”字形城市地下交通联系隧道；烟气参数；半横向和纵向通风；烟控指标；优化措施中图分类号：文献标志码：文章编号：（）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（，）成为地下交通中重要的组成部分。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，因此需针对 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 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；侯乾坤通过小尺寸试验研究了 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 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 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 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，证明合理的第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；陕西省科技计划项目创新能力支撑计划项目（）作者简介：翟越（），男，陕西西安人，教授，博士生导师，研究方向为工程风险评估。：通信作者：屈璐，：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 为背景，使用 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。火灾场景设计火灾工程概况以西安市某“日”字形 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，周围有栋超高层建筑，因此交通量大，火灾风险系数高。“日”字形 平面和交通流示意图如图所示。隧道总长度为 ，建筑面积为 ，净高，是二类城市交通隧道工程，设计速度在 以下。图隧道平面和交通流示意图 场景设计将该隧道划分为个防火分区，每个防火分区面积不超过 ，之间设置 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。设置个火灾场景，分别为火源位于主隧道、连接隧道和支隧道，在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 时同时启动防火分区的排烟风机和防火分区、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，如图所示。图隧道防火分区及火灾场景图 监测点设置研究在“日”字形 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（）温度测点、顶棚（）温度测点和烟气层高度测点，每个测点间隔，以便于观察火灾发生时火源周围温度及烟气层高度变化，具体场景如图所示。图种火灾场景测点布置 隧道模型基本参数使用 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，辆小汽车发生碰撞所产生的火灾规模为，火源设置为面热源，尺寸设置为 。在火灾发生时，人员最佳逃生时间为 ，因此将模拟时间设置为 。为了使模拟结果更加准确，将网格尺寸设置为，将火源附近 处的网格尺寸设置为，共计 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。根据文献 ，烟控指标设置见表。甘 肃 科 学 学 报 年第期表烟控指标 监测项指标范围火源距离大于 人员特征处温度 火源距离大于 顶棚温度 烟气蔓延范围 人员特征处能见度 烟气层高度模拟结果分析烟气蔓延模拟结束后，通过 导出烟气模拟图（见图），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，烟气完全控制在图烟气蔓延情况 支隧道内，并未蔓延到其他隧道。因此适当增加风机量 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。模拟结束后，在 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 ，在种场景中烟气蔓延距离均满足烟控指标。表模拟结束后烟气蔓延距离 火源位置烟气上游蔓延距离烟气下游蔓延距离烟气总蔓延距离主隧道 连接隧道 支隧道 温度分布不同位置火源附近温度切片如图所示。由图可知，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图火源位于不同位置时温度切片变化 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。根据图中测点位置，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 软件进行数据处理，结果见图。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，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 处，火源左侧温度明显高于右侧，在 时温度基本趋于稳定。火源位于种场景时，距离火源 处顶棚温度均小于 ，满足烟控指标。第 卷翟越等：“日”字形城市地下交通联系隧道烟气控制模拟研究图火源位于不同位置时顶棚温度变化 根据图中测点位置，在隧道中人员特征高度处（）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 软件进行数据处理，结果见图。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 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 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 处，火源左侧温度明显高于右侧，在 时基本趋于稳定。火源位于种场景时，主隧道 和连 接 隧 道 人 员特征高 度 处 温 度 均 低 于，满足烟控指标，支隧道左侧人员特征高度处温度高于，不满足烟控指标，右侧人员特征高度处温度基本趋于，满足烟控指标要求。图火源位于不同位置时人员特征高度处温度变化 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。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，分别如图和图所示。由图和图可知，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，火源下游受烟气影响较小，隧道内绝大部分能见度大于，满足烟控指标；火源位于连接隧道时，在顶部风机的作用图火源位于不同位置时人员特征高度处能见度分布 甘 肃 科 学 学 报 年第期图火源位于不同位置时顶棚能见度分布 下，仅连接隧道能见度小于，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，不满足烟控指标，火源右侧几乎不受影响，满足烟控指标。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。根据图中测点位置，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 软件进行数据处理结果见图。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；火源位于连接隧道时，距离火源 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；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 之间，火源右侧基本高于。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 不同火源位置烟气层高度 结论（）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。（）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。种火灾场景中，火源位于支隧道更为危险。（）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。参考文献：丁瑶，阳东，刘英利密闭回廊中非均匀布置排烟口的排烟效果船海工程，（）：翟越，孟凡东，屈璐，等“日”形地下环隧施工风险因素综合分析科学技术与工程，（）：易亮，李沿宗，徐志胜半横向排烟下隧道火灾烟气控制效果试验研究 防灾减灾工程学报，（）：第 卷翟越等：“日”字形城市地下交通联系隧道烟气控制模拟研究 ，：王蕾，夏永旭，姚毅，等基于 的公路隧道大型客车火灾数值模拟及分析 公路工程，（）：高云骥，罗越扬，李智胜，等分岔隧道火灾烟气回流长度及温度分布试验研究 中国安全科学学报，（）：高云骥，李智胜，罗越