設平導時單洞雙向特長隧道火災通風方案研究

田 偉，鄭曉卿，張雨帆

（浙江數智交院科技股份有限公司（浙江省交通規劃設計研究院），浙江 杭州 310030）

0 引言

近年來，我國公路交通發展迅速，公路隧道作為其重要的組成部分，發展亦是突飛猛進，隨之而來的是與日俱增的隧道火災事故。隧道是長條形且相對封閉的構造物，洞內一旦發生火災，人員逃生和救援均比較困難，后果極為嚴重。尤其是單洞雙向的公路隧道，一旦有火災，因為雙向行車會使得火災的上、下游都有被困人員和車輛[1]。如果不能及時控制煙氣，會造成較大的經濟損失和人員傷亡。

目前國內已有部分學者針對單洞雙向行車隧道火災通風展開了系統性研究。王飛[2]基于Fluent對一條長3 km的單洞雙向行車隧道進行了火災工況模擬，分析了隧道3處不同位置火災在不同風速條件下煙氣蔓延變化規律及導致的火災臨界危險時間變化；陳漢波[3]以設平行導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、低氧條件下的火災模型，對火災的熱釋放率、煙氣濃度、擴散速度及流動形態等特性進行了研究；高原[4]采用通風網絡理論，對某單洞雙向公路隧道通風系統進行了研究，提出火災工況下隧道合理的通風、人員疏散及滅火方案。

在現有研究的基礎上，該文以黃泥崗頭隧道為工程依托，考慮平行導洞的增壓送風，研究主隧道內3種通風方案對隧道火災煙氣在不同時間段蔓延的影響。

1 工程概況

1.1 依托工程

根據《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1—2018）規定：“單洞雙向行車的特長隧道需考慮駕乘人員緊急情況下的臨時避難設施，宜設置平行通道，并與主洞通過橫通道相連”。在公路隧道的實際應用中，平導的設置多結合隧道長度和通風規模，以隧道長度3 000 m為界進行考慮[5]。國內外單洞雙向行車特長公路隧道通風及輔助通道設置統計如表1。

表1 國內外單洞雙向行車特長公路隧道通風系統及輔助通道統計表

黃泥崗頭隧道為該文依托工程，主隧道全長3 920 m，采用二級路60 km/h的標準?？紤]到隧道通風防災需求，在主隧道一側建設一條平行導洞，導洞建筑限界凈寬4.5 m，凈高3.5 m。主隧道與導洞之間用橫向人行通道連接，間距250 m。

1.2 通風系統

黃泥崗頭隧道主洞通風采用全射流縱向通風，洞頂共設置17組φ900的射流風機（每組2臺）。

平行導洞的通風形式主要有平導送風型和平導排風型[6]，該工程平行導洞作為主隧道發生火災時的主要逃生通道，采用平導送風型的通風方式：進出口各設置一臺軸流風機，于主洞火災時啟用，以保持導洞正壓；導洞洞身段設置16臺風機，平時用于維持導洞內空氣質量，火災時輔助軸流風機加壓送風。主洞與導洞通風形式如圖1所示。

圖1 平行導洞加壓送風示意圖

2 理論計算

2.1 臨界風速計算

隧道發生火災后，由于火災產生的浮力效應，會在隧道頂棚形成一層向上下游蔓延的煙氣。此時隧道內如果提供充足的通風風量，則所有煙氣會向下風口流動，若通風風量不足，則部分煙氣會沿著相反于通風風量的方向蔓延，即出現“逆流現象”。為避免隧道火災情況下產生“逆流現象”，隧道內通風系統所需提供的最小排煙風速即“臨界風速”。

影響臨界風速的因素很多，包括火災規模、縱坡坡度、隧道斷面形狀、火源位置等方面[7]，該文采用Kennedyetal臨界風速理論計算公式[8]對黃泥崗頭隧道主洞火災工況下的臨界風速進行計算，該公式已在各國鐵路、公路、地鐵隧道等防災設計中得到了廣泛應用：

式中：uc為臨界風速，m/s；g為重力加速度，m/s2；H為隧道高度，m；Qc為火災時熱釋放速率，W；ρa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為環境空氣溫度，K；k為無量綱常數，k=0.61；Kg為坡度修正系數，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速約2.23 m/s，與《公路隧道通風設計細則》（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臨界風速（2.0～3.0 m/s）相吻合。

2.2 平行導洞加壓送風量計算

為防止隧道主洞發生火災時煙氣侵入平行導洞，通過在平行導洞兩端洞口設置軸流風機加壓送風以保證導洞內呈正壓狀態進行防煙，提高人員疏散時的安全性。

目前國內學者對隧道加壓送風的研究多集中在加壓需風量、隧道內余壓、通風方式和風機布置等。李偉平[9]等以錢江盾構隧道為依托，建議隧道火災時，疏散通道內的余壓應控制在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上，用FDS軟件對不同排煙口間距下的隧道火災煙氣流動特性進行數值模擬，得出了隧道排煙口的最佳設置間距。由于目前尚沒有針對公路隧道縱向疏散通道加壓送風量計算的技術標準和規范，該文借鑒《建筑防煙排煙系統技術標準》（GB 51251—2017）中一般建筑加壓送風量的確定辦法，對黃泥崗頭隧道平行導洞火災工況下的需風量進行了計算，加壓需風量主要分為以下兩部分：

a）疏散口關閉時，保持疏散通道一定的正壓所需的加壓送風量：

式中：A1為每個疏散門的有效漏風面積，m2，疏散門的門縫寬度取0.002～0.004 m；Δp為計算漏風量的平均壓力差，Pa；n為指數，一般取2；N1為漏風疏散門的數量。

b）疏散口開啟時，保持疏散口處風速所需的加壓送風量：

式中：A2為每個開啟的疏散門面積，m2；v為人行橫通道的斷面風速，m/s，通常取0.7～1.2 m/s；N1為開啟的疏散門數量。

假定每次火災時，開啟火源前后合計5處人通防火門。通過上述公式求得，加壓需風量Q1=1.72 m3/s，Q2=39.42 m3/s，逃生通道的合計加壓需風量為41.14 m3/s。從計算結果可以看出，開啟的疏散口所需送風量Q2遠大于閉合的疏散口所需送風量Q1，而在人行橫通道結構斷面不變、橫通道內風速變化不大的情況下，開啟的人行橫通道數量是決定逃生通道加壓需風量的主要控制因素。

3 隧道火災模擬分析及結果

3.1 模型構建

該文以黃泥崗頭隧道及其平行導洞為研究對象（隧道主洞與導洞中線間距26 m），研究主隧道內不同風速環境對隧道火災煙氣蔓延的影響。該文選取1 250 m長的隧道進行FDS數值模擬，模型主要由主隧道、平行導洞及橫通道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 工況設定

考慮隧道工程位置區域、交通量及組成等因素，將火源功率設定為20 MW，位置設置于主隧道中間。當火災發生時，主隧道初始風速為1.5 m/s，方向從上游吹向下游。根據不同時間段、隧道主洞風速、導洞增壓送風風速的變化，共設定3種工況（見表2）。

表2 工況設置表

3.3 結果分析

通過對火災發生后隧道內煙氣蔓延情形及橫通道內溫度的分析，來對比3種工況對隧道內煙氣蔓延、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中可以看出，隧道內煙氣僅在火災早期發生過輕微逆流，逆流距離不足30 m，后續基本不存在逆流現象。這是由于工況一主隧道內初始風速為1.5 m/s，略小于臨界風速，所以在火災早期出現輕微逆流；之后由于風速逐漸提高至3 m/s，滿足臨界風速要求，所以隧道內煙氣不發生逆流。

b）工況二 由于0～60 s，隧道內風速從1.5 m/s降低到0 m/s，小于臨界風速，隧道內煙氣逆流現象嚴重；360 s時，煙氣向上游蔓延距離達180 m；360～660 s，主隧道內風機重新啟動，由于剛啟動時風速較小，不滿足臨界風速要求，煙氣繼續向上游蔓延；420 s時最大蔓延距離大約225 m，之后風機風速滿足臨界風速要求，煙氣向下游蔓延。

表3 各工況主隧道縱剖面煙氣場隨時間變化對比

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；風機重新啟動后，初期階段煙氣繼續向下游蔓延，420 s時蔓延距離約210 m；當后續風機風速滿足臨界風速后，煙氣基本向上游蔓延，不存在逆流現象。

3.3.2 隧道內橫通道溫度變化對比

a）工況一 從表4和表5可以看出，火災發生后660 s內基本沒有煙氣蔓延至1號和2號橫通道處；從表6和表7可以看出，煙氣在240 s時，已蔓延至4號橫通道，此時主隧道4號橫通道處溫度約70℃；煙氣大約在330 s時蔓延至5號橫通道，此時主隧道5號橫通道處平均溫度約45℃。該結果說明隨著煙氣的蔓延距離越長，煙氣溫度逐漸降低，同時由于橫向通道大量地補充新風進入主隧道，亦對煙氣場起到降溫作用。

表4 各工況1號橫通道處溫度等色圖對比表

表5 各工況2號橫通道處溫度等色圖對比表

表6 各工況4號橫通道處溫度等色圖對比表

表7 各工況5號橫通道處溫度等色圖對比表

b）工況二 從表4和表5可以看出，與工況一相同，火災發生后660 s內基本沒有煙氣蔓延至1號和2號橫通道處；表6和表7的結果顯示，煙氣大約在398.5 s時蔓延至4號橫通道，此時主隧道4號橫通道處溫度約90℃；煙氣蔓延至5號橫通道的時間大約在539.8 s，此時主隧道5號橫通道處溫度約50℃。從結果來看，工況二由于60～360 s期間關閉了射流風機，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，延長了下游煙氣蔓延至橫通道的時間，為人員逃生提供了更充足的時間。

c）工況三 從表6和7可以看出，該工況下火災發生后660 s內基本沒有煙氣蔓延至4號和5號橫通道處；而表4和5顯示煙氣蔓延至2號橫通道和1號橫通道的時間分別為409 s和555.6 s，這兩個時刻主隧道在2號和1號橫通道處的溫度分別為95℃和70℃。從結果來看，工況三煙氣蔓延至橫通道的時間要晚于工況二和工況一，但橫通道內溫度亦大于前兩個工況。

3.3 小結

綜上對比，可以看出隧道內縱向風速是否達到臨界風速是控制煙氣逆流的決定性因素，縱向風速大于臨界風速時，隧道內基本不存在逆流現象。

各工況下所有時間段橫通道內溫度基本沒有變化，這主要是因為：

a）主隧道拱頂的儲煙倉空間足夠。

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

c）橫通道距離火源位置較遠，且橫通道在360 s已經關閉。

從人員疏散安全的角度來看，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間略長于工況二。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，但考慮到實際運營過程中，隧道發生火災后難以判斷火災上下游被困人員具體位置，若下游被困人員較多，工況一的通風排煙方案則存在較大風險。因此實際運營中應根據隧道內被困人員位置及數量再確定最優的通風排煙方案。

4 結論

本文以黃泥崗頭隧道為依托工程，平行導洞加壓送風+主洞縱向通風為主要通風形式，通過理論計算和數值模擬的方式，明確了平行導洞加壓送風需風量，并對多種火災工況下的通風排煙方案進行對比，得到以下結論：

a）采用Kennedyetal臨界風速理論計算公式求得了主隧道內縱向通風的臨界風速，計算結果與規范規定范圍和數值模擬基本吻合。

b）根據《建筑防煙排煙系統技術標準》，計算求得平行導洞加壓需風量為41.14 m3/s，該需風量主要由火災時開啟的人行橫通道數量決定。因此，隧道的防災救援方案設計對平行導洞的需風量有著決定性影響，進而影響導洞通風系統的設計。

c）通過數值模擬可知，3種工況各時間段橫通道和平行導洞內溫度沒有明顯變化，說明平行導洞加壓送風可有效抑制煙氣進入橫通道和平行導洞。因此，建議二級公路特長隧道發生火災時，應及時對平行導洞進行加壓送風，為逃生人員預留出一條安全通道。

d）隧道發生火災后，從人員安全疏散角度來看，工況一在逃生時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排煙方案。但考慮到單洞雙向行車隧道發生火災時，上下游均有被困人員和車輛，實際運營時應根據火源上下游人員疏密程度進行更有針對性的通風排煙方案選擇。