地下互通隧道火災(zāi)通風(fēng)方案數(shù)值模擬研究

丁鴻志 陳研

摘要：依托建寧西路過江通道工程項(xiàng)目，研究建寧西路過江通道橫江大道右線火災(zāi)場景下通風(fēng)排煙方案。結(jié)果表明，當(dāng)火源功率為30MW、火源位于主線時，僅開啟主線車行下游的射流風(fēng)機(jī)，縱向風(fēng)速為3m/s時能有效排煙；當(dāng)火源位于各匝道時，開啟火源所在匝道的排煙口以及相鄰匝道分岔口附近的射流風(fēng)機(jī)，縱向風(fēng)速為3～4m/s時可以有效控制煙氣。

關(guān)鍵詞：地下互通隧道；火災(zāi)；通風(fēng)方案；FDS

為了緩解地面交通壓力，我國城市地下隧道越來越多，地下隧道的結(jié)構(gòu)形式也越來越復(fù)雜。在結(jié)構(gòu)如此復(fù)雜多變的隧道內(nèi)，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣的蔓延與長直隧道有很大區(qū)別，傳統(tǒng)的煙氣控制方式也不再適用。

董興國等人[1]利用FDS軟件，模擬分析UTLT隧道臨界風(fēng)速與火源功率、隧道水力直徑和寬高比的關(guān)聯(lián)式。華高英等人[2]對城市地下交通聯(lián)系隧道縱向防排煙方案設(shè)計和全橫向排煙方案設(shè)計進(jìn)行了對比，提出了城市環(huán)隧防排煙方案設(shè)計的思路和方法。馬尉翔[3]運(yùn)用軟件模擬分析了大型互通立交隧道火災(zāi)煙氣蔓延規(guī)律和臨界風(fēng)速影響因素。朱廷宇[4]按火源位置及排煙組織的不同提出了不同的防災(zāi)救援通風(fēng)方案及風(fēng)速控制值。ZHONG等人[5]對自然通風(fēng)地下空間中傾斜長大曲線隧道的火災(zāi)煙氣蔓延進(jìn)行了全尺寸實(shí)驗(yàn)研究。廖曙江等人[6]開展了全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，分析了橫向排煙的煙控效果，并驗(yàn)證了Alpert頂棚最高溫升衰減模型。WANG等人[7]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，給出了曲線隧道內(nèi)火源位于不同橫向位置時的臨界通風(fēng)速度和煙氣運(yùn)動特征。路世昌和潘潔等人[8-9]分析了城市地下交通聯(lián)系隧道中火災(zāi)煙氣蔓延的特點(diǎn)及規(guī)律，通過數(shù)值模擬，對其通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提出了建議。鄧濤[10]采用模型實(shí)驗(yàn)、理論分析以及數(shù)值模擬等方法，針對一種適用于互通隧道的匝道半橫向主隧道縱向組合式通風(fēng)方法，對分岔結(jié)構(gòu)局部阻力系數(shù)、組合式通風(fēng)方案和火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行了研究。

本文依托南京市建寧西路過江通道工程項(xiàng)目，運(yùn)用軟件FDS，對建寧西路過江通道橫江大道右線進(jìn)行火災(zāi)場景下，不同熱釋放速率、射流風(fēng)機(jī)開啟方式條件下的煙氣控制策略進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬

1.1? 工程概況

建寧西路過江通道是南京江南主城對接江北核心區(qū)的重要通道，建寧西路過江通道主線隧道長度超5km，橫江大道隧道長度超3km，惠民路隧道長度超過了2km，均為雙向六車道，互通匝道長度均超過500m，其中橫江大道為該工程的互通段之一，分為左右兩線，由主線段、A匝道、B匝道、C匝道、D匝道組成。

1.2? 模型搭建

運(yùn)用軟件SketchUp建立建寧西路過江通道橫江大道右線全尺寸模型，導(dǎo)入軟件FDS（見圖1），其中主線段、A匝道、B匝道橫斷面尺寸分別為12.75m×6.70m、9.65m×6.26m、9.18m×6.43m，A匝道頂棚以及B匝道右側(cè)壁設(shè)置有排煙口。考慮到該隧道的交通情況，火源功率選取30MW；產(chǎn)煙量按123.39m3/s計算，考慮1.2的安全余量，排煙量為148.06m3/s；縱向風(fēng)速設(shè)置為0～4m/s，具體工況見表1。

結(jié)合FDS用戶指南[11]，通過對不同網(wǎng)格大小的模型進(jìn)行模擬后，考慮到計算時間的問題，最終選取網(wǎng)格大小為0.5m×0.5m×0.5m。

2 結(jié)果分析

2.1? 火源位于主線

火源位于橫江大道右線主線時，圖2展示了火源位于主線時橫江大道右線主線頂棚沿程溫度分布，隨著風(fēng)速的增大，頂棚溫度逐漸降低，當(dāng)風(fēng)速大于3m/s時，車行下游的溫度降至環(huán)境溫度，車行上游的溫度逐漸趨于80℃。

2.2? 火源位于A1匝道

當(dāng)火源位于A1匝道時，見圖3，由于煙囪效應(yīng)的影響，更多的煙氣向車行上游蔓延，車行上游的溫度遠(yuǎn)高于車行下游，車行下游溫度逐漸降至環(huán)境溫度，且隨著縱向風(fēng)速的增大，溫度逐漸降低。

2.3? 火源位于A匝道中部

圖4為火源位于A匝道中部時隧道頂棚溫度分布圖，A1匝道溫度隨B匝道縱向風(fēng)速的增加而降低，當(dāng)風(fēng)速為4m/s時，溫度逐漸降至50℃；B匝道縱向風(fēng)速越大，溫度降低越快，當(dāng)風(fēng)速大于2m/s時，煙氣被限制在A、B匝道分岔口附近；A匝道內(nèi)排煙口處溫度均有所降低，但由于B匝道的縱向風(fēng)速增大，導(dǎo)致更多的煙氣向A匝道下游蔓延，使得溫度升高。總體來看，當(dāng)B匝道縱向風(fēng)速為3～4m/s時，降溫效果最好。

2.4? 火源位于B匝道中部

圖5為火源位于B匝道中間時橫江大道右線各隧道段頂棚溫度分布圖，A1匝道內(nèi)頂棚溫度均低于75℃，A匝道風(fēng)速達(dá)到3m/s時，溫度最低；A匝道風(fēng)速越大，溫度越低，風(fēng)速為3m/s左右時，降溫效果最好；B匝道內(nèi)排煙口處的溫度均有所下降，限制了煙氣的進(jìn)一步擴(kuò)散。

3 結(jié)論

通過數(shù)值模擬的方法研究建寧西路過江通道橫江大道右線不同火源位置時的通風(fēng)方案，得出以下結(jié)論：

當(dāng)火源位于主線段時，由于主線車行上游存在敞開段，通過開啟主線車行下游射流風(fēng)機(jī)，將煙氣排出洞口，縱向風(fēng)速為3m/s時，能夠有效防止煙氣逆流和沉降。

當(dāng)火源位于A1匝道時，煙囪效應(yīng)的作用使得煙氣向上坡方向蔓延并從匝道洞口排出，為了避免煙氣逆流至A、B匝道，故開啟A、B匝道內(nèi)各一組風(fēng)機(jī)，當(dāng)縱向風(fēng)速為3～4m/s時，能夠有效降低溫度并控制煙氣。

當(dāng)火源位于A匝道時，開啟A匝道內(nèi)所有排煙口以及B匝道內(nèi)一組射流風(fēng)機(jī)，當(dāng)風(fēng)速為3～4m/s時，能夠防止煙氣進(jìn)入B匝道，并有效降低溫度，但風(fēng)速越大，越促使煙氣向A匝道車行下游蔓延。

當(dāng)火源位于B匝道時，由于煙囪效應(yīng)，較少的煙氣會蔓延至A匝道，而更多的煙氣蔓延至A1匝道，開啟B匝道內(nèi)的所有排煙口以及A匝道內(nèi)一組射流風(fēng)機(jī)，當(dāng)縱向風(fēng)速為3m/s時，能夠有效降低隧道內(nèi)溫度，煙氣通過匝道洞口以及B匝道內(nèi)排煙道排出，但此風(fēng)速下會促使A1匝道內(nèi)煙氣沉降。

參考文獻(xiàn)：

[1]董興國，王偉，李思成.城市地下交通聯(lián)系隧道臨界風(fēng)速關(guān)聯(lián)式的建立與驗(yàn)證[J].建筑科學(xué)，2014，30（6）：83-86+107.

[2]華高英，李磊，南化祥，等.城市地下交通聯(lián)系隧道防排煙設(shè)計分析[J].建筑科學(xué)，2014，30（9）：88-92.

[3]馬尉翔.大型互通立交隧道火災(zāi)煙氣遷移規(guī)律及控制研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2015.

[4]朱廷宇.大型地下互通運(yùn)營與防災(zāi)通風(fēng)技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.

[5]Zhong M H，Shi C L，He L，et al.Smoke development in full-scale sloped long and large curved tunnel fires under natural ventilation[J].Applied Thermal Engineering，2016，108：857-865.

[6]廖曙江，林昊宇，翁廟成，等.城市地下交通聯(lián)系隧道煙氣控制探討[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2017，17（2）：546-552.

[7]WANG F，WANG M N，CARVEL R，et al.Numerical study on fire smoke movement and control in curved road tunnels[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2017，67：1-7.

[8]路世昌，倪照鵬，劉萬福，等.城市地下交通聯(lián)系隧道火災(zāi)煙氣控制試驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（4）：468-471.

[9]潘潔.城市地下交通聯(lián)系隧道通風(fēng)排煙方式的研究[J].智能城市，2020，6（24）：111-112.

[10]鄧濤.地下互通隧道組合式通風(fēng)方法及其控制技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[11]Mcgrattan K B，Mcdermott R J，Weinschenk C G，et al.Fire

Dynamics Simulator， User's Guide[J].Nist Special Publication，2013.

Numerical simulation study on ventilation scheme of underground interchange tunnel fire

Ding Hongzhi，Chen Yan

（Nanjing Construction Center of Public Works，Jiangsu? Nanjing? 210019）

Abstract： Based on the project of Jianning West Road River Crossing Channel， this paper studies the ventilation and smoke extraction scheme of the right line of Hengjiang Avenue in the Jianning West Road River Crossing Channel. The results show that when the heat release rate is 30MW and the fire source is located in the main tunnel， only open the jet fan downstream of the main tunnel and the longitudinal wind speed is 3m/s can effectively exhaust smoke. When the fire source is located at each branch tunnel， open the smoke exhaust port of the branch tunnel where the fire source is located and the jet fan near the fork of the adjacent branch tunnel. When the longitudinal wind speed is 3～4m/s， the smoke can be effectively controlled.

Keywords： underground interchange tunnel;fire;ventilation scheme;FDS