某多匝道城市地下道路纵向排烟系统运行优化

李俊梅，王继东，冯　霄,李炎锋，常　军，李　雁，刘晓阳

(1.北京工业大学建筑工程学院， 北京100124；2.北京工业大学北京城市交通协同创新中心， 北京100124；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司， 北京100082)



某多匝道城市地下道路纵向排烟系统运行优化

李俊梅1，2，王继东1,2，冯霄1,李炎锋1,2，常军3，李雁3，刘晓阳3

(1.北京工业大学建筑工程学院， 北京100124；2.北京工业大学北京城市交通协同创新中心， 北京100124；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司， 北京100082)

为研究多出入匝道的存在对隧道纵向排烟系统效率的影响，采用通风网络对某多匝道城市地下道路分段纵向排烟系统的烟气控制效果进行了模拟分析，得到了不同火灾场景中风机运行的最佳策略。结果表明，对于该城市地下道路而言，火灾发生时各段排烟风机不必全部运行即可达到所要求的临界风速值，火源段下游竖井附近风机需逆转运行才能防止竖井上游烟气向下游扩散，从而提高其排烟效率；若主线隧道发生火灾，匝道风机最好停止运行，以帮助主线隧道达到较好得控烟效果。

城市地下道路；出入匝道；纵向排烟

0　引　言

城市交通拥堵问题日益严重,修建城市地下道路成为缓解该问题的主要手段之一。目前，我国一些经济发达的城市,如北京、上海、深圳等已建成或在建多条城市地下道路[1-3]。城市地下道路一般担负着完善城市路网等功能，因此，其结构与一般的公路隧道相比更为复杂，多出入口是城市地下道路区别于一般公路隧道(一般只有单一进出口)的主要结构特征。多点进出的结构形式给在日常通风及火灾工况下的烟气控制气流的有效组织带来了难题[4-5]。目前没有针对城市地下道路火灾工况下排烟系统的设计规范，现有的排烟设计都是参照公路隧道的相关条款。就纵向排烟而言，国内外隧道规范中对纵向排烟的设计只是基于所计算的临界风速值来设计排烟系统[6-10]，然而，公路隧道的结构一般是单点进出，气流组织相对简单，对于城市地下道路，合流和分流的存在，使得气流在主隧道内的速度并不恒定，不同隧道段的气流并非相互独立，多分岔的结构形式势必会对其排烟系统的烟气控制的有效性产生影响。基于此，本文以某具有多出入匝道的城市地下道路的右线隧道为例，对其排烟系统的运行方案进行评估分析，以找出最佳的风机运行方案和策略，为其烟控系统的高效运行提供依据。

1　排烟系统简介

1.1工程简介

图1　右线隧道匝道及竖井分布示意图Fig.1　Distributions of the ramp and ventilation shaft in the right bore of tunnel

某城市地下道路为双洞单向隧道，左、右线隧道封闭段长均为4 685 m，有22个出、入匝道与地面道路、其他地下道路或地下交通枢纽相连。隧道内主要路段为三车道，净宽13.0 m，高6.0 m，与地面相连匝道为2车道，路宽8.5 m，高4.5 m。所研究的右线隧道有6条(4条驶入，2条驶出)匝道与地面道路相连，另有5条与地下交通枢纽或地下车库相连，如图1所示。由于设计方案中，隧道内发生火灾时，主线隧道连接的地下车库、交通枢纽会采取隔断措施。因此，本研究只考虑直接与地面相连的出入匝道对纵向排烟的影响。

1.2通风排烟方案介绍

该城市地下道路的排烟设计方案为竖井分段纵向排烟。主线隧道设置了2座火灾排烟专用竖井，将全线隧道划分为3个排烟区段，如图1所示，以减少排烟距离，有助于人员疏散及火灾救援。火灾工况时，分区段用射流风机辅助排烟。

1.2.1主线隧道发生火灾的通风排烟方案

① 沿行车方向第一座竖井(竖井2)上游(设为区段1，长989 m)发生火灾时，区段1内射流风机正向运转，以满足烟气控制所需临界风速，竖井2内排烟风机开启，就近将烟气排出，如图2所示。

② 沿行车方向两座竖井之间(设为区段2，长1 768 m)发生火灾时，区段2内射流风机正向运转，以满足排烟临界风速，竖井2送风，竖井1就近将烟气排出，如图3所示。

图2区段1排烟示意图

Fig.2Sketch of the smoke ventilation in zone 1

图3区段2排烟示意图

Fig.3Sketch of the smoke ventilation in zone 2

③ 沿行车方向第二座竖井(竖井1)下游(设为区段3，长1928 m)发生火灾时，区段3内射流风机正向运转，以满足排烟临界风速，竖井1送风，烟气由出洞口排出，如图4所示。

图4　区段3排烟示意图

1.2.2匝道内发生火灾的通风排烟方案

通向地面的匝道采用全射流排烟方式，将烟气有匝道洞口排出洞外。

1.3风机参数及布置

图5　隧道内射流风机布置示意图Fig.5　Distribution of the jet fan in the tunnel

本工程依据相关规范，设计火源功率为30 MW，设计临界风速3.3 m/s[9-11]。隧道内设计射流风机布置示意图如图5所示，主线共布置31组射流风机，每组内含3台射流风机，每组风机之间的间距在100 m左右，射流风机风量15 m3/s，风压539 Pa。各匝道分别布置1组2台射流风机，匝道风机风量8.5 m3/s，风压539 Pa。图中F表示主线风机，ZF表示匝道风机。竖井内轴流风机的全压为1 526 Pa，风量为340 m3/s，风道的开口面积为40 m2。所有风机都可逆转。

由于该地下道路出入匝道多，气流组织复杂，为达到较高的排烟效率，需对不同火灾排烟模式下隧道内的风速进行优化分析，以找到最佳的风机开启台数和开启位置。

2　排烟系统运行方案模拟评估

该工程隧道内气流流动复杂，纵向系统风速和压力平衡解算需反复迭代求解，常规的隧道通风计算方法计算困难。基于此，本研究中采用隧道通风设计软件IDA RTV(Road Tunnel Ventilation)来模拟分析各工况下隧道内的风速和压力分布情况，从而对不同的系统运行策略进行评估。模拟时隧道出入口压力设为大气压力，外界的环境风速设为0 m/s，隧道内壁面为混凝土壁面。火源依软件的设定条件，输入热释放率和火源长度，火源长度设定为10 m。

IDA RTV隧道通风模拟软件是由瑞典EQUA公司使用Modelica语言开发的模块化隧道通风模拟软件。程序使用集总参数模型，在每段隧道模块内参数以平均量表达。利用整个隧道的空气质量流和全压的平衡关系以及稳态流动能量方程，求解每段隧道的风流参数。主要方程包括每段隧道的全压差平衡方程、通风竖井的压力损失(或升压)方程、隧道分流与合流的局部阻力损失方程、隧道出入口的风压差方程、每段隧道的热平衡方程、壁面导热方程和火源模型等，详细的模型介绍可参考文献[12]。

2.1区段1火灾工况下排烟系统运行方案的模拟评估

2.1.1运行工况Ⅰ-1

该工况为设计运行模式，区段1内主线射流风机全开，竖井2排烟。驶入匝道射流风机送风，驶出匝道射流风机向外排风。

该风机运行模式下的模拟结果如图6所示。由6可以看出，隧道内射流风机全部开启时，隧道内风速过大，火源附近风速为5.5 m/s，远大于设计的临界风速值，竖井处向下游风速达1.91 m/s，意味着竖井2只排出了部分烟气，另一部分烟气被射流风机吹向了竖井下游，竖井排烟效率低。经过下游驶出隧道排出部分烟气后，隧道内的烟气量有所减少。

2.1.2运行工况Ⅰ-2

区段1内主线射流风机全开，匝道风机关闭。

该风机运行模式下的模拟结果如图7所示。由图7可以看出，与工况Ⅰ-1相比，该运行模式下隧道内的风速尽管有所减小，但火源附近的风速仍达5.29 m/s，远大于设计的临界风速值，竖井处向下游风速达1.70 m/s，竖井只排出了部分烟气，部分烟气仍被吹入了区段2，竖井排烟效率低。

图6运行工况Ⅰ-1模式下隧道内的风速分布

Fig.6Airflow speed in tunnel in operation model Ⅰ-1

图7运行工况Ⅰ-2模式下隧道内的风速分布

Fig.7Airflow speed in tunnel in operation model Ⅰ-2

2.1.3运行工况Ⅰ-3

区段1内主线射流风机机组除火源附近F28外全部开启，区段2射流风机机组F21、F23逆向开启。驶入匝道射流风机送风，驶出匝道射流风机向外排风

该运行模式下隧道内的风速分布如图8所示。由图8可以看出，与前两种运行工况相比，火源附近的风速有所降低，虽仍大于临界风速，但与临界风速差距减小，竖井处的向下游风速只有0.63 m/s，意味着大部分烟气可从竖井排出，此工况下，竖井的排烟效率高。

2.1.4运行工况Ⅰ-4

区段1内主线射流风机机组除火源附近F28外全部开启，区段2射流风机机组F21、F23逆向开启，匝道风机不运行。

运行工况I-4模式下隧道内的风速分布如图9所示。由图9可以看出，该模式下，火源附近的风速为3.91 m/s，已接近临界风速，竖井处的向下游风速只有0.29 m/s，意味着大部分烟气可从竖井排出，该运行工况运行效果较前述几个工况好。

图8运行工况Ⅰ-3模式下隧道内的风速分布

Fig.8Airflow speed in tunnel in operation model Ⅰ-3

图9运行工况Ⅰ-4模式下隧道内的风速分布

Fig.9Airflow speed in tunnel in operation model Ⅰ-4

比较4个系统运行方案可以看出，区段1内发生火灾时，工况Ⅰ-1、Ⅰ-2中开启的风机过多，使得隧道内的风速过大，尽管可以将烟气吹向火源下游，对上游人员的逃生有利，但过大的风速会吹散下游烟气，且影响范围较远。若下游车辆没有及时驶出，将会受到烟气的威胁。同时，风速过大，使得竖井的排烟效率降低。与工况Ⅰ-3相比，工况Ⅰ-4较接近预想的设计工况，且排烟效率高，同时匝道风机不运行，运行费用低。因此，区段1中部发生火灾时，风机可按工况Ⅰ-4模式运行，既可有效地控制烟气，也可得到较高的排烟效率。

2.2区段2发生火灾时排烟系统运行方案的模拟评估

2.2.1运行工况Ⅱ-1

设计运行模式，竖井2送风，竖井1排烟，区段2内射流风机全开。驶入匝道射流风机送风，驶出匝道射流风机向外排风。

该运行模式下的模拟结果如图10所示。由图10看出，此工况中隧道内主线射流风机全部开启时，隧道内风速过大，火源附近风速达5.99 m/s，远大于设计的临界风速值。竖井1处向下游风速达2.68 m/s，竖井1底部窜流严重，竖井1只排出了部分烟气，大部分烟气被射流风机吹向了竖井下游，竖井排烟效率较低。

2.2.2运行工况Ⅱ-2

竖井2送风，竖井1排烟，区段2内主线射流风机全开，匝道风机停止运行。

该风机运行模式下的模拟结果如图11所示。由图11可以看出，与工况Ⅱ-1相比，该工况中隧道内的风速更大，火源附近风速达6.20 m/s，远大于设计的临界风速值，竖井1处向下游风速达2.37 m/s，竖井1底部窜流依然严重，竖井1排烟效率依然较低。

图10运行工况Ⅱ-1模式下隧道内的风速分布

Fig.10Airflow speed in tunnel in operation model Ⅱ-1

图11运行工况Ⅱ-2模式下隧道内的风速分布

Fig.11Airflow speed in tunnel in operation model Ⅱ-2

2.2.3运行工况Ⅱ-3

竖井2送风，竖井1排烟，区段2内射流风机运行的数目减少一半，F10、F12、F16、F18、F20、F22开启，区段3内射流风机机组F7逆向开启，驶入匝道射流风机送风，驶出匝道射流风机向外排风。

该风机行模式下的模拟结果如图12所示。由于风机运行的数目减半，隧道内的风速显著降低，火源附近的风速为3.56 m/s，接近设计临界风速，竖井1下部烟气的窜流得到阻止，竖井1的排烟效率提高。

2.2.4运行工况Ⅱ-4

竖井2送风，竖井1排烟，区段2内射流风机运行的数目减少一半，F10、F12、F16、F18、F20、F22开启，区段3内射流风机机组F7逆向开启，匝道风机停止运行。

该运行模式下隧道内的风速分布如图13所示。与工况Ⅱ-3相比，该工况中隧道内的风速较大，火源附近风速4.04 m/s，接近设计临界风速值，竖井1处向下游风速较模式Ⅱ-3小，为0.5 m/s，竖井1的排烟效率较高。

图12运行工况Ⅱ-3模式下隧道内的风速分布

Fig.12Airflow speed in tunnel in operation model Ⅱ-3

图13运行工况Ⅱ-4模式下隧道内的风速分布

Fig.13Airflow speed in tunnel in operation model Ⅱ-4

比较以上4种运行工况发现，前两种工况隧道内风速过大，且排烟竖井排烟效率低。当减少风机运行数目，并逆转排烟竖井下游风机后，隧道内的风速降低，火源附近风速接近临界风速。与工况Ⅱ-3相比，工况Ⅱ-4中减少了匝道风机运行，运行费用低。因此，区段2发生火灾时，采用工况Ⅱ-4模式，烟气控制效果好。

2.3区段3发生火灾时排烟系统运行方案的模拟评估

2.3.1运行工况Ⅲ-1

设计运行模式，竖井1送风，区段3内射流风机全开，驶入匝道射流风机送风，驶出匝道射流风机向外排风。

该运行模式下隧道内的风速分布如图14所示。由图14可以看出，该模式下，隧道内风速较大，有利于烟气的尽快排出，火源附近风速4.14 m/s，大于设计的临界风速值。

2.3.2运行工况Ⅲ-2

竖井1送风，区段3内射流风机全开，匝道风机停止运行。

该运行模式下的模拟结果如图15所示。由图15可以看出，与模式Ⅲ-1相比，匝道风机停止运行时，火源附近的风速变化不大，风速大于临界风速，说明烟气逆流得到了控制，火源下游风速较工况Ⅲ-1有所增加，烟气的排出效率有所提高，此工况下的烟气控制效果优于模式Ⅲ-1。该模式应为火灾发生在区段3的风机最佳运行模式。

图14运行工况Ⅲ-1模式下隧道内的风速分布

Fig.14Airflow speed in tunnel in operation model Ⅲ-1

图15运行工况Ⅲ-2模式下隧道内的风速分布

Fig.15Airflow speed in tunnel in operation model Ⅲ-2

3　结　论

通过对该多出入匝道城市地下道路不同区段火灾工况下不同排烟系统运行方案的模拟分析可以看出：

①对于该地下道路而言，火灾工况下排烟风机可不必全部运行即可达到火灾要求的临界风速值，且对于区段1和区段2而言，排烟竖井下游附近风机需逆转运行才能防止上游烟气向下游扩散，从而提高排烟竖井的排烟效率。

②若主线隧道发生火灾，匝道风机最好停止运行，以帮助主线隧道达到较好得控烟效果。

对于多出入匝道的城市地下道路，其排烟系统的设计和运行不能只依据普通公路隧道单一的需风量计算公式进行设计，应结合通风网络模型分析匝道的存在及不同的通风方式对隧道内气流的影响，找出最佳的系统运行方案，以实现最优的烟气控制效果。由于通风网络模拟只是一个一维的模拟软件，必要时可结合CFD模拟来对隧道内烟气的局部流动状况进行详细分析。

[1]钱七虎.建设特大城市地下快速路和地下物流系统—解决中国特大城市交通问题的新思路[J]. 科技导报，2004(4)：3-6.

[2]江晓东，崔凤安，吴文化.城市地下高速公路—解决城市交通机动化问题的新途径[J]. 城市交通，2003(3)：45-47.

[3]刘韵.城市地下快速道路建设动因分析[J]. 地下空间与工程学报，2006，2(8)：1293-1296.

[4]李炎锋，李俊梅，刘闪闪.城市交通隧道火灾工况特性及烟控技术分析[J]. 建筑科学，2012，28(11)：75-80.

[5]李俊梅，刘闪闪，许鹏，等.分岔角对地下道路火灾烟气蔓延影响模拟[J]. 消防科学与技术，2014, 33(6)：616-618.

[6]National Fire Protection Association.NFPA 502-Standard for road tunnels, bridges, and other limited access highways[S], Quincy：National Fire Protection Association，2014.

[7]World Road Association.Fire and Smoke Control in Road Tunnels[R]. France: World Road Association, 1999.

[8]The European Parliament and the Council.Directive 2004/54/EC: on minimum safety requirements for tunnels in the trans-European road network[S]. Brussels: The European Parliament and of the Council, 2004.

[9]招商局重庆交通科研设计院有限公司.JTG/T D70/2-02-2014公路隧道通风设计细则[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[10]上海隧道工程轨道交通设计研究院编制.道路隧道设计规范(DG/TJ08-2033-2008)[S]. 上海：上海市建筑建材市场管理总站，2008.

[11]李利军，董晓明，胡兆同.大跨径悬索桥承重构件公路火灾安全距离研究[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2014, 39(4): 886-893.

[12]EQUA Simulation AB.IDA tunnel—theoretical reference(version 4.5)[R]. Stockholm: EQUA Simulation AB, 2014.

(责任编辑唐汉民裴润梅)

Operation optimization of longitudinal smoke control system in urban underground traffic tunnel with multiple ramps

LI Jun-mei1,2, WANG Ji-dong1,2, FENG Xiao1, LI Yan-feng1,2, CHANG Jun3, LI Yan3, LIU Xiao-yang3

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Beijing Collaborative Innovation Center for Metropolitan Transportation,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;3.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute, Beijing 100082, China)

To study the effects of ramps on the efficiency of longitudinal smoke control systemin urban traffic tunnel, a tunnel ventilation network model is established. The smoke control effects indifferent fire scenarios are studied by the numerical method, and the most optimal ventilation strategy in each scenario isobtained. The results show that the critical wind velocity can be reached without all designed fans running, and the fans at the downward of the ventilation shaft need to run reversely to obtain high exhaust efficiency. The longitudinal smoke control system in the main tunnel and the smoke control systems in the ramp should run in combination for high efficiency in smoke control.

urban underground traffic tunnel; entry and exit ramp; longitudinal smoke control

2016-01-05；

2016-05-23

国家自然科学基金项目资助(51278018)； 北京市自然科学基金—北京市科学技术研究院联合资助项目(L140002)；高等学校博士学科点专项科研基金项目(20121103110024)

李俊梅(1970—)，河南新密人，北京工业大学副教授，博士；E-mail: lijunmei@bjut.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1162

TU83

A

1001-7445(2016)04-1162-08

引文格式：李俊梅，王继东，冯霄,等.某多匝道城市地下道路纵向排烟系统运行优化[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1162-1169.