近间距双洞单向隧道洞口火灾烟气流动分析

付 召 王子云



近间距双洞单向隧道洞口火灾烟气流动分析

付 召 王子云

（四川大学建筑与环境学院 成都 610065）

对洞口间距小，双洞单向公路隧道火灾排烟工况进行研究，通过对不同工况火灾隧道排烟风速及运营隧道通风速度下的火灾烟气流动利用计算流体动力学进行模拟分析，得出了双洞单向隧道排烟风速与通风风速之间的影响关系，并利用该关系对排烟及通风设计进行了优化，有效地减少了非着火隧道的吸入烟气量，确保了运营隧道的空气品质。结果对该类型公路隧道工程排烟通风设计具有一定参考价值。

双洞单向隧道；排烟风速；通风速度；数值模拟

0 引言

目前我国已成为世界上隧道数最多的国家[1]。隧道的发展给人们出行带来了极大的便利，但同时隧道火灾也给人们带来了极大的危害。近年来国内发生过多起隧道火灾事故，如2007年重庆大学城隧道因客车自燃使得6人受伤，1辆中巴车烧毁；2011年甘肃第七道梁隧道2辆罐车追尾着火造成了4人死亡，1人受伤，3辆车烧毁的严重后果；2014年山西岩后隧道因甲醇车追尾引发火灾，造成了31人死亡，9人失踪，42辆车烧毁的惨剧[2]。减少隧道火灾发生时的危害是人们不断探究的课题。根据相关研究，火灾时的烟气是导致人员死亡的主要原因[3]，故迅速排出火灾烟气，并保持隧道内安全的空气环境是减小火灾危害的重要手段。

双洞单向隧道在生活中已十分常见，目前广泛采用的纵向排烟方式已趋于成熟[4]。但对于双洞间距较近，在一侧隧道保持正常运营通风时，火灾侧隧道排出的烟气难免会有部分被吸入运营隧道，造成相邻隧道空气品质下降。因此，有必要对着火隧道的排烟风速以及运营隧道的通风风速进行研究，确保烟气不被吸入相邻隧道。

本文基于某实际双洞单向隧道工程，利用FDS火灾模拟软件[5]对其火灾排烟工况进行研究，得出了双洞单向隧道排烟风速与运营风速之间的影响关系并利用该关系优化了排烟及通风设计，对该类型隧道工程排烟通风设计具有一定参考价值。

1 模型及参数设置

结合工程实际，该双洞单向隧道平面尺寸，火源面积大小及位置（=0，贴地面），温度测点位置（=1.8m）如图1所示，火源热释率设置为20MW。该隧道出口立面尺寸如图2所示。同时在=1.8m高度处设置温度水平剖面。

图1 双洞单向隧道平面图

图2 双洞单向隧道出口立面图

2 理论计算分析

2.1 临界风速计算

临界风速是纵向排烟工程中一个极为重要的参数[6]。本文采用Heselden&Kennedy公式[7]计算临界风速，如式（1）～（2）所示。

其中，v是临界风速，m/s；k为坡度修正系数，平坡和上坡取1.0，下坡取1+0.0374grade0.8；grade为百分比形式表示的隧道坡度对应的正切值；为无量纲系数，为0.61；为重力加速度，9.81m/s2；为火源热释放速率，kW；为隧道截面净高，m；0为周围空气密度，1.163kg/m3；c为定压比热容，1.005kJ/kg·K；为隧道通风面积，m2；T为烟气温度，K；0为环境空气温度，293K。对于本模型，k取1.0；取0.61；取9.81m/s2；取20000kW；取6.7m；0取1.163kg/m3；c取1.005kJ/kg·K；为54.94m2；带入数据计算得临界风速v=2.17m/s。

2.2 通风风速计算

运营通风风速由《公路隧道通风设计细则》（JTG/T D70/2-02-2014）[8]中公式6.2.2-6.4.2确定。计算取隧道全长为3km，假设不同车型交通量如下表1设置。分别计算得稀释隧道烟雾所需风速v(VI)=0.56m/s；稀释隧道CO所需风速v(VO)=0.42m/s；为保持隧道内较高空气舒适标准，换气次数取为5次/h，计算得稀释隧道内空气异味所需风速v=4.2m/s。

表1 不同车型交通量

3 模拟数据分析

3.1 温度分布云图分析

运营通风风速v=4.0m/s，排烟风速分别为=2.5m/s，4.5m/s，6.5m/s时温度分布如图3所示。排烟风速v=2.5m/s，运营通风风速v=4m/s，3m/s，1.5m/s时温度分布如图4所示。为便于分析，温度凡是高于30℃时均设置为红色。

图3 vt=4.0m/s时，vp=2.5m/s，4.5m/s，6.5m/s（从左至右）时隧道空气温度分布

分析图3可知，若不考虑双洞相互影响，将v设置为4.0m/s，v设置为2.5m/s，这将导致大量烟气被吸入运营隧道，通风效果适得其反；当将v增加到4.5m/s时，运营隧道高温空气范围更广，即此时有更多烟气进入运营隧道；当将v增加到6.5m/s时，运营隧道空气温度均在30℃以下，即基本无烟气进入运营隧道。

图4 vp =2.5m/s时，vt =4m/s，3m/s，1.5m/s（从左至右）时隧道空气温度分布

分析图4可知，将v由4m/s降低到3m/s时，运营隧道高温空气范围减少，即进入运营隧道的烟气量有一定减少，当v降低到1.5m/s时，运营隧道空气温度均在30℃以下，即基本无烟气进入运营隧道。

3.2 临界通风风速及临界排烟风速确定

运营通风风速v=4.0m/s时，改变右侧隧道排烟风速v，运营隧道=4.2m，=1.8m，=0～18m长度范围内温度分布如图5所示。

图5 运营隧道内X=4.2m，Z=1.8m，Y=0～18m长度范围内空气温度变化（vt =4.0m/s）

由上图可知，随着距洞口距离增大，隧道空气温度逐渐降低；在v由2.5m/s增大到7m/s的过程中，运营隧道空气温度先升高再逐渐降低，即进入运营隧道的烟气量先增加后逐渐减少；当v增大到6.5m/s时，隧道空气温度突降为与环境温度（20℃）基本一致，即基本无烟气进入正常运营通风隧道，称此时的v为临界排烟风速v。当v一定，v>v时，无烟气进入。改变v，得出不同v下相应的v，如下图6所示。

图6 不同vt下相应的vpl

v=3.0m/s时，改变右侧隧道v，运营隧道=4.2m，=1.8m，=0～18m长度范围内温度分布如图7所示。

图7 运营隧道内X=4.2m，Z=1.8m，Y=0～18m长度范围内空气温度变化（vp =3.0m/s）

由图7可知，在v由3m/s降低到1m/s的过程中，当v降低到1.5m/s时，隧道空气温度突降为与环境温度（20℃）基本一致，即基本无烟气进入正常运营通风隧道，称此时的v为临界通风风速v。当v一定，v<v时，无烟气进入。改变v，得出不同v下相应的v，分析可得不同v下v均为1.5m/s。

根据上述计算及分析，若不考虑双洞排烟与通风之间的相互影响，分别按照各自的排烟及通风需求进行设计，可能会导致火灾隧道烟气被吸入相邻保持正常运营通风隧道，通风效果适得其反。当以满足高质量空气品质为目的，保持v=4m/s时，为使烟气不被吸入，需将v增大到6.5m/s，从图3可知此时无烟气吸入。但v增大过多，既增加了风机能耗，又影响了下游烟雾分层，增大了下游烟雾的紊乱程度，不利于人员疏散。当以大于临界风速作为纵向排烟要求，保持v=2.5m/s时，为使烟气不被吸入，需将v降低至1.5m/s，从图4可知此时无烟气吸入，虽然此时v<v，但v>v()及v> v(co)，即虽不能保证隧道内较高的空气品质，但能保证隧道烟雾及CO浓度满足标准要求，同时由于风速较小，轴流风机能耗较低，故在相邻隧道火灾时短时间内采用降低运营隧道v方式进行通风是可行的。

4 结语

本文对双洞单向隧道排烟与通风之间的关系进行了研究，得出如下结论：

（1）当双洞间隔较近时，一侧隧道的排烟对相邻侧的通风有一定影响，若不调整v或v，可能会导致火灾隧道烟气被吸入相邻保持正常运营通风隧道，影响通风效果。

（2）提出了临界通风速度v及临界排烟速度v，在v一定时，v>v；或在v一定时，v<v，即能保证烟气不被吸入运营通风隧道；一般情况下，减小v优于增大v。

（3）研究发现，当v略大于v时，进入运营隧道烟气量最多，当v远小于v或远大于v时，进入运营隧道烟气量较少，但由于降低v往往会低于临界风速，不能保证纵向排烟效果，故一般不采用。

[1] 王梦恕.中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J].隧道建设,2010,30(4):351-364.

[2] 赖金星,周慧,程飞,等.公路隧道火灾事故统计分析及防灾减灾对策[J].隧道建设,2017,37(4):409-415.

[3] 王友博.火灾烟气致死原因分析[J].消防科学与技术,2003,(S1):109-110.

[4] 张玉春,何川,曾艳华,等.特长公路隧道半横向排烟方式研究[J].公路隧道,2009,(1):55-58.

[5] KEVIN M G, BRYAN K, SIMO H, et al. Fire dynamics simulator(Version 5):user' s guide[M]. Gaithersburg, Maryland:National Institute of Standards and Technology, 2007.

[6] 周庆,倪天晓,彭锦志.公路隧道火灾时纵向通风排烟下临界风速问题探讨[J].湖南工业职业技术学院学报, 2011,11(3):3-6.

[7] 李建兴,李小江,邢金城,等.隧道火灾临界风速的理论计算与数值模拟[J].暖通空调,2009,39(5):33-35.

[8] 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,2014.

Smoke Movement Analysis of Entrances Belongs to Double Hole One-Way Tunnel in Close Space

Fu Zhao Wang Ziyun

( College of Architecture and Environment, Sichuan University, Chengdu, 610065 )

Analysis the smoke evacuation of double hole one-way tunnel in close space. Simulate several conditions through CFD and get the relationship between smoke evacuation velocity and ventilation velocity. Then optimize the design of smoke evacuation and ventilation and reduce the amount of smoke accessed into the operating tunnel effectively to ensure the air quality in operating tunnel. The results have some reference value for smoke evacuation and ventilation projects in such highway tunnels.

Double hole one-way tunnel; smoke evacuation velocity; ventilation velocity; CFD

U458.1

A

1671-6612（2018）02-109-04

付 召（1993.12-），男，在读硕士研究生，E-mail：282436807@qq.com

王子云（1972.11-），男，博士，副教授，E-mail：wzyfirst@163.com

2017-12-08