地下互通隧道火灾通风方案数值模拟研究

丁鸿志 陈研

摘要：依托建宁西路过江通道工程项目，研究建宁西路过江通道横江大道右线火灾场景下通风排烟方案。结果表明，当火源功率为30MW、火源位于主线时，仅开启主线车行下游的射流风机，纵向风速为3m/s时能有效排烟；当火源位于各匝道时，开启火源所在匝道的排烟口以及相邻匝道分岔口附近的射流风机，纵向风速为3～4m/s时可以有效控制烟气。

关键词：地下互通隧道；火灾；通风方案；FDS

为了缓解地面交通压力，我国城市地下隧道越来越多，地下隧道的结构形式也越来越复杂。在结构如此复杂多变的隧道内，一旦发生火灾，烟气的蔓延与长直隧道有很大区别，传统的烟气控制方式也不再适用。

董兴国等人[1]利用FDS软件，模拟分析UTLT隧道临界风速与火源功率、隧道水力直径和宽高比的关联式。华高英等人[2]对城市地下交通联系隧道纵向防排烟方案设计和全横向排烟方案设计进行了对比，提出了城市环隧防排烟方案设计的思路和方法。马尉翔[3]运用软件模拟分析了大型互通立交隧道火灾烟气蔓延规律和临界风速影响因素。朱廷宇[4]按火源位置及排烟组织的不同提出了不同的防灾救援通风方案及风速控制值。ZHONG等人[5]对自然通风地下空间中倾斜长大曲线隧道的火灾烟气蔓延进行了全尺寸实验研究。廖曙江等人[6]开展了全尺寸火灾实验，分析了横向排烟的烟控效果，并验证了Alpert顶棚最高温升衰减模型。WANG等人[7]运用数值模拟的方法，给出了曲线隧道内火源位于不同横向位置时的临界通风速度和烟气运动特征。路世昌和潘洁等人[8-9]分析了城市地下交通联系隧道中火灾烟气蔓延的特点及规律，通过数值模拟，对其通风系统设计提出了建议。邓涛[10]采用模型实验、理论分析以及数值模拟等方法，针对一种适用于互通隧道的匝道半横向主隧道纵向组合式通风方法，对分岔结构局部阻力系数、组合式通风方案和火灾烟气控制进行了研究。

本文依托南京市建宁西路过江通道工程项目，运用软件FDS，对建宁西路过江通道横江大道右线进行火灾场景下，不同热释放速率、射流风机开启方式条件下的烟气控制策略进行研究。

1 数值模拟

1.1  工程概况

建宁西路过江通道是南京江南主城对接江北核心区的重要通道，建宁西路过江通道主线隧道长度超5km，横江大道隧道长度超3km，惠民路隧道长度超过了2km，均为双向六车道，互通匝道长度均超过500m，其中横江大道为该工程的互通段之一，分为左右两线，由主线段、A匝道、B匝道、C匝道、D匝道组成。

1.2  模型搭建

运用软件SketchUp建立建宁西路过江通道横江大道右线全尺寸模型，导入软件FDS（见图1），其中主线段、A匝道、B匝道横断面尺寸分别为12.75m×6.70m、9.65m×6.26m、9.18m×6.43m，A匝道顶棚以及B匝道右侧壁设置有排烟口。考虑到该隧道的交通情况，火源功率选取30MW；产烟量按123.39m3/s计算，考虑1.2的安全余量，排烟量为148.06m3/s；纵向风速设置为0～4m/s，具体工况见表1。

结合FDS用户指南[11]，通过对不同网格大小的模型进行模拟后，考虑到计算时间的问题，最终选取网格大小为0.5m×0.5m×0.5m。

2 結果分析

2.1  火源位于主线

火源位于横江大道右线主线时，图2展示了火源位于主线时横江大道右线主线顶棚沿程温度分布，随着风速的增大，顶棚温度逐渐降低，当风速大于3m/s时，车行下游的温度降至环境温度，车行上游的温度逐渐趋于80℃。

2.2  火源位于A1匝道

当火源位于A1匝道时，见图3，由于烟囱效应的影响，更多的烟气向车行上游蔓延，车行上游的温度远高于车行下游，车行下游温度逐渐降至环境温度，且随着纵向风速的增大，温度逐渐降低。

2.3  火源位于A匝道中部

图4为火源位于A匝道中部时隧道顶棚温度分布图，A1匝道温度随B匝道纵向风速的增加而降低，当风速为4m/s时，温度逐渐降至50℃；B匝道纵向风速越大，温度降低越快，当风速大于2m/s时，烟气被限制在A、B匝道分岔口附近；A匝道内排烟口处温度均有所降低，但由于B匝道的纵向风速增大，导致更多的烟气向A匝道下游蔓延，使得温度升高。总体来看，当B匝道纵向风速为3～4m/s时，降温效果最好。

2.4  火源位于B匝道中部

图5为火源位于B匝道中间时横江大道右线各隧道段顶棚温度分布图，A1匝道内顶棚温度均低于75℃，A匝道风速达到3m/s时，温度最低；A匝道风速越大，温度越低，风速为3m/s左右时，降温效果最好；B匝道内排烟口处的温度均有所下降，限制了烟气的进一步扩散。

3 结论

通过数值模拟的方法研究建宁西路过江通道横江大道右线不同火源位置时的通风方案，得出以下结论：

当火源位于主线段时，由于主线车行上游存在敞开段，通过开启主线车行下游射流风机，将烟气排出洞口，纵向风速为3m/s时，能够有效防止烟气逆流和沉降。

当火源位于A1匝道时，烟囱效应的作用使得烟气向上坡方向蔓延并从匝道洞口排出，为了避免烟气逆流至A、B匝道，故开启A、B匝道内各一组风机，当纵向风速为3～4m/s时，能够有效降低温度并控制烟气。

当火源位于A匝道时，开启A匝道内所有排烟口以及B匝道内一组射流风机，当风速为3～4m/s时，能够防止烟气进入B匝道，并有效降低温度，但风速越大，越促使烟气向A匝道车行下游蔓延。

当火源位于B匝道时，由于烟囱效应，较少的烟气会蔓延至A匝道，而更多的烟气蔓延至A1匝道，开启B匝道内的所有排烟口以及A匝道内一组射流风机，当纵向风速为3m/s时，能够有效降低隧道内温度，烟气通过匝道洞口以及B匝道内排烟道排出，但此风速下会促使A1匝道内烟气沉降。

參考文献：

[1]董兴国，王伟，李思成.城市地下交通联系隧道临界风速关联式的建立与验证[J].建筑科学，2014，30（6）：83-86+107.

[2]华高英，李磊，南化祥，等.城市地下交通联系隧道防排烟设计分析[J].建筑科学，2014，30（9）：88-92.

[3]马尉翔.大型互通立交隧道火灾烟气迁移规律及控制研究[D].成都：西南交通大学，2015.

[4]朱廷宇.大型地下互通运营与防灾通风技术研究[D].成都：西南交通大学，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，翁庙成，等.城市地下交通联系隧道烟气控制探讨[J].安全与环境学报，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，倪照鹏，刘万福，等.城市地下交通联系隧道火灾烟气控制试验研究[J].消防科学与技术，2018，37（4）：468-471.

[9]潘洁.城市地下交通联系隧道通风排烟方式的研究[J].智能城市，2020，6（24）：111-112.

[10]邓涛.地下互通隧道组合式通风方法及其控制技术研究[D].成都：西南交通大学，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