隧道口紧急救援站主洞与平导隧道协同送风方案研究

王 勇,刘家平,杨 成,郭 辉,姜学鹏*

(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.武汉科技大学消防安全技术研究所,湖北 武汉 430081;3.中铁第四勘察设计院集团有限公司建筑与城市规划设计研究院,湖北 武汉 430063)

截止2020年,我国投入运营的长度超20 km的隧道11座,在建长度超20 km的隧道10座,规划长度超20 km的隧道37座。隧道口紧急救援站通常设置在超过20 km特长铁路隧道明线段,其地理位置偏僻,地质条件复杂,一旦列车发生火灾,救援力量短时间内难以到达现场,尤其当人员通过平导隧道及横通道进行应急疏散并等待救援时,需长时间保证隧道内环境满足人员疏散的要求。隧道口紧急救援站通过在隧道主洞、疏散通道及平导隧道内加压防烟送风将烟气控制在明线段,以实现人烟分离,保证人员安全疏散[1-2]。因此,隧道口紧急救援站防烟送风系统是保证人员生命与财产安全的关键因素。

部分学者对隧道口紧急救援站防灾通风系统进行了相关研究。如:李琦等[3]研究不同明线段长度下烟气对隧道内环境的影响,得到了无需设防灾通风系统的隧道主洞洞口距离;Yang等[4]通过研究明确了隧道口紧急救援站主洞射流通风机、中间通风通道和救援平行掘进分离通风通道3种方案中主洞射流通风机方案为最佳;王成哲等[5]研究了隧道风道式通风,得到风道间距为两倍隧道正洞当量直径时,送风速度较大、速度不均匀系数较小;王峰等[6]通过研究单洞双线隧道紧急救援站横通道风流的分布规律,明确了救援站横通道风速分布呈现W型,中部和两端横通道内风速较大,两侧风速较小,并提出了一种优化的平导救援站防灾通风方案;赵东平等[7]研究了铁路隧道防灾通风射流风机安装位置对通风效果的影响;姜学鹏等[8]推导了铁路隧道横通道临界风速与隧道纵向风速、火灾热释放率、横通道防火门高度及宽度、横通道与隧道夹角的无量纲函数关系式;Tarada等[9]通过研究指出隧道口紧急救援站横通道风速达到2.0～2.5 m/s时可保证无烟气侵入横通道;田伟等[10]研究发现主隧道纵向送风时,平导隧道协同送风可以有效抑制烟气进入横通道。

上述研究多以隧道口紧急救援站通风排烟为主,对隧道口紧急救援站防烟送风的研究较少,且对隧道横通道防护门处防烟风速的研究多为各横通道内采用风机单独送风,对平导隧道采用射流风机向横通道送风的研究较少,且未考虑隧道口紧急救援站主洞送风与平导隧道射流风机送风耦合时,隧道主洞洞口及各防护门处防烟风速是否仍满足隧道防灾通风要求。隧道各横通道内采用风机单独送风相较于平导隧道采用射流风机向横通道送风的方案,需要设置大量的通风设备,且由于隧道口紧急救援站特殊的地理位置,其日常运营维护成本较高,经济适用性较差。因此,针对以上不足,在保证隧道口紧急救援站防烟通风系统安全有效的前提下,为了提高其经济适用性,本文以某隧道口紧急救援站为实际工程背景,提出了一种适用于隧道口紧急救援站的隧道主洞与平导隧道协同送风方案,利用FDS数值模拟软件探究了平导隧道内射流风机距邻近横通道不同距离下各防护门处防烟风速的变化规律,以及隧道主洞与平导隧道协同送风条件下隧道主洞洞口处和横通道各防护门处防烟风速的变化规律,并确定了射流风机距邻近横通道的临界长度、隧道主洞及平导隧道射流风机的送风量等关键设计参数。

1 数值建模

1.1 隧道工程概况

某隧道群长24.54 km,在隧道群出口段至进口段设置长878 m的紧急救援站,明线段长51.1 m;在紧急救援站明线段两侧对称设置6处横通道及1处平导通道;隧道主洞截面积为105 m2,平导隧道截面积为22.5 m2,各横通道间距为60 m,平导隧道洞口距邻近横通道为200 m,各防护门尺寸均为2 m×2 m。该隧道截面示意图如图1所示。

图1 某隧道截面示意图Fig.1 Schematic diagram of a tunnel section

隧道口紧急救援站的隧道主洞与平导隧道协同送风方案如下:隧道主洞内设置射流风机或风道向明线段送风,满足隧道主洞洞口处防烟风速的要求;平导隧道内设置射流风机送风,横通道各防护门处防烟风速由平导隧道分流至各横通道的风流提供。其协同送风示意图如图2所示。

图2 隧道口紧急救援站隧道主洞与平导隧道协同 送风示意图Fig.2 Schematic diagram of coordinated air supply for main tunnel and parallel adit of tunnel of the emergency rescue station of the tunnel entrance

1.2 数值建模与边界条件设置

本文利用FDS软件建立了该隧道口紧急救援站平导隧道及疏散通道全尺寸数值模型。边界条件设置如下:隧道壁面设置为“CONCRETE”,即混凝土表面;列车车体设置为“STEEL”,即钢结构材质;明线段与外界相接,隧道各洞口及明线均设置为与外界相通的开口边界“OPEN”;隧道内各固体表面和空气的初始温度设置为20 ℃,大气压设置为101.325 kPa的标准大气压。

1.3 模拟工况设置

着火列车位于隧道口紧急救援站明线段中点,列车火灾热释放速率取15 MW,火源设置于列车外底部中间位置[7],火源尺寸为5 m(长)×2 m(宽),为稳态火,火灾发生后平导隧道内射流风机向洞内送风,取隧道内各处的风速等参数均达到稳定状态下的模拟数据值进行探讨。

基于该隧道隧道口紧急救援站工程,研究平导隧道内射流风机距邻近横通道间距、平导隧道内射流风机不同送风量(分别取SDS-11.2T-4P-30、SDS-12.5T-4P-45、SDS-14T-8P-55、SDS-16T-6P-75型射流风机迭代计算)与隧道主洞内射流风机不同送风风速协同送风条件下,平导隧道和疏散通道内速度场的空间分布及其随时间的变化规律。模拟工况设置如表1所示。

表1 隧道主洞与平导隧道协同送风工况设置

1.4 网格独立性分析

网格尺寸是影响FDS软件计算结果的关键因素。已有研究表明网格尺寸在1/16D*～1/4D*时,模拟结果与试验结果非常吻合[10-11]。火源特征直径D*的计算公式为

(1)

式中:D*为火源特征直径(m);W为火源热释放速率(kW);T0为环境温度(K),取293 K;ρ0为空气密度(kg/m3),取1.2 kg/m3;cp为空气定压热容[kJ/(kg·K)],一般取1.02 kJ/(kg·K);g为重力加速度(m/s2),取9.81 m/s2。

将W=15 000 kW代入式(1),通过计算得到将网格尺寸设置在0.176～0.705 m范围内较合适,考虑到火源附近热力学参数的变化较大,将近火源区域(±20 m范围)网格尺寸加密可使模拟结果更精确,故进行网格独立性分析后,考虑模拟时间长短及结果准确性,将近火源区域网格尺寸设置为0.25 m×0.25 m×0.25 m,将火源远端区域网格尺寸设置为0.5 m×0.5 m×0.25 m。

2 模拟结果与分析

2.1 射流风机距邻近横通道的临界长度分析

不同射流风机位置时平导隧道内横通道各防护门处风流分布,如图3所示。

图3 不同射流风机位置时平导隧道内横通道各防护门处风流分布图Fig.3 Air flow distribution at the protective door of parallel adit of tunnel and transverse passage under different positions of jet fan

由图3可以看出:当平导隧道采用射流风机送风时,由于射流风机出口风速较大,风流从射流风机送出时,平导隧道截面的上部区域风速较大,下部区域风速较小且基本为0 m/s;当横通道距射流风机较近时,横通道处于该下部区域风速为0 m/s范围内,导致平导隧道分流至横通道的风量较小,该范围内横通道防护门处防烟风速较小且小于2 m/s;当横通道距射流风机的距离过近时,受平导隧道上部区域风速过大的影响,射流风机会卷吸横通道内空气流向平导隧道,导致平导隧道与主隧道之间压力差反向,形成反向防烟风速(风向由主隧道吹向平导隧道);随着横通道距射流风机的距离增大,射流风机送出的风流在平导隧道内有足够距离扩展至平导隧道全断面,并在断面内形成均匀分布的风流,而分流至各横通道的风流较均匀,使横通道防护门处防烟风速逐渐变大且大于2 m/s。

因此,本文将使横通道各防护门处防烟风速均大于或等于《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》(TB 10020—2017)[2](下文中简称《规范》)要求的2 m/s防烟风速时,平导隧道内射流风机距邻近横通道的距离,称为射流风机距邻近横通道的临界长度。

不同工况下平导隧道内横通道各防护门处防烟有效风量随射流风机距邻近横通道距离的变化曲线,如图4所示。

图4 不同工况下平导隧道内横通道各防护门处防烟有效 风量随射流风机距邻近横通道距离的变化曲线Fig.4 Change curves of the effective air volume at the protective door of parallel adit of tunnel with the distance between the jet fan and the adjacent transverse channel under different working conditions

由图4可以看出:

1) 当平导隧道内射流风机送风量由29.9 m3/s增大至61.9 m3/s时,距射流风机较远的四处横通道防护门处防烟有效风量的变化规律保持一致,均随着射流风机距邻近疏散通道距离的增大而减小,且均满足防护门处防烟有效风量大于8 m3/s的要求(即防烟风速大于2 m/s);而距射流风机较近的两处横通道防护门处,由于距射流风机的距离太近,风流主要集中在平导隧道的上部区域,风流未扩展至平导隧道全断面,导致两处横通道防护门处防烟有效风量小于8 m3/s(即防烟风速小于2 m/s),这是由于不满足防护门处防烟有效风量的要求,当距射流风机的距离过小时,这两处防护门与平导隧道形成反向压力差,导致横通道防护门处防烟风速小于0,即风向由主隧道吹向平导隧道。

2) 另外,当射流风机送风量由29.9 m3/s增大至61.9 m3/s时,射流风机距邻近横通道的临界长度由约140 m减小至115 m,即基于保证各疏散通道防护门处大于2 m/s的防烟风速要求,说明平导隧道内射流风机距邻近疏散通道的距离应大于140 m。

3) 平导隧道内射流风机送风在风流运动140 m后逐渐稳定,能够在平导隧道断面形成较为均匀的风流,但是风流的运动趋势还是沿着平导隧道方向,只有部分风量向横通道防护门分流,由于6#防护门处于平导隧道末端,剩余的风量碰撞墙壁后涌入最近的6#防护门,所以就会表现出6#防护门处有效风量最大的规律。

2.2 横通道各防护门处防烟风速分析

不同工况下平导隧道内横通道各防护门处防烟有效风量随隧道主洞送风风速的变化曲线,如图5所示。

图5 不同工况下平导隧道内横通道各防护门处防烟 有效风量随隧道主洞送风风速的变化曲线Fig.5 Change curves of the effective air volume at each protective door of the parallel adit of tunnel with the air velocity of the main tunnel under different working conditions

由图5可以看出:

1) 当隧道口紧急救援站平导隧道内射流风机的送风量由29.9 m3/s增大至61.9 m3/s时,随着隧道主洞的送风风速由1 m/s增大至8 m/s,横通道2#至6#防护门处的防烟风速呈减小趋势;随着隧道主洞送风风速的增大,横通道各防护门(2#至6#防护门)距隧道主洞洞口的距离越远,横通道各防护门处防烟风速减小的趋势越大,仅横通道1#防护门处防烟风速呈增大的趋势,这是因为当隧道主洞送风风速较小时,横通道各防护门处的送风风速由于主要受平导隧道内射流风机防烟风速的影响,横通道各防护门处距平导隧道洞口的距离越远,防烟风速越大,即横通道各防护门处防烟风速表现为6#防护门>5#防护门>4#防护门>3#防护门>2#防护门>1#防护门。

2) 随着隧道主洞送风风速的增大,对平导隧道经横通道防护门分流至隧道主洞的风流产生的抑制作用变大,且受横通道位置的影响,距隧道主洞洞口的距离越近,横通道防护门处受到的抑制作用越小,但当隧道主洞送风风速达到某临界范围时,横通道各防护门处防烟风速基本保持一致,这是因为平导隧道内射流风机送风风量越大,使得横通道各防护门处防烟风速基本保持一致的隧道主洞送风风速的临界值越大,横通道各防护门处防烟风速越大;随着隧道主洞平均风速超过该临界范围并逐渐增大,此时横通道各防护门处防烟风速主要受隧道主洞送风风速的影响,且随着横通道各防护门距隧道主洞洞口的距离越近,防烟风速越大,即横通道各防护门处防烟风速表现为1#防护门>2#防护门>3#防护门>4#防护门>5#防护门>6#防护门。

由上述分析可知,当隧道口紧急救援站平导隧道内射流风机送风量分别为29.9、41.6、49.6、61.9 m3/s,隧道主洞送风风速分别小于2、5、7、8 m/s时,横通道各防护门处防烟风速均大于2 m/s。

2.3 隧道主洞洞口处防烟风速分析

不同工况下隧道主洞洞口处防烟有效风量随隧道主洞送风风速的变化曲线,如图6所示。

图6 不同工况下隧道主洞洞口处防烟有效风量随隧道 主洞送风风速的变化曲线Fig.6 Change curves of the effective smoke-proof air volume at the entrance of the main tunnel with the air velocity of the main tunnel under different working conditions

由图6可以看出:

1) 当隧道主洞送风风速由1 m/s增大至8 m/s,平导隧道内射流风机集中送风量由29.9 m3/s增大至61.9 m3/s时,隧道主洞洞口处防烟有效风量呈线性增长的趋势,且隧道主洞洞口处防烟有效风量大于隧道主洞送风量,这是由于平导隧道内射流风机送风量经横通道分流后进入隧道主洞,与隧道主洞送风量叠加后在主洞洞口处形成防烟风速;随着隧道主洞送风风速的增大,平导隧道内射流风机不同送风量条件下隧道主洞洞口处防烟风速的差距减小,这是由于隧道主洞送风风速较小时,平导隧道经横通道分流至隧道主洞的风量对主洞洞口处形成的有效防烟风速影响较大,随着隧道主洞送风风速增大,对平导隧道分流至隧道主洞风量的抑制作用越大,导致隧道主洞洞口处防烟风速主要受隧道主洞送风风速的影响。

2) 受平导隧道内射流风机送风量与隧道主洞送风量叠加的影响,当隧道主洞送风风速小于2 m/s或8 m/s时,隧道主洞洞口处防烟风速即可达到2 m/s或8 m/s。

不同隧道主洞送风风速和平导隧道内射流风机送风量条件下隧道主洞洞口处防烟风速分布,如图7所示。

通过分析图7可知:由于实际中隧道的壁面是有粗糙度的,而流体也有一定的黏性,所以造成紧靠隧道壁面处流体速度趋于0,由于流体黏性的作用,从隧道壁到隧道截面中心,流体速度将有一定的梯度变化(从0到最大值),当靠近隧道截面中心时流体速度应该达到最大值。因此,当隧道主洞送风风速达到7 m/s时,隧道主洞洞口截面部分区域的防烟风速超过8 m/s,将会影响人员疏散。

通过分析图6和图7可知:当平导隧道内射流风机送风量为29.9 m3/s至61.9 m3/s,隧道主洞送风风速为2 m/s至6 m/s时,隧道主洞洞口处平均防烟风速满足《规范》规定的最大及最小防烟风速的要求。

2.4 隧道主洞与平导隧道协同送风参数确定

基于有效防烟以及利于人员疏散的原则,隧道口紧急救援站隧道主洞和平导隧道内横通道防护门处最小防烟风速不应小于2 m/s,最大防烟风速不宜大于8 m/s[2]。通过研究隧道口紧急救援站平导隧道内射流风机距邻近横通道的临界长度和隧道主洞内不同送风风速(1～8 m/s)与平导隧道内射流风机不同送风量(29.9～61.9 m3/s)协同送风工况,明确了隧道主洞洞口处和平导隧道内横通道各防护门处防烟风速的变化规律,确定了同时满足《规范》要求的隧道主洞洞口处和横通道各防护门处防烟风速的协同送风方案如下:射流风机距邻近横通道的距离为140 m,平导隧道内射流风机送风量为29.9 m3/s、隧道主洞送风风速为2 m/s时,平导隧道内射流风机送风量为41.6 m3/s、隧道主洞送风风速为2～5 m/s时,平导隧道内射流风机送风量为49.6 m3/s、隧道主洞送风风速为2～6 m/s时,平导隧道内射流风机送风量为61.9 m3/s、隧道主洞送风风速为2～6 m/s时。

采用合理的协同送风方案时,隧道各处防烟风速均满足《规范》的要求,详见表2。当平导隧道内射流风机送风量为29.9 m3/s、隧道主洞送风风速为2 m/s时协同送风方案的防烟效果,如图8所示。

表2 隧道主洞与平导隧道合理的协同送风参数汇总表

图8 射流风机送风量为29.9 m3/s、隧道主洞送风风速 为2 m/s时的防烟效果图Fig.8 Smoke control effect diagram of the jet fan with the supply air volume of 29.9 m3/s and the supply air velocity of the main tunnel of 2 m/s

由图8可以看出:当平导隧道内射流风机送风量为29.9 m3/s、隧道主洞送风风速为2 m/s时,列车火灾烟气均控制在隧道口紧急救援站明线段处向上蔓延,不会侵入隧道主洞,且隧道内的温度及能见度均维持不变,满足温度小于60 ℃、能见度大于10 m的隧道内疏散环境控制指标的要求。

此外,本文在确保防灾通风方案安全有效的前提下,考虑其经济实用性,确定了隧道主洞与平导隧道协同送风的最优防烟通风方案为:射流风机距邻近横通道的距离为140 m、平导隧道内射流风机送风量为29.9 m3/s、隧道主洞送风风速为2 m/s。

3 结 论

本文以某隧道口紧急救援站为依托工程,提出了一种适用于隧道口紧急救援站的隧道主洞与平导隧道协同送风方案,通过对隧道口紧急救援站平导隧道内射流风机距邻近横通道不同临界长度(40～180 m)和隧道主洞内不同送风风速(0～8 m/s)与平导隧道内射流风机不同送风量(29.9～61.9 m3/s)协同送风工况进行数值模拟研究,得到主要结论如下:

1) 横通道各防护门处防烟有效风量之和与射流风机送风量呈正比关系,随着距平导隧道洞口的距离由160 m减小至20 m,横通道各防护门处防烟有效风量之和与射流风机送风量的比例由1.85增大至2.21。

2) 平导隧道内射流风机送风量大于或等于29.9 m3/s、射流风机距邻近横通道的距离大于或等于140 m时,6处疏散通道防护门处防烟风速均满足《规范》的要求。

3) 确定了隧道主洞与平导隧道协同送风的最优防烟通风方案为:射流风机距邻近横通道的距离为140 m、平导隧道内射流风机送风量为29.9 m3/s、隧道主洞送风风速为2 m/s。