黃超,余朝陽(yáng)
(川藏鐵路有限公司,四川 成都610045)
我國(guó)鐵路尤其是高速鐵路正在快速發(fā)展,鐵路建設(shè)過(guò)程中長(zhǎng)大隧道的規(guī)模與數(shù)量也大幅度增加。眾所周知,隧道內(nèi)空間狹小且密閉,列車(chē)內(nèi)更是人員密集地,而動(dòng)車(chē)組的窗戶(hù)基本無(wú)法快速直接打開(kāi),一旦發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)性更大[1-3]。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后急需進(jìn)行通風(fēng),目前隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算多采用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算,僅考慮了線(xiàn)性問(wèn)題,未考慮風(fēng)流過(guò)程中空間在橫斷面上對(duì)風(fēng)速形成的影響。因此,以某單洞雙線(xiàn)隧道救援站為例,探討通過(guò)利用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果以及三維數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)性結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,為隧道結(jié)構(gòu)通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。
某隧道為單洞雙線(xiàn)隧道,全長(zhǎng)約23 km,根據(jù)規(guī)范要求隧道內(nèi)設(shè)計(jì)了救援站。為實(shí)現(xiàn)防災(zāi)救援,在該段隧道左右兩側(cè)各設(shè)置1條輔助導(dǎo)坑,同時(shí)設(shè)置橫通道用于連接正洞和輔助導(dǎo)坑,左右兩側(cè)各設(shè)置11條,間隔50 m。救援站左側(cè)救援通道直接與通向隧道外的輔助導(dǎo)坑相連,右側(cè)救援通道利用新建下穿正洞的聯(lián)絡(luò)通道與輔助導(dǎo)坑相連。救援站范圍隧道正洞拱部上方設(shè)置排煙平導(dǎo),排煙平導(dǎo)通過(guò)正洞拱頂?shù)呢Q井與正洞相接,豎井間距約為100 m,共設(shè)置6個(gè),最終排煙平導(dǎo)通過(guò)約500 m長(zhǎng)的排煙斜井接出洞外。救援站布置見(jiàn)圖1。
圖1 救援站布置示意圖
假設(shè)右線(xiàn)行駛的列車(chē)在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi),并??吭诰仍居覀?cè),根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]要求,在隧道救援站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后根據(jù)列車(chē)行進(jìn)方向開(kāi)啟對(duì)應(yīng)一側(cè)的救援疏散通道,同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)排煙,并保證每道防護(hù)門(mén)風(fēng)速不低于2 m/s。
為滿(mǎn)足要求,利用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)程序經(jīng)過(guò)多次試算得出隧道主洞、橫洞的需風(fēng)量與排煙斜井的排風(fēng)量(試算時(shí)未考慮自然風(fēng)),計(jì)算結(jié)果所得邊界條件見(jiàn)圖2[5]:隧道進(jìn)口方向送風(fēng)風(fēng)速為0.17 m/s、出口方向送風(fēng)風(fēng)速為0.18 m/s、橫洞送風(fēng)風(fēng)速為8.24 m/s、排煙斜井抽風(fēng)風(fēng)速為6.29 m/s。
圖2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)程序計(jì)算所需風(fēng)速
2.2.1 三維數(shù)值模擬條件
三維數(shù)值計(jì)算利用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulation)對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。FDS中默認(rèn)的燃燒模型為混合分?jǐn)?shù)(mixture fraction)燃燒模式;FDS對(duì)于輻射換熱過(guò)程,使用類(lèi)似于有限體積的方法求解非散射灰體輻射換熱方程[3]。
NIST開(kāi)展了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證FDS的火災(zāi)模擬預(yù)測(cè)能力。所有全尺寸試驗(yàn)結(jié)果均表明FDS在一定程度上能相對(duì)完美地進(jìn)行火災(zāi)模擬。
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)火災(zāi)熱釋放速率及有關(guān)列車(chē)的實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)研[6-13]以及Helbing等[14-16]研究結(jié)果分析,設(shè)定發(fā)生火災(zāi)時(shí)的最大熱釋放速率為15 MW[17]。
計(jì)算中做以下假定[3]:
(1)隧道火災(zāi)前,隧道內(nèi)風(fēng)流和溫度處于相對(duì)均勻的狀態(tài);
(2)機(jī)械通風(fēng)引起的風(fēng)流以及燃燒產(chǎn)生的煙氣均視為理想氣體;
(3)煙氣產(chǎn)生后不產(chǎn)生二次化學(xué)反應(yīng);
(4)隧道襯砌干燥、無(wú)滲透;
(5)忽略小型阻礙物、壁面設(shè)施和人員運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)流的影響作用;
(6)忽略燃燒過(guò)程中隧道內(nèi)氧含量對(duì)火源的熱釋放速率以及產(chǎn)煙量的影響。
假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為鋼筋混凝土,實(shí)體邊界定為熱厚邊界條件,并且假定實(shí)體外面溫度與設(shè)定的環(huán)境溫度相同,設(shè)定為20℃,并保持恒定不變,進(jìn)入計(jì)算區(qū)域的新風(fēng)溫度也保持20℃。
利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS按照全尺寸建立模型(見(jiàn)圖3),由于在右線(xiàn)發(fā)生火災(zāi)時(shí),左線(xiàn)橫通道全部處于關(guān)閉狀態(tài),故在建立模型時(shí)只建立了風(fēng)流流經(jīng)的部分(正洞、右線(xiàn)橫通道、右線(xiàn)2號(hào)救援平導(dǎo)、排煙豎井以及排煙斜井)。計(jì)算模型從列車(chē)發(fā)生火災(zāi)并??吭诰仍緝?nèi)時(shí)開(kāi)始計(jì)算,同時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)和橫通道門(mén)。邊界條件根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。
圖3 FDS三維建模模型圖
2.2.2 原方案模擬
根據(jù)FDS計(jì)算結(jié)果得出:在作為主進(jìn)風(fēng)口的2號(hào)救援平導(dǎo)聯(lián)絡(luò)通道側(cè)的5#橫通道門(mén)處風(fēng)速相當(dāng)不穩(wěn)定,而且在模擬計(jì)算25 min過(guò)程中大部分時(shí)間風(fēng)速達(dá)不到2 m/s;同時(shí)6#橫通道門(mén)處風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求,模擬過(guò)程中各處橫通道防護(hù)門(mén)處風(fēng)速見(jiàn)圖4。
圖4 各橫通道門(mén)處風(fēng)速圖
5#和6#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖見(jiàn)圖5和圖6。
利用FDS軟件查看平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖,可以看到5#、6#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)斷面上風(fēng)速分布相當(dāng)不均勻,在橫通道門(mén)側(cè)風(fēng)速很小,而在遠(yuǎn)離橫通道側(cè)墻壁附近風(fēng)速可達(dá)8 m/s。這種分布造成分風(fēng)中風(fēng)流很難進(jìn)入5#和6#橫通道,故需調(diào)整原方案。
圖5 5#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖
圖6 6#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖
2.2.3 調(diào)整方案模擬
調(diào)整方案首先考慮將橫通道間距加大,布置在風(fēng)速分布相對(duì)均勻的地方。規(guī)范規(guī)定橫通道間距最大為60 m,故將5#橫通道向隧道進(jìn)口方向移動(dòng)5 m,6#橫通道向隧道出口方向移動(dòng)5 m,5#橫通道和6#橫通道間調(diào)整為60 m。計(jì)算結(jié)果顯示5#、6#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)斷面上風(fēng)速分布相較移動(dòng)之前分布差距有所縮小,但仍不均勻,在橫通道門(mén)側(cè)風(fēng)速很小,而在遠(yuǎn)離橫通道側(cè)墻壁附近風(fēng)速可達(dá)6 m/s。移動(dòng)之后5#橫通道和6#橫通道風(fēng)速依然達(dá)不到要求,甚至影響到7#橫通道處風(fēng)速,使其降低很多。
繼續(xù)考慮將橫通道間距加大,布置在風(fēng)速分布相對(duì)均勻的地方,同時(shí)將進(jìn)風(fēng)口與平導(dǎo)連接段至5#橫通道和6#橫通道之間的斜坡部分?jǐn)U大斷面形成喇叭口向平導(dǎo)內(nèi)送風(fēng)。修改方案后局部平面圖和模型圖見(jiàn)圖7。
計(jì)算結(jié)果顯示在調(diào)整方案修改為喇叭形進(jìn)風(fēng)口后,在5#橫通道和6#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布相對(duì)比較均勻,有利于風(fēng)流向橫通道內(nèi)(見(jiàn)圖8和圖9)。
雖然6#橫通道門(mén)處風(fēng)速最小,但整個(gè)模擬過(guò)程中其平均風(fēng)速約為2.3 m/s,各橫通道們風(fēng)速達(dá)到規(guī)范要求的2 m/s以上。整個(gè)模擬過(guò)程中5#橫通道門(mén)處平均風(fēng)速約為2.6 m/s,模擬過(guò)程中各處橫通道防護(hù)門(mén)處風(fēng)速見(jiàn)圖10。
圖7 修改方案后局部平面圖和模型圖
圖8 方案調(diào)整后5#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖
圖9 方案調(diào)整后6#橫通道中線(xiàn)對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖
通過(guò)二維和三維計(jì)算結(jié)果可見(jiàn):風(fēng)流具有空間各向異性,在一定情況下不能簡(jiǎn)單地將其簡(jiǎn)化為二維空間進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)流具有各向異性,在橫斷面上分布不一定是均勻的,計(jì)算中不能單純地取其平均值作為斷面風(fēng)速。
(1)建議將該隧道救援站的5#和6#橫通道間距加大為60 m,并且在聯(lián)絡(luò)通道與5#和6#橫通道之間加寬斷面,以實(shí)現(xiàn)喇叭形進(jìn)風(fēng)口向平導(dǎo)內(nèi)送風(fēng),使得風(fēng)流在2號(hào)輔助導(dǎo)坑橫斷面上較均勻分布。
圖10 方案調(diào)整后各橫通道門(mén)處風(fēng)速圖
(2)二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算僅考慮了線(xiàn)性問(wèn)題,認(rèn)為節(jié)點(diǎn)上的風(fēng)速是均勻分布的,未考慮空間性對(duì)風(fēng)速在橫斷面上分布造成的影響;在隧道通風(fēng)計(jì)算中,特定情況下不能簡(jiǎn)單將其簡(jiǎn)化為二維空間進(jìn)行計(jì)算。
(3)建議實(shí)際工程中在利用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出結(jié)果后,應(yīng)通過(guò)三維數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證,以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。