丁海洋 吳根強(qiáng) 楊繼廳 鄭國平

摘要：為研究隧道左、右洞通風(fēng)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，文章提出了三種射流風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制方案，采用1∶10模型試驗(yàn)方法研究三種控制方案時(shí)橫通道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向及煙氣蔓延情況，通過對比分析提出合理的聯(lián)動(dòng)控制方案：即火災(zāi)隧道開啟火源上游風(fēng)機(jī)，相鄰非火災(zāi)隧道相向開啟橫通道兩側(cè)風(fēng)機(jī)以形成正壓。研究結(jié)論彌補(bǔ)了行業(yè)規(guī)范中對火災(zāi)工況下分離式公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)的空白。

關(guān)鍵詞：公路隧道；模型試驗(yàn)；火災(zāi)；通風(fēng)系統(tǒng)；聯(lián)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：U458.1 A 39 124 4

0 引言

公路隧道空間狹長且封閉，出入口有限，在隧道內(nèi)進(jìn)行救援、疏散和滅火活動(dòng)的難度遠(yuǎn)大于敞開路段的公路。因此，即使是較小的事故也有可能導(dǎo)致重大損失，包括人員群死群傷、設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失和交通中斷［1］。如1999年意法邊境Mont-Blanc隧道火災(zāi)、奧地利Tauern隧道火災(zāi)、2001年瑞士St.Gotthard隧道火災(zāi)、2019年浙江貓貍嶺隧道火災(zāi)等，均造成了大量人員傷亡［2-4］。另據(jù)新聞報(bào)道，2022-12-29，韓國第二京仁高速公路葛峴高架橋隔音隧道火災(zāi)致5人死亡；2023-01-25，廣東河源汕昆高速公路金花隧道內(nèi)發(fā)生追尾事故造成一輛小轎車爆燃，一人重傷，多人棄車逃離。

眾所周知，火災(zāi)煙氣引起的窒息是造成人員傷亡的主要因素，因此，煙氣控制是特長隧道通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要功能目標(biāo)。目前常用的排煙模式有縱向排煙、橫向/半橫向排煙、點(diǎn)式集中排煙等?？v向排煙模式能夠利用日常運(yùn)營的縱向通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備，即利用交通活塞風(fēng)，因此，通風(fēng)、排煙系統(tǒng)的造價(jià)較低、運(yùn)營管理簡單，縱向排煙模式也成為我國公路山嶺隧道主要的排煙模式。同時(shí)，分離式公路山嶺隧道有左、右兩孔隧道，并設(shè)置橫通道。因此，一般采用“橫向疏散”模式，火災(zāi)時(shí)上游人員可以就近從橫通道疏散至相鄰非火災(zāi)隧道中。為了防止煙氣從火災(zāi)隧道串流至非火災(zāi)隧道造成次生災(zāi)害，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG T D702-02-2014）（以下簡稱《細(xì)則》）10.4.1條明確建議：專用避難疏散通道、獨(dú)立避難所的余壓值≥50 Pa。

可見，在火災(zāi)工況下，從逃生、疏散、救援和煙氣控制的角度來看，火災(zāi)隧道、非火災(zāi)隧道和橫通道內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)視為一個(gè)整體進(jìn)行控制，然而，目前已開展的研究絕大部分多著眼于單個(gè)隧道。比如，趙忠杰等［5］采用FDS軟件建立了秦嶺1號(hào)隧道右洞局部模型，得到了各工況下的通風(fēng)控制方案；惠豫川等［6］建立了單洞二車道隧道通風(fēng)井仿真模型，開展縱向排煙及疏散相關(guān)分析；姜學(xué)鵬等［7］采用數(shù)值模擬方法，得到側(cè)部點(diǎn)式排煙模式的臨界風(fēng)速與火源熱釋放速率、排煙量、排煙口與火源距離的量化關(guān)系；曹正卯等［8］采用現(xiàn)場火災(zāi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)及火源下游的橫通道門未關(guān)閉的情況下，煙霧會(huì)蔓延至非火災(zāi)隧道；蔚艷慶等［9］采用CFD研究火災(zāi)模式下成都天府國際機(jī)場高速公路龍泉山并列四孔公路隧道煙氣控制策略，提出相鄰非火災(zāi)隧道的臨界逆向通風(fēng)風(fēng)速；李杰等［10］采用現(xiàn)場實(shí)測和通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)解算相結(jié)合的方法，分析了不同風(fēng)機(jī)開啟工況下分離式公路隧道橫通道內(nèi)的氣流流向。

總而言之，目前對雙洞分離式隧道內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略的研究還較少，《細(xì)則》對于在避難疏散通道內(nèi)如何產(chǎn)生余壓的技術(shù)措施也未提出建議。因此，本文將雙洞分離式隧道及橫通道視作一個(gè)整體，采用模型試驗(yàn)方法分析隧道正洞內(nèi)風(fēng)機(jī)開啟情況下，針對火源煙氣擴(kuò)散情況、橫通道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向，提出雙洞隧道通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制策略，實(shí)現(xiàn)主隧道、橫通道同時(shí)進(jìn)行煙氣控制的目的，提高隧道內(nèi)人員的安全性。

1 通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案的擬定

在采用縱向排煙方式的分離式公路隧道中，射流風(fēng)機(jī)起到產(chǎn)生氣壓和促進(jìn)氣流的作用。對于長度＞3 km的特長公路隧道，通常在變電站附近布置射流風(fēng)機(jī)，以節(jié)省電纜成本；對于長度＜3 km的高速公路隧道，變電站通常設(shè)置于兩端洞口，因此通常在隧道兩端布置風(fēng)機(jī)。為了介紹聯(lián)動(dòng)控制方案的工作原理，提高其普遍適用性，將隧道內(nèi)的射流風(fēng)機(jī)分為4個(gè)群組（圖1），每組代表若干安裝在隧道進(jìn)、出口段的射流風(fēng)機(jī)。同時(shí)，為了保證火災(zāi)隧道內(nèi)的氣壓為正，只開啟1號(hào)風(fēng)機(jī)群組，然后根據(jù)3號(hào)、4號(hào)風(fēng)機(jī)群組的不同開啟方案，提出三種聯(lián)動(dòng)控制方案（見表1）。

通過建立數(shù)值模擬模型對上述三種方案下主隧道及橫通道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、煙氣控制效果對比分析，最終確定分離式隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制方案。

2 不同聯(lián)動(dòng)控制方案的模型試驗(yàn)研究

2.1 模型試驗(yàn)平臺(tái)

模型試驗(yàn)的原型隧道為雙向四車道分離式公路隧道，隧道橫斷面采用半徑為5.7 m的單心圓（見圖2）。同時(shí)，為了兼顧試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性以及試驗(yàn)場地的局限性，采用1∶10的相似比，模型總長度為25 m。原型與模型的相似方法采用Froude模擬法，即原型與模型具有相等的Froude數(shù)。

根據(jù)消防要求，人行橫通道通常具有自動(dòng)關(guān)閉功能，即人員疏散進(jìn)入人行橫通道后即自動(dòng)關(guān)閉，能有效防止左右洞之間的串流問題，因此模型中未考慮人行橫通道。車行橫通道既用于阻滯車輛的疏解，也用于司乘人員的撤離和消防人員的進(jìn)攻，一般采用卷簾門形式，且一旦開啟就將長時(shí)間處于開啟狀態(tài)。因此，模型中考慮了一處車行橫通道，橫斷面原型尺寸為寬6 m、高5 m。模型隧道的輪廓彎曲，大功率火源溫度高，因此采用鐵皮制作。為了便于觀察隧道和橫通道內(nèi)的煙氣流動(dòng)情況，在隧道和橫通道上開口并覆蓋有機(jī)玻璃板，制作成透明窗口，用以觀察隧道、橫通道內(nèi)部的煙氣流動(dòng)情況。

為了便于控制火源功率并較為真實(shí)地模擬隧道內(nèi)的火災(zāi)，火源采用以汽油和柴油作為燃料的方形油盤進(jìn)行模擬。通過質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控油盤燃燒時(shí)的質(zhì)量變化，再根據(jù)熱釋放速率公式計(jì)算火源的熱釋放速率，并調(diào)整油盤尺寸至42 cm×42 cm、汽油柴油比例為1∶5，得到95 kW火源（對應(yīng)原型30 MW火災(zāi)）的熱釋放速率。

在隧道模型兩端入口處設(shè)置3臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，以模擬圖1中的1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)風(fēng)機(jī)群組，并利用風(fēng)速傳感器和變頻器調(diào)節(jié)隧道中的風(fēng)速直至達(dá)到工況要求。由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L度有限，且通過風(fēng)機(jī)輸送空氣進(jìn)入隧道后至形成充分發(fā)展湍流需要一段較長距離，所以在風(fēng)機(jī)下游1 m處設(shè)置了一道格柵，使空氣流動(dòng)盡快進(jìn)入湍流充分發(fā)展階段。

在火災(zāi)發(fā)生之前，隧道內(nèi)空氣流動(dòng)以活塞風(fēng)為主，根據(jù)設(shè)計(jì)車流量、車型比例、行車速度、隧道長度、斷面積等，測算得到原型隧道內(nèi)的交通活塞風(fēng)速約為5.0 m/s?；馂?zāi)發(fā)生后，隧道洞口的值守點(diǎn)快速切斷了交通流，而已經(jīng)進(jìn)入隧道的車輛則逐漸減速，活塞風(fēng)消失。隨后，射流風(fēng)機(jī)逐組開啟，直到形成穩(wěn)定的臨界風(fēng)速，根據(jù)《細(xì)則》取值為3.5 m/s。從交通活塞風(fēng)速到形成穩(wěn)定的臨界風(fēng)速可能耗時(shí)＞5 min［11］，模型試驗(yàn)過程中考慮了這個(gè)過程。

2.2 傳感器與數(shù)據(jù)采集

本文研究重點(diǎn)是風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制產(chǎn)生的橫通道氣流對于煙氣流動(dòng)的影響，從而制定合適的聯(lián)動(dòng)控制方案。試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)包括橫通道風(fēng)速、風(fēng)向與煙氣流動(dòng)情況，其中傳感器布置如下：

控制風(fēng)速：風(fēng)機(jī)下游5倍當(dāng)量直徑處截面中心布置一臺(tái)風(fēng)速傳感器。

橫通道頂部風(fēng)速：事先采用數(shù)值模擬觀察到橫通道內(nèi)頂部風(fēng)速較為穩(wěn)定，適合作為風(fēng)速數(shù)據(jù)采集位置。因此，傳感器測點(diǎn)布設(shè)于模型橫通道四等分截面的頂部（見圖3），每個(gè)測點(diǎn)布置兩臺(tái)風(fēng)速傳感器，分別測試兩個(gè)相反方向的空氣流動(dòng)。

煙氣流動(dòng)：通過觀察窗人工觀察、記錄，并在橫通道內(nèi)設(shè)置濕潤白色細(xì)布輔助觀察煙氣。

根據(jù)Froude相似法，原型火災(zāi)發(fā)展時(shí)間與模型火災(zāi)時(shí)間比例tm/tp=（1/10）1/2，則模型試驗(yàn)火災(zāi)發(fā)展96 s對應(yīng)原型火災(zāi)發(fā)展300 s，因此，傳統(tǒng)手工檢測方法難度較大，試驗(yàn)通過PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集所有傳感器數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行統(tǒng)一整理、輸出，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置為1次/s，能夠較好地滿足模型試驗(yàn)需要。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

模型試驗(yàn)使用的是油盤火源，火災(zāi)特點(diǎn)為需要一段時(shí)間發(fā)展至最大火源功率、燃燒可見產(chǎn)物分為煙氣和煙塵顆粒，所以相較于數(shù)值模擬結(jié)果，模型試驗(yàn)煙氣蔓延時(shí)間更長，煙氣可視性略差。因此，觀察橫通道侵入煙氣需要以煙塵顆粒為主。

為了方便對比，將模型試驗(yàn)中得到的時(shí)間根據(jù)時(shí)間相似比tm/tp=（1/10）1/2折算為現(xiàn)實(shí)時(shí)間，結(jié)果記錄如下：

（1）聯(lián)動(dòng)控制方案一：在橫通道中，可見明顯的煙氣串流現(xiàn)象，3個(gè)測點(diǎn)測得的縱向風(fēng)速波動(dòng)較大，表明橫通道內(nèi)的氣流很不穩(wěn)定，根據(jù)相似比折算得到的平均風(fēng)速＞1 m/s?；馂?zāi)隧道內(nèi)，火災(zāi)發(fā)生30 s后，隧道頂部回流煙氣開始侵入橫通道，并繼續(xù)向非火災(zāi)隧道蔓延。在非火災(zāi)隧道中，火災(zāi)發(fā)生后60 s煙氣開始侵入，侵入煙流量不大。在煙氣竄向非防火隧道的過程中，渦旋狀的煙氣在橫通道內(nèi)不斷擴(kuò)散，直到擴(kuò)散至整個(gè)橫通道空間。

（2）聯(lián)動(dòng)控制方案二：在橫通道內(nèi)，火災(zāi)煙氣彌漫了整個(gè)橫通道，3個(gè)測點(diǎn)測得的平均風(fēng)速為3 m/s。橫通道內(nèi)的氣流同樣不穩(wěn)定，主要呈渦流狀態(tài)?；馂?zāi)隧道起火10 s后，少量煙氣已串流至橫通道頂部；火災(zāi)后16 s，串流煙氣從橫通道頂部開始侵入非火災(zāi)隧道，侵入量大且速度快；在煙霧侵入過程中，由于橫通道內(nèi)的渦流氣流，煙霧在橫通道內(nèi)迅速擴(kuò)散，侵入整個(gè)橫通道空間，影響橫通道內(nèi)的能見度。

（3）聯(lián)動(dòng)控制方案三：在橫通道中，氣流方向明顯為非火災(zāi)隧道流向火災(zāi)隧道，橫通道內(nèi)風(fēng)速在3～4 m/s之間連續(xù)波動(dòng)，煙氣也呈現(xiàn)無序狀態(tài)。火災(zāi)發(fā)生90 s后，橫向通道氣流趨于穩(wěn)定，從非火災(zāi)隧道流向火災(zāi)隧道內(nèi)的穩(wěn)定氣流，平均風(fēng)速為3.5 m/s。在該方案的作用下，橫通道內(nèi)有足夠的新鮮空氣氣流，保護(hù)橫通道不受煙霧影響。氣流進(jìn)入火災(zāi)隧道后，與火災(zāi)隧道內(nèi)既有的臨界風(fēng)速混合后更為有效地阻止煙氣回流，為火源上游人員提供安全保障。煙氣呈穩(wěn)定狀態(tài)向下游流動(dòng)，大致呈層狀分布。

綜上所述，從主隧道及橫通道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、煙氣控制效果來看，聯(lián)動(dòng)控制方案三無疑是最佳的。

3 結(jié)語

本文針對分離式公路隧道提出了三種通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案，采用1∶10模型試驗(yàn)方法，對橫通道內(nèi)的風(fēng)速、風(fēng)向、煙氣流量和煙氣擴(kuò)散進(jìn)行了對比分析。推薦通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)控制方案為：在火災(zāi)隧道內(nèi)開啟火源上游的射流風(fēng)機(jī)，形成穩(wěn)定的臨界風(fēng)速；同時(shí)，相向開啟非火災(zāi)隧道中橫通道上下游兩側(cè)的風(fēng)機(jī)形成對向氣流，并將風(fēng)速控制在0.5 m/s左右。通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，以較少風(fēng)機(jī)數(shù)量同時(shí)控制主隧道和橫通道內(nèi)的煙氣，防止煙氣侵入火源上游橫通道，確保了主隧道和橫通道現(xiàn)場人員的安全。

本文的研究工作填補(bǔ)了行業(yè)規(guī)范中關(guān)于火災(zāi)工況下分離式公路隧道通風(fēng)系統(tǒng)如何進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制的技術(shù)空白。然而，隧道火災(zāi)現(xiàn)場情況瞬息萬變，通風(fēng)排煙系統(tǒng)操控是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。本文只考慮了火源附近的橫通道，隧道模型長度也較短，未來可針對實(shí)體隧道，開展更接近實(shí)際火災(zāi)情況的全尺寸火災(zāi)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案的可行性。

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收稿日期：2023-09-16