作者簡介：

王耀輝（2001— ），男，漢族，四川成都人，碩士研究生，研究方向：隧道火災(zāi)。

通訊作者：

劉天揚(yáng)（1991— ），男，漢族，四川成都人，碩士研究生，一級注冊安全工程師/建造師，研究方向：消防安全管理、人員疏散、隧道火災(zāi)。

摘要：

本文以金華山特長公路隧道為依托，通過火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件（FDS）建立隧道火災(zāi)燃燒的數(shù)學(xué)模型。該隧道采用雙洞互補(bǔ)通風(fēng)式的新型運(yùn)營模式。本文模擬了著火120s時(shí)自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)閥的動(dòng)態(tài)過程，研究在雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)中的煙氣蔓延規(guī)律、速度場分布、溫度場分布以及能見度狀況。結(jié)果表明，這種新的隧道通風(fēng)運(yùn)營模式在發(fā)生火災(zāi)120s內(nèi)，關(guān)閉風(fēng)閥仍然能夠保證未著火隧道的安全性。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)；互補(bǔ)式通風(fēng)；煙氣蔓延；數(shù)值模擬

引言

目前，我國長大公路隧道的通風(fēng)系統(tǒng)以縱向通風(fēng)模式為主導(dǎo)，而采用這種方式的工程造價(jià)與運(yùn)營費(fèi)用昂貴[1]。因此，隧道通風(fēng)領(lǐng)域出現(xiàn)了新的運(yùn)行理念和結(jié)構(gòu)形式。Berner[2]等率先在特長公路隧道通風(fēng)領(lǐng)域提出了雙洞互補(bǔ)通風(fēng)的創(chuàng)新概念。然而，學(xué)術(shù)界對于這一通風(fēng)方法的深入研究仍處于初級階段，在隧道火災(zāi)事故中，70%以上的人員傷亡源于煙氣的危害[3]，有效的煙氣管理直接關(guān)系人員生命安全。本文以金華山特長公路隧道為研究對象，通過火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件（FDS）建立隧道火災(zāi)燃燒的數(shù)學(xué)模型。FDS在模擬復(fù)雜火災(zāi)場景方面具有卓越的性能和精確度。Chen[4]等利用FDS模擬了縱向通風(fēng)狀態(tài)下煙氣流動(dòng)現(xiàn)象和湍流特點(diǎn)；Zhong[5]利用FDS對影響豎井排煙效率的主要影響因素進(jìn)行了分析。本文剖析了溫度場、能見度、速度場等關(guān)鍵指標(biāo)，探討了雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)環(huán)境下火災(zāi)煙氣的蔓延機(jī)制和控制規(guī)律。

一、互補(bǔ)式通風(fēng)理論基礎(chǔ)

如圖1所示，雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)是一種通過兩個(gè)獨(dú)立通道（進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)）實(shí)現(xiàn)有效通風(fēng)的系統(tǒng)。其結(jié)合自然和機(jī)械通風(fēng)，利用溫差和風(fēng)壓差推動(dòng)空氣流動(dòng)，從而在新鮮空氣和廢氣之間形成良好循環(huán)，增強(qiáng)整體通風(fēng)效果，同時(shí)提高封閉空間（如隧道）的安全性，降低煙氣濃度，在提升通風(fēng)效率與安全性方面具有重要意義。

二、工況設(shè)置

本文采用FDS建立模型進(jìn)行模擬分析。圖2展示的是金華山隧道中著火點(diǎn)附近300m區(qū)段，模型采用混凝土作為邊界材料，兩座弧形隧道長300m、寬10m、最高處達(dá)到8m。聯(lián)絡(luò)風(fēng)道長38m、最寬處達(dá)到5m、高2.5m，位于隧道頂部。兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道間距為100m，呈對稱分布。設(shè)定火源功率為30MW，火焰特征長度D*=3.7，總網(wǎng)格數(shù)為46萬。

如圖3所示，兩座隧道中縱向風(fēng)速為3m/s，方向相反。在兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道中各安裝了風(fēng)閥。在通常情況下，雙洞互補(bǔ)式通風(fēng)在火災(zāi)發(fā)生后60s內(nèi)應(yīng)關(guān)閉風(fēng)閥。本研究假定在火災(zāi)發(fā)生120s后關(guān)閉通風(fēng)閥，屆時(shí)兩座隧道將失去直接連通。模擬的火源位于右側(cè)隧道中心，選用木材作為燃燒介質(zhì)，并設(shè)定煙氣產(chǎn)生率為5%。在兩隧道中心線的縱向方向設(shè)置多個(gè)測量切片，用于監(jiān)測和分析煙氣在隧道內(nèi)的傳播規(guī)律。此外，在兩隧道中心線1.5m高度處，每隔5m設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)，精確記錄隧道內(nèi)溫度的空間分布和動(dòng)態(tài)變化。

三、模擬結(jié)果

（一）煙氣蔓延狀況特性分析

圖4描繪了火災(zāi)發(fā)生后前十分鐘內(nèi)隧道中部煙氣擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)過程。在火災(zāi)發(fā)生30s后，由于縱向氣流的作用，煙氣開始向下游推進(jìn)，未形成回流區(qū)域。隨著煙氣抵達(dá)聯(lián)絡(luò)通道，其開始沿通道向相鄰隧道蔓延；當(dāng)達(dá)到120s時(shí)，通道風(fēng)閥關(guān)閉，阻斷了煙氣向鄰近隧道的進(jìn)一步擴(kuò)散。到了150s，僅有極少量煙氣滲入未起火的隧道。在整個(gè)過程中，縱向通風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)引導(dǎo)著火隧道內(nèi)的煙氣向下游移動(dòng)，始終未出現(xiàn)回流現(xiàn)象，充分證明了縱向通風(fēng)在控制煙氣擴(kuò)散方面的高效性。

（二）速度場分析

圖5描繪了火災(zāi)爆發(fā)后10min內(nèi)，兩條隧道中速度場的變化情況。在火災(zāi)發(fā)生后的前30s，隧道內(nèi)的速度分布呈現(xiàn)出不均衡狀態(tài)。隨著時(shí)間的流逝，這種分布逐漸變得均勻。到了120s，聯(lián)絡(luò)通道的風(fēng)閥被關(guān)閉，兩隧道間的相互作用停止，未燃燒隧道的風(fēng)速穩(wěn)定在3m／s。在燃燒隧道中，火源上方的風(fēng)速保持在約3m／s，而受煙氣擴(kuò)散影響，下方的風(fēng)速保持在約4m／s。

（三）溫度場分析

圖6展現(xiàn)了火災(zāi)發(fā)生后10min內(nèi)兩條隧道溫度場變化的詳細(xì)情況。在火災(zāi)發(fā)生后90s時(shí)，縱向氣流的作用導(dǎo)致火源下方溫度急劇攀升。由于聯(lián)絡(luò)通道的連通性，相鄰隧道的局部區(qū)域也呈現(xiàn)出溫度升高的趨勢。120s時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道風(fēng)閥關(guān)閉后，未受火災(zāi)直接影響的隧道迅速擺脫了鄰近隧道的溫度影響，其溫度迅速下降。同時(shí)，著火隧道內(nèi)的熱氣流沿縱向方向持續(xù)流動(dòng)，使火源下方溫度再次快速上升，而隧道上游溫度保持在穩(wěn)定的20℃。值得注意的是，鄰近隧道在此過程中并未顯示出明顯的溫度上升跡象。

（四）能見度分析

圖7呈現(xiàn)了火災(zāi)發(fā)生后10min內(nèi)隧道能見度的動(dòng)態(tài)變化。在火災(zāi)爆發(fā)后的第90s，風(fēng)速加速了火勢蔓延，導(dǎo)致火源下游區(qū)域能見度迅速下降。由于聯(lián)絡(luò)通道的連通性，相鄰隧道的局部能見度也隨之減弱。當(dāng)120s時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道風(fēng)閥關(guān)閉后，未受火災(zāi)直接影響的隧道能見度迅速恢復(fù)，穩(wěn)定在30m。同時(shí)，著火隧道內(nèi)熱氣流沿縱向方向持續(xù)流動(dòng)，火源下游的能見度急劇下降，甚至低至10m以下，而隧道上游區(qū)域的能見度保持在30m。這一分析清晰地表明，在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，及時(shí)關(guān)閉風(fēng)閥，對于維持相鄰隧道的能見度具有至關(guān)重要的作用。

結(jié)語

本文以FDS軟件為技術(shù)支撐，構(gòu)建了特長雙洞公路隧道的精細(xì)三維局部模型?；趧?chuàng)新的雙洞互補(bǔ)式運(yùn)營通風(fēng)模式，采用數(shù)值模擬分析方法，重點(diǎn)考察了火災(zāi)發(fā)生120s時(shí)關(guān)閉風(fēng)閥的場景。通過深入分析煙氣蔓延規(guī)律、速度場分布、溫度場變化以及能見度演變，全面揭示了隧道火災(zāi)復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程中的關(guān)鍵特征，并得到相關(guān)結(jié)論。第一，聯(lián)絡(luò)通道風(fēng)閥關(guān)閉前，未著火隧道受到很小的影響，不影響其安全性；第二，在火災(zāi)發(fā)生后120s，風(fēng)閥關(guān)閉，使未受火勢波及的隧道擺脫著火隧道的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]仇玉良.公路隧道復(fù)雜通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)研究[D].長安大學(xué)，2004.

[2]BERNERM，DAYJR.Alternative methods for ventilating long road tunnels[J].Tunnelsamp;Tunnelling International，1991：23.

[3]黃銳，楊立中，方偉峰，等.火災(zāi)煙氣危害性研究及其進(jìn)展[J].中國工程科學(xué)，2002，4（07）：80-85.

[4]CHEN F，LEONG J C.Smoke flow phenomena and turbulence characteristics of tunnel fires[J].Applied Mathematical Modelling，2011，35（09）：45-54.

[5]ZHONG W，F(xiàn)ANC G，et al.Influence of longitudinal windon natural ventilation with vertical shaft in a road tunnel fire[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，57（02）：671-678.