分離式公路隧道火災應急通風聯動控制模型試驗研究

丁海洋 吳根強 楊繼廳 鄭國平

摘要：為研究隧道左、右洞通風系統的聯動控制，文章提出了三種射流風機聯動控制方案，采用1∶10模型試驗方法研究三種控制方案時橫通道內的風速、風向及煙氣蔓延情況，通過對比分析提出合理的聯動控制方案：即火災隧道開啟火源上游風機，相鄰非火災隧道相向開啟橫通道兩側風機以形成正壓。研究結論彌補了行業規范中對火災工況下分離式公路隧道通風系統聯動控制技術的空白。

關鍵詞：公路隧道；模型試驗；火災；通風系統；聯動控制

中圖分類號：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，在隧道內進行救援、疏散和滅火活動的難度遠大于敞開路段的公路。因此，即使是較小的事故也有可能導致重大損失，包括人員群死群傷、設備財產損失和交通中斷［1］。如1999年意法邊境Mont-Blanc隧道火災、奧地利Tauern隧道火災、2001年瑞士St.Gotthard隧道火災、2019年浙江貓貍嶺隧道火災等，均造成了大量人員傷亡［2-4］。另據新聞報道，2022-12-29，韓國第二京仁高速公路葛峴高架橋隔音隧道火災致5人死亡；2023-01-25，廣東河源汕昆高速公路金花隧道內發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排煙系統設計的重要功能目標。目前常用的排煙模式有縱向排煙、橫向/半橫向排煙、點式集中排煙等?？v向排煙模式能夠利用日常運營的縱向通風系統設備，即利用交通活塞風，因此，通風、排煙系統的造價較低、運營管理簡單，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，分離式公路山嶺隧道有左、右兩孔隧道，并設置橫通道。因此，一般采用“橫向疏散”模式，火災時上游人員可以就近從橫通道疏散至相鄰非火災隧道中。為了防止煙氣從火災隧道串流至非火災隧道造成次生災害，《公路隧道通風設計細則》（JTG T D702-02-2014）（以下簡稱《細則》）10.4.1條明確建議：專用避難疏散通道、獨立避難所的余壓值≥50 Pa。

可見，在火災工況下，從逃生、疏散、救援和煙氣控制的角度來看，火災隧道、非火災隧道和橫通道內的通風系統應視為一個整體進行控制，然而，目前已開展的研究絕大部分多著眼于單個隧道。比如，趙忠杰等［5］采用FDS軟件建立了秦嶺1號隧道右洞局部模型，得到了各工況下的通風控制方案；惠豫川等［6］建立了單洞二車道隧道通風井仿真模型，開展縱向排煙及疏散相關分析；姜學鵬等［7］采用數值模擬方法，得到側部點式排煙模式的臨界風速與火源熱釋放速率、排煙量、排煙口與火源距離的量化關系；曹正卯等［8］采用現場火災試驗，驗證了在風機運轉時及火源下游的橫通道門未關閉的情況下，煙霧會蔓延至非火災隧道；蔚艷慶等［9］采用CFD研究火災模式下成都天府國際機場高速公路龍泉山并列四孔公路隧道煙氣控制策略，提出相鄰非火災隧道的臨界逆向通風風速；李杰等［10］采用現場實測和通風網絡解算相結合的方法，分析了不同風機開啟工況下分離式公路隧道橫通道內的氣流流向。

總而言之，目前對雙洞分離式隧道內通風系統聯動控制策略的研究還較少，《細則》對于在避難疏散通道內如何產生余壓的技術措施也未提出建議。因此，本文將雙洞分離式隧道及橫通道視作一個整體，采用模型試驗方法分析隧道正洞內風機開啟情況下，針對火源煙氣擴散情況、橫通道內的風速、風向，提出雙洞隧道通風系統聯動控制策略，實現主隧道、橫通道同時進行煙氣控制的目的，提高隧道內人員的安全性。

1 通風系統聯動控制方案的擬定

在采用縱向排煙方式的分離式公路隧道中，射流風機起到產生氣壓和促進氣流的作用。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機，以節省電纜成本；對于長度＜3 km的高速公路隧道，變電站通常設置于兩端洞口，因此通常在隧道兩端布置風機。為了介紹聯動控制方案的工作原理，提高其普遍適用性，將隧道內的射流風機分為4個群組（圖1），每組代表若干安裝在隧道進、出口段的射流風機。同時，為了保證火災隧道內的氣壓為正，只開啟1號風機群組，然后根據3號、4號風機群組的不同開啟方案，提出三種聯動控制方案（見表1）。

通過建立數值模擬模型對上述三種方案下主隧道及橫通道內的風速、風向、煙氣控制效果對比分析，最終確定分離式隧道內風機聯動控制方案。

2 不同聯動控制方案的模型試驗研究

2.1 模型試驗平臺

模型試驗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，為了兼顧試驗結果的準確性、試驗的經濟性以及試驗場地的局限性，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。

根據消防要求，人行橫通道通常具有自動關閉功能，即人員疏散進入人行橫通道后即自動關閉，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攻，一般采用卷簾門形式，且一旦開啟就將長時間處于開啟狀態。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的煙氣流動情況，在隧道和橫通道上開口并覆蓋有機玻璃板，制作成透明窗口，用以觀察隧道、橫通道內部的煙氣流動情況。

為了便于控制火源功率并較為真實地模擬隧道內的火災，火源采用以汽油和柴油作為燃料的方形油盤進行模擬。通過質量傳感器實時監控油盤燃燒時的質量變化，再根據熱釋放速率公式計算火源的熱釋放速率，并調整油盤尺寸至42 cm×42 cm、汽油柴油比例為1∶5，得到95 kW火源（對應原型30 MW火災）的熱釋放速率。

在隧道模型兩端入口處設置3臺軸流風機，以模擬圖1中的1號、3號、4號風機群組，并利用風速傳感器和變頻器調節隧道中的風速直至達到工況要求。由于試驗模型長度有限，且通過風機輸送空氣進入隧道后至形成充分發展湍流需要一段較長距離，所以在風機下游1 m處設置了一道格柵，使空氣流動盡快進入湍流充分發展階段。

在火災發生之前，隧道內空氣流動以活塞風為主，根據設計車流量、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的交通活塞風速約為5.0 m/s?；馂陌l生后，隧道洞口的值守點快速切斷了交通流，而已經進入隧道的車輛則逐漸減速，活塞風消失。隨后，射流風機逐組開啟，直到形成穩定的臨界風速，根據《細則》取值為3.5 m/s。從交通活塞風速到形成穩定的臨界風速可能耗時＞5 min［11］，模型試驗過程中考慮了這個過程。

2.2 傳感器與數據采集

本文研究重點是風機聯動控制產生的橫通道氣流對于煙氣流動的影響，從而制定合適的聯動控制方案。試驗測試數據包括橫通道風速、風向與煙氣流動情況，其中傳感器布置如下：

控制風速：風機下游5倍當量直徑處截面中心布置一臺風速傳感器。

橫通道頂部風速：事先采用數值模擬觀察到橫通道內頂部風速較為穩定，適合作為風速數據采集位置。因此，傳感器測點布設于模型橫通道四等分截面的頂部（見圖3），每個測點布置兩臺風速傳感器，分別測試兩個相反方向的空氣流動。

煙氣流動：通過觀察窗人工觀察、記錄，并在橫通道內設置濕潤白色細布輔助觀察煙氣。

根據Froude相似法，原型火災發展時間與模型火災時間比例tm/tp=（1/10）1/2，則模型試驗火災發展96 s對應原型火災發展300 s，因此，傳統手工檢測方法難度較大，試驗通過PLC數據采集系統自動采集所有傳感器數據并對其進行統一整理、輸出，數據采集頻率設置為1次/s，能夠較好地滿足模型試驗需要。

2.3 試驗結果分析

模型試驗使用的是油盤火源，火災特點為需要一段時間發展至最大火源功率、燃燒可見產物分為煙氣和煙塵顆粒，所以相較于數值模擬結果，模型試驗煙氣蔓延時間更長，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，將模型試驗中得到的時間根據時間相似比tm/tp=（1/10）1/2折算為現實時間，結果記錄如下：

（1）聯動控制方案一：在橫通道中，可見明顯的煙氣串流現象，3個測點測得的縱向風速波動較大，表明橫通道內的氣流很不穩定，根據相似比折算得到的平均風速＞1 m/s?；馂乃淼纼?，火災發生30 s后，隧道頂部回流煙氣開始侵入橫通道，并繼續向非火災隧道蔓延。在非火災隧道中，火災發生后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不斷擴散，直到擴散至整個橫通道空間。

（2）聯動控制方案二：在橫通道內，火災煙氣彌漫了整個橫通道，3個測點測得的平均風速為3 m/s。橫通道內的氣流同樣不穩定，主要呈渦流狀態?；馂乃淼榔鸹?0 s后，少量煙氣已串流至橫通道頂部；火災后16 s，串流煙氣從橫通道頂部開始侵入非火災隧道，侵入量大且速度快；在煙霧侵入過程中，由于橫通道內的渦流氣流，煙霧在橫通道內迅速擴散，侵入整個橫通道空間，影響橫通道內的能見度。

（3）聯動控制方案三：在橫通道中，氣流方向明顯為非火災隧道流向火災隧道，橫通道內風速在3～4 m/s之間連續波動，煙氣也呈現無序狀態?；馂陌l生90 s后，橫向通道氣流趨于穩定，從非火災隧道流向火災隧道內的穩定氣流，平均風速為3.5 m/s。在該方案的作用下，橫通道內有足夠的新鮮空氣氣流，保護橫通道不受煙霧影響。氣流進入火災隧道后，與火災隧道內既有的臨界風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。煙氣呈穩定狀態向下游流動，大致呈層狀分布。

綜上所述，從主隧道及橫通道內的風速、風向、煙氣控制效果來看，聯動控制方案三無疑是最佳的。

3 結語

本文針對分離式公路隧道提出了三種通風系統聯動控制方案，采用1∶10模型試驗方法，對橫通道內的風速、風向、煙氣流量和煙氣擴散進行了對比分析。推薦通風系統風機聯動控制方案為：在火災隧道內開啟火源上游的射流風機，形成穩定的臨界風速；同時，相向開啟非火災隧道中橫通道上下游兩側的風機形成對向氣流，并將風速控制在0.5 m/s左右。通風系統聯動控制，以較少風機數量同時控制主隧道和橫通道內的煙氣，防止煙氣侵入火源上游橫通道，確保了主隧道和橫通道現場人員的安全。

本文的研究工作填補了行業規范中關于火災工況下分離式公路隧道通風系統如何進行聯動控制的技術空白。然而，隧道火災現場情況瞬息萬變，通風排煙系統操控是一項復雜的工作。本文只考慮了火源附近的橫通道，隧道模型長度也較短，未來可針對實體隧道，開展更接近實際火災情況的全尺寸火災試驗，進一步驗證通風系統聯動控制方案的可行性。

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收稿日期：2023-09-16