南昌红谷水下互通立交隧道通风排烟组织研究

王东伟， 戴　新， 李国江

(1. 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津　300133； 2. 中铁隧道集团二处有限公司， 河北 三河　065201)

0　引言

目前，我国已成为世界上隧道工程建设规模最大、数量最多的国家。随着隧道长度、行车速度和密度的增大，也带来了诸多问题。其中，车辆在隧道中的故障及互相撞击、货物的自燃等是诱发隧道火灾的直接原因[1]。根据英国通风专家Haeter[2]的统计，大约每行车1 000万km平均发生2次隧道火灾，该数据随统计样本的不同而不同。我国高速公路隧道火灾事故率约为4次/亿车千米[3]。相比普通开放式道路，公路隧道发生事故的数量相对较少，但后果及影响往往较大，尤其是发生火灾，后果可能是极具破坏性和危险性的[4]。对于接线复杂的水下互通立交隧道，在匝道分合流位置更易发生交通事故。近年来，相关研究也逐渐增加，如文献[5-6]以胶州湾隧道为背景，探究了长大城市道路水下隧道的防排烟设计； 文献[7-8]分析探讨了城市地下交通联系隧道及多匝道隧道的通风及防排烟设计。以往研究大多局限于通风网络模拟、匝道通风阻力特性和防排烟数值模拟等方面[9-10]，通过现场排烟试验的分析研究和经验数据很少。

南昌红谷隧道位于南昌大桥与八一大桥之间，连接红谷滩新区与东岸老城区，东岸以地下互通立交形式接沿江中大道、中山西路等，隧道全长约2 650 m，设计行车速度为50 km/h。西岸设置主线进出口和2条进出口匝道，东岸共设置7条匝道，为城市水下多匝道互通立交隧道，如图1所示。根据隧道的特点，加强对隧道火灾防排烟及人员疏散安全的研究十分重要。

图1　南昌红谷隧道工程东岸匝道效果图

Fig. 1The impression drawing of East Bank ramp of Nanchang Honggu Tunnel Project

本文通过数值模拟和现场实测方法研究隧道坡度、匝道气流相互耦合等因素对通风排烟控制方案、逃生疏散方案等的影响，以期为本工程的设计、施工及安全运营提供科学支撑； 同时也为国内外类似隧道工程项目提供参考。

1　模拟火源点位置

本文重点研究南昌红谷隧道东岸N1进口匝道发生火灾时，匝道分岔处会否出现烟气回流现象，抑制烟气回流的临界风速，以及相邻匝道采取何种防烟措施； 东岸S1出口匝道发生火灾时，匝道分岔处的烟气组织模式、排烟控制方案等。

通过综合对比分析《公路隧道通风设计细则》[11]和PIARC[12]发布的标准中对隧道内火灾热释放功率的规定，根据隧道交通量预测和交通组成分析，取火灾热释放功率为20 MW。隧道采用全射流纵向通风及纵向排烟模式，烟气由隧道出洞口排出，为保证烟气能够顺利排除，在东岸各匝道内均布置了射流风机。

针对红谷隧道工程实际情况，利用火灾模拟软件FDS对影响火灾场景的火源位置以及对应不同坡度下纵向通风临界风速进行分析。火源点位置如图2—3所示，具体的火灾场景参数见表1。

图2　北线隧道火源点位置示意图

图3　南线隧道火源点位置示意图

线路火源功率/MW火源位置坡度/%纵向风速/(m/s)编号北线南线20N1匝道与F匝道分岔口(FK0+025)-62.5N0120N1匝道与C匝道分岔口(N1K2+760)-62.5N0220S1匝道与D匝道分岔口(S1K2+760)63.0S0120H匝道与D匝道分岔口(DK0+160)62.5S02

2　数值模拟分析

通过模拟红谷隧道全射流纵向通风及排烟模式下，火灾发生在不同坡度时不同纵向通风速率对烟气蔓延的控制效果，研究该通道中抑制烟气回流所需临界风速，从而为隧道内火灾工况下制定合理烟气控制方案提供参考和依据。

2.1　北线隧道进口匝道烟气蔓延特性分析

2.1.1N01烟气蔓延特性分析

在隧道北线东岸N1进口匝道与F进口匝道分岔处发生火灾时，匝道坡度接近-6%，烟气蔓延特性如图4所示。由图4可知，在自然排烟条件下，由于烟囱效应作用，火源上游烟气很快蔓延至N1匝道和F匝道洞口，火源下游烟气蔓延至N1匝道与C匝道分岔口前部，极不利于火灾点上游人员疏散逃生。为保证烟气不回流，应在监控设备探测到火灾后，由监控中心隧道管养人员及时开启排烟模式，进行纵向排烟。

图4　N01场景自然排烟烟气蔓延特性图

Fig. 4Smoke spread characteristics of natural smoke exhausting in scenario N01

开启位于N1、F、C匝道洞口处的射流风机正向通风排烟，排烟风速为2.5 m/s。由图5所示烟气蔓延特性可以看出，在2.5 m/s的纵向排烟风速下，N1、F匝道段火源上游无烟气回流，C单线匝道段无烟气回流，隧道内的烟气在纵向风速的作用下沿主隧道向火源下游扩散。

图5　N01场景纵向排烟烟气蔓延特性图

Fig. 5Smoke spread characteristics of longitudinal smoke exhausting in scenario N01

2.1.2N02烟气蔓延特性分析

在隧道北线N1匝道、C匝道分岔口处发生火灾，隧道坡度接近-6%，开启位于N1、C匝道进口端处的射流风机正向通风排烟，排烟风速为2.5 m/s。由图6所示烟气蔓延特性可以看出，在2.5 m/s的纵向排烟风速下，N1匝道火源上游没有烟气回流，通道内的烟气在纵向风的作用下向火源下游蔓延； C匝道段，火源上游存在约50 m的较稀薄的烟气回流，回流部分集中在匝道分岔口过渡部分，回流现象不明显。因此，可增开C匝道内射流风机，适当加大C匝道内的临界风速，以确保无回流现象产生。

(a) 180 s烟气蔓延图

(b) 400 s烟气蔓延图

(c) 800 s烟气蔓延图

(d) 1 800 s烟气蔓延图

2.2　南线隧道出口匝道烟气蔓延特性分析

2.2.1S01烟气蔓延特性分析

在隧道南线S1、D匝道分岔口处发生火灾，隧道坡度接近6%，在3 m/s纵向风速的作用下，烟气蔓延特性如图7所示。由图7可知，在火源上游主隧道约有20 m烟气回流，通道内的烟气在纵向风速的作用下向火源下游蔓延。但由于匝道曲度大，曲线隧道壁面阻力较大[13-14]，此处发生火灾时，纵向排烟风速在3 m/s以上才能够控制烟气回流，保证火灾上游人员疏散安全。

(a) 180 s烟气蔓延图

(b) 400 s烟气蔓延图

(c) 800 s烟气蔓延图

(d) 1 800 s烟气蔓延图

2.2.2S02烟气蔓延特性分析

在H、D匝道分岔口处发生火灾时，隧道沉管段进口初设风速为2.5 m/s。由图8所示烟气蔓延特性可以看出，在800 s前火源上游H、D匝道存在20～30 m烟气回流，1 050 s开始烟气回流减小到0。主要原因是D匝道段曲率较大，在弯道的阻力及分流作用下，到达着火位置的实际风速减小，而在通风气流形成后，烟控效果较好。

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(a) 180 s烟气蔓延图

(b) 400 s烟气蔓延图

(c) 800 s烟气蔓延图

(d) 1 050 s烟气蔓延图

(e) 1 800 s烟气蔓延图

3　排烟试验分析

红谷隧道北线，车流由东岸进口的N1匝道、F匝道和C匝道汇流至主隧道； 隧道南线，车流在东岸由S1匝道、E匝道、D匝道和H匝道分离驶出。隧道排烟的重难点在于东岸诸多匝道的分合流处。

为验证隧道通风系统的实际排烟效果，选取隧道2个位置进行排烟试验，将烟雾充满隧道。北线进口匝道排烟试验点里程为N1K2+860，南线出口匝道排烟试验点里程为S1K2+600，风机运行模式见表2—3。

表2　试验风机排烟S-1运行模式(原设计)

注： 01，02，…，18表示射流风机编号； “正”为风机正向开启，“×”为风机停机； 下同。

表3　试验风机排烟S-2运行模式(原设计)

试验主要以红谷隧道北线2个进口合流匝道和南线3个出口分岔匝道作为研究对象，通过现场测试，采集排烟风速数据并分析排烟效果影响因素，验证设计排烟模式的合理性，为后期隧道运营时排烟模式的优化提供支持。

3.1　进口匝道排烟试验分析

北线进口匝道在无机械排烟作用条件下，受烟气烟囱效应的影响，烟气回流显著，部分烟气扩散至N1、F匝道洞口附近，无法有效排除，90 s后基本覆盖分岔口至N1、F匝道洞口整个区域，如图9所示。试验结果与模拟计算结果基本相符，S-1模式会影响火灾点上游人员的疏散安全，故不建议采用。在射流风机形成有效排烟气流前，烟气依然会出现短暂回流现象，故运管人员应特别注意较大负坡的隧道进口的运行状况，在火灾发生90 s内启动排烟模式，尽快形成有效的控烟气流。

对于F匝道，按照原设计模式，匝道内设置的2台射流风机未开启，从试验结果看，在风机形成有效排烟气流120 s后，匝道内回流集聚烟气无法排除，能见度较低。启动F匝道内射流风机100 s后，烟气被迅速沿行车方向排除，能见度得以有效提高。

综上分析，在进口分岔较多的匝道内，车流活塞效应较弱时，由于反坡较大，烟气受烟囱效应影响极易回流，且回流烟气无定向性。为保证能够有效排除回流烟气，各进口匝道内均应设置射流风机； 在发生火灾时，为减少烟气对火灾点上游人员疏散的影响，建议根据现场人员疏散情况，尽早正向开启射流风机进行排烟。

(a) N1匝道20 s烟气蔓延图

(b) N1匝道90 s烟气蔓延图

(c) F匝道180 s烟气蔓延图

(d) F匝道280 s烟气蔓延图

3.2　出口匝道排烟试验分析

(a) S1匝道30 s烟气蔓延图

(b) S1匝道90 s烟气蔓延图

(c) S1匝道120 s烟气蔓延图

(d) S1匝道180 s烟气蔓延图

根据李俊梅等[15]对多匝道城市地下道路纵向排烟系统的分析研究及其他对分岔隧道的排烟研究，对比分析3种工况： 1)开启分岔口两侧匝道内的射流风机同时排烟； 2)一个匝道排烟，另一个匝道送风阻止烟气进入； 3)只开启其中一个匝道内的射流风机排烟。分析得出开启一侧匝道进行排烟的效果较好，尽量减少分岔处中隔墙对烟气流动的影响，烟气可以顺利排出。

本次试验充分验证了以上结论，但与前述FDS软件模拟结果中2条匝道同时排烟的情况不太一致。实际工程中应尽量缩短烟气在隧道内的流程，开启洞口距离火灾点较近的匝道内的风机进行排烟。由于隧道内活塞效应和隧道正坡烟囱效应的作用，隧道出口发生火灾时烟气回流的几率不大，火灾初期可充分借助高温烟气分层的特性，保障火灾点附近人员的疏散和下游车辆迅速驶离隧道。本项目排烟试验也可证实，上游提供的纵向临界风速可抑制火灾烟气向后回流，但同时也对火灾烟气的分层结构造成一定影响。纵向风的剪切作用，使大量空气被卷吸进入上层烟气，加快了火灾烟气的沉降，尤其在烟气前锋迎风面处，此种现象更为明显，如图11所示。因此，当隧道正坡或出口处发生火灾，且前方交通阻滞时，人员安全疏散阶段的纵向排烟风速不宜过大，以减少烟气扰动，可在完成火灾现场人员疏散后再开启风机排烟。

(a) 热烟试验初期烟气分层

(b) 热烟受扰动下沉

3.3　排烟模式优化

经过排烟试验后，根据现场烟气蔓延情况的分析，对原设计排烟风机运行模式进行优化： 开启进口F匝道内射流风机，防止烟气回流聚集而无法排除，影响人员疏散； 主线隧道、S1匝道发生火灾时，烟气由距离隧道洞口较近、隧道结构流线顺畅的S1匝道排出，关闭D、H匝道内射流风机，主线隧道、S1和E匝道排烟模式合并，简化排烟模式。优化后的风机排烟运行模式见表4—5，风机启停位置见图12—13。

表4　隧道风机排烟S-1运行模式(优化设计)

表5　隧道风机排烟S-2运行模式(优化设计)

图12　进口匝道火源点位置及优化后S-1模式风机启停位置图

图13　出口匝道火源点位置及优化后S-2模式风机启停位置图

4　结论与建议

本文通过数值模拟和现场试验，对南昌市红谷隧道东岸匝道分岔区域火灾时的排烟进行研究，分析进出口匝道在不同工况下的纵向排烟烟气蔓延特性、排烟临界风速及排烟效果等要素，以及复杂水下互通立交隧道通风排烟的特点，制定合理的控烟模式。

1)东岸进口匝道内，火源点位于N1或C匝道内时，在2.5 m/s的纵向风速下，N1、F和C匝道火源上游无烟气回流，分岔部位无串烟现象。

2)东岸出口匝道内，由于匝道曲度大，曲线隧道壁面阻力较大，需增加纵向通风风速至3.0～3.5 m/s，才能实现良好的烟控效果。

3)在进口分岔较多的匝道内，火灾初期，从风机开启至形成有效的排烟气流约需90 s，在此期间，极易出现烟气回流现象。为保证回流烟气能够有效排除，各进口匝道内均应设置射流风机，并根据现场人员疏散情况，尽早正向开启射流风机进行排烟。

4)在出口匝道内，烟气受烟囱效应影响，向下游扩散速度较快，烟气基本在风机开启后90～120 s全部排除。在火灾点前后需要人员疏散时，为保证有利的烟气分层特性，应根据隧道内风速情况启停射流风机。

5)出口分岔匝道纵向排烟时，应利用有利的结构形式，选择流体流线顺畅、烟气流程较短的匝道，采用分岔口一侧的匝道进行排烟，不启动另一侧匝道内射流风机。

6)隧道热烟、冷烟试验规模较小，仅能探知部分现场试验烟气特性和起到示踪气体的作用，出于对隧道安全的考虑，复杂接线隧道的烟气特性和烟气排除时间有待进一步考察。