超长距离盾构隧道疏散通道加压送风系统研究

2021-12-17谢宝超楚坤坤赵家明鲁志鹏徐志胜

中国安全生产科学技术 2021年11期

谢宝超，楚坤坤，赵家明，鲁志鹏，张忆，徐志胜

(1.中南大学防灾科学与安全技术研究所，湖南长沙 410000；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

0 引言

随经济快速发展，我国公路隧道交通网络不断优化，隧道建设逐渐朝大埋深、大直径、超长距离方向发展[1]。通过在大断面水下盾构隧道设置横通道进行人员疏散，施工风险大、结构稳定性差、实用性较差，而利用下部安全疏散通道进行人员疏散，火灾发生时利用隧道内疏散口进入疏散通道逃生[2-5]，被广泛应用于实际工程。

我国水下公路隧道建设日益发达，疏散方式主要为纵向疏散，疏散通道防烟设计采用机械加压送风系统[6-7]。部分学者对疏散通道加压送风系统设计参数及送风方式开展研究：王莉[8]采用数值模拟研究纵向疏散救援通道加压送风策略，指出疏散通道采用70 000 m3/h的逆向单侧送风可有效阻止烟气侵入疏散救援通道；孔少波[9]通过对不同送风方式进行数值模拟，建议采用纵向疏散通道进行加压送风；李伟平等[10]建议隧道发生火灾时，应确保疏散通道内余压为30～50 Pa，防止烟气侵入疏散通道；徐志胜等[12]提出纵向疏散通道内加压送风量的计算方法；刘琪等[13]在假定疏散口开启数量情况下，对疏散口风速和风机风量进行理论研究，建立满足安全通道正压防烟要求的风机流量和压力计算公式。

目前研究多集中于疏散通道内风速、压力等理论与数值仿真计算方面，对不同送风方式及疏散口开启数量耦合作用下疏散口气流速率分布规律研究较少。因此，本文以某水下盾构隧道为例，采用FDS软件对疏散通道采用单侧及双侧送风方式，对不同开启疏散口数量工况进行模拟分析，以期为水下盾构隧道疏散通道加压送风系统设计提供参考。

1 疏散通道内加压送风量理论计算

当隧道发生火灾，被困人员迅速通过疏散楼梯进入下部安全疏散通道逃生。当疏散通道内压力低于行车道压力时，烟气可能通过疏散口及缝隙进入疏散通道，影响人员安全疏散。因此，对采用纵向疏散的水下公路隧道，疏散通道需设置1套独立加压送风系统，火灾发生时通过对疏散通道加压送风，可保障疏散通道安全性。

1)风速标准：疏散楼梯(或滑梯)口开启时，门洞断面风速为0.7～1.2 m/s；

2)压差标准：疏散楼梯(或滑梯)口关闭时，疏散通道内正压值为25～50 Pa；

3)送风口风速不宜大于7 m/s。

采用压差法计算加压送风量时，计算结果与漏风面积成正比，受疏散口缝隙面积影响较大。实际工程中，疏散口缝隙面积难以确定，采用压差法计算加压送风量的工程适用性较差。因此，本文采用风速法对疏散通道加压送风量进行计算。

当疏散口开启时，保持疏散口气流速率所需加压送风量如式(1)所示：

Q=AvN

(1)

式中：Q为开启疏散口时，为保持疏散口气流速率所需送风量，m3/s；A为每个疏散口面积，m2；v为疏散口气流速率，m/s；N为开启疏散口数量，个。

由此可以看出，面对新的混合式学习模式，尽管学生能够认识到英语学习策略对他们的英语学习有着重要的作用，但是他们整体的英语学习策略使用状况处于一般水平，这说明英语学习策略并没有在学生的英语学习过程中起到足够的促进作用。大学生对英语学习策略的意识不强，认识更是不足，更谈不上熟练、灵活运用。因此，针对调查中存在的问题，提出相应的英语学习策略培养对策，提高大学生英语学习效率。

本文以某超长距离水下公路盾构隧道为例，在隧道行车道右侧每隔80 m设置1处疏散楼梯。疏散楼梯孔洞尺寸如图1所示，疏散口气流速率为0.7 m/s，计算结果见表1。

图1 疏散楼梯孔洞尺寸Fig.1 Size of evacuation stairhole

表1 风速法计算疏散通道加压送风量Table 1 Pressurized air supply volume of evacuation passage

2 疏散通道加压送风数值模拟

2.1 物理模型建立

某超长距离水下公路盾构隧道线路全长约11.83 km，隧道段6 414 m，其中盾构段4 952 m，隧道内径14.2 m，外径15.5 m，属于超长距离大断面盾构隧道，隧道横断面示意如图2所示。

图2 隧道横断面示意Fig.2 Schematic diagram of tunnel cross section

隧道横断面由上到下分为3层：上层为排烟道层，中间为车道层，下层分为3个通道，外侧与中间依次为人行疏散通道、车辆救援通道，内侧为电缆通道。为保证司乘人员能够由下层疏散通道疏散，救援人员能够由下层通道到达事故现场，在行车道右侧每隔80 m设置1处疏散楼梯，连通行车道层与下层纵向疏散救援通道。疏散楼梯间布置如图3所示。

图3 疏散楼梯间布置Fig.3 Layout of evacuation staircase

本文采用FDS软件对火灾发生时疏散通道加压送风系统进行数值模拟，求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动N-S方程，模拟大范围火灾现象[15]。考虑火灾最不利情况，火源位于隧道中部，分析行车道交通堵塞1 000 m范围内人员疏散安全性，隧道模型长度取1 200 m(x轴方向)，需开启14个疏散楼梯口，并对疏散口进行编号；火源两侧对称开启6个排烟阀，间距60 m，每个排烟阀面积8 m2。疏散通道加压送风示意如图4所示。

图4 疏散通道加压送风示意Fig.4 Schematic diagram of pressurized air supply in evacuation passage

2.2 火源功率确定

该隧道为高速公路过江通道，交通量大，其中小客车占82%。依据国内外隧道火灾规模相关规定及研究成果[16]，参考国内隧道工程经验，并结合该隧道工程特点、通行车辆种类及比例，考虑最不利情况(重型货车发生火灾)，确定火源功率为50 MW。在数值模拟中采用t2火模型，火灾初期火源功率较小，随时间增加功率逐渐增大，对应火灾增长阶段；经过一段时间，火源功率达到最大值后保持恒定。

2.3 网格独立性验证

在FDS数值模拟中，计算区域网格划分对计算结果影响较大。经NIST试验验证，当网格尺寸d介于[D*/16,D*/4]之间时，模拟结果与试验结果非常吻合。其中D*为火灾特征直径，如式(2)所示：

(2)

数值模拟中火源功率为50 MW，计算可得D*=4.53，当网格大小介于0.28～1.13 m时，数值模拟结果与真实情况相接近，可靠性较高。本文设置4种不同尺寸网格0.2 m×0.5 m×0.5 m，0.25 m×0.5 m×0.5 m，0.4 m×0.5 m×0.5 m，0.5 m×0.5 m×0.5 m，网格独立性验证模拟工况见表2。通过对比火源下游30 m处热电偶树温度变化过程及规律，确定合适的网格尺寸。

表2 网格独立性验证模拟工况Table 2 Simulation conditions of grid independence verification

网格独立性分析模拟结果如图5所示。从平稳段温度变化可知，4种网格尺寸均能得到趋势一致且较为平缓的数据，不同网格尺寸差异性较小。从测点温度随时间变化可知，网格尺寸为0.25 m×0.5 m×0.5 m在平稳段温度变化较小，不同网格之间的差异性较小。综合模拟结果、网格总数和计算机能力，选取0.25 m×0.5 m×0.5 m作为疏散楼梯间附近数值模拟网格尺寸，其余位置网格大小均为0.5 m×0.5 m×0.5 m，总网格数为2 376 000。考虑疏散通道内不同送风方式及人员疏散时疏散口开启情况，共设置10组模拟工况，见表3。

图5 火源下游30 m处热电偶树温度变化Fig.5 Temperature change of thermocouple tree at 30 m downstream of fire source

表3 模拟工况Table 3 Simulation conditions

3 结果与分析

3.1 烟气蔓延范围分析

当隧道内发生火灾时，烟气由于浮力作用首先向上蔓延，当触碰隧道顶棚后沿顶棚向上下游蔓延，隧道顶棚下方温度随烟气蔓延而升高，并在一段时间后趋于稳定，稳定时隧道顶棚下方温度分布如图6所示。当某位置处顶棚下方温度达60 ℃时，表明烟气已经蔓延至该位置，威胁隧道内未撤离人员生命安全[17]。

图6 隧道顶棚下方温度分布Fig.6 Temperature distribution under tunnel ceiling

由图6可知，火源功率为50 MW时，双向排烟模式下，烟气向下游蔓延范围与火源上游大致相等，烟气蔓延范围约300 m；上下游距离火源150～250 m范围内，顶棚下方温度依然升高，但温度较低，表明仅有少量烟气蔓延至该区域。因此，对疏散通道加压送风时，应重点分析火源上下游150 m范围内疏散口气流速率是否符合规范要求，以保证火灾发生时能有效防止烟气经疏散口侵入下部人行疏散通道，影响人员安全疏散。

3.2 疏散口气流速率分析

1)单疏散口气流速率

火灾发生时，靠近火源处人员危险性较大，对疏散环境要求较高。因此，对疏散通道加压送风时，应重点分析烟气蔓延范围内疏散口气流速率是否满足规范要求。以L1、L2疏散口为例，采用2种送风方式时疏散口气流速率如图7～10所示。

图7 双侧加压送风时L2疏散口气流速率Fig.7 Air flow velocities of L2 evacuation exit under double sides pressurized air supply

图8 双侧加压送风时L1疏散口气流速率Fig.8 Air flow velocities of L1 evacuation exit under double sides pressurized air supply

图9 单侧加压送风时L2疏散口气流速率Fig.9 Air flow velocities of L2 evacuation exit under single side pressurized air supply

图10 单侧加压送风时L1疏散口气流速率Fig.10 Air flow velocities of L1 evacuation exit under single side pressurized air supply

由图7～10可知，采用双侧或单侧送风方式，疏散口气流速率分别在加压送风初期0～300 s，0～200 s范围内表现出极大的波动性，气流速率不稳定；但2种送风方式下疏散口气流速率分别于300 s、200 s后趋于稳定，且均大于0.7 m/s，介于0.9～3.3 m/s；开启疏散口越少，同一疏散口稳定时气流速率越大，当开启6个疏散口时，双侧与单侧送风方式下最高气流速率分别达3.3，2.1 m/s；对于同一疏散口，采用双侧送风方式稳定时气流速率均大于采用单侧送风方式，但趋于稳定的时间较长。

2)疏散口气流速率分布规律

通过隧道两侧送风井内加压送风机对疏散通道加压送风时，疏散口气流速率经过剧烈波动变化后，某一时刻逐渐趋于稳定。疏散口气流速率稳定时，不同工况下疏散口气流速率分布如图11～12所示。

图11 双侧加压送风时疏散口气流速率Fig.11 Air flow velocities of evacuation exit under double sides pressurized air supply

图12 单侧加压送风时疏散口气流速率Fig.12 Air flow velocities of evacuation exit under double sides pressurized air supply

由图11～12可知，同一加压送风量，采用双侧送风方式，各开启疏散口气流速率均近似呈对称分布，呈现“中间大，两端小，先减小再增大”的整体变化趋势；采用单侧送风方式，各开启疏散口气流速率整体呈下降趋势，随与开启送风机一侧送风井距离增加而减小；同一送风方式，不同疏散口开启数量情况下，每一区段内疏散口气流速率分布曲线变化趋势基本一致，表明疏散口气流速率变化符合相同函数规律；对于2种送风方式，疏散口气流速率均随疏散口开启数量增加而减小；采用双侧送风方式，开启疏散口数量为14时，存在气流速率略低于0.7 m/s的现象；而采用单侧送风方式，开启疏散口数量≥12时，远离开启送风机一侧送风井的疏散口气流速率低于0.7 m/s，但在集中排烟有效时，由于距离火源较远而不会对人员疏散造成影响。

由图11可知，采用双侧送风方式时，火源两侧疏散口气流速率变化趋势存在临界转折点，而该临界转折点处疏散口气流速率分布趋势由减小转为增大，这是因为此临界位置恰为火灾烟气蔓延区域边界点，烟气由火灾位置向隧道两端蔓延过程中，下层空气不断被卷吸，并流向火源处，越靠近火源处，空气被卷吸消耗越多，疏散口气流速率越大。

因此，依据稳定时疏散口气流速率分布规律可知，当开启疏散口数量≤10时，采用2种送风方式均能使疏散口稳定时气流速率满足大于等于0.7 m/s规范要求。

3.3 疏散通道气流速率分布规律

当隧道内发生火灾时，开启隧道两侧送风井内疏散通道加压送风机，通过送风管道及送风口进行加压送风，风沿疏散通道依次流向隧道内开启的疏散口，以阻止烟气侵入。当疏散口气流速率稳定时，疏散通道内气流速率分布规律如图13～14所示。

图13 双侧加压送风时疏散通道气流速率Fig.13 Air flow velocities of evacuation passage under double sides pressurized air supply

图14 单侧加压送风时疏散通道气流速率Fig.14 Air flow velocities of evacuation passage under single side pressurized air supply

由图13～14可知，对于2种送风方式，当风流经疏散通道与疏散楼梯间连接的门洞处时依次分流，气流速率逐渐降低；采用双侧送风方式，疏散通道内气流速率近似呈对称分布，处于疏散口关闭区段的疏散通道气流速率保持在5 m/s左右；采用单侧送风方式，疏散通道内气流速率呈阶梯状分布，处于疏散口关闭区段的疏散通道气流速率保持在10 m/s左右，但疏散通道内部分区域气流速率过大，送风口风速不符合小于等于7 m/s的规范要求，风速过大对人员疏散造成不利影响。