某隧道工程火灾烟气控制模拟研究

摘要：为研究隧道内火灾烟气控制方案，本文以长沙市某隧道工程为研究对象，利用火灾动力学模拟软件FDSS.3.0对两种设定火灾场景下的烟气蔓延进行数值模拟，得到了设定火灾场景下隧道内的温度和能见度分布情况，并通過对比烟气100℃前锋和10m能见度前锋在2m高度处的蔓延曲线得到起火区域上、下游各个位置的可用安全疏散时间，模拟结果为该隧道内消防设施的安全性、合理性和可靠性评估以及整体工程设计提供依据。

关键词：隧道火灾：烟气控制；火灾场景；数值模拟

中图分类号：U458.1

文献标识码：B

文章编号：1008－0422(2012)02－0100－03

1、引言

隧道是一种特殊的地下建筑，其建筑结构、内部环境以及功能用途与普通建筑有着很大的区别，因此隧道的火灾特点、防治及人员疏散和救援技术都有着不同于普通建筑的特性。隧道内部狭窄及其两侧封闭的独特结构，使得火灾烟气的排放、车辆及人员疏散困难增加，一旦发生火灾，可能造成严重的损失。由于目前我国还没有相应的隧道消防规范对其消防设计进行指导，设计参数、消防设施的配置等方面没有现成的法规可循，其消防设计大多采用论证或照搬其它工程案例的方法解决。采用这种方法，一方面，可能由于防火设施或疏散措施设置未达到应有的要求，而使隧道存在较高的潜在危险性；另一方面，也可能由于缺乏科学的指导，盲目追求隧道的火灾安全性能，提高隧道防火级别，从而大幅度增加成本，降低了隧道的经济性能。

本文将通過数值模拟的分析手段，对长沙市南湖路湘江隧道工程的火灾烟气控制进行分析，为其消防设施的安全性、合理性和可靠性评估以及整体工程设计提供依据。

2、工程概况

长沙市南湖路湘江隧道是联通湘江，缓解過江交通压力的枢纽工程。工程设计为双管单向，盾构内径7.4m，分北线和南线，北线最长封闭段1782m，南线最长封闭段2058m，仅限通行非危险化学品等机动车，根据《建筑设计防火规范》(GB5001 6 2006)…属于二类隧道，盾构段隧道断面如图1所示。隧道内包括防排烟系统、火灾报警系统、消防灭火系统、人员疏散通道及救援设施等消防安全措施。由于南、北线隧道类似，本文仅选择较长的南线隧道进行分析。

3、火灾烟气控制通气气流组织

根据《公路隧道通风照明设计规范》第3.9.1条的规定：通风设计时必须考虑火灾对策，长度大于1500m且交通量较大的隧道应考虑排烟措施。本项目隧道南线长2058m，北线长1758m，洞内影响风速大小的因素复杂，为充分保证火灾时排烟需要，应详细考虑隧道的排烟措施。

当隧道内发生火灾时，首先监测隧道内的实际风速，如果在2.5～4.5m／s之间，可先不开启风机，让风向与行车方向一致：如监测到风速小于2.5m/s，则必须启动排烟程序。顺行车方向提供足够的气流。保证疏散人员安全以及防止烟雾反向蔓延：如出现特殊情况，监测的风速大于4.5m／s，需减少已开启正向风机或反向开启部分风机以降低隧道内风速。总之，火灾发生时，应维持隧道内沿行车方向2.5～3m／s的临界风速，防止火源迅速扩大和烟雾的蔓延，保证疏散车辆及人员的安全。烟雾从河东洞口排出。

同时，为保证安全通道内疏散人员的安全，开启安全通道通风机，维持安全通道内正压送风，防止行车道内的烟雾向安全通道蔓延，并为安全通道内提供新鲜空气。

南湖路隧道拟采用的轴流风机SDZ100的参数为：流量：15～20m³／s：风压：600～800pa；功率：15～20kw。

4、火灾场景设置

正确设定火灾场景是火灾模拟分析的基础。火灾场景的选取通常采用最不利原则，即根据火灾危害较大与火灾最可能发生的情况来选取火灾场景。但在实际操作时，设计者往往不能事先判断出哪一火灾场景危害较大或最可能发生，所以在确定火灾场景时应进行全面科学合理的筛选，以避免由于设计者对火灾规律认识的局限性导致选取的片性。

由于南湖路湘江隧道属于市政公路隧道，通過其中的车辆类型与普通公路隧道有所不同，主要为小型载客车量，中型、大型货车所占比例非常小，并且限制载有大量可燃物的车辆(如油罐车、工业、化学药品车辆等)的进入。因此，通過隧道的车辆所携带的可燃物较少，主要为车辆自身所需的燃油和车内装饰物，发生大型火灾的概率微乎其微。参照公路隧道火灾荷载设计要求，确定火源为汽车，火源功率为20MW。

确定火灾的热释放速率随时闻的变化规律是火灾场景设定的核心。在隧道受限制的条件下，隧道火灾产生的温度往往要高于建筑物火灾产生的温度，而且由于灭火人员和设备较难进入，因此持续的时间要长得多。本文选取RABT曲线为火源热释放曲线，如图2所示，该曲线假设火场温度在5min之内快速升高到1200℃并在持续较短时间后，冷却110min。它模拟一场简单的卡车火灾的升温状况，但针对一些特殊类型的火灾，最高温度的持续时间也可延长到60min。或更长的时间，然后冷却110min。

按照火灾场景设置的危险性、全面性以及最不利性的设置原则，本文设计了如下两个南湖路湘江隧道内的火灾场景：

场景1：起火地点位于隧道盾构段中部。此时，火源功率20MW，隧道通风模式转换为火灾通风模式，通风风速2.5m／s。起火后气流组织按图3所示。起火区下游车辆继续前行驶出隧道，起火区上游车辆停止，入口匝道附近人员可直接由入口疏散离开，而盾构段内部人员可从车道左边的逃生滑道或救援／疏散楼梯进入安全通道，从工作井撤离隧道。

通過火灾烟气数值模拟，研究分析盾构段中部发生火灾时，设计的火灾通风风速对抑制火灾烟气蔓延的有效性，获得该火灾场景下的人员和车辆可用的安全疏散时间。

场景2：与场景1相似，位于隧道盾构段中部，但起火后通风系统出现故障停止工作。

5、隧道内烟气流动数值模拟分析

目前，工程上使用的火灾数值模拟软件很多，由美国国家标准技术局开发的FDS就是其中一种，其默认湍流模型采用SmagorinsI(y形式的大涡模型，燃烧模型采用的是混和分数模型，辐射传热通過对非散射灰体近似的气体利用有限体积方法求解其辐射传输方程，通過大涡模型对连续方程、动量方程、能量方程以及压力收敛方程进行求解，可得到温度、压力、气体成分、可见度等参数的空间分布。本文采用FDS软件，对火灾发生时隧道内的火灾蔓延和烟气蔓延情况进行模拟分析，计算火灾发展過程中各参数的变化情况，利用FDS建成的隧道整体模型如图4所示。

5.1　火灾场景1模拟结果

火灾场景1条件下模拟得到的隧道内温度及能见度分布情况如图5、图6所示。

由图5、图6可知，由于隧道内有2 5m／s的纵向通风，300s时隧道烟气未向火源上游蔓

延，而在纵向通风的作用下向火源下方蔓延，600s时烟气已蔓延至整个下游隧道并基本趋于稳定，此时烟气在火区下游的危害主要体现在遮光性和毒性上，说明盾构段中部发生火灾时，设计火灾通风风速为2.5m／s能有效地抑制火灾烟气向火区上游进行蔓延，火灾烟气对火区上游的受困人员没有影响。

从起火后30min火源附近的温度分布和能见度分布图看到，隧道中部发生火灾后，隧道内的高温烟气分层比较明显，100℃以上的高温烟气均浮于隧道上部，温度随下游方向逐渐降低。

5.2　火灾场景2模拟结果

当起火后通风系统出现故障停止工作时，计算结果如图7、图8所示。

从模拟结果我们可以看到，由于通风系统失效，隧道内烟气向火源两端蔓延的速度大致相当，但因火源上游隧道坡度大干火源下游坡度，坡度产生烟囱效应使烟气向火源上游蔓延的强度大于向火源下游蔓延的强度。由图7、图8可知起火600s后开始产生明显的烟囱效应，火源下游烟气开始往上游方向回流，1200s后达到稳定，此时隧道上游方向充满火灾烟气，将对人员疏散造成较严重的威胁。

5.3　人员可用安全疏散时间

若仅考虑火灾烟气对隧道内疏散人员的危害，起火区域上、下游各个位置的可用安全疏散时间可以通過对比烟气1000c前锋和10m能见度前锋在2m高度处的蔓延曲线得到。两种火灾场景下，人员可用安全疏散时间如图9、图10。

6、结论与建议

由此可见，该城市水下隧道的消防设施设备正常工作的情况下能够保障紧急情况下人员疏散的安全性，消防设施设备发生故障时人员的生命安全则难以保障。因此，应加强日常的系统维护，确保消防设施设备的有效性。

本文通過国际通用的火灾动力学模拟软件FDS，对长沙市南湖路湘江隧道在两种火灾场景下的火灾烟气蔓延和流动进行数值模拟，对火灾条件下火灾烟气控制措施的有效性进行了评估，并获得了两种场景下的人员和车辆可用的安全疏散时间，为分析长沙市南湖湘江隧道疏散方式的可靠性作准备。

结果表明。对火灾场景1，设计火灾通风风速为2.5m／s，能满足抑制火灾烟气向火区上游蔓延，受困人员安全疏散要求。而在通风系统损坏的情况下，隧道火灾中，人员安全疏散将受到严重影响。同时隧道本身的坡度将对烟气蔓延产生一定影响，设计时应加以注意，避免因烟囱效应导致的排烟失效。

隧道火灾烟气控制分析是一个复杂而又重要的课题，既关系到人员的安全疏散，也关系隧道自身结构安全，无论在理论研究方面，还是隧道安全管理方面都面临着不少挑战，有待于进一步研究国内外隧道防火技术现状及发展趋势。