CN110778351B - 一种城市地下互通隧道组合通风排烟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市地下互通隧道组合通风排烟方法，在隧道内设置纵向排烟系统和重点排烟系统，重点排烟系统由匝道内的排烟道和排烟口组成。通过本发明的排烟方式及布置形式，包括排烟口的尺寸，不同火灾位置时排烟阀的开启，主线及支线射流风机的开关，有效组织烟气流动，集中排烟，减少烟气层下降对人员疏散的影响。本发明可应用于城市地下互通隧道的防排烟设计，将纵向排烟和重点排烟结合组织火灾烟气流动，给出了纵向排烟段与重点排烟段的最佳距离范围，不同火灾位置情况下各匝道段的风流分配情况，可为今后地下互通防排烟系统设计提供一定的参考。充分利用纵向排烟和重点排烟的优点，有效组织烟气流动，保护人员在火灾场景下的疏散安全。

Description

一种城市地下互通隧道组合通风排烟方法

技术领域

本发明涉及城市地下互通隧道通风排烟的技术领域，尤其涉及一种城市地下互通隧道组合通风排烟方法，适用于城市地下互通隧道的火灾事故的处理。

背景技术

随着我国城市化的发展，交通拥堵成为当今城市发展所面临的普遍问题，构建城市立体交通，对改善拥堵现状、保护城市环境等具有重要作用。在城市交通建设方面除兴建轨道交通外，各地也越来越重视城市地下行车设施的建设。大型的地下互通作为地面道路的延伸和补充，具有规划建设工期短、便于与现有地面交通系统衔接、污染物集中处理、有效改善城市环境等优点而被广泛采用。

由于大型地下互通由多段隧道构成，且彼此交叉，车辆与其排放的污染物形成分汇流，如何确保各分支隧道满足防灾救援的要求，是地下互通隧道运营管理需要重点解决的问题。同时，大型地下互通是一个狭长的封闭结构物，其多处城市枢纽地区，一旦发生火灾，具有扑救困难、人员难以撤离的特点，其造成的危害与产生的社会影响将远大于地面城市建筑。地下互通存在风流的分汇，在分汇点前发生火灾，火灾烟流将流入下游的各段隧道，烟流的控制已不同单管隧道的烟流控制方案，火灾的烟流控制方案将更加复杂。同时由于通风竖井、匝道等将大型地下互通分隔成不同的部分，火灾排烟方案将随着火灾位置的变化而变化。因此，地下互通隧道的防灾问题必须引起高度重视。

目前常用的隧道通风排烟系统包括以下几种：纵向排烟系统，横向排烟系统，重点排烟系统。在特长隧道的通风系统设计建设中，为保证通风排烟质量，一般需要修建专门的排烟道，也有一些隧道不修建排烟道，而是运用隧道上部进行排烟。

纵向排烟：火灾时，隧道内的烟气沿隧道纵向流动的排烟模式为纵向排烟模式，这是一种常用的烟气控制方式，可通过悬挂在隧道内的射流风机或其他射流装置、风井送排风设施等及其组合方式实现。

该排烟方式较适用于单向行驶、交通量不高的隧道。纵向通风排烟时，气流方向与车行方向一致。以火源点为分界，火源点下游为烟区，上游为清洁区，司乘人员向气流上游疏散。由于高温烟气沿坡度向上扩散速度很快，当坡道上发生火灾、采用纵向通风控制烟流、通风气流逆坡向时，必须使纵向气流的流速高于临界风速。

横向排烟：横向(半横向)也是一种常用的烟气控制方式。排烟和平时隧道通风系统兼用，横向方式通常是设置风道均匀排风、均匀补风，半横向方式通常是设置风道均匀排风、集中补风或不补风。火灾情况下，利用排风风道均匀排烟。

重点排烟：重点排烟是将烟气直接从火源附近排走的一种方式，从两端洞口自然补风，隧道内可形成一定的纵向风速。该方式在隧道纵向设置专用排烟风道，并设置一定数量的排烟口。火灾时，火源附近的排烟口开启，将烟气快速有效地排离隧道。重点排烟适用于双向交通的隧道或交通量较大、阻塞发生率较高的隧道。排烟口的大小、间距对烟气的控制有较明显的影响。此排烟方式较为实用，对烟气的控制较横向排烟更为精细。

发明内容

基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种城市地下互通隧道组合通风排烟方法，充分利用纵向排烟和重点排烟的优点，有效组织烟气流动，最大限度的保护人员在火灾场景下的疏散安全。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种城市地下互通隧道组合通风排烟方法，在隧道内设置纵向排烟系统和重点排烟系统，所述重点排烟系统由匝道内的排烟道和排烟口组成，其步骤如下：

S1、首先由火灾自动报警系统或由人员报警的方式初步确定火源位置，然后隧道监控室人员借助视频监控系统确定火情，请求启动相应的应急预案；

S2、确定火情位置后，对应发生火灾的相应区段，打开相对应的风机，按照将烟气沿行车方向继续组织；

S3、对于分流点前的烟气，选择具有较好排烟条件的匝道进行排烟，非排烟匝道和主线隧道内的射流风机反转，用于防止烟气进入；

S4、对于分流点后的烟气，分流点前的射流风机全部打开，主线隧道内的射流风机在并线点前至少开启两组，用于防止烟气回流进入匝道和主线隧道；

S5、待风机开启稳定后，设置风机反馈控制参数，对匝道的射流风机的风速进行调节，通过调节风机功率对风速进行反馈控制。

在步骤S3中，首先视下游匝道的长度、曲率、排烟风亭设置情况，按照排烟条件优劣选择匝道。

优选的，进行排烟的匝道内的烟气分为两种：

第一种是火灾发生位置位于排烟风亭上游，采用重点排烟系统进行排烟，通过射流风机进行诱导，排烟风亭下游的射流风机不打开，烟气在排烟道内沿行车方向经由排烟风亭排出；

第二种是火灾发生位置位于排烟风亭下游，经由重点排烟系统将烟气控制在一定区段范围内，烟气在排烟道内沿行车相反方向进行流动。

本发明利用重点排烟系统对烟气的控制精度高，纵向排烟系统烟气组织成熟的特点，达到对地下互通烟气的精准控制。重点排烟系统由匝道内的排烟道和排烟口组成，发生火灾时，开启火源点附近5个排烟口，顶部排烟口尺寸为长度5米，宽度1.2米。侧部排烟在不具备设置顶部排烟口的隧道进行设置，侧部排烟口长度为5米，高度为1.2米。匝道隧道顶部延长度方向布置排烟道，每隔60～80米布置一个排烟口，排烟口均安装自动排烟防火阀。纵向排烟区段，射流风机间距为70～80米。

本发明能否有效控烟关键取决于重点排烟区段前的射流风机能否提供一定的风速，即大于临界风速，抑制匝道内烟气的回流；同时，为避免射流风机射流产生的气流对重点排烟区域的烟气产生较大的扰动(扰动后的烟气层下降，使得重点排烟效率显著降低)，射流风机距离重点排烟段的最近距离需为70～80米。

本发明主要解决了城市地下互通隧道在发生火灾时的烟气组织问题，充分利用了匝道内已有的纵向通风设施和匝道上部空间，在原有纵向通风排烟的基础上增设重点排烟系统，确定了重点排烟系统的排烟口大小、排烟口个数、射流风机距离排烟口间距等参数。

本发明提供了一种适用于大型地下互通隧道火灾情形下的排烟系统设计及风机控制策略，与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：

本发明优点在于能够防止烟气进入非火灾匝道，对于发生在地下互通内的火灾，将烟气有效组织，尽可能减少烟气在隧道内的行程的前提下，将烟气先沿隧道轴线进行组织，然后利用重点排烟进行集中排烟，减少烟气层下降对人员疏散的影响。

相比较于以往地下互通隧道大多采用纵向排烟的排烟策略，本发明将重点排烟的概念引入地下互通的烟气组织中，解决了地下互通隧道匝道段长度大于3km时的排烟问题；同时，针对这两种排烟系统的风流组织，给出了纵向排烟段与重点排烟段的最佳距离范围，不同火灾位置情况下各匝道段的风流分配情况。

本发明设计的通风排烟系统可有效组织烟气流动，已将本发明应用于国内地下互通隧道实际工程中，解决了传统匝道纵向排烟系统烟气组织单一，排烟行程较长的缺点，结合控制电动排烟阀和射流风机，可有效防止烟气串流进入其他匝道，大大提升了隧道内人员可用安全疏散时间。

结合行业规范及工程实际案例经验，本发明尤其适用于互通匝道长度小于3km的情况。

附图说明

图1为本发明典型地下互通匝道火灾位置示意图。

图2为本发明的排烟系统风机平面布置示意图。

图3为隧道顶部排烟口示意图。

图4为侧向排烟口断面示意图。

图5为电动排烟阀示意图。

图6a为火源上方2m高处温度分布规律图，图6b为火源附近温度分布规律图。

图7a为火源上方2m高处能见度分布规律图，图7b为火源附近能见度分布规律图。

图8a为火源上方2m高处CO浓度分布规律图，图8b为火源附近CO浓度分布规律图。

具体实施方式

由于城市地下互通具有多出入口的特点，组成了复杂的通风网络，需利用网络通风算法确定隧道内风压、风量分配规律。匝道存在一定的曲率，需优化射流风机布置，减小射流风机升压折减系数，提升隧道通风效率。由于增设了重点排烟系统，原射流风机是否会对重点排烟段的烟气层造成扰动，同时，如果射流风机距离重点排烟口距离过远，势必会影响纵向排烟段的效果，造成某段排烟失效。

现有技术有将纵向排烟和重点排烟应用于直线隧道的案例，并定义了相关参数，但是针对大区率隧道应用案例较少，随着城市地下交通的不断规划和发展，今后在城市区域会越来越多地出现大曲率隧道，同时由于城市隧道相较于山岭隧道，对于环境保护以及人员疏散安全方面更高的要求，重点排烟作为对于烟气进行直接控制的手段将会愈加普及。大区率隧道主要由于存在弯曲段的局部阻力损失以及烟气运动规律的变化，需要针对性确定射流风机间距，重点排烟系统的相关设计参数(排烟口尺寸，个数，排烟口面积)。

匝道内的烟气分为两种，一种是火灾发生位置位于排烟风亭上游(上下游是指按照行车方向为正方向，沿行车方向以后为下游，沿行车方向以前为上游，以下同)，此时烟气采用重点排烟，射流风机进行诱导，排烟风亭下游射流风机不打开，烟气在排烟道内沿行车方向经由排烟风亭排出。第二种是火灾发生位置位于排烟风亭下游，此时经由重点排烟将烟气控制在一定区段范围内，烟气在排烟道内沿行车相反方向进行流动。

当火灾发生位置位于分流点后时，分流点前的射流风机全部打开，主线隧道射流风机在并线点前至少开启两组，防止烟气回流进入匝道和主线隧道，造成二次污染。此情形下的烟气将组织进入主线隧道，由主线隧道洞口进行排出。

对于匝道外接隧道这一特殊情况有条件的应考虑设置排烟风亭，缩短烟气行程。

实施例1：

如图1、图2、图3所示，一种地下互通隧道的通风排烟方法，其步骤是：

A、首先由火灾自动报警系统或由人员报警的方式初步确定火源位置，然后隧道监控室人员借助视频监控系统确定火情，请求启动相应的应急预案。

B、确定火情位置(即火源点大致桩号)后，对应发生火灾的相应区段，可参照表1～2打开相对应的射流风机和轴流风机，按照将烟气沿行车方向继续组织，选择进入排烟条件较好的匝道进行排烟，非排烟匝道射流风机反转，主线隧道射流风机反转，防止烟气进入的原则。

C、待风机开启稳定后，设置风机反馈控制参数，对A～D匝道的射流风机的风速进行调节，可以通过调节风机功率从而对风速进行反馈控制，具体不同火灾工况下采用的风速取值参照表3，负号代表风速与行车方向相反。

该方案共有4个匝道，分别为A，B，C和D匝道。同时匝道内设置有射流风机。设计考虑A匝道、B匝道、C匝道均采用重点排烟模式。其中A匝道及C匝道考虑在矩形隧道顶部设置重点排烟道。B匝道由于受结构限制，考虑在隧道结构侧边外挂排烟道。

同时本发明将匝道排烟系统与主线隧道排烟系统作为一个整体进行考虑，主线隧道的射流风机控制与匝道通风控制策略是进行联动的。

由表中可以详细的看出不同火灾区段时，风机及排烟口的开启策略。针对地下互通排烟口烟气易发生串流的特点，按照以下原则进行烟气组织。

分流点前的烟气，即图1中的火灾位置1，视下游匝道的长度、曲率、排烟风亭设置情况，按照排烟条件优劣进行选择，优先选择具有较好排烟条件的匝道进行排烟。原则是将烟气沿行车方向继续组织，选择进入排烟条件较好的匝道进行排烟，非排烟匝道射流风机反转，主线隧道射流风机反转，防止烟气进入。

当火灾发生位置位于分流点后时，分流点前的射流风机全部打开，主线隧道射流风机在并线点前至少开启两组，防止烟气回流进入匝道和主线隧道，造成二次污染。此情形下的烟气将组织进入主线隧道，由主线隧道洞口进行排出。

表1通风设备控制模式表

表2电动排烟口控制模式表

不同区段火灾下烟气控制方案总结如下表所示：

表3烟气控制方案

重点排烟又称为半横向排烟，本发明为排风型半横向通风排烟模式。该系统由排烟道和行车道组成，排烟道通过排烟口对行车道内的烟气进行排出。不同于送风式排烟，排烟道内，新风由两侧洞口吸入，对于交通阻滞时发生的火灾，可以有效抑制火灾时的烟气蔓延。排烟口、排烟道的尺寸如图3，4所示。对于上部不具备设置排烟道的匝道设计了一种侧边外挂式的排烟道，详细尺寸见图5。排烟道与行车道之间用防火板进行隔离。排烟口上均安装由电动排烟阀，电动排烟阀形似百叶窗，可远程电动遥控开启，紧急情况下也可由人工进行开启。

上述排烟道面积为10-12m²，上述排烟口面积为6-8m²，上述排烟口长宽比为1.5-5之间。上述排烟口的间距为60～80米。

射流风机组产生的通风作用称为射流的诱导效应射流风机诱导的空气流动本质上是一种空气射流。匝道隧道中，射流风机组可采用不同的串联组合方式进行，在隧道中形成不同的通风状态，但风机组之间的每隔单元通风段的流动特性却是完全相同的。因此，单元通风段被认为是射流通风系统的基本流段，包括诱导通风段和压力通风段。当风机组机组纵向间距过小时，射流未充分发展，不同流段产生相互干扰，致使系统的通风效率有比较明显的下降，同时，在机组连续作用的整个隧道空间内，形成上快下慢的两个不同流区，这种气流组织对通风效果产生不利影响。诱导段长度不仅是射流的主要几何特性的定量描述，更是确定风机组纵向布置间距的重要参数。

下面结合某地下互通工程进行实际计算确定纵向布置间距。

空气射流诱导段长度的回归方程式为：

l_y＝(7.16+62.93T-108.2mU)d_e

式中，l_y——诱导段长度；

T——无量纲流速比，vt/vj；

U——无量纲面积比，Aj/At；

m——断面并列风机台数；

d_e——隧道当量直径(m)。

射流风机组的纵向控制间距，用l_d表示为：

l_d＝l_x+l_y+l_w

式中，l_d——射流风机组纵向控制间距，(m)；

l_x——射流风机吸入段长度，(m)；

l_w——空气射流稳定段长度，(m)；

表4某地下互通工程射流风机纵向控制间距

通过理论计算的射流风机纵向控制间距分别为：A匝道：73.19m，B匝道：74.00m，C匝道：77.16m，D匝道77.16m。故针对地下互通匝道内射流风机纵向布置间距规定为70～80米。

为验证本发明的通风排烟设计方案，建立了地下互通通风排烟数值仿真模型。在火灾规模30MW，设计排烟量为150m³/s，排烟口间距60m，排烟口面积6m²(5*1.2布置)，排烟阀开启组数为6组(上3下3)，隧道上游射流风机诱导风速设置为3m/s时，如图6～8所示，下面分别列出火源上方2米处温度、能见度、CO浓度的分布规律情况。

(1)由火源功率为30MW时，双向排烟模式下，隧道内2m高处温度分布规律可以看出，隧道纵向距地面2m高处气体高温区域均紧靠火源分布，且在沿纵向两侧距火源10m范围外迅速降低，并接近于环境温度(20℃)。

(2)由火源功率为30MW时，双向排烟模式下，隧道内2m高处能见度分布规律可以看出，隧道内火源上游沿程各点2m高度处的能见度均未达到临界危险值，对人员疏散及消防救援有利。

(3)由火源功率为30MW时，双向排烟模式下，隧道内2m高处CO浓度分布规律可以看出，隧道纵向距地面2m高处气CO在火源周围10m范围内变化剧烈，在沿纵向两侧距火源10m范围外迅速降低，从图中可以看出CO浓度值均未超过人员忍受极限限值。

综上所述，本发明可有效解决地下互通隧道通风排烟问题，可有效保证人员疏散过程中对疏散环境的要求，提升地下互通隧道防灾救援保障能力。

通过本发明的排烟方式及布置形式，包括排烟口的尺寸，不同火灾位置时排烟阀的开启，主线及支线射流风机的开关，有效组织烟气流动，集中排烟，减少烟气层下降对人员疏散的影响。本发明可应用于城市地下互通隧道的防排烟设计，通过将纵向排烟和重点排烟结合组织火灾烟气流动，可为今后地下互通防排烟系统设计提供一定的参考。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解得到的变换或者替换，都应该涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种城市地下互通隧道组合通风排烟方法，其特征在于，在隧道内设置纵向排烟系统和重点排烟系统，所述重点排烟系统由匝道内的排烟道和排烟口组成，其步骤如下：

S1、首先由火灾自动报警系统或由人员报警的方式初步确定火源位置，然后隧道监控室人员借助视频监控系统确定火情，请求启动相应的应急预案；

S2、确定火情位置后，对应发生火灾的相应区段，打开相对应的风机，按照将烟气沿行车方向继续组织；

S3、对于分流点前的烟气，选择具有较好排烟条件的匝道进行排烟，非排烟匝道和主线隧道内的射流风机反转，用于防止烟气进入；

S4、对于分流点后的烟气，分流点前的射流风机全部打开，主线隧道内的射流风机在并线点前至少开启两组，用于防止烟气回流进入匝道和主线隧道；

S5、待风机开启稳定后，设置风机反馈控制参数，对匝道的射流风机的风速进行调节，通过调节风机功率对风速进行反馈控制；

在步骤S3中，对具有较好排烟条件的匝道内的烟气进行排烟的步骤包括：

S31、火灾发生位置位于排烟风亭上游，采用重点排烟系统进行排烟，通过射流风机进行诱导，排烟风亭下游的射流风机不打开，烟气在排烟道内沿行车方向经由排烟风亭排出；

S32、火灾发生位置位于排烟风亭下游，经由重点排烟系统将烟气控制在一定区段范围内，烟气在排烟道内沿行车相反方向进行流动；

所述排烟口的尺寸为长度5米，宽度1.2米；在每个排烟口处均安装自动排烟防火阀。

2.根据权利要求1所述的城市地下互通隧道组合通风排烟方法，其特征在于，在步骤S3中，首先视下游匝道的长度、曲率、排烟风亭的设置情况，按照排烟条件优劣选择匝道。

3.根据权利要求1所述的城市地下互通隧道组合通风排烟方法，其特征在于，在匝道隧道顶部延长度方向布置排烟道，每隔60-80米布置一个排烟口。

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