公路隧道消防安全--工程硕士学位论文.docx

摘 要中图分类号 密 级 学科分类号 论文编号 工 程 硕 士 学 位 论 文西藏林芝多雄拉隧道排烟方案研究作者姓名： 院内导师： 院外导师： 工程领域： 安全工程学位类型： 在职工程硕士提交日期：二一六 年 四 月CLC X932 LOC DCN 620.3010 TSN THE CHINESE PEOPLES ARMED POLICE FORCE ACADEMYENGINEERING MASTERS THESISFOR PROFESSIONAL DEGREEStudy on the Tibet Linzhi tunnel smoke hung pull scheme Candidate:Supervisor:Outside Supervisor :Senior Engineer Feng JingyuEngineering:Safety of EngineeringKinds of Degrees: Master of EngineeringDATE: April,27,2014中图分类号 X932 密 级 学科分类号 620.3010 论文编号 中 工 程 硕 士 学 位 论 文西藏林芝某特长公路隧道排烟方案研究2015届 XXX工程领域： 安全工程 培养方向： 防火工程 学位级别： 工程硕士 学习方式： 全日制攻读 学习单位： 消防工程系 院内导师姓名： 职称： 教 授 工作单位： 指挥系 院外导师姓名： 职称： 高 工 工作单位： 江苏公安消防总队 论文提交日期： 2014年4月27日 论文答辩日期： 答辨委员会主席： 评 阅 人： 学位授予单位和日期： 课题来源： 自选课题 关键词： CMDA CMSA ESFR 布水规律 灭火性能 工程设计参数 2014年 4月27日成果原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风，所呈交的学位论文是本人在指导教师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽我所知，文中除明确注明和致谢的地方外，不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，文中与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。 作者签名： 日期：学位论文使用权说明本人完全了解学院有关保管、使用学位论文的规定。其中包括：学院有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印件和电子版；学院可以采用影印、缩印或其它手段复制、保存和汇编学位论文；学院可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；学院可允许学位论文被查阅或借阅；学院可以学术交流为目的，复制、赠送和交换学位论文。作者签名： 日期：院内导师： 日期：院外导师： 日期： 摘 要西藏林芝某特长隧道的全长4.784KM，隧道尺寸为宽8.6米，高6.9米，起点进口海拔为3232米，出口海拔为3566米，坡度为4. 采用FDS软件进行数值模拟，主要从坡度、海拔对排烟效果的影响，以西藏林芝某特长隧道为模型，研究该隧道的合理纵向诱导风速、排烟阀之间的最佳距离以及火源位置不同应开启的排烟阀数量，从而进一步优化该隧道的排烟方案。本文在前人的研究成果基础上，以西藏林芝某特长公路隧道为研究对象，利用火灾模拟软件FDS为火灾模拟工具，建立隧道模拟场景，研究西藏林芝某特长公路隧道火灾烟气蔓延规律。通过模拟不同海拔、不同纵向风速、排烟阀之间的距离、火源位置不同应开启排烟阀的数量不同等因素对排烟效果的影响，从而确定最优化的排烟方案，具体研究内容如下:（1）不同海拔对隧道火灾烟气蔓延的特性进行数值模拟研究，获得海拔对隧道火灾烟气蔓延的影响规律;同时对不同通风排烟模式下“烟囱效应”的影响规律进行分析研究，获得不同通风排烟模式在火灾条件下“烟囱效应”的关键技术参数；（2）结合现有西藏林芝某特长隧道的几何尺寸，设定坡度及海拔二者耦合作用对烟气蔓延规律的影响，并考虑隧道火灾不同通风排烟模式下“烟囱效应”的影响研究，然后对公路隧道水力直径相同、宽高比不同的西藏林芝某特长公路隧道进行模拟，得出不同工况下的合理纵向诱导风速。（3）该公路隧道的排烟方式的选型。特长公路隧道在纵向通风模式下，设置独立排烟道系统是一种新型通风排烟系统，可将纵向通风与集中排烟进行有机结合。其工作原理是：在公路隧道正常营运时，排烟道一般不使用，排烟口阀门关闭，利用纵向通风模式进行通风；在火灾工况条件下，利用专用排烟道，打开火源附近一定范围内的排烟阀进行集中排烟，即采用排烟轴流风机抽排和射流风机纵向诱导相结合，把烟气控制在行车的一定范围内，从而将火灾释放，威胁人员生命健康的有害烟气与维持人员呼吸的清洁空气进行分离。（4）该公路隧道合理纵向诱导风速的确定。通过数值模拟方法，对该隧道中不同火源位置(排烟阀打开段外、排烟阀打开段中部、排烟阀打开段1/3)下排烟道系统不同的排烟组织方式 (双向均衡排烟、上游端单向排烟、下游端单向排烟)的温度场和烟控效果进行研究,还对克服烟囱效应的选择出不同火源位置不同排烟方式下的合理纵向诱导风速。关键词：高海拔隧道 排烟方式 诱导风速 控烟方案 分类号：中图分类号 X932 学科分类号 620.3010 15ABSTRACTStudy on the Tibet Linzhi tunnel smoke hung pull schemeFull-length 4.784KM Nyingchi Prefecture of Tibet a extra long tunnel and tunnel dimensions for 8.6 meters wide and 6.9 meters high, import elevation as a starting point for 3232 meters, export elevation for 3566 m, slope is 4%. The software FDS numerical simulation, mainly from the influence of the slope and elevation to the smoke exhaust effect, with Tibetan forest Zhi a extra long tunnel as a model study the tunnel reasonable vertical induced velocity, the optimum distance between the exhaust valves and fire source position different should open exhaust valve number, so as to further optimize the tunnel ventilation scheme. The in the predecessor research results foundation, in Nyingchi Prefecture of Tibet a extra long highway tunnel as the research object, using the fire simulation software FDS fire simulation tools, set up the tunnel simulation scenarios, Linzhi Prefecture, Tibet, a super long highway tunnel fire smoke spread rules. Through the simulation of the distance between the different altitude and different longitudinal ventilation, exhaust valve, fire location different should open exhaust valve of the number of different factors to the smoke exhaust effect influence, so as to determine the optimum exhaust. The specific contents are as follows:(1) of different altitude on the tunnel fire smoke spread characteristics of numerical simulation study, elevation of tunnel fire smoke spreading effect in the law; and at the same time, carries out analysis and research of different mode of ventilation chimney effect influence, under fire conditions chimney effect of the key technical parameters of different mode of ventilation;Study on effect of chimney effect (2) combined with the geometric size of the existing Tibet Nyingchi a extra long tunnel, the setting slope and elevation of the two coupling effect of flue gas spread rules and consider a tunnel fire is different mode of ventilation and on highway tunnel hydraulic diameter of the same, wide different aspect ratios of Nyingchi Prefecture of Tibet a super long highway tunnel was simulated, and the out under different conditions, the rational vertical induced velocity.(3) the selection of smoke exhaust mode of the highway tunnel. Under longitudinal ventilation mode, the independent exhaust flue system is a new type of ventilation and smoke exhaust system. Its working principle is: in highway tunnel operation, exhaust system is not generally used, vent valve is closed, the longitudinal ventilation ventilation; under fire conditions using special flue, open the exhaust valve within a certain range near the fire source centralized smoke discharging, the exhaust axial flow fan pump discharge and jet fan vertical induction combined, the smoke control in a certain range of driving, and the release of fire and threat to human life and health of the harmful smoke and maintain personnel breathe clean air separation.(4) the determination of the reasonable longitudinal induced wind speed of the highway tunnel. Through the numerical simulation method of the tunnel in different fire location (exhaust valve open period, exhaust valve open in the middle, exhaust valve opening segment of the 1 / 3) row flue system of different exhaust Organization (two-way balancing exhaust, tour end one-way exhaust, downstream end one-way exhaust) temperature field and smoke control effect were studied, to overcome the chimney effect of selected under different fire location in different smoke exhaust the rational vertical induced velocity.Keywords: High altitude tunnel，Smoke exhaust mode，Induced wind speed，Tobacco control program目 录目 录第1章绪论11.1研究背景及意义.11.1.1研究背景11.1.2研究意义21.2国内外研究现状.21.2.1隧道火灾排烟效率的研究.21.2.2隧道纵向通风与集中排烟诱导风速的研究31.2.3隧道火灾烟气控制的研究31.3研究内容及方法5第2章工程概况与火灾模拟方法有效性研究102.1工程概况介绍102.2 火灾模拟方法的有效性102.2.1国内外对隧道排烟研究的进展.102.2.2国内外隧道实验与模拟的结果对比分析112.2.3该工程的模拟研究的科学性分析12第3章海拔对排烟系统的影响研究133.1 模拟设置场景133.1.1该公路隧道火灾规模的确定133.1.2该公路隧道网格尺寸的确定133.1.3该公路隧道模型的建立133.2 海拔对火灾烟气蔓延及烟囱效应的影响分析133.2.1不同海拔对 “烟囱效应”的影响分析133.2.2不同海拔对烟气温度分布影响分析133.2.3不同海拔对烟气层分布影响分析133.3 本章小结13第4章不同火源位置不同排烟方式下的合理纵向诱导风速的研究144.1诱导风速对烟气流动规律的影响研究144.1.1诱导风速对烟气温度分布影响144.1.2诱导风速对烟气层分布影响144.1.3诱导风速对“烟囱效应”的影响分析144.2该公路隧道合理纵向诱导风速的确定144.2.1不同诱导风速对烟气温度对比分析144.2.2不同诱导风速对烟气层高度对比分析144.2.3不同诱导风速对排烟效率对比分析144.3本章小结14第5章西藏林芝某特长公路隧道烟控方案优化与分析155.1该公路隧道排烟阀之间最佳距离的确定155.1.1不同排烟阀距离对烟气温度对比分析155.1.2不同排烟阀距离对烟气层高度对比分析155.1.3不同排烟阀距离对排烟效率对比分析155.1.4本节小结155.2该公路隧道火源位置不同应开启的排烟阀的数量的确定155.2.1火源位置及排烟阀开启数量不同对烟气温度对比分析155.2.2火源位置及排烟阀开启数量不同对烟气层高度对比分析155.2.3火源位置及排烟阀开启数量不同对排烟效率对比分析155.2.4本节小结155.3本章小结15第6章结论与展望166.1结论166.2展望16参考文献17致谢23院内导师简介24院外导师简介25作者简介26学位论文数据集27第1章 绪论第1章绪论1.1研究背景及意义.1.1.1研究背景我国是一个多山国家，其中山地和丘陵的面积约占国土总面积的三分之二。近年来，随着我国国民经济的快速发展，交通规模不断扩大，我国的公路建设，特别是高速公路建设发展迅猛，当公路通过山区和丘陵地区的方式有盘山公路方式和开挖公路隧道方式两种。由于采用公路隧道方式相比盘山公路具有节省公路用地，减少生态破坏面积，缩短公路里程，提高运输效率等多方面的优势，已成为公路通过山地和重丘地区的第一选择，同时，随着现代隧道技术的发展与成熟，使得近年来我国各类公路隧道不断涌现，隧道数量和总长度不断增加，并产生了一大批的特长公路隧道。 2010年底，全国公路隧道共2495处/124.56万延米，其中特长隧道33处/12.63万延米，长隧道299处/49.33万延米;而到2015年底，全国公路隧道共6139处/394.20万米，其中特长隧道190处/82.11万米，长隧道905处/150.07万米，在这5年间，我国的隧道总数量增加了2倍多，而长度超过3000m的特长公路隧道增加了5倍多。特长公路隧道为交通运输带来了方便，但由于隧道的长大化衍生出了大量的技术难题。随着我国公路行车速度和车流量的日益加大，行车组织的复杂化，运输物品复杂性的提高，特别是危险品的运输，使得车辆在隧道中的故障及互相撞击、货物的自燃等各种原因造成的隧道火灾事故的危险性不断增加，隧道消防安全问题变得越来越突出，这给隧道火灾的防治，特别是特长公路隧道火灾的防治带来了新的问题。由于特长公路隧道的长度超过3000m,隧道内一旦发生火灾，对于这种狭长的封闭空间，疏散通道少、火灾烟气不易排除，造成能见度差，人员疏散相当困难，将可能导致严重的人员伤亡及财产损失。尽管隧道火灾的发生率较低，然而火灾一旦一发生，隧道火灾损失因隧道火灾荷载和交通状况等不确定因素而有不可预见性，可能只造成一辆车损失，也可能为群死群伤、交通中断的重大恶性火灾，产生巨大的经济损失和恶劣的社会影响。近年来，国内外公路隧道火灾造成的危害，使得人们对隧道消防安全问题高度重视。隧道内发生火灾后，产生的大量高温烟雾，对于隧道内车辆疏散和人员逃生，具有极大的威胁。火灾产生的烟雾中含有大量的一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氰化氢等有毒窒息气体，这会导致人员中毒，影响疏散和逃生，同时，在火风压的作用下，高温有毒烟雾可能发生回流，妨碍车辆疏散，并引起通风系统的紊乱。统计结果表明，由于不完全燃烧所产生的有毒有害烟气是隧道火灾中导致人员死亡的最主要因素，70%以上的人员伤亡是由于烟气造成的。因此，隧道火灾烟气控制是隧道火灾防治中的主要问题和难题之一，如何在火灾发生后尽快将烟气排出隧道或控制其蔓延范围，减少烟气对人员与结构的伤害，是隧道消防系统设计的核心组成部分之一。为此，本文结合特长公路隧道的具体特点，研究隧道火灾的烟气蔓延特性，为提出隧道火灾烟气的合理控制措施，对隧道火灾的防排烟设计和火灾时的烟气控制具有重要意义。1.1.2研究意义合理有效的通风排烟技术是控制隧道火灾烟气蔓延扩散，降低隧道火灾危害的重要手段之一，而要做到对隧道火灾烟气进行合理有效的控制，则首先必须要对隧道火灾过程中烟气的蔓延特征和扩散规律进行深入的研究，以获得隧道火灾烟气的蔓延扩散规律，为隧道火灾时抑制烟气蔓延，减小火灾烟的危害提供技术依据。为此，近年来对隧道内火灾烟气的蔓延扩散规律进行了大量研究，对隧道火灾烟气蔓延扩散的共性规律有了很好的认识，而随着研究不断深入，研究内容更为注重不同参数影响，以及针对具体特定隧道的火灾烟气蔓延特性规律研究。1.2国内外研究现状.1.2.1隧道火灾排烟效率的研究.由于隧道火灾的危害性和特殊性，隧道火灾的防治问题一直是火灾科学研究的难点和热点。城市交通隧道火灾具有一般隧道火灾的共性，对于其安全研究也需要建立在已有的交通隧道防火的研究基础之上，然后根据其特殊性进行深化和发展。自20世纪80年代以来国内外关于隧道火灾烟气控制的相关研究主要集中在火源热释放速率的确定、临界风速的确定、隧道内的火灾增长与烟气的流动、通风方案的确定、烟气中有毒成分生成量的分析、消防救援方法与策略等等。研究的主要方法主要有理论分析、实验研究(包括全尺寸实验、大尺寸实验和小尺寸实验)和数值模拟。（1）隧道火灾排烟效率的研究目前，随着隧道中竖井、隧道出入口的布置以及排烟系统的设计越来越复杂，火灾时隧道内的烟气越来越难以排出。如何提高隧道排烟系统的排烟效率，确保隧道的火灾安全，一直是国内外学者的研究重点。Sung-Wook Yoon通过模型实验和CFD模拟，对带竖井的纵向式通风长隧道的最佳排烟速率进行了研究。同济大学的王军等人利用CFD技术分析了纵向风速和排烟量对于隧道排烟系统排烟风口流量分配特性的影响。游宇航、霍然等人通过采用全尺寸的实验对夏季大空间内火灾机械的排烟效率进行了研究。长安大学的吴华、谢永利等人结合通风防灾理论，采用数值模拟和物理模型试验相结合的方法，分析各类型排烟口几何尺寸的优缺点及其对排烟效果的影响，对珠港澳海底隧道排烟口的几何尺寸进行了优化，推荐出了最佳方案。赵红莉、潘一平等人借助CFD技术，对设置有排烟道的隧道进行了火灾烟气控制的模拟分析，研究了排烟阀开启个数、开口面积和设置间距对双向排烟和单向排烟两种集中排烟模式下不同排烟阀设置方案对总排烟效率和各个排烟阀排烟效率的影响。姜学鹏、徐志胜等人钱江水下盾构隧道为研究对象，采用FDS5.0对双向均衡排烟模式和S OMW火灾规模下、10个不同集中排烟量对隧道火灾烟气控制效果的影响进行模拟计算。对比分析不同集中排烟量下，隧道内排烟阀处竖向排烟风速、排烟阀及排烟风机口处温度、排烟效率、行车道2m高度处能见度、烟气蔓延范围的变化情况。模拟分析表明，集中排烟量对排烟效果影响很大，当排烟量为190m3 /s时，可达到较好的隧道火灾烟气控制效果。刘琪、姜学鹏等人从火灾烟气控制效果出发，选取排烟效率、烟气蔓延范围、烟气流动速度、人员疏散微环境4个指标，提出一套隧道集中排烟系统的评价指标，构建了基于多指标约束的隧道集中排烟量设计模型。1.2.2隧道纵向通风与集中排烟诱导风速的研究Danziger和Kennedy通过理论分析，提出了基于Froude数的临界风速计算公式，Wu以及Atkinson在各自的模型隧道中，通过多次试验研究，发现临界风速与与火灾热释放速率的关系存在两个不同的区域。Kunsch也基于Froude数理论，并结合Atkinson和Wu等人的模型试验结果，分析得出新的临界风速计算公式。Uauquelin通过模型试验，研究了隧道宽度对临界风速的影响。Hong Sunou通过1 /20模拟试验，探究了不同RR对烟气回流的影响。wang采用FDS软件对临界风速的各种影响因素进行了系统分析和研究。Hu和Peng采用FDS软件研究了火源位置对临界风速的影响。Kai Kang通过数值模拟，研究了隧道特征尺寸，如断面尺寸、阻塞系数等参数对临界风速的影响。Kuang-Chung Tsai通过模型试验和数值模拟，对隧道中“多元火灾场景”下的临界风速进行了研究。雷波等学者，通过模型试验和理论分析，对隧道火灾中的临界风速和烟气回流展开了研究，并利用临界Froude数理论，建立了计算隧道间联络通道临界风速的模型。戴国平通过模拟研究，修正了美国SES程序中所应用的坡度隧道的临界风速公式。周孝清等学者，采用Phoenics软件模拟研究了隧道截面形状对临界风速以及烟气分布的影响。方正特良据1 /20模型试验以及龚家娅隧道全尺寸火灾试验，建立了水平隧道火灾通风纵向临界风速的预测模型。1.2.3隧道火灾烟气控制的研究国外关于隧道火灾烟气控制的研究开展的相对较早。在隧道数量众多且发生过多次重大火灾的欧洲，对隧道火灾的研究尤为重视。1965年在瑞士Ofenegg隧道进行的火灾实验，该实验研究了不同通风模式下隧道火灾的发展和烟气流动。日本开展了Toumei-Meishin隧道火灾试验，研究了大截面隧道中得热释放速率和烟气控制。美国在Memorial隧道内做了规模最大的火灾试验，火源功率为10-100MW该试验对自然通风、半横向、全横向和纵向通风系统进行了测试，并对各种模式的烟气控制效果进行了比较。Lin0和Chuah采用数值模拟的方法，对一个长大公路隧道的烟气控制策略进行了分析和研究。郝加强对南京市九华山隧道的防火救灾和通风控制进行了研究，提出了具体的实施策略。田沛哲35采用模型实验以及数值仿真的方法，对采用半横向通风系统的二郎山公路隧道的烟气控制进行了研究。张娜对鹤鸽山隧道的通风系统和火灾烟气控制进行了详细的研究。钱晓彬等人运用火灾模拟软件FDS，根据武汉王家墩地下交通环廊的消防设计情况，结合地下环廊未来的交通组成，分别建立了珠江路和商务东路下方隧道的模拟计算模型，对地下环廊的火灾烟气控制进行了数值模拟研究。赵红莉、徐志胜等人以某特长公路隧道为研究背景，采用小尺寸试验测试、数值模拟的方法分别对纵向排烟和集中排烟模式下隧道内火灾烟气的蔓延特性进行了研究，并对比分析了两种排烟系统在火灾工况下对烟气的控制效果。W.K. Chow，JojoS.M.Li使用CFD模拟研究了纵向风速下隧道的温度场和速度场以及火灾烟气的扩散规律。周仁强、付修华、王泽宇等依托秦岭终南山特长公路隧道，研究了长大公路隧道火灾模式下的通风及控制技术，提出了相应的防灾救援预案。章玉伟依托雪峰山公路隧道，研究了纵向通风公路隧道火灾工况下的速度场和温度场，并编制了火灾工况下的通风网络计算程序，以便于烟气控制策略的制定。邓念兵对公路隧道的防火救灾对策进行研究，在研究中简化了通风模型，提出了纵向火灾通风计算的方程式。苏利勇对特长海底隧道的防排烟方案的合理设计进行了分析。杨晖、杨立新等人根据北京地铁4号线某段隧道的实际尺寸建立了几何模型，针对该模型利用CFD方法模拟了纵向通风对控制火灾烟气扩散的作用，研究了不同热源形状条件下临界通风速度与热释放率的关系，研究表明，在采用数值模拟方法进行隧道火灾通风设计时，热源条件的设置对模拟结果有显著影响。王伟、华高英等人针对北京市CBD地下交通联系隧道的结构特点和通风设计条件，在环形主隧道中设置典型火灾场景，采用数值模拟软件模拟了设定火灾场景下不同排烟工况时的烟气蔓延规律。而后，以临界风速作为主要判断标准，并以有限的烟气蔓延范围为控制要求，确定了该场景的合理烟控方案。赵明桥、彭立敏等人提出了隧道纵向分区烟气控制模式利用防烟隔板将隧道划分成行驶区和疏散通道2个防烟分区，通过向疏散通道正压送风能阻止烟气的侵入，利用烟气下沉前的时间经疏散门进入疏散通道内，再向两端车站及站外撤离，乘客疏散过程可在无烟的环境中进行，待乘客进入疏散通道后再启动行驶区一侧的排烟系统。1.3研究内容及方法通过对研究现状的分析可以得出，国内外学者在公路隧道火灾防排烟方面做了大量的研究、模拟和试验，研究了公路隧道中火灾烟气排放方式、烟气控制方案的选取、临界风速的确定、火灾时隧道内的温度、排烟风速能见度等参数的变化以及排烟风机的设置等，在这些方面的成果多，各种方案也日趋完善。但是，很少出现过对西藏林芝某特长隧道内通风方式的研究。常规隧道多为直线型，西藏林芝某特长隧道为高海拔坡形，规范中规定的纵向风速取2-3 m/s是否合适，用Wu和Baker公式计算得出的临界风速值是否适用于西藏林芝某特长隧道内临界风速的计算，尚有待验证;纵向风速是否一定要大于临界风速，在不影响救援的情况下，可否适当降低纵向风速，以防止烟气的过度蔓延;在西藏林芝某特长隧道中，排烟阀位置不同、不同诱导风速对排烟效果是否有影响，这些问题有待于进一步的探讨和研究。本文在前人的研究成果基础上，以西藏林芝某特长公路隧道为研究对象，利用火灾模拟软件FDS为火灾模拟工具，建立隧道模拟场景，研究西藏林芝某特长公路隧道火灾烟气蔓延规律。通过模拟不同海拔、不同纵向风速、排烟阀之间的距离、火源位置不同应开启排烟阀的数量不同等因素对排烟效果的影响，从而确定最优化的排烟方案，具体研究内容如下: 1.研究海拔对火灾烟气蔓延规律的影响研究。（1）不同海拔对隧道火灾烟气蔓延的特性进行数值模拟研究，获得海拔对隧道火灾烟气蔓延的影响规律;同时对不同通风排烟模式下“烟囱效应”的影响规律进行分析研究，获得不同通风排烟模式在火灾条件下“烟囱效应”的关键技术参数；（2）结合现有西藏林芝某特长隧道的几何尺寸，设定坡度及海拔二者耦合作用对烟气蔓延规律的影响，并考虑隧道火灾不同通风排烟模式下“烟囱效应”的影响研究，然后对公路隧道水力直径相同、宽高比不同的西藏林芝某特长公路隧道进行模拟，得出不同工况下的合理纵向诱导风速。2.研究西藏林芝某高海拔、大坡度公路隧道的排烟优化与分析（1）该公路隧道的排烟方式的选型特长公路隧道在纵向通风模式下，设置独立排烟道系统是一种新型通风排烟系统，可将纵向通风与集中排烟进行有机结合。其工作原理是：在公路隧道正常营运时，排烟道一般不使用，排烟口阀门关闭，利用纵向通风模式进行通风；在火灾工况条件下，利用专用排烟道，打开火源附近一定范围内的排烟阀进行集中排烟，即采用排烟轴流风机抽排和射流风机纵向诱导相结合，把烟气控制在行车的一定范围内，从而将火灾释放，威胁人员生命健康的有害烟气与维持人员呼吸的清洁空气进行分离。现阶段的研究一般都集中在直线型公路交通隧道，而对于高海拔坡度公路隧道的排烟研究还处于探索阶段。国内已建成的公路隧道工程一般采用多竖井送/排风+射流风机诱导型通风的纵向通风排烟方式，此种方式并不能够完全满足高海拔坡度隧道的排烟需求。以西藏林芝某特长公路隧道为研究对象，通过分析和对比全横向式通风、半横向式通风、全射流纵向通风、纵向通风集中排烟模式的优点及缺点，选择适合西藏林芝某特长公路隧道的通风排烟方式。（2）该公路隧道合理纵向诱导风速的确定首先对比分析一下集中排烟模式中合理纵向诱导风速与纵向通风排烟中临界风速可以看出，二者具有以下异同点：（1）临界风速及合理纵向诱导风速，均是为抑制烟气回流或“烟囱效应”等不利影响而采取的机械通风方式，确保隧道火灾的安全及人员逃生。（2）两者的区别在于，临界风速是纵向排烟模式中进行通风排烟设计时需确定的关键设计参数，指为抑制火灾烟气向火灾上游回流而采取的最低通风风速；而合理诱导风速是集中排烟模式中配合排烟道系统排烟，使得到更好的排烟效果而需在隧道内提供的纵向风速，它除一定程度上要考虑抑制烟气回流外，其还要考虑火灾通风排烟过程中风速的选择不能过大，以防止由于风速加大后，破坏了烟气分层结构，热烟气层厚度增加，增大隧道内火灾烟气的蔓延范围，反而不利于隧道火灾状况下的人员及结构安全。因此，从某种程度上来说，合理纵向诱导风速的量值要小于临界风速的量值，而后者受各种因素影响的程度更强烈。其次，在独立排烟道集中排烟模式系统设计时,当火灾发生在隧道内没有设置排烟阀的隧道段时,须通过一个合理的纵向诱导风速将烟气引导到排烟阀的打开段范围内,以减小火灾烟气对火源上游堵塞车辆和人员的影响.因此,在不同影响因素下纵向诱导风速通风方向和通风风速大小也是集中排烟模式中必须要确定的关键技术参数.最后，通过数值模拟方法，对该隧道中不同火源位置(排烟阀打开段外、排烟阀打开段中部、排烟阀打开段1/3)下排烟道系统不同的排烟组织方式 (双向均衡排烟、上游端单向排烟、下游端单向排烟)的温度场和烟控效果进行研究,还对克服烟囱效应的选择出不同火源位置不同排烟方式下的合理纵向诱导风速。具体火灾工况如图所示。图1.1 火源处于排烟阀打开段外合理的纵向诱导风速示意图图1.2 不同诱导风速（下游端单向排烟+纵向通风）的工况示意图图1.3 不同诱导风速（双向均衡排烟+纵向通风）的工况示意图图1.4 不同诱导风速（双向均衡排烟+纵向通风）的工况示意图图1.5 不同诱导风速（下游端单向排烟+纵向通风）的工况示意图（3）该公路隧道排烟阀之间最佳距离的确定排烟阀设置方案设计即指要确定排烟阀开启的个数、间距和面积,排烟阀设置方案的选择应综合温度场分布和烟控范围、排烟阀流速、排热排烟效率等研究成果,以得到排烟和控烟效果较好,流速不过大的较佳排烟阀设置方案. 针对该隧道建立FDS数值模型，现假定排烟阀个数和单个开启面积一定,排烟量、排烟风机距离的不变，设置不同距离的排烟阀，通过对比分析该隧道内的温度场分布、烟控范围、排烟效率等参数指标，从而确定出火灾时排烟阀之间的最佳设置距离。（4）该公路隧道内火源位置不同应开启排烟阀数量的确定依托西藏林芝某特长公路隧道实际工程背景可知,在该隧道的独立排烟道系统中,与排烟道相连的排烟竖井设置在隧道的两端,由于隧道火灾发生的位置的不确定性,不同的火灾位置与两个风机位置的远近不一样的.为了更好的实现火灾下所设定的排烟量,更好的组织烟气排离行车道, 由于隧道火灾发生后排烟阀的开启策略与火源在隧道中的位置有关,故把该隧道分成5段（如图1.2）,即入口段火灾（K1段）、排烟道上游段火灾（K2段）、排烟道中间段火灾（K3段）、排烟道下游段火灾（K4段）、出口段火灾（K5段）。隧道内不同火源位置分段及工况如下图所示。图1.6 隧道内不同火灾位置示意图图1.7 K1段发生火灾排烟形式示意图图1.8 K1段发生火灾排烟形式示意图图1.9 K1段发生火灾排烟形式示意图图1.10 K1段发生火灾排烟形式示意图在上述五种不同的火灾工况下,假定火源功率和排烟量大小固定不变，通过对比分析隧道内的温度场分布、烟控范围、排烟效率等参数指标，确定出火源位置不同应开启的排烟阀的数量。第2章工程概况与火灾模拟方法有效性研究2.1工程概况介绍工程名称：西藏林芝米林派镇至解放大桥农村公路一期标工程工程地址：西藏自治区米林县派镇工程内容：多雄拉隧道全长4.784Km，属于特长隧道，隧道石方开挖约30万m3，多雄拉特长隧道采用德国海瑞克生产的直径为9.1m的双护盾TBM进行掘进，TBM主要包括 刀盘、前盾、推进油缸、前稳定器、伸缩盾壳、支撑盾、盾尾、刀盘驱动、管片拼装机和后配套系统，设备总长150m，总重 约1800T，总功率约6000 Kw。合同工期：29个月建设单位：华能西藏发电有限公司设计单位：中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司监理单位：四川二滩国际咨询有限责任公司施工单位：中国水利水电第十工程局有限公司工程主要施工工序：包括隧道的施工准备、洞口与明洞工程、洞身钻爆法开挖及支护、洞身TBM开挖、管片支护、特殊地质地段施工、钻孔和灌浆、防水与排水、隧道内路基与路面、风水电作业及通风防尘、洞内机电设施预留洞、预埋（管）件和设备基础、机电附属设备及安装等以及其他有关工程的施工作业。西藏林芝某特长隧道的全长4.784KM，隧道尺寸为宽8.6米，高6.9米，起点进口海拔为3232米，出口海拔为3566米，坡度为4.2.2 火灾模拟方法的有效性2.2.1国内外对隧道排烟研究的进展.随着我国道路等级与建设规模的逐步加大，隧道工程日益增多，特别是特长公路隧道的大量涌现及交通量的不断增加，通风尤其是火灾条件下的通风排烟已经成为影响和制约特长公路隧道建设的关键，其运营通风及防灾研究将直接决定隧道的工程造价、运营环境、救灾功能及运营效益。因此，了解国内外特长隧道火灾时通风排烟研究的现状与设计理念己经成为隧道通风设计研究者和施工者们的正待研究的课题。有鉴于此，本章拟在收集国内外特长隧道火灾案例及其通风排烟设计资料的基础上，从总体思路上探讨世界范围内目前长大或特长山岭隧道通风排烟设计模式及其应用现状，并据此对我国目前特长山岭隧道中普遍采用的通风排烟模式提出建设性意见。根据数据统计，超过2000m的公路隧道有59座，主要是欧洲国家的隧道，也包括澳大利亚、韩国、智利等国家的项目，采用的营运通风方式有三种，即:纵向通风、全横向通风、半横向通风。所以可以看出，在国外众多长大公路隧道采用的通风系统中，纵向通风方式最多占54%，其次为半横向通风方式占39%，而全横向通风方式采用最少仅7%，体现了当今公路隧道通风领域中的发展趋势。从各国的隧道火灾时的排烟模式可以看出，当今公路隧道中采用的排烟模式主要有两种:纵向排烟、点式排烟(point smoke extraction. central exhaust和punctual extractions国外三种称法“点式排烟”、“集中排烟”和“即时排烟”。长度超过2000m的39座隧道中，两种模式的隧道数量和比例为三比一，火灭条件下采用的排烟模式中，点式排烟模式采用的最为广泛，占74%，其次为纵向排烟模式，但所占比例较之前者大幅减少。由于我国公路隧道起步较晚，对于随道通风排烟研究尚处于初级阶段，特别是对于特长公路隧道火灾条件下通