水喷雾系统对隧道火灾烟气控制影响分析.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）１１００９３０５水喷雾系统对隧道火灾烟气控・隧道／地下工程・制影响分宋永超（中铁第四勘察设计院集团有限公司湖北武汉４３００６３）析摘要：由于水喷淋系统在隧道火灾中会导致烟气下沉、弥漫整个空间、影响人员疏散等不利因素，通过采用水喷雾对隧道进行保护，并对模型基本参数的选用、水喷雾作用下的烟气蔓延情况、烟气层温度分布、能见度变化以及ＣＯ浓度变化等方面的影响进行了研究和模拟，验证了纵向排烟模式下水喷雾系统能够起到良好的控烟和灭火的效果，为今后的公路隧道消防设计提供了参考资料。关键词：隧道水喷雾纵向排烟能见度临界风速中图分类号：Ｕ４５３．８文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．１１．０２３ＩｎｆｌｕｅｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＳｍｏｋｅａｎｄＦｉｒｅｗｉｔｈＳｐｒａｙｉｎｇＷａｔｅｒ・ｍｉｓｔＳｙｓｔｅｍｉｎＴｕｎｎｅｌＳｏｎｇＹｏｎｇｃｈａｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｉｙｕａｎＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨａｂｅｉ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗａｔｅｒｓｐｒａｙｓｙｓｔｅｍｗｉｌｌｒｅｓｕｌｔｉｎｓｍｏｋｅｓｉｎｋｉｎｇｆｒｏｍｔｈｅｆｉｒｅｉｎｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄｐｅｒｖａｄｅｔｈｅｗｈｏｌｅｓｐａｃｅｏｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓａｆｅｅｖａｃｕａｔｉｏｎ，ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｃａｍｅｕｐｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｔｈａｔｔｈｅｓｐｒａｙｉｎｇ—ｗａｔｅｒｍｉｓｔｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｐｒｏｔｅｃｔｔｈｅｆｉｒｉｎｇｔｕｎｎｅｌ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｃｈｏｏｓｉｎｇｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｓｍｏｋｅｓｐｒｅａｄｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｐｒａｙｉｎｇｗａｔｅｒ・ｍｉｓｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｍｏｋｅｌａｙｅｒ，ｃｈａｎｇｅｓｉｎｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ＆ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣＯ，ｔｈｅｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｓｐｒａｙｉｎｇ—ｗａｔｅｒｍｉｓｔｓｙｓｔｅｍｏｎｓｍｏｋｅｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｆｉｒｅｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎｉｎｖｅｒｔｉｃａｌｓｍｏｋｅｅｘｈａｕｓｔｉｎｇｍｏｄｅｈａｄｂｅｅｎｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｕｓｐｒｏｖｉｄｉｎｇｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｄｅｓｉｇｎｉｎｈｉｇｈｗａｙｔｕｎｎｅｌｆｉｒｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ；ｓｐｒａｙｉｎｇｗａｔｅｒ・ｍｉｓｔｓｙｓｔｅｍ；ｖｅｒｔｉｃａｌｓｍｏｋｅｅｘｈａｕｓｔ；ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ；ｃｒｉｔｉｃａｌｗｉｎｄｓｐｅｅｄ１引言隧道已成为缓解城市地面交通拥堵的主要方式之一。陈姝菲通过建立公路隧道运营风险评价体系，对导致公路隧道安全运营的因素进行了分析研究，指出安全事故引起的火灾是隧道运营的最大…风险之一。为提高隧道防灾能力，国内隧道内除设置通风排烟系统外，还设置水喷雾或水喷淋灭火系统，以达到既能有效控制烟气流动又能阻止火势扩大的目的。——收稿日期：２０１８０８２２作者简介：宋永超（１９７９一），男，高级工程师，主要从事公路和地铁通风空调、给排水及消防设计。水喷雾系统是利用水喷雾喷头在较高水压作用下，将水流分离成细小雾滴，并喷向保护对象，使水与周围空气接触表面积增大，对火源吸热灭火能力更强，比传统的水灭火方法灭火效率更高。尽管在现代消防中自动水喷雾灭火系统起着非常重要的作用，但也存在一些弊端。在火灾初期阶段，火灾热烟因浮力作用蓄积在隧道内上部空间；由于烟气层相对稳定并聚集于疏散人员上方，人员可以在未受烟气污染的下部空间安全疏散。然而，为了控制和扑灭火势，需及时开启自动喷水灭火系统，喷出的水颗粒可使相对稳定的烟气层受到扰动和破坏，甚至会导致烟气严重沉降现象，使整个空间被烟雾弥漫，对火场人员疏散不利。因此，铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８１１１）９３万方数据・隧道／地下工程・研究水喷雾对隧道火灾烟气的控制和影响效果显射角度对公路隧道火灾灭火效果旧］。李梦研究表得尤为重要。明通风作用在隧道中虽然对细水喷雾控火效果产２国内外现状生不利影响，但可有效降低ｃｏ浓度、热辐饕警度和火场温度，有利于保障火场安全及人员疏散ｐ。。２．１隧道内安装自动喷水灭火系统可行性研究方正等运用ＦＤＳ软件，分析比较了设置自动喷３参数设定水灭火系统和不设置时隧道火灾的烟气、温度发展参数的设定包含对数值建模所需的火灾热释放情况，结果表明，设置自动喷水灭火系统能够降低速率、网格尺寸、模型长度、断面形状、喷头布置等关隧道拱顶高温，保护隧道结构；但由于水喷雾的作键参数进行确定，以为数值计算的准确性提供基础。用会导致火源发生的不完全燃烧，使烟气中碳黑粒３．１火灾场景设计子和ＣＯ含量增大心１。刘忠等就水喷雾系统在公路３．１．１火灾增长速率隧道中设置的优点与问题进行了归纳，并以某一工根据区间隧道火灾发生原因中，因摩擦起火、程实例说明在公路隧道中采用水喷雾灭火系统的电气线路短路、化油器回火、车辆漏油等车辆故障经济可行性旧１。唐有能等根据国外对隧道中自动引发汽车火灾占较大比重；考虑汽油和柴油为汽车喷水灭火系统进行的试验评估，得出自动喷水灭火主要用油，故设定隧道火灾为超快火、其增长系数口系统可以大大降低隧道温度并能阻止火势迅速蔓为０．１８８。延，具有良好应用前景Ｍ。。王庆生等对细水喷雾扑３。１．２火灾释放速率救铁路隧道救援站内客车火灾进行了全尺寸试验在进行隧道火灾设计的时候，应根据隧道级研究；结果表明细水喷雾施加后，烟气层温度和救别、通行车辆的构成比例，来合理确定车辆火灾热援平台上温度均呈明显的下降趋势，细水喷雾灭火释放速率，作为隧道设计防灾的依据。隧道中以通系统对有毒气体及烟气有很好的洗涤作用，同时可行客车和汽车为主，另有少量旅游大巴通行，巴士对火灾现场的空气进行有效的净化，有利于人员疏的火灾热释放速率可取２０ＭＷｔｌ０１；故本次研究按散；细水喷雾作用后，热辐射值直线下降，并降至接２０ＭＷ进行研究。近零值，同时可避免对疏散人员的灼伤，使救援的通常水喷雾系统启动时刻的确定依据为：（１）《道消防人员具有接近燃烧区的可能＂１。路隧道设计规范（ＤＧＴＪ——０８２０３３２００８）》１７．６．７条，２．２纵向通风条件下水喷雾灭火机理研究隧道现场至运营管理中心的火灾自动报警时间应小于朱伟研究了纵向通风条件下不同风速对雾场６０ｓ；（２）《道路隧道设计规范》１７．４．６条，泡沫一水喷特性参数在空间内分布特性的影响；通过试验结果雾联用系统用于灭火时，响应时间不应大于４５ｓ；得到了试验空间内雾滴速度、雾滴粒径以及雾通量（３）火灾探测器探测时间不应大于６０ｓ。故综合上随着风速和运动距离的变化规律，并开展了细水喷述三点确认：（１）认为火灾发生后６０ｓ，系统报警；（２）雾抑制火灾的模拟研究；将细水喷雾抑制火灾的尺度认为水喷雾开启时间为４５ｓ；（３）探测器探测时间为关系推广到了纵向通风条件下用于指导模拟试验设６０ｓ，即６０＋４５＋６０＝１６５ｓ时水喷雾系统启动。∞计参数的确定Ｊ。李权威等利用小尺寸模拟试验台３．１．３火源尺寸及位置开展模拟试验，分析研究了纵向风对水喷雾雾场特性对纵向排烟模式进行研究，考虑最不利火灾情的影响效果、细水喷雾对临界纵向抑制风速的影响况，假定火源位于隧道中心线上。另当隧道发生火灾规律以及纵向通风条件下细水喷雾抑制熄灭油池时，邻近火灾两个区域范围内的喷头同时动作喷水，‘火的机理７｜。张培红等应用ＦＤＳ软件，分析公路隧每个喷淋区域长２５Ｉｌｌ。道分别采用纵向通风和顶部排烟时，细水喷雾对庚火源尺寸参照实际旅游巴士尺寸（８≤ｍ＜车长烷油池火灾灭火效果的影响；并研究了细水喷雾喷１２ｍ），设定其为长×宽×高＝８ｍ×２．４Ｉｎ×０．０Ｉｌｌ。９４钐｝道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８仃ＴＪ万方数据・隧道／地下工程・３．２模型尺寸及网格确定３．２．１隧道尺寸、喷头布置及喷水强度图１为双车道纵向通风隧道横截面尺寸图，水喷雾喷头仅沿隧道一侧侧壁纵向均匀布置，两两喷头间隔５ｍ（如图２所示）。当隧道发生火灾时，邻近火灾两个区域范围内的喷∥‘ｑ＼，／韭题Ｎ惫憩ｌ＼寸Ｉ＼Ｉ汽车Ｉ昌汽车ｌ图１双车道纵向通风隧道横截面尺寸（单位：ｍ）头同时动作喷水，每个喷淋区域长２５ｍ。水喷雾强度的设定见表１。火源－＿景ｆ—。＿－－＿＿＿＿＿＿・＿・＿。＿－＿。＿＿＿＿Ｉ＿－＿＿＿－＿＿・＿－＿＿一－＾ｒ‘－＿－＿－！。Ａ－。＇Ａ・－Ｉ－Ａ－－＿Ａ－－＿＿Ａ＿＿ｌＡ－＿＿ＩＡ＿＿ＩＡ一．－乓监麴盐图２双车道隧道内喷头布置局部示意（单位：ｍ）３．２．２网格尺寸、模型长度在ＦＤＳ数值模拟计算中，计算区域的网格分布一方面是为了对流场中每一位置的物理量变化进行正确的描述，需要有足够密的网格尺度；另一方面又必须考虑到计算机的资源有限。因此，网格系统太密将导致计算时间太久，需求过高的计算资源；反之，若太稀分布网格系统，将无法正确描述流场的分布，以及产生不合理的结果。因此网格尺寸选取０．３ｍｘ０．３ｉｎ×０．３Ｉｎ。当模拟隧道长度较短时，边界条件影响较大，计算结果不可靠；当模拟隧道长度较大时，计算耗时太久。当模拟长度不小于６００ｍ时，数值模拟结果受隧道长度的变化影响较小，考虑到计算准确性并兼顾计算耗时陛，选取模拟隧道长度为７００Ｉｎ。表１水喷雾强度的设定火源功水喷雾开纵向通风纵向风速／工况水喷雾流量／（Ｌ・ｒａｉｎ。）研究内容率－／ＭＷ启时间／ｓ开启时问／ｓ“（ｎｌ・ｓ）Ｏ１４００（ｇ＝ｋ厮，公称压力Ｐ为０．３５ＭＰａ，１６５１６５３气控制和灭火效果，确定２０研究有／无水喷雾下的烟２标准喷头流量系数Ｋ为２１０）Ｏ水喷雾是否存在作用３４００（ｑ＝ｋ／ｉｉ磁称压力Ｐ为０．３５ＭＰａ，无水１６５３２０４标准喷头流量系数Ｋ为２１０）—注：（１）根据广州鹰穗消防有限公司提供型号为ＳＺＴｌ４６／６４１２０的技术参数水喷雾喷头雾化角为１２０。。①②（２）根据《水喷雾灭火系统设计规范》３．１．３条设计，相同供给强度下，灭火时，要求喷雾的动量较大，雾滴粒径较小；雾滴直径小于４００ｐ，ｍ的属于细水喷雾灭火系统，故综合上述两点确定雾滴初始粒径选为４００斗ｍ。（３）水喷雾系统启动时刻详见３．１．２条。３．３临界风速当隧道火灾采用纵向通风时，纵向排烟风速应大于临界风速，从而使火源处烟气避免发生回流，确保位于火灾上风侧的人员安全疏散和消防救援。因此需要对临界风速进行合理取值，这对于通风、排烟设备的参数选择至关重要。根据《公路隧道通风设计细则》，选取风速３…ｍ／ｓ为模拟值Ｊ。４双车道隧道纵向排烟与水喷雾对烟气特性影响分析针对双车道隧道仅在隧道一侧侧壁上沿纵向均匀布置水喷雾头，分析水喷雾作用下的烟气蔓延、烟气层温度、能见度以及ＣＯ浓度等影响¨２｜。４．１水喷雾对烟气蔓延的影响通过模拟，在纵向风速为０ｍ／ｓ和３ｍ／ｓ时，有／无水喷雾系统作用下的烟气蔓延情况如图３所示。水喷雾系统发挥作用后隧道内烟气层高度如铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯ￡－ＯＧＹ图４所示。一一§：斗ｌ些２５ａ．０ｍ／ｓ风速时不同时刻烟气蔓延情况（有水喷雾）蚓Ｉ峰ｂ．０ｍ／ｓ风速时不同时刻烟气蔓延情况（无水喷雾）ｃ．３ｍ／ｓ风速时不同时刻ｄ．３ｍ／ｓ风速时不同时刻烟气蔓延情况（有水喷雾）烟气蔓延情况（无水喷雾）图３有／无水喷雾时烟气蔓延情况（单位：ｍ）２０１８ｆ＂Ｊ万方数据・隧道／地下工程・水喷雾时下降，并且水雾液滴也会与烟气结合从而隧道：ｉ扫■吸收烟气温度，使得顶板下方烟气温度下降。、Ｊ＼、ｌ７＿弋膏７００Ｉ『．、．６００”－一ｆ风句ｌ、＿＿一譬．１』Ｉ５００－、Ｆ＇‘ｂＪ７ｐ］■，谴４００ＶＬ，”Ｄ／８∞甘Ｌ—ｎ—ＩＹ一．３ｎ／ｓ一鼙３００ｙＶ３ｎ／ｓ（毛，：）暇捌道氐｛３ｎ／ｓｆ毛，ｏ）２００｜｜一一一｜｜Ｉｌｌｌｌｌ１ｌ０＂／ｓ●３口／ｓＤ１２／ｓ（ｊ巳，：）；ｎ／Ｓ（毛，：）厢向』，，：ｉ■，】＇ＩＮ矗Ｊ一一’、－ＩＩ’．＿１●一一——ｒ万方数据・隧道／地下工程・３５喷雾系统能够在隧道纵向排烟中起到良好的控烟和灭火的效果；通过研究，为今后的公路隧道消防设计提供了参考资料。参考文献［１］程姝菲．基于模糊层次分析的公路隧道运营风险评价—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（Ｓ１）：２０１２０４．［２］方正，邓艳丽．自动喷水灭火系统在地铁隧道工程应用—的可行性［Ｊ］．消防科学与技术，２００５（２）：１９２１９６．［３］刘忠，王晓刚，方正，等．城市隧道水喷雾灭火系统的可—行性研究［Ｊ］．消防科学与技术，２００７（３）：２９６２９８．［４］唐有能，谢丽霖，方正，等．自动喷水灭火系统在隧道中的应用与发展趋势［Ｊ］．中国给水排水，２００７（１８）：ｌ一４．［５］王庆生，刘炳海，王文伟，等．细水雾灭火系统扑救铁路隧道救援站内客车火灾的全尺寸试验研究［Ｊ］．安—全与环境学报，２０１２，１２（３）：１５８１６３．［６］朱伟．狭长空间纵向通风条件下细水雾抑制火灾的模拟研究［Ｄ］．合肥：中国科学技术大学，２００６．［７］李权威．狭长空间纵向通风条件下细水雾抑制油池火的实验研究［Ｄ］．合肥：中国科学技术大学，２０１０．［８］张培红，冯瑞，许文斌，等．纵向排烟和高压细水雾耦合对隧道火灾的抑制作用［Ｊ］．东北大学学报（自然科—学版），２０１３，３４（５）：７１９７２２．［９］李梦．细水雾技术在隧道中应用的实验与数值模拟研究［Ｄ］．合肥：中国科学技术大学，２０１６．［１０］宋云龙．特长公路运营隧道纵向通风形势下火灾烟气—蔓延规律研究［Ｄ］．成都：四川师范大学，２０１５：１８１９．［１１］招商局重庆交通科研设计院有限公司．公路隧道通风设计细则：ＪＴＧ／Ｔ——Ｄ７０／２０２２０１４［ｓ］．北京：人民交—通出版社股份有限公司，２０１４：８２８４．［１２］王鑫．水灭火系统对地铁隧道中人员疏散的影响研究—［Ｄ］．沈阳：沈阳航空航天大学，２０１５：１５６．”—”’“”“—”””卜・一＋＋卜＋・・＋－－－Ｉ．－－－．＋－－－－－１－，・＋・・＋＋・・＋＋一＋－＋－－ｌ－－－ｑ－，ｏ＋－＋－－４－（上接第９２页）［１１］陈晓燕．地铁盾构区间上方深基坑开挖对隧道的影响—分析［Ｊ］．都市快轨交通，２０１３，２６（２）：８４８７．［１２］曾东洋，何川．地铁盾构隧道管片接头抗弯刚度的数—值计算［Ｊ］．西南交通大学学报，２００４（６）：７４４７４８．［１３］毕大勇．德国哈芬锚轨拉拔锚固性能的试验研究［Ｄ］．—上海：同济大学，２００９：１４１１４２．［１４］李宇杰，何平，秦东平．地铁盾构隧道管片受力分析””“”一＋－Ｉ－－ｔ－－４－＋＋・．－－Ｉ－－．・＋・—［Ｊ］．土木工程学报，２０１１，４４（Ｓ２）：１３１１３４．［１５］赵宝军．高速铁路隧道接触网轨槽预埋施工技术［Ｊ］．—国防交通工程与技术，２０１６，１４（１）：６１６３．［１６］费任利．浅谈高速铁路隧道接触网轨槽预埋施工技术—［Ｊ］．湖北三峡职业技术学院学报，２０１５，１３（２）：９３９６．［１７］刘奇．地铁盾构管片预埋槽道质量及性能研究［Ｊ］．中—国铁路，２０１６（６）：１０２１０５．［１８］秦峰．轨道交通直流供电系统的开关设备［Ｊ］．电气时—代，２０１０（１）：８０８２．铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８Ｈ１》万方数据