雙層盾構隧道火災排煙方式研究

溫竹茵

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

雙層盾構隧道火災排煙方式研究

溫竹茵

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

以上海周家嘴路越江隧道為工程依托，對雙層長大盾構隧道的火災排煙方式進行了分析研究。通過對火災工況條件下隧道內溫度場、能見度和一氧化碳濃度的模擬計算，對疏散通道的設置方案和逃生救援對策進行分析。結果表明，對于此類型隧道，在采取了相應的逃生救援措施后，采用縱向通風方式是安全可靠的。

雙層盾構隧道；隧道火災；煙氣擴散；縱向通風

0 引言

隨著城市地下空間的進一步開發，地下建構筑物日益密集，雙層盾構隧道因其占地小、空間利用率高而得到了越來越多的應用。對于長大隧道，當隧道封閉段較長時，通常會在隧道上方設置重點排煙風道來解決火災排煙問題[1，2],而雙層盾構隧道因為受到斷面布置的限制，難以布置出符合要求的排煙風道。如何解決這類項目的排煙難題是研究的重點。

本文以上海周家嘴路越江隧道為工程背景，對長大雙層盾構隧道的排煙方式進行了分析研究，為今后此類項目建設提供有益經驗。

1 工程背景

上海周家嘴路隧道起自浦西周家嘴路-內江路口，迄于浦東東靖路-張楊北路口，自內江路交叉口向東沿周家嘴路連續穿越中環線—理工大學—黃浦江—浦東北路后于萊陽路東西兩側爬出地面。工程全長4.45 km，采用14.5 m外徑的盾構法隧道穿越黃浦江，單管雙層雙向4車道布置，設計車速60 km/h。隧道上層封閉段總長3 056 m，下層封閉段總長3 798 m，其中盾構段長2 572 m，上層引道段總長287 m，下層引導段總長265 m。圖1為隧道平縱斷面圖。

圖1 隧道平縱斷面圖

因為隧道封閉段長度大于3 km，屬于特長隧道，根據《道路隧道設計規范》（DG/TJ08-2033-2008）[3]，其煙氣控制模式宜采用重點排煙方式。但是隧道受已有盾構機的限制，盾構隧道外徑為14.5 m，為上下層布置的大車隧道（車輛凈空4.5 m），空間利用率很高，難以按常規設置重點排煙道。因此選擇合適的排煙方案，是這條隧道的消防設計重點。

2 雙層長大道路隧道火災排煙方案

適合于周家嘴路隧道的火災排煙方式主要有縱向通風+重點排煙方式[4]、縱向通風兩種模式。

2.1 縱向通風+重點排煙方式

（1）方案一：設頂部重點排煙風道（見圖2）

布局方式：上層隧道的重點排煙風道布置在盾構頂部，下層排煙風道設置在側面。

存在問題：每層有效風道面積約8 m2，滿足重點排煙的面積要求，但盾構隧道外徑達16 m，超過了目前國內已有的最大盾構隧道外徑，可實施性較差。

（2）方案二:設側面重點排煙風道（見圖3）

布局方式：在外徑14.5 m盾構隧道一側布置上下層公用的排煙風道，上層風道排煙口距地面約2.5 m，下層貼頂布置。

圖2 方案一橫斷面布置圖（單位：mm）

圖3 方案二橫斷面布置圖（單位：mm）

存在問題：

a.排煙風道的布置方式對排煙效果有較大折減，綜合折減率約72.5%；側向排煙方式效率比頂部排煙效率低；上層排煙口設置在風道頂部，離側墻較近，吸風條件較差，易產生渦流，從而增加局部阻力；上層車道由于排煙口較低，火災煙氣會大量積蓄在車道上部，對人員逃生造成影響。

b.隧道功能有損失

盾構內設置煙道壓縮了設備和逃生空間。管線與疏散樓梯同側，無法設置縱向通長、獨立防火分區的管線管廊，增加了火災的潛在風險。空間壓縮后對管線空間布置、今后的運營養護、檢修和人員疏散通道的布置均有不利影響。

2.2 縱向通風排煙方式

布置方式：盾構段采用縱向通風排煙方式，排煙區段長2.572 km（見圖4）。

圖4 縱向通風排煙方案橫斷面（單位：mm）

特點：充分利用雙層隧道上下層隧道在火災時互為逃生救援通道的有利特征，采用成熟的通風、消防技術，到達良好的防災效果。

（1）取消重點排煙風道后，盾構段內空間較充裕，管線空間、敷設條件相對較好。在盾構的下層設置了封閉式的管廊，可設置與消防救援有關的重要管線及10 kV高壓電纜，有利于隧道安全運營。

（2）縱向通風方式是常用的一種隧道通風方式，在多條隧道中均有先例，單管雙層縱向通風的盾構斷面型式也是一種較為成熟的布局方式。

（3）通過提高疏散設施的標準，提高隧道火災發現、監控與救援的綜合能力。

周家嘴路隧道最長封閉段長度為3.785 km，但盾構段長度2.572 km，上下層隧道在兩個工作井內均設置了排煙機房，在最不利情況下煙氣的流經長度不超過3 km。同時根據交通預測需求分析，隧道在正常運行情況下，遠期2030年的服務水平處于C級，隧道的通行情況較好，不易發生阻塞。

隧道為雙層隧道，上下層車道為兩個獨立防火分區，每隔一段距離設置一個消防逃生樓梯。當一個車道層發生火災，人員可通過逃生樓梯撤離至另一個車道層，基本可以解決阻滯工況下的火災逃生問題。

2.3 方案比選

為了進一步論證縱向通風火災排煙方式的合理性，下面將采用CFD技術對隧道火災蔓延和煙氣擴散進行模擬計算，并進一步分析研究雙層長大隧道的火災疏散逃生救援策略。表1為兩種排煙方案的綜合比較表。

表1 兩種排煙方式綜合比選表

3 隧道火災蔓延和煙氣擴散規律研究

借助CFD技術，采用Smartfire軟件全面仿真分析不同縱向風速下隧道內火災時的煙氣流動蔓延及溫度傳播分布規律，得到火災時隧道內溫度場、隧道內能見度、高溫有毒氣體濃度等基礎數據。

火災規模定為20 WM，計算了5種工況（見表2、圖5）。

表2 計算工況表

圖5 工況示意圖

根據《道路隧道設計規范》（DG/TJ08-2033-2008），火災工況時，隧道內乘行人員的安全疏散時間宜小于15 min，因此定義發生火災時間為0 s，從發生火災到模擬結束時間為900 s，中間保持縱向通風速度不變，關鍵時間節點見表3。

表3 關鍵時間節點

經過模擬計算，計算出各個工況其溫度、能見度、一氧化碳濃度分布云圖，以工況一為例，其計算結果見圖6。

（1）溫度場：在火災發生360 s之后，隧道內的高溫區域將迅速擴大，對隧道內人員產生較大威脅。這是由于火災在早期（320 s之前）處于一個逐漸發展的過程，火災發生320 s后，HRR達到穩定值20 MW。HRR達到穩定值后保持不變，直到模擬計算時間結束。當火災達到并維持在20 MW之后，隧道內疏散逃生環境急劇惡化。

（2）能見度：縱向風速為2.5 m/s時，隧道內能見度大范圍受到煙氣影響而降低發生在240 s之后。對于其他較小風速的工況，能見度大范圍降低的時間將會推后。隧道內人員接到火情警報的最遲時間為120 s，如果在120 s之內能夠逃生到最近出口即可認為能見度的降低對于逃生疏散的影響較小。

（3）有毒氣體CO：一氧化碳濃度在整個模擬過程中并不是決定性因素，一氧化碳濃度超過限值的區域主要在火源附近200 m范圍內的上部空間。

4 隧道火災的疏散逃生救援策略研究

采用buildingEXODUS軟件分析火災發生的位置、人員的密度、逃生通道的通行能力和逃生出口數量等因素對人員疏散的影響。在綜合考慮隧道長度、交通量及交通組成、通風模式、消防監控配置以及救援組織的基礎上，確定出可能的火災場景。在此基礎上，結合CFD計算得到的火災時隧道內溫度場、煙氣流動速度、高溫有毒氣體濃度分布特性及隧道內能見度等基礎數據，作為疏散分析的背景數據進行人員疏散逃生救援分析。

圖6 CFD模擬結果

（1）參數選擇

車輛的車種比例采用遠期預測比例，人員參數根據相關模擬通用的不同年齡層、不同人群的人員比例分配。其中大型車輛均模擬人員從車內行至車門口再進行疏散的情況。火災發生與人員疏散時間分別按照距離火災發生的遠近取值為60 s、120 s。逃生樓梯設計寬度為0.8 m。逃生樓梯間距分別是80 m、100 m。模型中出口的通行能力為1.33人/s，模擬了交通阻塞工況，火災發生在最不利點的兩種工況。圖7為模擬計算場景圖。

圖7 模擬計算場景圖

（2）模擬計算結果

所有工況的安全疏散時間均未超過900 s，即15 min，即能夠及時疏散完被困人群，且未出現人員傷亡。

隧道內乘行人員在火災發生240 s之后，基本全部疏散至逃生口附近。由于逃生口通行能力的限制，人員不得不在此排隊等侯通過疏散樓梯逃生至安全區域。因此逃生通道的寬度也是制約疏散時間的關鍵因素。

在火災發生360 s之后，隧道內的高溫區域將迅速擴大，能見度迅速下降，對隧道內乘行人員產生較大威脅，因此火災發生5 min之后應啟用有效的控溫措施。

縮短疏散通道的間距能夠有效提升疏散效率，逃生出口間距從120 m縮短為80～100 m（縮短33%～20%），大約節省疏散時間36%～18%。

逃生樓梯設計寬度為0.8 m。隧道內乘行人員在火在發生240 s之后，基本全部疏散至逃生出口附近。

5 結語

周家嘴路隧道作為雙層盾構道路隧道，由于斷面利用率高，難以設置合適的重點排煙風道。在采取相應措施的情況下，采用縱向通風排煙方式來解決排煙問題是合理可行的。

（1）縮短疏散通道的間距能夠有效提升疏散效率，逃生出口間距從120 m縮短為80 m，大約節省疏散時間36%。

（2）逃生樓梯寬度設計為0.8 m，隧道內乘行人員在火災發生240 s之后，基本全部疏散至逃生出口附近。

（3）泡沫水噴霧系統在火災發生5 min之內及時開啟，可有效控制溫度的上升，降低火災產生的高溫對排隊等候的受困人員的影響。

（4）交通阻塞工況時，通過有效的監控和管理措施控制隧道內車輛的數量，限制堵車段長度，有效控制隧道內乘行人員數量，有利于隧道應急防災安全

[1]郭清超，沈奕，閆治國，等.重點排煙大斷面隧道火災煙氣控制的CFD分析[J].地下空間與工程學報，2012,8(1):1616-1620.

[2]方銀鋼，朱合華，閆治國，等.上海長江隧道火災疏散救援措施研究[J].地下空間與工程學報，2010,6(2):418-422.

[3]袁慧.公路隧道火災排煙設計探討[J].山西建筑，2016,42(18): 152-153.

[4]江平，沈斐敏.縱向通風對隧道初期火災探測的影響[J].市政技術，2016,34(1):44-46.

U458.1

A

1009-7716（2017）04-0240-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.071

2017-03-01

溫竹茵（1975-），女，碩士，高級工程師，從事隧道設計及研究工作。