側向排煙城市道路隧道的水幕阻煙隔熱性能研究

閆治國， 張 寧,*， 王兆陽， 董景濤

(1. 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室， 上海 200092；2. 同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系， 上海 200092)

0 引言

近幾年，水幕系統(tǒng)越來越廣泛地應用于城市道路隧道消防中?；鹪磧蓚鹊乃豢刂崎y組接收火災信號后開啟，2道防火水幕形成分隔區(qū)段，包圍火源?；馂臒煔饴又了惶帟r受到阻擋，被限制在分隔區(qū)段內； 同時，水汽蒸發(fā)可以降低隧道內空氣溫度，為人員的疏散逃生提供條件。

目前，國內外學者采用數(shù)值模擬、模型試驗、現(xiàn)場試驗等方法，對水幕系統(tǒng)在隧道消防中的作用進行了研究。劉抗[1]通過數(shù)值模擬，指出水幕可對隧道形成防火分隔； LIANG Qiang等[2]、梅甫定等[3]、YANG Peizhong等[4]采用數(shù)值模擬方法，指出水幕系統(tǒng)具有阻煙降溫效果； WANG Zhigang等[5]、梁強等[6]、陳娟娟等[7]通過模型試驗，得到了水幕系統(tǒng)的阻煙性能； 劉柳等[8]、聶喬敏[9]、CHANG Huepei等[10]采用模型試驗的方法，得出水幕具有阻煙隔熱效果的結論； 羅鵬等[11]、李浩等[12]通過隧道現(xiàn)場試驗，證明水幕系統(tǒng)可以降低隧道內環(huán)境溫度，并有效控制火情； 梁強[13]指出減小水幕液滴粒徑、提高噴霧壓力、增加水幕寬度有利于控制火災煙氣； YUAN Lining等[14]指出噴頭位置和噴淋系統(tǒng)激活溫度會對水幕的工作效果產生較大影響； 張軒軒等[15]針對不同規(guī)模的火災，給出了相應噴水強度的建議。

然而，現(xiàn)有的研究多是針對采用常規(guī)排煙方式的隧道，而針對側向排煙隧道的水幕作用的研究相對較少，并且對所研究隧道的類型沒有進一步明確。為探究側向排煙城市道路隧道水幕系統(tǒng)的阻煙隔熱性能，采用FDS數(shù)值模擬方法，依托上海市北橫通道雙層盾構城市道路隧道，考慮不同噴頭數(shù)量、噴水壓力、排煙量、排煙口間距及排煙口數(shù)量的影響，對下層側向排煙隧道水幕系統(tǒng)的性能進行模擬。由于煙氣擴散范圍、溫度場分布以及能見度能夠比較全面地體現(xiàn)隧道火情，反映水幕的阻煙隔熱性能，因此，對這3個指標進行分析和對比。模擬數(shù)據(jù)真實可靠，可為水幕系統(tǒng)在側向排煙城市道路隧道消防中的應用提供參考。

1 計算模型

1.1 依托工程

FDS數(shù)值計算模型以上海市北橫通道雙層盾構隧道工程為依托建立，隧道全長7.788 km，橫斷面直徑15 m，隧道橫斷面如圖1所示。上層隧道凈空高約4.2 m，凈寬約10 m； 下層隧道凈空高約4 m，凈寬約10 m。

通風消防方面，上層隧道采用常規(guī)重點排煙模式，排煙口位于隧道上方，尺寸為3 000 mm×1 000 mm(長×寬)，相鄰間距為60 m； 下層隧道采用側向重點排煙模式，排煙口位于隧道一側，發(fā)生火災時，開啟火源附近5個排煙口，將煙氣通過排煙支管及頂部排煙道排出隧道，排煙口尺寸為2 500 mm×800 mm(長×寬)，排煙支管尺寸為2 200 mm×500 mm(長×寬)，間距為45 m。

圖1 隧道橫斷面(單位： m)

1.2 火災場景設定

表1和表2分別為DBJ 53-14—2005《公路隧道消防設計施工管理技術規(guī)程》[16]以及文獻[17]所提到的CETU(F)中不同火災場景下熱釋放速率(HRR)的推薦取值。因本文所討論的上海市北橫通道雙層盾構隧道為小汽車專用快速路，禁止貨車、載重車等大型車輛通行，同時計算中考慮到2～3輛小轎車失火的不利工況； 因此，設定火災熱釋放速率為8 MW。

表1DBJ53-14—2005《公路隧道消防設計施工管理技術規(guī)程》熱釋放速率推薦取值

Table 1 Recommended values of heat release rate in Regulation DBJ 53-14-2005 MW

起火車輛最大熱釋放量 載人小汽車 3～5 載重車/公共汽車 15～20 油罐車 50～100

表2CETU(F)(1996/1997)熱釋放速率推薦取值

Table 2 Recommended values of heat release rate in Regulation CETU(1996/1997) MW

起火車輛熱釋放速率 小轎車2.5 2～3輛小轎車8 1輛廂式車15 1輛巴士或卡車20 載重卡車30

火源尺寸根據(jù)設定火災熱釋放速率所對應的車輛平面尺寸確定，參考世界道路協(xié)會(PIARC，2007)推薦標準，具體取值為2 m×1 m×1 m(長×寬×高)[18]。火源位置設置于下層隧道中間排煙口的正下方，如圖2所示。

圖2 火源及水噴頭布置圖

表3為根據(jù)英國《暖通設計手冊》(CIBSE Guide)中，不同發(fā)展速率的火災對應的不同火災熱釋放速率系數(shù)[19]。

表3CIBSEGuide推薦的火災熱釋放速率變化系數(shù)

Table 3 Variation coefficient of fire heat release rate recommended by Regulation CIBSE Guide

火災類型系數(shù)α慢速0.002 9中速0.011 7快速0.046 9極快0.187 6

考慮到最不利工況，本文設定火災發(fā)展速度極快[20]，即取α=0.187 6。熱釋放速率(HRR)按式(1)變化，火災熱釋放速率增長曲線如圖3所示。

Q=αt2。

(1)

式中：Q為熱釋放速率(HRR)，MW；α為英國《暖通設計手冊》(CIBSE Guide)推薦的系數(shù)；t為火災發(fā)生的時間，s。

圖3 火災熱釋放速率增長曲線

火災發(fā)生206 s后，熱釋放速率(HRR)達到穩(wěn)定值8 MW，并保持不變，直到模擬計算時間結束。

1.3 計算模型建立

建模過程嚴格按照上海北橫通道的形狀進行，考慮到火災工況下通過開啟水噴淋可將煙氣控制在一定范圍內。計算模型長度取為300 m，包括下層隧道、上層隧道排煙道及水噴頭。CFD仿真模型如圖4所示。

圖4 CFD仿真模型

根據(jù)美國國家標準與技術協(xié)會(NIST)試驗結論，當網(wǎng)格尺寸取火源特征尺寸的1/10時，模擬結果與試驗結果較為吻合[21]?；鹪刺卣鞒叽鏒*可表示為

(2)

式中：Q為火源熱釋放速率，kW；ρ為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為空氣定壓熱容，kJ/(kg·K)；T為環(huán)境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

這里取Q=8 000 kW；ρ=1.29 kg/m3；cp=1.00 kJ/(kg·K)； 環(huán)境溫度設為20 ℃，因此T=293 K；g取9.8 m/s2。經(jīng)計算，得到D*的值為6.76，因此1/10D*為0.68。此外，對不同網(wǎng)格尺寸劃分方式進行比較，見表4。

表4 不同網(wǎng)格尺寸的比較

在此基礎上平衡計算精確度與計算時間成本，將隧道網(wǎng)格統(tǒng)一劃分為0.5 m×0.5 m×0.5 m，并依據(jù)熱物理變化梯度大小關系對火源附近進行網(wǎng)格加密處理。隧道兩端設為自然通風邊界，隧道壁定為絕熱面，排煙道通風量根據(jù)工況設定。

1.4 水幕設計方案

水幕系統(tǒng)由火源、水噴頭、感控裝置等構成?；鹪丛O置于隧道中部，靠近支管排煙口； 水噴頭對稱布置于火源兩側，噴頭組間距45 m。根據(jù)GB 50084—2017《自動噴水滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》，噴頭間距為1.8～2.4 m[22]?？紤]到下層隧道凈寬為10 m、凈高為4 m，相對較小，噴頭組設置為頂部2或4個及底部2個。頂部噴頭為水幕主要出水點，采用邊墻型快速響應噴頭(噴頭流量系數(shù)K取115)； 底部噴頭為輔助出水點，兼具運營期灑水降溫功能，采用標準噴頭(噴頭流量系數(shù)K取80)。火源及水噴頭布置見圖2。水噴淋效果見圖5。

圖5 水噴淋效果

噴頭工作壓力標準值取0.1 MPa[22]，考慮略小于、等于、略大于標準值的情況，計算模型中噴頭工作壓力及流量取值如表5所示。

表5 噴頭工作壓力及流量取值

在火源兩側范圍內，每隔5 m布設溫度和能見度傳感器(傳感器距離隧道底板2 m高)，以實現(xiàn)對隧道沿縱向方向溫度及能見度的監(jiān)測。

參考如表6所示的世界道路協(xié)會(PIARC)對隧道內溫度、能見度和CO質量分數(shù)允許值的相關報告規(guī)定[23]，對隧道內疏散救援環(huán)境的好壞進行綜合評判。

1.5 水噴淋工況設定

本文主要關注隧道頂部水噴頭的數(shù)量及工作壓力，討論不同工況下水幕系統(tǒng)對于北橫通道下層側向排煙隧道火災煙氣流動特性的影響，從而論證煙氣隔離效果和水幕消防方案的有效性。根據(jù)設計的水噴淋方案，對如表7所示的9種工況進行模擬。

表6隧道內溫度、能見度和CO質量分數(shù)允許值(PIARC，1999)

Table 6 Allowable values of temperature, visibility and CO concentration in tunnel (PIARC, 1999)

控制指標允許值空氣溫度/℃<80能見度/m>7～15CO質量分數(shù)/(×10-6)<225

表7 模擬火災工況

2 計算結果及分析

2.1 隧道內煙氣擴散范圍

各工況下不同時刻煙氣擴散情況(工況0—工況8)如圖6所示。由圖6可知，水幕系統(tǒng)對于隧道內煙氣擴散起到了一定的分隔作用。由于這種分隔依靠的是水幕而非固態(tài)隔墻，因此屬于“軟分隔”。頂部2個噴頭布置條件下，450 s時煙氣鋒面模糊，外擴蔓延滯緩； 900 s時煙氣充滿火源兩側范圍，無分層。頂部4個噴頭布置條件下，450 s時煙氣被阻隔，當噴頭工作壓力大于0.1 MPa時，隔斷效果明顯； 900 s時煙氣擴散至著火點兩側范圍，其中當噴頭工作壓力大于0.25 MPa時，煙氣出現(xiàn)不明顯分層。

2.2 隧道內溫度情況

各工況下不同時刻沿隧道縱向2 m高位置溫度分布(工況0—工況8)見圖7。由圖7可知，在水幕的隔熱作用下，分隔區(qū)段內外兩側形成分化，呈現(xiàn)出“內高外低”的趨勢，水幕系統(tǒng)對分隔區(qū)段外側的溫度起到了一定的控制作用。水幕分隔區(qū)段內，受水噴淋影響存在水蒸汽液化現(xiàn)象，溫度出現(xiàn)波動，使得噴淋工況下該區(qū)段的溫度比無噴淋時高。頂部2個噴頭布置條件下，溫度在60 ℃附近波動且跳幅劇烈； 頂部4個噴頭布置條件下，溫度在40 ℃附近波動且跳幅平緩。水幕分隔區(qū)段外側，溫度變化趨緩，整體分布平穩(wěn)，2個噴頭條件下均溫在40 ℃左右，4個噴頭條件下均溫在25 ℃左右(接近室溫)。

450 s 900 s

450 s 900 s

(c) 工況2

450 s 900 s

(d) 工況3

450 s 900 s

(e) 工況4

450 s 900 s

(f) 工況5

450 s 900 s

(g) 工況6

450 s 900 s

(h) 工況7

450 s 900 s

(i) 工況8

圖6各工況下不同時刻煙氣擴散情況(工況0—工況8)

Fig. 6 Smoke diffusion under different working conditions

2.3 隧道內能見度

各工況下不同時刻沿隧道縱向2 m高位置能見度分布(工況0—工況8)見圖8。由圖8可知，水幕系統(tǒng)在火災發(fā)展的中期(450 s左右)起到了一定的作用，隧道著火點兩側遠端處能見度明顯改善； 但對于后期階段(900 s左右)，水幕系統(tǒng)產生的“軟分隔”作用在一定程度上近乎失效，隧道全線能見度極度惡化。

頂部2個噴頭布置條件下，450 s時水幕內外兩側的能見度呈現(xiàn)出分化現(xiàn)象，但明顯可觀察到煙氣穿透導致的能見度下降； 頂部4個噴頭布置條件下，450 s時水幕內外兩側完全隔離，水幕分隔區(qū)段外區(qū)域的能見度處于正常水平(30 m)?；馂陌l(fā)展到900 s時，頂部噴頭數(shù)量(2個或4個)對煙氣的影響不大，煙氣滿溢造成了隧道內全線能見度的急劇下降，其中距離火源25 m處的能見度低至5 m，25 m以外區(qū)域的能見度低至10 m，救援疏散受到干擾(能見度允許值7～15 m)。因此，為保證救援安全和救援效果，救援疏散應盡可能在煙氣蔓延至整個隧道前進行。

(a) 2個噴頭(工況0—工況4)450 s

(b) 2個噴頭(工況0—工況4)900 s

(c) 4個噴頭(工況5—工況8)450 s

(d) 4個噴頭(工況5—工況8)900 s

圖7各工況下不同時刻沿隧道縱向2m高位置溫度分布(工況0—工況8)

Fig. 7 Temperature distribution at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

(a) 2個噴頭(工況0—工況4)450 s

(b) 2個噴頭(工況0—工況4)900 s

(c) 4個噴頭(工況5—工況8)450 s

(d) 4個噴頭(工況5—工況8)900 s

圖8各工況下不同時刻沿隧道縱向2m高位置能見度分布(工況0—工況8)

Fig. 8 Visibility at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

2.4 側向排煙量及排煙風速的影響

為探究排煙量對水幕阻煙隔熱性能的影響，將側向排煙與水幕作用耦合，研究水幕系統(tǒng)在不同排煙量情況下的效果。具體工況為： 火災規(guī)模8 MW，頂部噴頭數(shù)量為4個，噴水壓力0.25 MPa； 底部噴頭數(shù)量為2個，噴水壓力0.1 MPa；工況C1、工況C2、工況C3、工況C4、工況C5的排煙量分別設為0、15、30、45、60 m3/s，排煙道截面積為11.8 m2，對應的排煙風速為0、1.27、2.55、3.82、5.09。對隧道內煙氣擴散范圍、溫度和能見度進行分析。

各工況下不同時刻煙氣擴散情況(工況C1—工況C5)如圖9所示。由圖9可知，側向排煙與水幕系統(tǒng)的耦合作用對于隧道內火災煙氣擴散范圍的控制是有效的。在火災中前期(450 s)，水幕系統(tǒng)起到了明顯的阻煙作用。在火災中后期(900 s)，不同排煙量所呈現(xiàn)出的效果存在一定的差異性，隨著排煙量的增加，水幕對隧道內煙氣的阻隔作用提升。排煙量在30 m3/s以內時，煙氣蔓延至整個隧道； 排煙量大于45 m3/s時，煙氣擴散可控制在一定范圍內。

450 s 900 s

(a) 工況C1

450 s 900 s

(b) 工況C2

450 s 900 s

(c) 工況C3

450 s 900 s

(d) 工況C4

450 s 900 s

(e) 工況C5

圖9各工況下不同時刻煙氣擴散情況(工況C1—工況C5)

Fig. 9 Smoke diffusion under different working conditions

各工況下不同時刻沿隧道縱向2 m高位置溫度分布(工況C1—工況C5)見圖10。由圖10可知，隨著側向排煙量增加，水幕系統(tǒng)對分隔區(qū)段以外區(qū)域溫度的控制作用更加明顯，而對分隔區(qū)段以內最高溫度的影響并不大。

(a) 450 s (b) 900 s

圖10各工況下不同時刻沿隧道縱向2m高位置溫度分布(工況C1—工況C5)

Fig. 10 Temperature distribution at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

各工況下不同時刻沿隧道縱向2 m高位置能見度分布(工況C1—工況C5)見圖11。由圖11可知，隧道排煙與水幕作用的耦合對于分隔區(qū)段外能見度的改善是明顯的。在火災中前期(450 s)，排煙量大于30 m3/s時，水幕系統(tǒng)對分隔區(qū)段外能見度的改善起到了顯著作用； 當排煙量不大于15 m3/s時，這種改善作用減弱。在火災后期(900 s)，盡管整個隧道的能見度出現(xiàn)下降，但能見度的惡化程度隨排煙量的增大而減小。

(a) 450 s (b) 900 s

圖11各工況下不同時刻沿隧道縱向2m高位置能見度分布(工況C1—工況C5)

Fig. 11 Visibility at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

2.5 側向排煙口間距的影響

為研究排煙口間距大小對水幕作用的影響，模擬水幕系統(tǒng)在不同排煙口距離情況下其阻煙隔熱性能的表現(xiàn)狀況。具體工況為： 火災規(guī)模8 MW； 頂部噴頭數(shù)量為4個，噴水壓力為0.25 MPa； 底部噴頭數(shù)量為2個，噴水壓力為0.1 MPa； 排煙量為45 m3/s； 工況T1、工況T2、工況T3側向排煙口間距分別為25、45、80 m，對應的排煙口數(shù)量分別為7個、5個、3個。對隧道內煙氣擴散范圍、溫度和能見度進行分析，結果見圖12—14。

450 s 900 s

(a) 工況T1

450 s 900 s

(b) 工況T2

450 s 900 s

(c) 工況T3

圖12各工況下不同時刻煙氣擴散情況(工況T1—工況T3)

Fig. 12 Smoke diffusion under different working conditions

(a) 450 s (b) 900 s

圖13各工況下不同時刻沿隧道縱向2m高位置溫度分布(工況T1—工況T3)

Fig. 13 Temperature distribution at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

(a) 450 s

(b) 900 s

圖14各工況下不同時刻沿隧道縱向2m高位置能見度分布(工況T1—工況T3)

Fig. 14 Visibility at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

由圖12—14可知： 隨著隧道側向排煙口間距的減小(即排煙口數(shù)量的增加)，煙氣的擴散范圍相應縮小，火災前中期(450 s)的阻煙效果明顯； 水幕系統(tǒng)對分隔區(qū)段以外溫度的控制及能見度的改善起到了一定的作用，但效果不明顯。

3 結論與建議

1)對于一般性火災，在水幕系統(tǒng)作用下，隧道內煙氣擴散范圍能夠得到一定程度的控制，有利于消防救援。

2)在水幕系統(tǒng)作用下，隧道內溫度場分布呈現(xiàn)分化狀態(tài)，水幕分隔區(qū)段以外區(qū)域的溫度能夠得到控制，滿足逃生救援要求。

3)水幕系統(tǒng)可以使分隔區(qū)段內外的能見度狀況出現(xiàn)分化。在火災發(fā)生的前中期能延緩整個隧道內能見度的下降； 在火災發(fā)生的中后期，水幕系統(tǒng)對于隧道內能見度的改善作用減弱。

4)在增大側向排煙口的排煙量、減小排煙口間距、增加排煙口數(shù)量的情況下，水幕系統(tǒng)的阻煙隔熱性能可以得到更好地發(fā)揮。

5)消防救援工作受到隧道環(huán)境的影響，要盡可能在隧道溫度、煙氣質量分數(shù)、能見度等指標滿足要求的情況下進行，因此，對于側向排煙隧道，消防工作需要在火災發(fā)生的前中期開展，以取得理想效果。

6)針對DG/T J08-2033—2017《道路隧道設計標準》規(guī)定的“當設有重點排煙系統(tǒng)和泡沫-水噴霧滅火聯(lián)用系統(tǒng)時，安全疏散時間可適當放寬至20 min[24]”，需額外指出對于設有水噴淋系統(tǒng)的側向排煙城市道路隧道，安全疏散時間應當控制在10～12 min，不宜放寬至20 min。