不同排煙口開啟狀態下媽灣隧道的排煙技術

曾艷華，李 杰，張先富,3，韓 通，丁茂瑞，張 嵩

（1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2.深圳市交通公用設施建設中心，深圳518040；3.中鐵二院工程集團有限責任公司地鐵院土建分院，四川 成都 610031）

近年來，伴隨著我國城市地下空間的不斷開發利用和盾構法隧道施工技術的不斷進步，跨江跨海隧道的建設也取得了矚目成就.跨江跨海隧道除具有連接兩岸經濟、交通作用外，更為重要的是可以節約寶貴的地面用地，緩解橋梁等設施的交通壓力[1].但由于跨海隧道交通構成復雜，交通量大，且處于封閉環境中，一旦發生火災，后果極其嚴重.所以，跨海隧道的通風排煙技術研究也顯得尤為重要.

盾構法水下隧道發生火災時，一般是依靠拱頂富余空間進行重點排煙，排煙口是排煙系統最為重要的組成部分.煙氣控制技術的目的是將煙氣控制在一定范圍內，使得逃生人員免于受其侵害，另外在煙氣控制技術中需考察的是排煙系統的功效.考慮到排煙口在實際情況下存在不同的工作狀態，且不同的排煙口開啟狀態下對應排煙風量以及人員疏散的可用疏散時間（ASET）也不一致，故針對不同的排煙口開啟狀態，應單獨進行研究.

目前國內部分學者圍繞排煙口展開了排煙方式以及不同排煙風量效果等的研究.潘一平等[2]通過溫度場、行車道2 m高處能見度以及排煙閥流速等指標，研究了隧道集中排煙模式下合理的排煙閥面積、排煙閥結構形狀等設計參數；代言明等[3]通過對不同排煙口參數的比較，研究了排煙開口面積、開口間距以及寬高比對煙氣蔓延速度、上方溫度以及煙氣沉降高度的影響；劉琪等[4]基于火災動力學模擬器（FDS）中火災燃燒煙氣的質量生產速率對比發現，隨著排煙風量的增大，機械排煙效率增大，機械排煙效能反而降低；張玉春等[5]對縱向排煙和重點排煙模式下的煙氣特性進行了對比，得到了頂部設排煙道排煙較縱向通風排煙有較好的煙氣控制效果，且排煙口的設置間距和開口大小將影響隧道火災時的排煙特性；陳娟娟等[6]通過對雙層隧道側部排煙的溫度、能見度及排煙口流速等分布的研究，提出了在火災功率為20 MW時排煙口數量、面積以及間距等參數最佳值.另外還有學者研究了當排煙口發生吸穿現象時煙氣部分指標與排煙風量的關系：劉洪義等[7]通過數值模擬,獲得不同排煙速率下排煙閥下方的溫度、流速、煙氣層厚度，驗證了排煙閥下方煙氣層吸穿現象的存在，為集中排煙模式的優化提供參考；姜學鵬等[8]通過描述煙氣層厚度、溫度與排煙速率之間的關系，獲得排煙口下方發生吸穿現象的排煙速率范圍.

已有研究主要是針對排煙口參數以及通風排煙方式展開的，而對排煙口實際的工作狀態關注較少，但排煙口開啟狀態卻是實際影響排煙效果的直接因素[9].故本文基于盾構法水下隧道排煙口不同的工作狀態，結合人員在火災情景下耐受極限以及煙氣蔓延特性，開展排煙口在不同開啟狀態下的排煙研究，對指導水下隧道通風排煙設備的設計工作提供參考.

1 火災模擬參數及工況

1.1 依托工程

媽灣跨海隧道為深圳市沿江高速月亮灣大道的組成部分，隧道主要交通組成為大型疏港卡車，海底隧道部分組成為“兩端明挖 + 中部盾構隧道”結構形式，地下道路主線設計速度為80 km/h.媽灣跨海盾構隧道采用縱向通風+重點排煙方式：采用的分兩段設置的分段縱向式方式通風，出口段采用射流風機反吹，污染空氣全部從豎井排出的方案；隧道排煙方案分3段，即分段縱向式 + 重點排煙式 + 分段縱向式，盾構段設置集中排煙風道.

本文以中部媽灣水下盾構隧道為對象展開排煙特性研究，盾構段全長2 300 m，內徑為13.7 m，隧道內輪廓面積為86.1 m2，縱向坡度呈“V”字形，全隧最大縱坡3%.隧道橫斷面尺寸如圖1.

圖 1 盾構隧道橫斷面尺寸（單位：cm）Fig.1 Shield tunnel cross-sectional dimensions/cm (unit: cm)

1.2 網格的劃分原則

一般說來，火源直徑D1（如式（1））與網格尺寸的比值達到4～16可以很好地解決模擬當中的湍流問題.當前可靠度較高的網格尺寸設置方法為：網格尺寸取為0.1D1，另外在火源區進行對網格加密計算，此時模擬結果與試驗結果吻合度較高.

式中：Q為火源熱釋放速率；ρa為環境密度；cp為空氣比熱容；Ta為環境溫度；g為重力加速度.

1.3 隧道模型的建立

全隧道按最不利情況考慮[10]統一縱坡為3%，隧道全長為2 300 m，內徑為13.7 m，隧道內輪廓面積為86.1 m2；根據相關研究[2]，當排煙口參數長寬比為1∶3，面積大小為6 m2，間距為60 m時，可以達到最佳排煙風量.結合網格大小，最終確定排煙口尺寸為1.4 m × 4.0 m，排煙口位置在隧道頂部.因FDS建模采用矩形網格，模型無法精確建立曲線邊界，故在隧道內部會出現鋸齒狀邊界，所以設置語句SAWTOOTH=.FASLSE來消除鋸齒以改善此處的流動狀況.

建立火災三維計算模型如圖2所示，運用上文所述的網格劃分原則，設置網格大小為1.0 m × 0.5 m ×0.5 m，為了提高計算精度，對火源及排煙口范圍內進行網格加密，采用0.2 m × 0.5 m × 0.5 m的網格.

圖 2 隧道火災計算模型Fig.2 Model of tunnel fire simulation

1.4 模擬參數的設定

環境模擬參數：隧道內溫度20 ℃，空氣密度取1.205 kg/m3，隧道外大氣壓取年平均氣壓101 325 Pa；隧道主洞兩端為自然通風邊界，因隧道的半封閉性，壁面為絕熱面.

計算燃燒參數：煙塵生成量參數（soot yield）根據平原地區交通事故CO的生成量，模擬值取為0.05[11]，由于依托工程主要交通組成為大型疏散卡車，故火災功率為50 MW.

1.5 火災計算面積

在FDS中有兩種設置火源的方法：一種是在SURF行上指定一個單位面積熱釋放速率；另一種是指定一個單位面積熱釋放速率，連同還要指定MATL行上的其它參數.本文計算模型選取第一種方法設定火源，取火源最大熱釋放速率為50 MW，另外設置火災面積大?。ㄩL × 寬）為 10.5 m × 2.5 m，則單位面積熱釋放速率HRRPUA = 1 905.本模擬以大渦模擬理論來求解納維-斯托克斯流體動量守恒運動方程，本方程描述熱驅動低速流動，選用燃燒模型對火災進行模擬計算.

1.6 計算工況

當排煙口失效而不能正常開啟時，要將煙氣控制在下游范圍，使之不產生回流，此種通風方式稱之為縱向排煙，此時的控制風速vc即為臨界風速，如圖3.

圖 3 臨界風速示意Fig.3 Critical velocity diagram

當排煙口正常開啟時，一般將煙氣控制在火災點上下游排煙口范圍內；當火災下游發生堵塞時，只開啟下游排煙口而將煙氣控制在下游一定范圍內，這兩種通風方式稱為重點排煙.而開啟下游或只開啟上下游排煙口時，又可以按照火災點正上方排煙口是否能及時打開而分為兩種情況，分別如圖4、5所示，故以這3種排煙口的不同工作狀態展開研究，火災工況如表1所示.

圖 4 同時開啟上下游排煙口時，排煙口與火災點示意Fig.4 The diagram of fire and the fire point when opening the upper and lower smoke exhaust

圖 5 只開啟下游6個排煙口時，排煙口與火災點示意Fig.5 The diagram of fire and the fire point when Only opening the lower smoke exhaust

表 1 媽灣水下盾構隧道火災工況模擬Tab.1 Simulation conditions of shield tunnel fire

為了更好研究排煙口開啟狀態對排煙效果的影響，設計了以下風速工況，火災點均在距離洞口1 000 m處：當上下游同時開啟排煙口時，若開啟排煙口為6個，排煙口開啟范圍為850～1 150 m，若開啟排煙口為7個，排煙口開啟范圍為820～1 180 m；當只開啟下游排煙口時，排煙口開啟范圍為1 000～1 360 m.

2 排煙技術

2.1 排煙效率的定義

排煙風口的排煙效率等于單位時間內排煙口的煙氣量與火源產生的煙氣量之比，而整個通風排煙系統的排煙效率η則等于各排煙口的排煙效率之和，如式（2）.

式中：ηi為第i個排煙口的排煙效率；mi為第i個排煙閥的排煙量；M為產生的煙氣量.

因煙氣流動過程中的卷吸作用及排煙閥抽吸作用，排出氣流包括煙氣及一部分新鮮空氣，所以實際的排煙量和生成煙量難以測定[12]，因此，本文以燃燒生成的產物之一CO2作為參考，排煙風口的CO2排量通過FDS監測得到，采用軟件默認的丙烷（C3H8）模擬計算CO2的生成量，見式（3），結合50 MW的火災功率得到為3.135 kg/s.

2.2 縱向通風排煙方式

為探究縱向排煙方式不同工況下排煙特性的不同，分別對煙氣高度、煙氣蔓延長度等煙氣特性以及人眼高度能見度、CO體積濃度等人體耐受極限展開研究.

火災后能使火災煙流不發生逆流的風速即稱為臨界風速，臨界風速的大小受諸多因素的影響，包括火災熱釋放率、隧道的坡率、幾何形狀等.

Heselden[13]提出，臨界風速可以根據式（4）、（5）計算得出.

式中：Kg為坡度修正系數，當火災發生在隧道平坡或上坡段時Kg= 1.0，當火災發生在隧道下坡段時，Kg= 1 + 0.037 4 × 0.8tanθ；K為常數，取決于相應實驗；H為隧道橫斷面高度； ρ0為環境溫度下隧道內空氣的密度；A為隧道斷面面積；Tp為隧道內平均煙氣溫度；T0為環境溫度.

Oka和 Atkinson[14]采用 1∶10 縮尺的模型,研究水平隧道里的煙氣運動狀況，提出了用隧道水力直徑作為特征長度計算臨界風速，如式（6）、（7）.

式中：D為隧道水力直徑；Q2為無量綱熱釋放速率；v2為無量綱臨界風速；vcr為臨界風速.

當Q2＜0.20,v2=0.40×0.2?13(Q2)13，當Q2≥0.20 ，v2=0.40，0°～10° 傾角下坡隧道的坡度修正系數為λ= 1 + 0.014θ，隧道坡度為θ時的臨界風速為

采用媽灣跨海隧道的縱坡、火災熱釋放率和隧道斷面參數，式（4）、（5）計算的臨界風速值偏小，故采用式（6）、（7）、（8）計算得到的臨界風速（3.57 m/s），為得到合理的臨界風速，采用控制風速試算法來確定.

當高洞口的控制風速為3.5、4.0、4.5 m/s，保持其余其他條件不變，煙氣蔓延如圖6所示，圖中分別記錄300、600、900、1 200 s時刻的煙氣蔓延情況.

圖 6 不同控制風速下煙氣蔓延情況Fig.6 Smoke spreading in the case of different velocity

從圖6可以看出來：控制風速為3.5 m/s時煙氣還有部分回流，在600、900 s時回流長度分別達到了30、60 m，在1 200 s時回流長度趨于穩定，達到32 m；對比控制風速4.0 m/s和4.5 m/s發現，當風速為4.0 m/s時仍有少量煙氣回流，從整個全時程來看，控制風速達到4.5 m/s的煙氣控制效果更好更為可靠，故在火災功率50 MW時，建議4.5 m/s的控制風速作為臨界風速.即當媽灣跨海盾構隧道采用分段縱向式排煙時，開啟射流風機保持臨界風速，讓新鮮空氣從隧道入口進入.

2.3 重點通風排煙方式

實際工程中重點排煙方式的適用性更強，故對其展開重點研究，研究指標包括煙氣特性以及排煙口的實際工作狀態.

當隧道中發生火災時，產生了大量的有毒氣體，這些有毒氣體中危害最大的是CO.煙氣特性中CO體積濃度對人體的傷害具有累加性，但實際中CO是隨時流動消散的狀態，即火災發展到某個時刻，隧道中的CO濃度即為火災發展至該時刻的CO累計濃度.

根據模擬結果[11]：當火災發展至100 s時，火災上下游的CO體積濃度均未超出人體耐受極限；當火災發展至300 s時，火災點上下游50～250 m范圍內的CO體積濃度在人體耐受極限之上；當火災發展至600 s時，火災點上下游50～300 m范圍內的CO體積濃度均在人體耐受極限之上；當火災發展至1 200 s時，上下游CO濃度均遠遠超出人體耐受極限，且上游100 m范圍內的CO體積濃度顯著升高，最高值達到3 200 ppm.從上述規律看到，火災發生到1 200 s時，火災點上下游的CO濃度較高，火災發展較為充分穩定，煙氣基本覆蓋了全隧道.

表2給出了人體吸入不同濃度CO的反應（危害）情況[15]，綜合人體在CO不同體積濃度的耐受情況適當作保守估值，取穩定狀態下1 200 s時刻下CO體積濃度的耐受紅線值300 ppm作為研究指標.

2.3.1 正常開啟上下游排煙口

開啟6個排煙口與7個排煙口的煙氣高度情況，如圖7，二者均可以將煙氣有效地控制在排煙閥附近范圍內.當開啟6個排煙口時，工況6和工況5的排煙風量達到290 m3/s，火源的煙氣高度均有所升高，在火源附近排煙效率得到了提升；對比開啟6個排煙口的情況當開啟7個排煙口時，上游位置的煙氣高度有部分提升，下游位置的煙氣高度基本保持，這表明了開啟7個排煙口時，會使得上游位置附近排煙口的排煙效率得到提升，從煙氣高度來考慮，開啟7個排煙口的排煙效果要略優于開啟6個排煙口.

表 2 CO濃度對人體健康的影響Tab.2 Effect of CO concentration on human health

圖 7 上下游同時開啟排煙口的煙氣高度Fig.7 The smoke height when opening the upper and lower smoke exhaust

表3為同時開啟上下游排煙口時煙氣蔓延距離，由表3可知：當開啟6個排煙口時，工況6好于工況4和工況5；另外對比工況5和工況6，同樣的排煙風量下，主洞內不同的誘導風速會對隧道內的排煙效果產生明顯的區別，基本上工況6將煙氣控制在排煙口2#～5# 范圍內，而工況5的煙氣基本在1#～6# 排煙口范圍內，但二者總體的控煙效果都是滿足要求的；開啟7個排煙口時，工況7、8和工況9的上游煙氣蔓延基本控制在2# 排煙閥以內，這和上文煙氣高度的分析規律吻合；在下游位置，工況9的下游煙氣蔓延也在6# 排煙口以內，表明了煙氣未到達7# 排煙口，7# 排煙閥并未發揮功效，說明開啟火源上方排煙口可以顯著提升煙氣控制效果.

表 3 同時開啟上下游排煙口時煙氣蔓延距離Tab.3 Smoke spreading distance comparison table of opening the upper and lower smoke exhaust m

圖8為上下游同時開啟排煙口的人眼能見度，由圖8可知：開啟6個排煙口時，工況6的能見度在火源下游位置有接近100 m范圍的提高，工況5和工況4的能見度分布規律差別不大；開啟7個排煙口時，3種不同排煙風量的具體差別在于工況9和工況8在火源位置的能見度要高于工況7，提高排煙風量主要提高了火源位置的能見度；開啟7個排煙口的能見度都在“10 m能見度紅線”以上，而開啟6個排煙口會使得火源位置的煙氣能見度得到了提高.

圖 8 上下游同時開啟排煙口的人眼能見度Fig.8 The visibility of human eye height when opening the upper and lower smoke exhaust

圖9為上下游同時開啟排煙口時人眼高度 CO體積濃度，由圖9可知：開啟6個排煙閥時，沿縱向位置CO體積濃度呈“M”分布；排煙閥范圍800～1 200 m內的CO體積濃度都是高于“人體耐受極限值”，最高數值達到了700 ppm，并且提高排煙風量對降低CO體積濃度作用不大，工況4、5、6的CO體積濃度分布規律基本一致；開啟7個排煙口時，CO體積濃度處于“人體耐受極限”之上的范圍縮短，幾乎只在火源位置，且數值最高僅450 ppm，故從人體對CO的耐受極限角度來說，開啟火源正上方的排煙閥對人員的逃生安全是極為重要的.

圖 9 上下游同時開啟排煙口時人眼高度CO體積濃度Fig.9 The CO volume concentration of human eye height when opening the upper and lower smoke exhaust

2.3.2 下游發生堵塞只開啟下游排煙口

當下游發生堵塞只開啟下游排煙口時，不同工況下煙氣高度情況，如圖10，當排煙風量從290 m3/s（工況10）提高到330 m3/s（工況11），煙氣高度變化不大，當從 330 m3/s（工況 11）提高到 410 m3/s（工況12）時，火災上游位置的煙氣高度升高，表明了上游的回流煙氣得到了控制，在下游位置煙氣高度略有下沉，即使當下游發生堵塞情況，火災附近的煙氣也不會影響人員逃生.

控制煙氣蔓延長度情況，如表4，及時打開火災點上方排煙口的效果要好于火源上方排煙口不能及時開啟的情況.當排煙風量為290 m3/s（工況10）和330 m3/s（工況11）時，均有不同程度的煙氣回流，且下游位置煙氣只能到達5# 排煙口位置，6# 排煙口未能起到排煙作用，當提高排煙風量至410 m3/s（工況12）時，煙氣基本不會產生回流現象，且當火源上方排煙口打開時，下游位置煙氣蔓延至5# 排煙口，當不能及時打開上方的排煙口，煙氣蔓延距離增至347 m，基本上到達了最右端的排煙口.

圖 10 只開啟下游排煙口的煙氣高度Fig.10 The smoke height when opening the lower smoke exhaust

表 4 只開啟下游排煙口時煙氣蔓延距離對比Tab.4 Smoke spreading distance comparison table of opening the lower smoke exhaust m

只開啟下游排煙口時，能見度情況如圖11，提高排煙風量后整體能見度變化不大，僅在火災位置附近的能見度得到了提高：上游100 m范圍內有一定程度的提高，下游200 m范圍內的能見度基本處于“能見度紅線”以下，下游200 m范圍正好處于下游開啟的排煙口范圍以內，故不會影響下游排煙口以外位置的能見度.

圖 11 只開啟下游排煙口的能見度Fig.11 The visibility of human eye height when opening the lower smoke exhaust

CO體積濃度如圖12，只開啟下游排煙口會使得下游300 m范圍內的CO體積濃度顯著升高，最高值達到1 600 ppm，同理，此范圍正好處于下游開啟的排煙口范圍以內，故不會危及下游排煙口以外位置人員的安全.

圖 12 只開啟下游排煙口的CO體積濃度Fig.12 The CO volume concentration of human eye height when opening the lower smoke exhaust

3 各種開啟狀態下的排煙效率研究

3.1 各開啟狀態下排煙口風速大小

為了對比不同排煙口開啟狀態下各個排煙閥的排煙效率情況，如圖13，監測得到了各個排煙口下排煙風速大小.當同時開啟上下游的排煙口時，由于工況4～6以及工況7～9的排煙風量差別不大，故排煙口下風速相差不大，但是對比開啟6個排煙閥與7個排煙口來看，開啟火災點上方的排煙可以大大提高正上方的排煙口風速大小，這可以有效提升單個排煙口的排煙效率.

當只開啟下游排煙口時，排煙口下風速如圖14，因工況10～13的排煙風量相差較大，故排煙風量越大其排煙口下風速越大，且2# 和3# 排煙口下風速最大，表明2# 和3# 排煙口的排煙閥效率較高.當不能及時打開火源正上方的排煙口時，可以看到此時排煙口下風速最大的是3# 排煙口，但是1#、2# 與3# 排煙口下風速相差不大，表明了火源點正上方的排煙口未能及時打開時，排煙口的排煙效率大于正上方排煙口開啟時的排煙效率.

3.2 排煙效率的研究

統計工況4～13，不同排煙風量各個排煙口的排煙效率如表5.同時開啟上下游6個排煙口時，3#和4# 排煙口的排煙效率占到了整體排煙效率的一半，且隨著排煙風量的增大，整體排煙效率在提高，但是整體排煙效率高于開啟7個排煙口時的；當開啟7個排煙口時，可以看到4# 排煙口的單個排煙效率達到了65%以上，雖然火災點上方的排煙口打開更有利于排煙，從排煙效率來看，其余排煙口的排煙效率很低，導致了整體排煙口效率低下.綜合前文對煙氣蔓延特性以及人員耐受極限來看，開啟火災點正上方的排煙口更有利于人員疏散逃生，故仍建議開啟火災點正上方的排煙口進行排煙.

圖 13 上下游同時開啟排煙口時排煙口下風速Fig.13 Velocity under the smoke exhaust when opening the upper and lower smoke exhaust

圖 14 只開啟下游排煙口時排煙口下風速Fig.14 Velocity under smoke exhaust when opening the lower smoke exhaust

只開啟下游的排煙口時，過大的排煙風量使得煙氣被控制在下游一定范圍內，特別是1#～3# 排煙口的排煙效率占了所有排煙口的排煙效率的60%，且此時整體排煙效率均大于95%，對比不同的排煙風量其整體排煙效率差別不大.

綜合以上可得：當發生火災時，應采用重點排煙方式，將火災點最近的排煙口打開，并且沿著火災上下游分別開啟排煙口，非特殊情況盡量避免只開啟火災點下游的排煙口.同時，火災下游豎井內的軸流排風機開啟排煙，依靠射流風機引流從洞口進行補風.火災上游豎井內的軸流送風機開啟向救援通道正壓送風，以保證救援通道內的人員安全.

表 5 不同排煙口開啟狀態下各排煙口的排煙效率Tab.5 Smoke exhaust efficiency of different smoke exhaust’s opening strategy %

4 結 論

通過對媽灣水下盾構隧道排煙口不同開啟狀態下煙氣蔓延特性以及司乘人員生理耐受指標的研究，并探究了重點排煙方式下的排煙效率、排煙口下風速，得到了以下結論：

（1）得到了縱向通風排煙方式的臨界風速（4.5 m/s），重點排煙方式下同時開啟上下游排煙口、發生堵塞只開啟下游排煙口的最佳排煙風量分別為290、410 m3/s，且主洞不同的誘導風速會引起較為明顯的排煙效果.

（2）從人員逃生指標及排煙效率角度來講，重點排煙方式應及時開啟火災點正上方的排煙口，同時開啟上下游排煙口時的具體安全性表現為：火源點正上方的排煙口開啟可以保證能見度在人眼能見度紅線之上，CO體積濃度只在火源附近威脅人員安全且最大值僅為450 ppm.

（3）受限于論文篇幅，只針對排煙方式和排煙效率進行了論述，并未對人員疏散以及逃生條件進行更深層次的研究，下一步的研究會將跨海隧道的排煙技術與人員疏散更好地聯系起來.