公路隧道火災合理排煙量計算分析

張新 李建

（1.中聯科銳消防科技有限公司，長沙 410007；2.中國安全生產科學研究院，北京 100012）

0 引言

近年來，中國公路隧道建設進程逐步加快，尤其是長公路隧道和特長公路隧道，根據交通運輸部統計數據，截止到2019 年末，中國公路隧道共19 067 處、1 萬8 966.6 km，其中特長隧道1 175 處、5 217.5 km，長隧道4 784 處、8 263.1 km[1]。隨著公路隧道工程日益增多，特別是隧道內行車速度和密度的加大，由于車輛故障、撞擊、自燃等原因造成的隧道火災事故越發突出。據國外相關機構統計，隧道內火災發生頻率為10 ～17 次/(億車·km)[2]，雖然隧道火災發生率相對較低，但其火災后果相對較為嚴重，國內外隧道火災事故屢見不鮮[3]。

火災煙氣控制是公路隧道消防設計中的重難點問題，排煙量是隧道排煙系統的關鍵設計參數，特別是對于新型隧道和新型通風排煙方式，其排煙量等關鍵設計參數的合理取值需要探究。目前，關于公路隧道側向集中排煙的火災合理排煙量研究較少，本文主要通過比較不同條件下煙氣蔓延范圍、2 m 高處能見度、排煙道流速、排煙口流速、排煙效率及排熱效率等參數，綜合確定縱向通風與側向集中排煙模式下排煙量的合理取值，為公路隧道側向集中排煙系統設計方案提供參考。

1 排煙量理論計算

火源的煙氣生成速率是決定機械排煙系統排煙量的關鍵因素，它是由火源上方的煙羽流質量流量所決定的。結合某公路隧道工程實際，參考GB 51251-2017《建筑防煙排煙系統技術標準》[4]，隧道排煙量的理論計算值可采用軸對稱型煙羽流的煙氣生成量：

由此可計算得到該隧道所需的最小排煙量應等于產煙速率86.17 m3/s，實際設計中需要考慮漏風量、沿程阻力損失等因素，設計排煙量應大于計算排煙量。

2 不同排煙量下各關鍵參數變化規律

為進一步探究排煙量的合理取值，采用火災動力學模擬軟件（Fire Dynamics Simulator，簡稱FDS）進行數值模擬分析，研究火源功率為20 MW 時不同排煙量對各關鍵參數的影響。排煙口間距為60 m，排煙口尺寸為6 m×0.5 m，縱向風速為1.5 m/s，模擬分析了總排煙量分別為80 m3/s、100 m3/s、120 m3/s 和140 m3/s 共4 種情況。

火災發展階段，各參數隨時間變化不斷發生變化，不便于分析研究，因此以下各參數研究均為火災發展穩定階段的變化規律。

2.1 拱頂下方煙氣蔓延范圍

根據數值模擬測得的煙氣蔓延距離數據，排煙量由80 m3/s 增大至140 m3/s 的過程中，在縱向通風風速1.5 m/s 的情況下，隨著排煙量的增大，火源上游煙氣蔓延范圍基本保持不變，火源下游煙氣蔓延范圍減小，整體蔓延范圍隨排煙量的增加而縮小。整體而言，排煙量由80 m3/s 增大至120 m3/s 的過程中，煙氣蔓延范圍縮小幅度相對較大，再增大排煙量時，煙氣蔓延范圍縮小幅度較小。從該角度分析排煙量取120 m3/s 為宜。

2.2 隧道2 m 高度處能見度

從隧道2 m 高度處能見度隨排煙量變化規律可以看出，能見度（臨界值10 m）對人員安全疏散的影響范圍隨排煙量的增加而減小。當排煙量增大至120 m3/s時，再增大排煙量其影響范圍減小幅度很小。從該角度分析排煙量取120 m3/s 較為適宜。

2.3 排煙道流速

排煙道流速均隨排煙量的增加而增大，但均未超過規范規定的15 m/s，因此排煙量可在86.17 m3/s ～140 m3/s 間取值。

2.4 排煙口流速

排煙口流速均隨排煙量增加而增大，排煙口的流速基本呈“V”字形分布，靠近風機的排煙口流速較大。當排煙量增大至120 m3/s 時，個別排煙口的速度大于規范規定的10 m/s，因此排煙量不宜大于120 m3/s。

2.5 排煙效率

從不同排煙量下的排煙效率變化規律可以看出，隧道總排煙效率均隨排煙量的增加而增大。排煙量增大至120 m3/s 時，排煙效率達到98%以上，再增大排煙量時，隧道排煙效率略有降低的趨勢。從該角度分析，排煙量取120 m3/s 較為適宜。

2.6 排熱效率

從不同排煙量下排熱效率的變化規律可知，公路隧道總排熱效率隨排煙量的增加而增大，從該角度分析，排煙量取140 m3/s 較為適宜。

綜上，從拱頂下方煙氣蔓延范圍、隧道2 m 高度處能見度、排煙口流速、排煙效率4 個關鍵參數隨排煙量的變化規律來看，排煙量取為120 m3/s 較為合理；從排熱效率來看，排煙量取為140 m3/s 較為合理；從排煙道流速來看，排煙量在合理范圍內取值均可。

3 多目標決策分析

在確定合理排煙量時，需要從多角度、多因素綜合分析評價，這增加了決策難度。一方面，各影響因素之間可能存在一定的相悖性，比如在一定范圍內，煙氣蔓延范圍隨排煙量的增大而減小，但排熱效率隨排煙量的增大而增大，這就需要權衡各因素的重要程度。另一方面，各影響因素量綱不具一致性，沒有統一度量標準，難以比較，因而需要進行歸一化處理。

本文將采用多目標決策理論中的層次分析法，通過構建決策模型并進行數學求解，采用定量分析方式確定擇優方案。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是20 世紀70 年代由美國學者薩蒂最早提出的一種多目標評價決策方法，它將決策者對復雜系統的評價決策思維過程數學化，保持決策者思維的一致性，是一種先分解后綜合的系統思想[5]。層次分析法已廣泛應用于安全、醫學、工程建設、交通、管理等領域[6-11]。

3.1 構建遞階層次模型

在分析確定合理的排煙量時，從煙氣蔓延范圍、2 m 高度處能見度、排煙口流速、排煙道流速、排煙效率、排熱效率6 個方面進行分析，排煙量考慮了80 m3/s、100 m3/s、120 m3/s、140 m3/s 4 種方案，建立遞階層次模型如圖1 所示。

圖1 合理排煙量遞階層次模型

3.2 確定判斷矩陣

判斷矩陣全稱為權重解析判斷矩陣，是用來求解各元素關于某準則優先權重的矩陣。判斷矩陣是表示本層所有因素對上層某準則的相對重要性的比較，在確定各層次因素之間的重要性時，不是把所有因素放在一起比較，而是兩兩相互比較，同時為盡可能減少性質不同的因素相互比較的困難，采用相對尺度進行比較。

構造判斷矩陣的關鍵，在于設計一種特定的比較判斷兩元素相對重要程度的標度法則，使得任意兩元素相對重要程度有一定的數量標準[12]。

在隧道火災煙氣控制中，首先要將煙氣控制在距隧道地面2 m 高度處，以保證隧道內人員疏散安全；其次，需要控制煙氣蔓延范圍以減小火災煙氣的影響；然后需要排煙設計的相關參數如排煙道流速、排煙口流速等滿足相關規范要求；最后要盡可能提高排煙和排熱效率。因此，確定排煙量影響因素的重要程度順序為：2 m 高度處能見度、煙氣蔓延范圍、排煙道流速、排煙口流速、排煙效率和排熱效率。

表1 合理排煙量影響因素兩元素相對重要度

根據上述分析，建立合理排煙量分析影響因素兩元素相對重要度如表1 所示。

由表1 建立關于合理排煙量判定準則的判斷矩陣如下所示：

3.3 判斷矩陣的一致性檢驗

表2 修正值

表2 修正值

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10images/BZ_95_1320_516_1373_543.png0.00 0.00 0.58 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49

計算結果說明判斷矩陣具有一致性，判斷矩陣是合理的。

3.4 綜合重要度計算

分別以煙氣蔓延范圍（a）、2m 高度處能見度（b）、排煙口流速（c）、排煙道流速（d）、排煙效率（e）、排熱效率（f）為準則建立各自的判斷矩陣，如下所示：

計算得到各準則判斷矩陣的最大特征值分別為：

最大特征值對應的特征向量分別為：

同理計算得到

以各準則判斷矩陣的特征向量為列向量構成矩陣，則

由此可計算得到方案優先程度的排序向量：

計算得到的值越大，說明方案越優。

由此可知，排煙量方案的優先順序為：

C（120 m3/s）＞D（140 m3/s）＞B（100 m3/s）＞A（80 m3/s）

由此可知，當隧道發生20 MW 的火災時，合理的排煙量是120 m3/s。

4 結論

1）結合某公路隧道工程實際，采用軸對稱型煙羽流計算的煙氣生成量，由此可計算得到該隧道所需的最小排煙量應等于產煙速率86.17 m3/s，實際設計中需要考慮漏風量、沿程阻力損失等因素，設計排煙量應大于計算排煙量。

2）通過數值模擬分析，從拱頂下方煙氣蔓延范圍、隧道2 m 高度處能見度、排煙口流速、排煙效率4 個關鍵參數隨排煙量的變化規律來看，排煙量取為120 m3/s較為合理；從排熱效率來看，排煙量取為140 m3/s 較為合理，從排煙道流速來看，排煙量在合理范圍內取值均可。

3）采用多目標決策理論最終確定該公路隧道的合理排煙量為120 m3/s。