馬來西亞某水下隧道通風排煙及疏散研究

黃強

中鐵第六勘察設計院集團有限公司

水下隧道作為地面道路的延伸和補充，能夠緩解城市交通的擁堵，有效改善城市交通環境和人居環等特點[1]。由于水下隧道是一個狹長的封閉空間，當發生火災時，災情會迅速蔓延開來，導致巨大的人員傷亡及財產損失。因此研究水下隧道的通風排煙模式及疏散策略顯得尤為重要。

1 工程概況

本工程長度約6.5 km。隧道全長4405 m，其中盾構段長3110 m（圖1）。西岸和東岸人工島均為915 m×115 m。經過多次論證，最終方案為單洞上下層單向行車方案。本次研究范圍為東、西人工島之間的隧道段通風排煙模式。

圖1 隧道平面圖

2 本工程推薦的通風排煙模式，疏散及運營策略

2.1 推薦通風模式

全橫向式通風由送風道，排風道和行車道組成隧道斷面[2]。污濁空氣沿隧道橫向流動，經排風道排至隧道外。更適用于單洞雙向交通隧道。半橫向式通風方式介于全橫向與縱向通風之間[3]。它只設一條風道，分送風型半橫向及排風型半橫向兩種形式。適合用于中等或長距離距離的單洞雙向交通隧道。

縱向式通風是沿縱向在行車道內形成氣流的通風方式，適用于單向行車的隧道，可充分利用車輛活塞風作用，國內外大多數隧道均采用縱向通風方式消除有害物，維持隧道內的環境，且縱向通風方案非常適用于單向式行車隧道，因此通風方案采用縱向通風方式。

2.2 推薦排煙模式

長大隧道的煙氣控制模式主要采用機械排煙。機械排煙根據其控制氣流的方式，主要分為縱向排煙，橫向或半橫向排煙，重點排煙[4]。

縱向排煙模式，在單向交通工況下，且下游沒有發生阻塞交通時比較有效，但實際情況并不能保證下游不發生阻塞。橫向和半橫向排煙模式下，所有排風口均開啟，排煙效果不能保證，意大利-法國的勃朗峰隧道和奧地利陶恩隧道初建成時，分別采用半橫向排煙和全橫向排煙模式，在發生火災后，造成重大損失，分析原因是其排煙效率不高。

根據本工程隧道斷面，可以利用隧道上部的空間設置獨立排煙道，進行重點排煙。從排煙模式發展趨勢來看，這也與歐美發達國家的主流設計理念相吻合，同時該排煙模式也很適用于水底盾構隧道。故從投資省、能耗低、運行調節靈活、主流設計理念、實施條件及有效排煙等方面考慮，本隧道推薦采用重點排煙方案。

在盾構隧道上層車道頂部設置排煙道，間隔60 m，頂部排煙道設置電動排煙口。隧道下層車道通過上層集中排煙道向下層車道引排煙支管，間隔60 m，隧道側面設置電動排煙口。隧道兩端分別設置專用排煙風機，風機容量45 m3/s 隧道某處發生火災時，執行相關的火災模式，位于火災區域的土建排煙風道上的電動風閥打開，煙氣通過土建排煙風道和風井排出，射流風機從兩側往火災區域進行補風，保證隧道內煙氣控制在一定范圍之內。

2.3 推薦疏散策略

根據隧道斷面形式，可以利用隧道側面的空間設置聯通上下層隧道的疏散樓梯（圖2、3），進行垂直疏散。故從節省投資及有效防煙煙角度，在本隧道盾構段推薦采用內上下層互通垂直疏散。《城市地下道路工程設計規范》規定，雙層地下道路或人行疏散通道與車道孔不在同層的單層地下道路，宜設置封閉樓梯間，樓梯凈寬度不應小于0.8 m，但并未明確規定間距要求。其它國內外相關規范也未明確單洞上下層疏散樓梯間距要求，疏散通道的間距大都在100 m～300 m之間，因為本工程按照疏散樓梯間距按照100 m 設置，寬度0.8 m。

圖2 隧道盾構標準段斷面

圖3 隧道盾構標準段斷面效果圖

2.4 運營策略

隧道內車輛單向行駛，利用車行隧道作為風道，采用全射流風機進行縱向誘導通風的縱向通風模式。此時，只開啟射流風機，排煙風口關閉，排煙風機不啟動，氣流從隧道進口流入，廢氣從隧道出口排除至大氣（圖4）。

圖4 正常工況隧道通風模式

隧道火災時，排煙系統工作模式如下：

當在隧道進口段發生火災時，開啟進口段射流風機，排煙風機及靠近進口段內部分排煙風口，使進口段內形成縱向煙氣流，再通過排煙道排除至大氣，此時車輛需繼續向前行駛，駛離進口段（圖5）。

圖5 單向行車隧道進口段火災時排煙模式

當在中間段發生火災時，開啟隧道兩端射流風機、排煙風機及著火點附近排煙口，此時射流風機均向隧道內補風，煙氣經排煙口沿排煙風道排除至大氣。此時著火點前方車輛需繼續向前行駛，駛離隧道中間段（圖6）。

圖6 單向行車隧道中間段火災時排煙模式

當在出口段發生火災時，開啟隧道兩端射流風機，采用縱向排煙方式，將煙氣排除至大氣。此時車輛需繼續向前行駛，駛離隧道出口段。

圖7 單向行車隧道出口段火災時排煙模式

3 重點排煙工況下的數值模擬研究

煙氣是火災中造成人員傷亡的主要因素[5]，主要表現為煙氣的熱作用和毒性，影響人員安全疏散的主要因素有煙氣的溫度、濃度、能見度。根據國外相關準則如NFPA130,PLARC 等，并結合我國消防安全要求如《中國消防手冊》等，指定火災是人員生命安全評估準則為：①人員高度處的最高溫度不超過60 ℃。②人員高度處CO 體積分數不超過250×10-6。③人員高度處能見度不小于10 m。

結合本工程，單向行車入口段與出口段距離較短，排煙較易實現，故不多贅述，數值模擬部分著重研究行車隧道中部火災工況。

3.1 模型建立

根據馬來西亞隧道結構圖，利用FDS[6]建立隧道模型，為簡化計算，減少計算量，雙層隧道長度取1000 m，隧道與排煙風道在保證截面積相同的情況下簡化為矩形。隧道模型見圖8 和圖9。

圖8 上層隧道模型圖

圖9 下層隧道模型圖

3.2 邊界條件

排煙風道：隧道排煙風道兩側分別設置一臺排煙風機，風機風量為45 m3/s，風道斷面12.7 m2，與既有設計方案斷面保持一致。

隧道洞口：壓力自由邊界條件。

火源：上下層隧道均考慮中部大客車火災，火災規模20 MW，快速t2火，火災熱釋放率：20000 kW/m2。

測點設置：沿隧道縱向，在人員高度處每隔10 m，設置溫度，CO 和能見度測點。

3.3 模擬場景

具體火災模擬工況設置見表1 和圖10 所示：

表1 火災模擬工況設置

圖10 排煙口對稱開啟雙向排煙模擬場景示意圖

3.4 模擬結果

以工況1 和工況2 為例，模擬結果見圖11、圖12。

圖11 工況1 各時刻煙氣分布云圖

圖12 工況2 各時刻煙氣分布云圖

由模擬計算結果可知，當上層隧道發生火災，煙氣自由蔓延時，隧道內煙氣向兩端隧道迅速蔓延，且伴隨有明顯沉降，隧道內能見度明顯降低；當采用重點排煙時，煙氣經排煙口從排煙道迅速排走，煙氣維持在排煙口開啟區域附近，且向隧道兩端蔓延的速度得到明顯控制，隧道內低能見度基本維持在排煙口開啟區間附近，隧道遠端基本維持無煙區，有利于人員疏散。

圖13 和14 分別為上、下層隧道采用煙氣自由蔓延和重點排煙工況下的可用疏散時間對比，比較兩種工況可得，采用重點排煙時，煙氣基本控制在火災150 m（排煙口開啟區域內），根據模擬計算結果，影響人員疏散的限制性因素影響程度依次為能見度、CO濃度、溫度，故取能見度測點下的疏散時間作為可用疏散時間，即距離火源不同距離處的人員可用疏散時間見表2。

圖13 上層隧道內各處的可用安全疏散時間（ASET）

圖14 下層隧道內各處可用安全疏散時間（ASET）

表2 人員可用疏散時間匯總表（s）

由表2 可知，上、下層隧道火災，采用重點排煙方式時，上層隧道可用安全疏散時間較下層隧道更長，說明上層隧道頂開排煙口的方式較下層隧道側開排煙口的方式更有利于煙氣的排除。與煙氣自由蔓延相比，重點排煙方式下人員可用安全疏散時間在距離火源200 m 處提高了近1 倍，人員疏散安全性大大提高。根據上下層互通垂直疏散方案計算結果可知，必須疏散時間為300 s，由模擬計算結果，可知上層可用疏散安全時間為385 s，下層可用安全疏散時間為316 s，均滿足可用安全疏散時間＞必須疏散時間，滿足疏散的要求。

4 結論

1）縱向排煙模式，在單向交通工況下，且下游沒有發生阻塞交通時比較有效，但實際情況并不能保證下游不發生阻塞，因此縱向排煙模式不可靠。水下隧道采用縱向通風+重點排煙方案可節省土建投資，切實可行。

2）上下層車道之間設置疏散樓梯進行互通疏散可節省投資及有效防煙。

3）影響人員疏散的限制性因素影響程度依次為能見度、CO 濃度、溫度。采用重點排煙時，可以基本將煙氣控制在排煙口開啟區域內，人員疏散安全性大大提高。

4）本次數值模擬只驗證當疏散樓梯間距為100 m時，滿足可用疏散時間大于必須疏散時間的疏散要求，下一步可將樓梯間間距增加到150 m、200 m 繼續驗證方案可行性。