單洞雙向隧道防煙設計初探

陳必宙

(福建省交通規劃設計院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

有關資料顯示，汽車大約每行車1000萬km平均發生0.5～1.5次火災。1999年3月24日上午，勃朗峰隧道發生火災，死亡38人，損失慘重。類似報道層出不窮。仔細分析火災現場，濃煙影響疏散是死亡率居高不下的關鍵原因之一。除隧道排煙外，火災早期如何保證疏散通道安全，防止煙氣侵入逃生通道，在隧道防災設計中至關重要。

我國2014年8月1日頒布實施的《公路隧道通風設計細則》[1]JTG/T D70/2-02-2014(簡稱《細則》[1])，10.4、10.5章節對隧道防煙設計提出明確要求：①專用避難疏散通道、獨立避難所的前室余壓值不應小于30 Pa，專用避難疏散通道、獨立避難所的余壓值不應小于50 Pa。②專用避難疏散通道的防煙設計應根據其長度和凈空，選擇合理適用的機械加壓送風方式。其前室加壓送風量和送風口尺寸，應按其入口門洞風速不小于1.2 m/s計算確定。雖然疏散通道的余壓及門洞風速的要求和《建筑防煙排煙系統技術標準》[2]GB51251-2017基本一致，但是《細則》[1]并無明確疏散通道防煙設計具體做法和詳細要求。《細則》[1]中涉及隧道疏散防煙的要求只有簡單一句：“選擇合理適用的機械加壓送風方式”，使設計人員無從下手。為此，總結出一套行之有效的防煙設計，刻不容緩。

1 隧道疏散通道與建筑防煙樓梯間的比較

《細則》[1]10.4.1～10.4.4-條文說明：參照《建筑設計防火規范》[3]GB50016-2014(2018)。《采暖通風與空氣調節設計規范》[4]等提出了獨立避難所機械加壓送風量、新鮮空氣供應時間和排風設置的設計規定。10.5.2條文說明：“隧道附屬用房的防煙與排煙設計，主要歸屬于建筑設計范疇，可參照《建筑設計防火規范》[3]執行”。下文基于《建筑設計防火規范》[3]《建筑防煙排煙系統技術標準》[2]對隧道疏散通道與建筑防煙樓梯間做細節比較。

1.1 共同點

(1)隧道疏散通道(平行導洞)與建筑防煙樓梯間，同樣為人員疏散使用。

(2)防火分隔原理一致。從安全疏散角度，平行導洞相當于防煙樓梯間；橫通道隔間相當于前室或防火隔間；都是采用防火門或防火卷簾作為防火分隔措施。

(3)通道開啟概率一致。火災時，100 m>高度≥24 m的防煙樓梯間(僅樓梯間送風，前室不送風)按同時開啟著火層及上下層共三個前室計算送風量；隧道橫通道間距都是250 m以上，從概率及安全角度隧道也可以參考借鑒同時開啟三個橫通道計算送風量。

(4)防煙原理一致。《建筑防煙排煙系統技術標準》[2]3.4.6條：當樓梯間機械加壓送風、只有一個開啟門的獨立前室不送風時，通向樓梯間疏散門的門洞斷面風速不應小于1.0 m/s;隧道平行導洞+橫通道可按《細則》[1]取值，平導前室門洞風速不以小于1.2 m/s計算送風量。

1.2 差異點

(1)防煙樓梯間及其前室不能采用防火卷簾門，而隧道疏散工程允許使用。

(2)平行導洞除滿足前期人員疏散外，同時應滿足后期消防車輛、醫護救援車輛、滯留車輛的通行；防煙樓梯間無此要求。

(3)百米高樓火災時，防煙樓梯間設計為同時開啟著火層及其上下層前室。前室每層層高約3 m～5 m，樓層距離短，風口之間阻力差值小，風量易平衡；而隧道橫通道間距一般大于300 m，各通道間風量是否平衡，有待計算確認。

(4)單洞雙向隧道，由于火災點上下游都存在車輛滯留，皆需人員疏散，橫通道疏散門開啟具有更大的不確定性。防煙樓梯間規范明確開啟著火層及相鄰上下層前室防火門。

(5)防煙樓梯間防煙模型為枝狀管網，豎井一端送風，如圖1、圖2所示。隧道防煙系統為了在兩端貫通的平導內形成正壓，宜在出入口兩端設置2處動力源對吹，成環狀管網，如圖3、圖4所示。環狀管網任一送風口有2處及以上動力源，枝裝管網只有一個，兩者計算完全不同，具體可參《流體輸配管網》[5]。

(6)防煙樓梯間送風機為軸流、混流、離心風機，而隧道防煙可利用平時的射流風機。射流風機靠高速射流卷吸帶動周圍空氣向前；軸流風機出口風速低，卷吸不明顯。兩種風機工作原理及選型計算方法不同。

(7)防煙樓梯間為垂直系統，無需考慮室外自然風作用；隧道為水平系統，隧道洞口間的氣壓坡度差、隧道內外溫度差引起的壓差，及洞外季風吹入洞口時產生的“風墻式”壓差，在貫通隧洞內能形成自然風，其風速一般按2～3 m/s考慮，下文按2 m/s計算。

1.3 小結

差異點1、2詳見下節分析，差異點3-7需要構建模型計算解決，詳下文。

圖1 防煙樓梯間枝狀管網加壓送風示意圖

圖2 防煙樓梯間枝狀管網加壓送風原理圖

圖3 單洞雙向隧道防煙示意圖

圖4 隧道疏散通道環狀管網加壓送風原理圖

2 疏散橫通道的防火分隔——防火門、防火卷簾門的爭議與取舍

2.1 現狀

車行橫通道兼做人行橫洞，作為火災時的逃生救援通道。其中人行橫通道設置兩道防火門，構成前室；車行橫通道僅中間設置一道防火卷簾作為防火分隔。通常做法如圖5所示(雙洞單向通過橫通道互相借用疏散的隧道類似)。

圖5 橫通道疏散門(卷簾)的通常做法

完善的防煙系統涉及多個專業。《細則》[1]要求應采用防煙設計，設計要求“逃生入口門洞風速不小于1.2 m/s”，而車行橫通道設置防火門或防火卷簾對防煙計算風量及設計影響巨大。同時相關專業規范對此規定不夠明確，差別如下。

觀點一：應采用防火卷簾。2014年8月1日實施的《公路隧道設計規范第二冊—交通工程與附屬設施》[6]第10.3.6條“車行橫通道應設防火卷簾” 防火卷簾應滿足防煙要求。防火門在救援時候，由于平時常閉及自動關閉的特性，需要救援人員下車，用石頭或人員手動卡門，不如采用電動或消控中心遠程開啟的防火卷簾便利。

觀點二：應采用防火門。依據2018版《建筑設計防火規范》[3]城市交通隧道第12.1.6條：隧道與車行橫通道或車行疏散通道的聯通處，應采用防火分隔措施。條文解釋：隧道與車行橫通道或車行疏散通道的連接處采取防火分隔措施，是為防止火災向相鄰隧道或車行疏散通道蔓延。防火分隔措施可采用耐火極限與相應結構耐火極限一致的防火門，防火門要具有良好的密閉防煙性能。

2.2 車行橫通道設置一道卷簾門存在的問題

(1)逃生及救援不及時。依據《建筑設計防火規范》[3]6.4.10強制性條文說明：“在火災時，建筑內可供人員安全進入樓梯間的時間比較短，一般為幾分鐘。……火災時防火門自動關閉起到阻火擋煙的作用”。20 Pa的余壓下，卷簾啟閉的速度一般為6～9 m/min，規范要求一般是60 s內。也就是說，完全開關一次約2 min。而開啟防火門需要的時間，只需要幾秒；顯然，及時開啟疏散門，會大大減少恐慌下逃生人群在幽暗、局部狹小的空間內產生的擠壓、混亂、踩踏等二次事故。若著火點在車行橫通道附近，逃生人員開啟卷簾或平時半開，則火勢煙氣可能直接蔓延到疏散通道。

(2)《建筑設計防火規范》[3]第6.4.1強制性條文，疏散樓梯間應符合下列規定：封閉樓梯間、防煙樓梯間及其前室，不應設置卷簾。條文解釋：雖然防火卷簾在耐火極限上可達到防火要求，但卷簾密閉性不好，防煙效果不理想，加之聯動設施、固定槽或卷軸電機等部位如果不能正常發揮作用，防煙樓梯間或封閉樓梯間的防煙措施將形同虛設。此外，卷簾在關閉時也不利于人員逃生。卷簾門啟閉困難：由于隧道陰濕環境，及汽車酸性尾氣對卷簾門框長期腐蝕；洞內活塞風壓對單面的卷簾門反復吸壓容易導致門框和門簾變形，銹蝕卡損，脫軌。當車行橫通道卷簾門開啟(兼作為人員疏散時，基本無人去關閉)，隧道主洞啟動風速>2.5 m/S(單洞雙向隧道前期為0.5 m/S控煙)縱向排煙模式，上游排煙射流風機的部分風量，將由車行橫通道旁通到平行隧道、平行導洞、逃生通道，使主洞無法達到排煙控煙的風速要求。而防火門閉門器有自動關閉性能，完全可以避免以上問題。

(3)前期疏散時防火卷簾門開啟，無序混亂的車輛逆行從車行橫洞強行疏散，可能導致二次事故。

2.3 小結

一般隧道防災分疏散和救援(滅火)2個階段。火災前期，滯留人員棄車通過人行、車行橫洞進入疏散通道逃生，火災中后期救護、救援、消防車輛受管理中心指揮，從平行導洞、車行橫通道參與救援。而前期的逃生自救又比后期的被動救援，在生命存保上具有更積極的意義。前期逃生，防火門與防火卷簾在靈活啟閉與質量穩定性上相比有巨大優勢；而后期救援時，加強平時管理維護下、采用可以遠程開啟的卷簾門，也確實更易于操作。

基于目前專業規范之間表達不一致的事實，現提出一種解決各方矛盾，且能滿足防煙系統基本功能的橫通道新式做法，具體如圖6所示。

圖6 橫通道疏散門新式做法

新做法：人行橫通道采用防火門。車行橫通道采用兩道同時聯動啟閉的卷簾門+兩扇防火門，其中防火門用于前期人員疏散，卷簾門用于后期救援；同時車行橫通道的兩道卷簾門之間形成防火隔間，有利于加強防火保護、減緩活塞風吸壓傷害。

3 隧道防煙模型的建立及計算

根據以上分析，建立防煙模型，如圖3～圖4所示。對逃生階段平導兩端入口風速V1V2和3個橫洞Q1Q2Q3進行推導，以完成加壓射流風機升壓力計算。為方便計算，圖3-單洞雙向隧道防煙示意圖，簡化為圖4-環狀管網加壓計算模型：

這是一個低速穩態湍流模型，流動方向是假設的，水平方向上P2處流速為0(假設中性點)

S1～S6為各管路阻抗

ΔP1、ΔP2為穩態下風機壓頭。A為截面積

ΔP1=P1+(ρV1)/2+S1(V1A)2

①

②

V1′A+Q1=V1A

③

P1+(ρV1′2)/2=P2+S2(V1′A)2

④

⑤

ΔP2=P3+(ρV2)/2+S4(V2A)2

⑥

⑦

V2A-Q3=V2′A

⑧

P3+(ρV2′2)/2=P2+S3(V2′A)2

⑨

V1A+V2A=Q1+Q2+Q3

⑩

由①～⑤得：

由⑥～⑨得：

簡化防煙系統，建立CFD的3D模型具體參圖3，詳表1。

表1 模型具體參數

單個門洞漏風量=0.827*A*1.25*(17)0.5，A=每個門有效漏風面積

②從以上打陰影的計算數值可以看出，未開啟的門洞的門縫漏風量相對來說很小。為簡化模型，按忽略不計。

本例采用FLUENT軟件求解：預估壓力入口，模擬多種典型工況下的出口速度。計算按標準大氣壓101．325 kPa，基于壓力的、絕對速度的穩態求解器；紊流模型采取標準k-epsilon模型，采用壓力速度耦合解法方案。

模擬要求：無自然風時壓力入口、自然風風速2.0 m形成單邊入口壓力均能滿足：①疏散階段任意3個逃生橫道防火門同時開啟；②救援階段僅一個車行橫道防火卷簾開啟時。通道門洞風速均大于1.2 m/s的防煙要求。模擬結果如下(通道編號詳圖3)：

(1)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號4、5、6三個(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet4Outlet5Outlet6風速m/s0.1813210.1820791.5040311.2212421.508192

(2)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號2、3、4三個(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet2Outlet3Outlet4風速m/s0.2241240.1345831.2096511.5043811.505160

(3)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號1、5、9三個(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2outlet1Outlet5Outlet9風速m/s0.1867850.1868351.5369641.2399161.535465

(4)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號1、3、9三個(3人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2outlet1Outlet3Outlet9風速m/s0.2801360.1088371.5148931.5265621.539272

(5)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號4、5、8三個(2車+1人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet4Outlet5Outlet8風速m/s0.1514030.1871181.5121541.2142741.214053

(6)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號2、5、8三個(3車)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet2Outlet5Outlet8風速m/s0.1596430.1591771.2260221.2033861.215953

(7)疏散階段：自然風風速2.0 m/s形成左邊入口壓力P=34Pa，右邊入口壓力為0，編號3、5、7三個(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet3Outlet5Outlet7風速m/s3.477968-2.8929593.4469531.9669442.058856

同時由圖7速度矢量圖得出：即使輔洞高自然風風速下，各速度出口依然不存在“虹吸倒流”現象。即出口速度均為正值，并且遠超1.2 m/s：

圖7 速度矢量圖

(8)救援階段：左右壓力入口各2.80 Pa。僅編號5(1車)通道防火卷簾開啟

出入口inlet1inlet2Outlet5風速m/s0.6027510.59130381.470417

(9)救援階段：左右壓力入口各2.80 Pa。僅編號2(1車)通道通道防火卷簾開啟

出入口inlet1inlet2Outlet2風速m/s0.7856440.45012861.544629

綜合以上計算結果，顯然左右兩端各2.8Pa的入口壓力滿足隧道防煙門洞風速要求。

按計算值，取壓力安全系數為1.2，選型加壓射流風機升壓力=2.8×1.2=3.36 N/m2

《細則》[1]第7.5.3條規定，射流風機1～6組時可備用1組。本隧道加壓送風系統選型：射流風機ΔPj(500,4 KW,24 m/s)：4臺，2用2備。

小結：疏散工況，車行橫洞的阻力明顯比人行橫道大。而滿足車行橫道阻力，其他橫道的風速基本也滿足。由于疏散大通道(平導)橫截面較大，風速太低，沿程阻力很小，相當于民用建筑的空調大靜壓箱，而橫通道就是靜壓箱上的各個支管。所以各個隨機開啟的橫道，互相之間的間距，對防火門門洞的風速影響不大。顯然3個車行橫洞防火門同時開啟是防煙最不利情況。

考慮縱向排煙的雙洞單向的長隧道，在洞口兩端一般都有設置多臺射流排煙風機，而火災僅考慮一個隧洞一個著火點，那么，平行非火災隧道的排煙射流風機就可以兼做橫通道疏散的配套防煙風機使用。在具體項目設計選型階段時，應綜合考慮。

4 余壓閥設計

人員逃生時，防火門的反復啟閉，讓逃生通道及橫道的壓力一直處于瞬態變化中，相當大的概率里防火門同時開啟是小于3個的。上例計算結果，“2.8 Pa”是3個橫通道同時開啟時，系統穩態平衡下的壓力；當橫通道防火門關閉僅余門縫漏風時，系統阻力大增，動壓轉化為靜壓后，產生新的動態平衡，根據風機管路特性曲線，新平衡下射流風機的風壓也將大大提高。自然風也是客觀存在的(參上模擬結果7，當自然風速3 m/s時，入口壓力P=76.5Pa)，這都可能導致逃生通道及橫道的風壓波動過大，從而影響防火門的開啟。所以，當系統余壓值超過最大允許壓力差時，應采取泄壓措施。《細則》[1]規定：疏散通道的前室余壓值不應小于30 Pa，疏散通道的余壓值不應小于50 Pa。

余壓閥可根據F=(Lv-Ly)/(3600×6.41)計算

公式中的Ly是壓差法計算的加壓風量，Lv是風速法計算的加壓風量。余壓閥設計均有相關規定，此處不再詳述。

5 結論

(1)因圓管和方管的阻力計算公式存在差異，采用FLUENT的2d模型(默認高度1 m)模擬的結果，和3d模擬比誤差較大，應慎用。

(2)該防煙模型同樣適用于雙洞單向隧道通過橫通道互相借用疏散的防煙設計。

(3)采用斜洞疏散的隧道防煙是枝裝管網，可以參考民用建筑防煙樓梯間的設計方法解決。

(4)做好隧道防煙需要多專業配合，尤其是橫通道的防火門及防火卷簾，及消防火災報警聯動系統等等的前期調試和定期維護，以及有關部門的科學管理、定期的聯合消防演習、駕駛人員的消防知識培訓等等，都是保證系統穩定運行缺一不可的環節。