超長距離盾構隧道疏散通道加壓送風系統研究

謝寶超，楚坤坤，趙家明，魯志鵬，張 憶，徐志勝

(1.中南大學 防災科學與安全技術研究所，湖南 長沙 410000；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

隨經濟快速發展，我國公路隧道交通網絡不斷優化，隧道建設逐漸朝大埋深、大直徑、超長距離方向發展[1]。通過在大斷面水下盾構隧道設置橫通道進行人員疏散，施工風險大、結構穩定性差、實用性較差，而利用下部安全疏散通道進行人員疏散，火災發生時利用隧道內疏散口進入疏散通道逃生[2-5]，被廣泛應用于實際工程。

我國水下公路隧道建設日益發達，疏散方式主要為縱向疏散，疏散通道防煙設計采用機械加壓送風系統[6-7]。部分學者對疏散通道加壓送風系統設計參數及送風方式開展研究：王莉[8]采用數值模擬研究縱向疏散救援通道加壓送風策略，指出疏散通道采用70 000 m3/h的逆向單側送風可有效阻止煙氣侵入疏散救援通道；孔少波[9]通過對不同送風方式進行數值模擬，建議采用縱向疏散通道進行加壓送風；李偉平等[10]建議隧道發生火災時，應確保疏散通道內余壓為30～50 Pa，防止煙氣侵入疏散通道；徐志勝等[12]提出縱向疏散通道內加壓送風量的計算方法；劉琪等[13]在假定疏散口開啟數量情況下，對疏散口風速和風機風量進行理論研究，建立滿足安全通道正壓防煙要求的風機流量和壓力計算公式。

目前研究多集中于疏散通道內風速、壓力等理論與數值仿真計算方面，對不同送風方式及疏散口開啟數量耦合作用下疏散口氣流速率分布規律研究較少。因此，本文以某水下盾構隧道為例，采用FDS軟件對疏散通道采用單側及雙側送風方式，對不同開啟疏散口數量工況進行模擬分析，以期為水下盾構隧道疏散通道加壓送風系統設計提供參考。

1 疏散通道內加壓送風量理論計算

當隧道發生火災，被困人員迅速通過疏散樓梯進入下部安全疏散通道逃生。當疏散通道內壓力低于行車道壓力時，煙氣可能通過疏散口及縫隙進入疏散通道，影響人員安全疏散。因此，對采用縱向疏散的水下公路隧道，疏散通道需設置1套獨立加壓送風系統，火災發生時通過對疏散通道加壓送風，可保障疏散通道安全性。

1)風速標準：疏散樓梯(或滑梯)口開啟時，門洞斷面風速為0.7～1.2 m/s；

2)壓差標準：疏散樓梯(或滑梯)口關閉時，疏散通道內正壓值為25～50 Pa；

3)送風口風速不宜大于7 m/s。

采用壓差法計算加壓送風量時，計算結果與漏風面積成正比，受疏散口縫隙面積影響較大。實際工程中，疏散口縫隙面積難以確定，采用壓差法計算加壓送風量的工程適用性較差。因此，本文采用風速法對疏散通道加壓送風量進行計算。

當疏散口開啟時，保持疏散口氣流速率所需加壓送風量如式(1)所示：

Q=AvN

(1)

式中：Q為開啟疏散口時，為保持疏散口氣流速率所需送風量，m3/s；A為每個疏散口面積，m2；v為疏散口氣流速率，m/s；N為開啟疏散口數量，個。

由此可以看出，面對新的混合式學習模式，盡管學生能夠認識到英語學習策略對他們的英語學習有著重要的作用，但是他們整體的英語學習策略使用狀況處于一般水平，這說明英語學習策略并沒有在學生的英語學習過程中起到足夠的促進作用。大學生對英語學習策略的意識不強，認識更是不足，更談不上熟練、靈活運用。因此，針對調查中存在的問題，提出相應的英語學習策略培養對策，提高大學生英語學習效率。

本文以某超長距離水下公路盾構隧道為例，在隧道行車道右側每隔80 m設置1處疏散樓梯。疏散樓梯孔洞尺寸如圖1所示，疏散口氣流速率為0.7 m/s，計算結果見表1。

圖1 疏散樓梯孔洞尺寸Fig.1 Size of evacuation stairhole

表1 風速法計算疏散通道加壓送風量Table 1 Pressurized air supply volume of evacuation passage

2 疏散通道加壓送風數值模擬

2.1 物理模型建立

某超長距離水下公路盾構隧道線路全長約11.83 km，隧道段6 414 m，其中盾構段4 952 m，隧道內徑14.2 m，外徑15.5 m，屬于超長距離大斷面盾構隧道，隧道橫斷面示意如圖2所示。

圖2 隧道橫斷面示意Fig.2 Schematic diagram of tunnel cross section

隧道橫斷面由上到下分為3層：上層為排煙道層，中間為車道層，下層分為3個通道，外側與中間依次為人行疏散通道、車輛救援通道，內側為電纜通道。為保證司乘人員能夠由下層疏散通道疏散，救援人員能夠由下層通道到達事故現場，在行車道右側每隔80 m設置1處疏散樓梯，連通行車道層與下層縱向疏散救援通道。疏散樓梯間布置如圖3所示。

圖3 疏散樓梯間布置Fig.3 Layout of evacuation staircase

本文采用FDS軟件對火災發生時疏散通道加壓送風系統進行數值模擬，求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動N-S方程，模擬大范圍火災現象[15]?？紤]火災最不利情況，火源位于隧道中部，分析行車道交通堵塞1 000 m范圍內人員疏散安全性，隧道模型長度取1 200 m(x軸方向)，需開啟14個疏散樓梯口，并對疏散口進行編號；火源兩側對稱開啟6個排煙閥，間距60 m，每個排煙閥面積8 m2。疏散通道加壓送風示意如圖4所示。

圖4 疏散通道加壓送風示意Fig.4 Schematic diagram of pressurized air supply in evacuation passage

2.2 火源功率確定

該隧道為高速公路過江通道，交通量大，其中小客車占82%。依據國內外隧道火災規模相關規定及研究成果[16]，參考國內隧道工程經驗，并結合該隧道工程特點、通行車輛種類及比例，考慮最不利情況(重型貨車發生火災)，確定火源功率為50 MW。在數值模擬中采用t2火模型，火災初期火源功率較小，隨時間增加功率逐漸增大，對應火災增長階段；經過一段時間，火源功率達到最大值后保持恒定。

2.3 網格獨立性驗證

在FDS數值模擬中，計算區域網格劃分對計算結果影響較大。經NIST試驗驗證，當網格尺寸d介于[D*/16,D*/4]之間時，模擬結果與試驗結果非常吻合。其中D*為火災特征直徑，如式(2)所示：

(2)

數值模擬中火源功率為50 MW，計算可得D*=4.53，當網格大小介于0.28～1.13 m時，數值模擬結果與真實情況相接近，可靠性較高。本文設置4種不同尺寸網格0.2 m×0.5 m×0.5 m，0.25 m×0.5 m×0.5 m，0.4 m×0.5 m×0.5 m，0.5 m×0.5 m×0.5 m，網格獨立性驗證模擬工況見表2。通過對比火源下游30 m處熱電偶樹溫度變化過程及規律，確定合適的網格尺寸。

表2 網格獨立性驗證模擬工況Table 2 Simulation conditions of grid independence verification

網格獨立性分析模擬結果如圖5所示。從平穩段溫度變化可知，4種網格尺寸均能得到趨勢一致且較為平緩的數據，不同網格尺寸差異性較小。從測點溫度隨時間變化可知，網格尺寸為0.25 m×0.5 m×0.5 m在平穩段溫度變化較小，不同網格之間的差異性較小。綜合模擬結果、網格總數和計算機能力，選取0.25 m×0.5 m×0.5 m作為疏散樓梯間附近數值模擬網格尺寸，其余位置網格大小均為0.5 m×0.5 m×0.5 m，總網格數為2 376 000?？紤]疏散通道內不同送風方式及人員疏散時疏散口開啟情況，共設置10組模擬工況，見表3。

圖5 火源下游30 m處熱電偶樹溫度變化Fig.5 Temperature change of thermocouple tree at 30 m downstream of fire source

表3 模擬工況Table 3 Simulation conditions

3 結果與分析

3.1 煙氣蔓延范圍分析

當隧道內發生火災時，煙氣由于浮力作用首先向上蔓延，當觸碰隧道頂棚后沿頂棚向上下游蔓延，隧道頂棚下方溫度隨煙氣蔓延而升高，并在一段時間后趨于穩定，穩定時隧道頂棚下方溫度分布如圖6所示。當某位置處頂棚下方溫度達60 ℃時，表明煙氣已經蔓延至該位置，威脅隧道內未撤離人員生命安全[17]。

圖6 隧道頂棚下方溫度分布Fig.6 Temperature distribution under tunnel ceiling

由圖6可知，火源功率為50 MW時，雙向排煙模式下，煙氣向下游蔓延范圍與火源上游大致相等，煙氣蔓延范圍約300 m；上下游距離火源150～250 m范圍內，頂棚下方溫度依然升高，但溫度較低，表明僅有少量煙氣蔓延至該區域。因此，對疏散通道加壓送風時，應重點分析火源上下游150 m范圍內疏散口氣流速率是否符合規范要求，以保證火災發生時能有效防止煙氣經疏散口侵入下部人行疏散通道，影響人員安全疏散。

3.2 疏散口氣流速率分析

1)單疏散口氣流速率

火災發生時，靠近火源處人員危險性較大，對疏散環境要求較高。因此，對疏散通道加壓送風時，應重點分析煙氣蔓延范圍內疏散口氣流速率是否滿足規范要求。以L1、L2疏散口為例，采用2種送風方式時疏散口氣流速率如圖7～10所示。

圖7 雙側加壓送風時L2疏散口氣流速率Fig.7 Air flow velocities of L2 evacuation exit under double sides pressurized air supply

圖8 雙側加壓送風時L1疏散口氣流速率Fig.8 Air flow velocities of L1 evacuation exit under double sides pressurized air supply

圖9 單側加壓送風時L2疏散口氣流速率Fig.9 Air flow velocities of L2 evacuation exit under single side pressurized air supply

圖10 單側加壓送風時L1疏散口氣流速率Fig.10 Air flow velocities of L1 evacuation exit under single side pressurized air supply

由圖7～10可知，采用雙側或單側送風方式，疏散口氣流速率分別在加壓送風初期0～300 s，0～200 s范圍內表現出極大的波動性，氣流速率不穩定；但2種送風方式下疏散口氣流速率分別于300 s、200 s后趨于穩定，且均大于0.7 m/s，介于0.9～3.3 m/s；開啟疏散口越少，同一疏散口穩定時氣流速率越大，當開啟6個疏散口時，雙側與單側送風方式下最高氣流速率分別達3.3，2.1 m/s；對于同一疏散口，采用雙側送風方式穩定時氣流速率均大于采用單側送風方式，但趨于穩定的時間較長。

2)疏散口氣流速率分布規律

通過隧道兩側送風井內加壓送風機對疏散通道加壓送風時，疏散口氣流速率經過劇烈波動變化后，某一時刻逐漸趨于穩定。疏散口氣流速率穩定時，不同工況下疏散口氣流速率分布如圖11～12所示。

圖11 雙側加壓送風時疏散口氣流速率Fig.11 Air flow velocities of evacuation exit under double sides pressurized air supply

圖12 單側加壓送風時疏散口氣流速率Fig.12 Air flow velocities of evacuation exit under double sides pressurized air supply

由圖11～12可知，同一加壓送風量，采用雙側送風方式，各開啟疏散口氣流速率均近似呈對稱分布，呈現“中間大，兩端小，先減小再增大”的整體變化趨勢；采用單側送風方式，各開啟疏散口氣流速率整體呈下降趨勢，隨與開啟送風機一側送風井距離增加而減小；同一送風方式，不同疏散口開啟數量情況下，每一區段內疏散口氣流速率分布曲線變化趨勢基本一致，表明疏散口氣流速率變化符合相同函數規律；對于2種送風方式，疏散口氣流速率均隨疏散口開啟數量增加而減??；采用雙側送風方式，開啟疏散口數量為14時，存在氣流速率略低于0.7 m/s的現象；而采用單側送風方式，開啟疏散口數量≥12時，遠離開啟送風機一側送風井的疏散口氣流速率低于0.7 m/s，但在集中排煙有效時，由于距離火源較遠而不會對人員疏散造成影響。

由圖11可知，采用雙側送風方式時，火源兩側疏散口氣流速率變化趨勢存在臨界轉折點，而該臨界轉折點處疏散口氣流速率分布趨勢由減小轉為增大，這是因為此臨界位置恰為火災煙氣蔓延區域邊界點，煙氣由火災位置向隧道兩端蔓延過程中，下層空氣不斷被卷吸，并流向火源處，越靠近火源處，空氣被卷吸消耗越多，疏散口氣流速率越大。

因此，依據穩定時疏散口氣流速率分布規律可知，當開啟疏散口數量≤10時，采用2種送風方式均能使疏散口穩定時氣流速率滿足大于等于0.7 m/s規范要求。

3.3 疏散通道氣流速率分布規律

當隧道內發生火災時，開啟隧道兩側送風井內疏散通道加壓送風機，通過送風管道及送風口進行加壓送風，風沿疏散通道依次流向隧道內開啟的疏散口，以阻止煙氣侵入。當疏散口氣流速率穩定時，疏散通道內氣流速率分布規律如圖13～14所示。

圖13 雙側加壓送風時疏散通道氣流速率Fig.13 Air flow velocities of evacuation passage under double sides pressurized air supply

圖14 單側加壓送風時疏散通道氣流速率Fig.14 Air flow velocities of evacuation passage under single side pressurized air supply

由圖13～14可知，對于2種送風方式，當風流經疏散通道與疏散樓梯間連接的門洞處時依次分流，氣流速率逐漸降低；采用雙側送風方式，疏散通道內氣流速率近似呈對稱分布，處于疏散口關閉區段的疏散通道氣流速率保持在5 m/s左右；采用單側送風方式，疏散通道內氣流速率呈階梯狀分布，處于疏散口關閉區段的疏散通道氣流速率保持在10 m/s左右，但疏散通道內部分區域氣流速率過大，送風口風速不符合小于等于7 m/s的規范要求，風速過大對人員疏散造成不利影響。

4 結論

1)考慮疏散通道加壓送風時，應重點分析火源附近150 m范圍內疏散口氣流速率是否符合規范要求；采用雙側送風方式，各開啟疏散口氣流速率均近似呈對稱分布，變化趨勢為“中間大，兩端小，先減小再增大”；而采用單側送風方式，各開啟疏散口氣流速率整體呈下降趨勢。

2)當開啟疏散口數量≤10時，采用單側或雙側送風方式對疏散通道加壓送風，均能使疏散口穩定時氣流速率滿足大于等于0.7 m/s規范要求。

3)采用雙側送風方式，加壓送風口風速滿足規范要求，疏散口氣流速率分布規律性較好，能有效保證疏散口氣流速率符合規范要求。若要保證疏散通道加壓送風系統適用性，建議采用雙側送風方式。