超長水下公路隧道側向重點排煙系統合理排煙量分析

張 宇

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

0 引言

隨著我國經濟實力與地下工程技術的快速發展，為了緩解交通壓力，提高經濟發展速度，跨湖、跨江、跨海等水下長隧道的需求日益增加。這些水下隧道具有超長、超寬的發展趨勢，一旦隧道內發生火災，其距離長、斷面大、交通量大的特點對隧道排煙系統的合理性設計提出了更高的要求，而確定合理的排煙量是超長、超寬水下公路隧道進行排煙系統設計的前提。

排煙量的研究目前主要集中在公共建筑、民用建筑、地鐵隧道等領域[1-5]，而對于水下公路隧道的研究較少。且公路隧道內排煙量的研究主要集中在長度短、截面小的隧道，如2018年王兆陽等[6]借助FDS 對上海某長7.8km，寬10m，高4m 的雙層盾構隧道在火災工況下，熱釋放率為8MW 的支管重點排煙系統進行數值模擬，分析了30、40、50、60m3/s 排煙量下隧道內煙氣的擴散范圍、溫度場及能見度的變化規律，結果表明：40m3/s 為排煙量的臨界指標。除此之外，排煙系統形式、排煙口的設置、熱釋放速率的設定等均對排煙量的合理性存在影響。如姜學鵬等[7,8]在2012年研究了豎向集中排煙模式下不同排煙量對煙氣控制效果的影響；在2018年采用FDS 火災模擬軟件對東湖隧道側向集中排煙系統下不同排煙量時煙氣蔓延范圍、排煙效率、溫度場、人員疏散微環境排煙效果等指標進行定量分析，得到在20MW 火災時合理排煙量為300m3/s。2020年張新等[9]通過理論分析與FDS 數值模擬研究了縱向通風與側向集中排煙耦合作用下公路隧道火災熱釋放率為20MW 時不同排煙量對煙氣蔓延范圍、2m 高度處能見度、排煙口流速、排煙道流速、排煙效率、排熱效率等6 個關鍵參數的影響，最終確定該公路隧道的合理排煙量為120m3/s。本文的研究對象蘇州某水下超長公路隧道因空間結構特點，采取用側向重點排煙系統，火災荷載依據車型比例和遠期交通量，設定為50MW[10-13]。現有公路隧道排煙量的相關研究無法直接應用于本項目，因此需要開展超長、超寬結構特點及側向重點排煙系統形式下隧道合理排煙量的研究。

本文先用理論公式進行計算，后采用FDS 數值模擬的方法研究了火災荷載為50MW 的側向重點排煙系統在計算排煙量分別為220m3/s、240m3/s、260m3/s 時的煙氣蔓延范圍、排煙閥處溫度、流速、排煙效率的變化規律，以期為水下長隧道側向重點排煙系統的合理排煙量計算提供方案參考。

1 工程概況

蘇州某公路隧道水下段長9km，寬17m，內部根據高度不同，分為淺段、中段、深段三個斷面，其中深段隧道的行車道路面到排煙道頂隔板底面的高度最高，為8.35m。隧道全線采用雙向六車道高速公路標準，隧道設計速度120km/h。擬在湖中不設人工島，僅在湖西、湖東岸設排風塔，靠側向重點排煙系統解決超長水下隧道的排煙需求。

2 理論計算

火源煙氣生成速率是決定機械排煙系統排煙量的關鍵因素，它由火源上方的煙羽流質量流量決定，本文根據隧道的車型比例和遠期交通量，選取火災規模為50MW[10-13]，考慮到隧道內火災的發生點通常為隧道內或墻邊，則煙羽流質量流量依據《建筑防排煙技術規程》（DBJ08-88-2006），采取相應的軸對稱型煙羽流與墻型煙羽流模型進行分析。

（1）煙羽流模型

軸對稱型煙羽流模型：

墻型羽流模型：

（1）～（5）式中：Qc為熱釋放速率的對流部分，一般取值為Qc=0.7QkW；Z為燃料面到煙層底部的高度，m（取值應大于或等于最小清晰高度與燃料面高度之差）；Z1為火焰極限高度，m；Mρ為煙羽流質量流量，kg/s。

隧道的排煙量基于煙羽流模型計算結果，并進一步的根據以下列式進行計算。

（2）煙層平均溫度與環境溫度的差應按照下式計算：

式中：△T為煙層平均溫度與環境溫度的差，K；Cp為空氣的定壓比熱，一般取Cp=1.01kJ/(kg·K)；K為煙氣中對流放熱量因子，取K=1.0。

（3）每個防煙分區排煙量計算：

式中：V為排煙量，m3/s；ρ0為環境溫度下的氣體密度，kg/m3，通常T0=293.15K，ρ0=1.2（kg/m3）；T0為環境的絕對溫度，K；T為煙層平均絕對溫度，K。

如圖1所示，考慮火災最不利場景，選取深段隧道進行分析，當所產生的煙氣全部被排出時，煙氣層底部即為隧道拱頂下表面，此時Z即為行車道路面到隧道頂部的高度，取Z=8.35m。代入公式（1）～（8），則理論計算排煙量最大為220m3/s。進一步考慮管道漏風等不利因素，為提高隧道安全系數，保證火災時煙氣及時排出隧道，根據《建筑防排煙系統技術標準》（GB 51251-2017）[11]排煙量按20%的富余量進行設計，計算結果如圖2所示，在軸對稱煙羽流模型下，排煙量最大，此時排煙量的設計值約為260m3/s。

圖1 深段隧道橫斷面圖Fig.1 Cross section of deep tunnel

圖2 不同煙羽流模型下的設計排煙量Fig.2 Design smoke emission under different plume models

3 數值模擬

3.1 模型設置

為了進一步的驗證理論計算結果的合理性，本文選取了中間一段長度為1km 的深段隧道，利用火災煙氣模擬軟件FDS 對火災發生時煙氣蔓延范圍、排煙閥處的溫度、流速、排煙效率的變化規律進行了分析。如圖3所示，物理模型中隧道的行車道斷面尺寸為1000m（長）×17.5m（寬）×8.35m（高），排煙道斷面尺寸為1000m（長）×5m（寬）×3m（高），排煙閥尺寸為2m×4m，間隔60m 對稱分布。火源均設置在隧道中心處，在隧道頂棚下方0.5m 處設置熱電偶，并沿隧道縱向方向間隔10m進行布置,火源面積設定為10m2，火源功率設定為50MW，單位面積熱釋放速率為5000kW/m2，火災增長方式為1s 達到穩定。為測量排煙閥處溫度及流速，在每組排煙閥處布置一組熱電偶及流速測點。通過在FDS 輸入文件中，引入參數MASS FLUX X SPEC_ID=’CARBON DIOXIDE’提取各個排煙口不同時刻排除CO2的質量流量，用于計算排煙效率。模型的環境溫度設置為20℃，壓強設置為101kPa，模擬時長為600s。

圖3 隧道模型圖Fig.3 Tunnel model

3.2 網格劃分

網格尺寸是影響模擬結果的精度與效率的關鍵參數。本文采用被廣泛應用的D*/δx標準，用以估計網格的精度[14]。其中D*為特征長度，δx為網格尺寸，NIST 進行的一系列比較試驗發現，當網格大小在D*/16 和D*/4 之間時，模擬結果與試驗結果吻合良好。計算D*的具體公式如下：

式中：Q為模擬火源熱釋放速率，kW；ρa為環境空氣密度，kg/m3；cp為環境空氣比熱容，kJ/(kg·K)；Ta為環境溫度，K；g為重力加速度，m/s2，取9.8m/s2。

當火源熱釋放速率為50MW 時，此時計算出的建議網格尺寸范圍為0.28～1.14m。為驗證網格精度，從0.28～1.14m 的范圍內選擇了三個網格尺寸（0.4m，0.5m，1.0m）進行網格獨立性分析，距火源40m 位置時不同網格尺寸的垂直溫度曲線，如圖4所示，當網格尺寸位于0.4m 至0.5m 間時，溫度分布曲線之間差異很小；為節省計算時間的同時獲得良好的模擬效果，試驗選擇尺寸為0.5m 的網格進行模擬。

圖4 不同網格尺寸模擬結果Fig.4 Simulation results of different grid sizes

3.3 工況設計

模擬工況下不考慮管道漏風等因素，故不同工況下排煙量均指計算排煙量。為了便于分析，提高排煙系統的安全性，在理論計算排煙量220m3/s 基礎上，依次選取了側向集中排煙量分別為220m3/s、240m3/s、260m3/s 時的火災蔓延范圍、排煙閥溫度、排煙閥處流速、排煙閥排煙效率進行對比分析；如表1所示，火災時開啟上下游三個相鄰排煙閥。

表1 火災荷載50MW 下排煙量數值模擬工況Table 1 Numerical simulation conditions of smoke emission under fire load of 50MW

4 結果與討論

4.1 煙氣蔓延范圍

煙氣的蔓延距離是以頂板下0.5m 處的溫度達到60℃為依據，則不同排煙量下隧道內煙氣穩定后向火源兩側的蔓延距離，如表2所示。結果表明，火源功率為50MW 時，相同排煙口設置下，隨著排煙量的增大，煙氣整體蔓延范圍減小，排煙量每增加20m3/s，煙氣整體的蔓延范圍減少40m。但由于側向排煙模式下隧道內沒有設置縱向通風，故火源下游煙氣蔓延范圍與上游基本相同。整體而言，排煙量從220m3/s 到260m3/s 的過程，煙氣的整體蔓延范圍無顯著性差異，考慮排煙量增加帶來投資的加大，排煙量宜取值220m3/s。

表2 不同工況煙氣蔓延數值Table 2 Smoke spread values under different working conditions

4.2 排煙閥流速分布規律

基于4.1 節分析結果，本文選取火源上、下游各200m 的范圍進行分析。如圖5所示，在不同排煙量下，排煙口流速的分布曲線近似成W 型的上下對稱分布，特別是上、下游的第三個排煙閥處的流速會出現突增的現象，其原因在于側向排煙情況模式下，排煙口對稱開啟時排煙口處的煙氣流速基本成對稱分布，且排煙風機設置在上、下游的端頭，故距離排煙風機越近的排煙口，其煙氣流速越大。隨著排煙量的增加，排煙口處的最大流速略大于標準值10m/s，但由于測點布置為排煙口中心處，綜合考慮所有因素，220m3/s～260m3/s 的排煙量下的排煙口內氣體流速均值小于10m/s，不會發生吸穿現象，符合規范要求。

圖5 排煙閥流速分布Fig.5 Flow velocity distribution of exhaust valve

4.3 排煙閥溫度分布

不同排煙量時排煙閥處的溫度分布，如圖6所示。不同排煙量下，排煙閥處溫度均呈現由火源處向上、下游降低的倒V 字形趨勢，其中上、下游的對稱排煙閥處溫度基本相同。原因在于側向重點排煙系統下，火源附近排煙閥處的煙氣溫度較高，受煙羽流影響較大，煙羽流在隧道頂部和墻面被冷卻后，密度增加，重力大于浮升力，而出現下沉，向四周擴散，故上、下游排煙閥處溫度會逐漸降低。同時從圖6 中可以看出，排煙閥處溫度均在180℃以下，不會損壞排煙口，故不會影響排煙閥的連續正常工作。

圖6 排煙閥溫度分布Fig.6 Temperature distribution of exhaust valve

4.4 排煙效率分析

在機械排煙的過程中，排煙口會發生對新鮮空氣的卷吸現象，導致吸入排煙口的氣體中不止有煙氣，還含有新鮮空氣，但煙氣中成分眾多，故煙氣的生成量與排出量難以準確測量。為了準確測量排煙口的排煙量，本文選取燃燒的主要產出物CO2作為參考依據，將排煙效率定義為排煙口所排出氣體中所含的CO2量與燃燒產物所產生的CO2量之比[9]。不同排煙量下，排煙閥處排煙效率如表3所示；從中可以看出，不同排煙量下，單個排煙閥的排煙效率整體呈現兩邊高、中間低的趨勢，且最高排煙閥效率約17%，最低約10%。通過分析可知，側向重點排煙模式下，隨著排煙量的增加，排煙閥的整體排煙效率也隨之增加，同時不同排煙量下的排煙效果均高于70%，但無顯著差異，綜合考慮成本，排煙量宜取值220m3/s。

表3 排煙效率分析Table 3 Smoke extraction efficiency analysis

5 結論

本文先采用理論公式進行計算，后采用FDS數值模擬的方法研究了蘇州某超長水下隧道側向重點排煙系統在火災荷載為50MW，排煙量分別為220m3/s、240m3/s、260m3/s 時的火災蔓延范圍、排煙閥溫度、排煙閥處流速、排煙閥排煙效率的變化規律，得到如下結論：

（1）超長水下隧道的合理排煙量宜采用軸對稱煙羽流計算模型；

（2）FDS 模擬指出，220m3/s、240m3/s、260m3/s排煙量下，隨著排煙量的增加，降低了火災時煙氣蔓延的范圍，增大了排煙閥的整體排煙效率，但均無顯著差異，且排煙閥處溫度、流速均滿足規范要求；

（3）理論計算與FDS 火災模擬均指出蘇州某超長隧道在火災規模50MW 下的合理排煙量的計算值為220m3/s，設計值為260m3/s。