長大雙層隧道重點排煙系統可靠性研究

侯劍鋒

[上海城投公路投資（集團）有限公司，上海市 200335]

1 概 述

北橫通道工程西起北虹路中環線，東至周家嘴路內江路，全長19.1 km，是上海中心城區北部的小客車專用通道。北橫通道主線規模為雙向4 車道+兩側集散車道或緊急停車帶，全線地下隧道段長約14.7 km，高架段長約3.1 km；還有1.3 km 為地面道路擴容+節點下立交段。主線隧道為外徑15 m 盾構法隧道實施，采用單管雙層布置（見圖1）。

圖1 雙層隧道斷面圖

隧道的消防排煙，根據車輛行駛條件分別采用不同的方案：

（1）當隧道內車流暢通時（車速＞20 km/h），采用常規的縱向排煙的模式（見圖2）。

圖2 車流暢通時火災排煙區段劃分示意圖

（2）當隧道內車流阻塞時（車速20 km/h），采用重點排煙的模式（見圖3）。雙層隧道受結構空間的制約，排煙風道設置比較局促。北橫通道利用頂部空間設置了集中排煙風道，風道面積9 m2，上層車道通過頂部排煙口排煙，下層車道需通過穿越上層車道的排煙支管進行排煙。排煙道及支管上設可自動開啟的排煙閥。火災時，根據火災發生地點打開相應區段的排煙閥，以及相應工作井內的重點排煙風機，進行重點排煙，控制煙氣的蔓延，補風采用匝道、峒口自然補風與軸流風機機械補風相結合方式。

圖3 火災工況重點排煙示意圖

考慮到雙層隧道的重點排煙模式應用案例較少，特別是采用支管排煙目前國內尚沒有工程實例，是否能確保火災工況的消防安全對于長大雙層隧道工程運營安全至關重要。在工程研究過程中，通過采用數值模擬+模型試驗等手段進行了多工況計算、分析。現就研究開展的相關工作及結論進行論述[1-6]。

2 火災模擬參數確定

考慮雙層盾構隧道為小客車專用快速路，禁止貨車、載重車等大型車輛通行，根據國際道路協會（PIARC）對不同火災場景熱釋放率的推薦取值，計算中考慮3 輛小轎車失火的不利工況，火災熱釋放率取為8 MW。

根據美國消防協會標準（NFPA），將火災定義為四種標準火源，即：慢速火、中速火、快速火和超快速火。根據隧道內火災燃燒特點，火災類別定為超快火，結合NFPA 火源功率發展規律公式Q=at2，按超快速火火災增長系數α 取為0.187，經計算t=206 s。

考慮北橫通道限定通行汽車類型為城市小型汽車，數值模型中火源尺寸確定為3.5 m（長）×1.5 m（寬）×0.5 m（高）。

根據上海市《道路隧道設計標準》（DG/TJ 08-2033—2017），火災工況時，隧道內乘行人員的安全疏散時間不宜小于15 min，數值模擬時間設定為900 s。

3 隧道煙控系統環境安全評價指標

借鑒《公路隧道通風設計細則》和上海市《道路隧道設計規范》對隧道排煙系統的規定，確定數值模擬中隧道排煙系統有效性的判斷標準為：

（1）溫度標準，在疏散時間內隧道2 m 高度處的溫度不大于60℃。

（2）能見度標準，在疏散時間內隧道2 m 高度處能見度不小于10 m。

（3）煙氣毒性標準，采用簡化方式，即如果發射發光物體能見度不小于10 m，可視為各種毒性燃燒產物的體積分數在30 min 內不會達到人體的耐受極限。

（4）排煙系統排煙效率，即單位時間內排煙量之和占煙氣總生成量的比值不低于90%。

4 數值模擬計算

根據北橫通道實際情況，按1∶1 建立隧道數據模型，采用FDS（Fire Dynamics Simulator）軟件進行數據模擬計算，如圖4 所示。

圖4 北橫通道隧道火災FDS 數值模型

由于下層采用排煙支管進行排煙的方案為目前國內首次采用，且由于通行小車，結構凈空小，如何確保采用排煙支管方案能達到可靠的排煙效果，相關排煙支管的間距、斷面面積、開啟數量等設計參數需要通過數值模擬計算進行對比分析后確定。因此，需要重點對下層隧道排煙方案進行模擬對比分析。以下是數據模擬計算所采用的工況以及相關計算結論。

4.1 排煙量大小

排煙量的大小與排煙風道的面積、風速等設計參數有關。考慮到隧道斷面尺寸已確定，排煙風道面積調整余地不大，是否能在既有的排煙風道面積條件下，通過采取合適的風速確保排煙效果是隧道排煙方案能否成立的關鍵。計算中通過對30 m3/s 及45 m3/s 的排煙量進行了對比計算。計算結果表明，排煙量采用30 m3/s 時，由于排煙量偏小，總體排煙率僅能達到76.6%，煙氣蔓延長度超過380 m，2 m 高度處的溫度出現大于60℃的區域約320 m，隧道內2 m 高度處的能見度小于10 m 的區域約280 m，可以判斷此種工況下，隧道內環境條件對人員安全疏散十分不利。模擬結果如圖5 及圖6 所示。

圖5 煙氣蔓延分布模擬結果圖示

圖6 隧道2 m 高度處溫度和能見度分布模擬結果圖示

考慮到30 m3/s 排煙量效果不理想，通過加大排煙量至45 m3/s，模擬計算后，總體排煙效率可以達到91.9%，煙氣控制情況明顯好轉，基本可滿足人員安全疏散的要求。由此，確定隧道重點排煙量為45 m3/s。計算結果對比見表1 所列。

表1 排煙量計算結果分析對比表

4.2 排煙支管斷面尺寸

隧道下層排煙風口設于側墻上，受限于下層隧道的高度，排煙口的尺寸有限。因此，在確保效果的情況下要盡量減小排煙口高度。通過數據模擬分析排煙口不同大小對于煙氣控制的影響，以此確定合理的排煙口大小。

實際計算中，在45 m3/s 排煙量及同時開啟5 組排風口條件下，對2.5 m×0.8 m 及3 m×1 m 兩種排煙口尺寸進行了對比計算，計算結果見表2 所列。

表2 排煙口尺寸計算結果分析對比表

根據計算結果，3 m×1 m 排煙口雖然排煙面積大了50%，但總體排煙效果并沒有明顯改善，確定排煙口面積采用2.5 m×0.8 m。

4.3 排煙支管開啟數量

火災工況下,排煙口開啟數量取決于煙氣蔓延長度及排煙量。開啟數量過少，可能造成煙氣排放率過低，排煙效果不理想；開啟數量過多，又可能造成誤導抽吸，反而擴大煙氣蔓延范圍。通過對火災工況下排煙口開啟數量多少進行模擬計算分析，以確定火災工況下合理的排煙口開啟數量。

計算中，對火災工況下開啟3、5、6、7 個排煙口四種工況下的煙氣情況進行了模擬。計算結果如圖7所示，匯總結果見表3 所列。

表3 排煙口開啟數量計算結果匯總表

圖7 隧道2 m 高度處溫度和能見度分布對比圖

計算結果表明，排煙口需開啟5 個以上方可滿足安全疏散要求；排煙口開啟數量過多對總排煙效率提升不大，建議按開啟5～6 個排煙口制定排煙方案。

5 模型試驗

北橫通道下層隧道采用側排煙口和排煙支管的集中排煙系統形式在國內尚屬首次。為更加科學準確驗證該排煙系統的有效性，又采用了縮尺實體模型試驗進行驗證研究。

5.1 試驗模型及工況

根據數值模擬計算，煙氣擴散范圍一般要到300 m。為完整模擬煙氣情況，模型尺寸長度需達到300 m 以上。考慮到試驗場地條件限制，確定模型比例采用1∶15，總體模型長度為20 m，隧道直徑為1 m，試驗材料考慮到試驗溫度達到600℃以上，采用了鋼化玻璃材料，隧道縮尺模型見圖8 所示。

圖8 隧道縮尺模型（1∶15）之實景

5.2 數值模擬對比

考慮到模型試驗尺寸小，雖根據相似準則進行了模型尺寸及相關試驗參數的計算，為進一步驗證模型試驗相關參數及試驗結果與全尺寸模型的一致性，通過對模型試驗尺寸進行數值模擬，并與全尺寸模型數值模擬結果對比的方法進行驗證。

當排煙量為30 m3/s 時（縮尺排煙量為124 m3/h），縮尺模擬煙氣擴散50 s、100 s、200 s 結果如圖9 所示，小尺寸模型在100 s～200 s 左右煙氣擴散即達到穩定階段。

圖9 縮尺模型數值模擬煙氣流動圖

全尺寸模型在0 s，300 s，600 s 時的煙氣擴散見圖10 所示。600 s 時已進入穩定階段。

圖10 全尺寸模型數值模擬煙氣流動圖

同時，對模擬計算結果中溫度及煙氣蔓延速度進行對比，對比結果見表4 及表5 所列。

表4 溫度對比表

表5 蔓延速度對比表

模擬對比計算表明，穩定時間與中心最高溫度兩者計算結果有所差異，其余包括蔓延范圍、總體模型溫度、蔓延速度等指標基本與相似準則計算結果一致，可認為縮尺模型可以反映實體情況。

5.3 模型試驗結果

考慮到模擬試驗中，排煙支管位置可以方便調整，試驗中增加了對不同排煙支管間距的對比試驗。同時考慮排煙口尺寸及排煙速率的不同組合，共進行了13 個不同工況的試驗。

以下試驗結果為選取30 m3/s 排煙量工況下，支管間距為30 m 時的試驗結果。其中，左圖為近端視角，右圖為遠端視角（見圖11、圖12）。

圖11 點火后78 s（實際火災發展5 min）試驗結果圖示

圖12 點火后155 s（實際火災發展10 min）試驗結果圖示

該工況試驗結果表明，點火初期階段（點火后78 s，實際火災發展5 min），火焰明晰且煙氣傳播距離較小，煙氣層穩定，煙氣流動均到達近端攝像頭（5 m）處，各工況煙氣未見明顯差異；點火后155 s（實際火災發展10 min），近端視角層狀煙氣愈加明顯，煙氣已產生一定程度的擾動，對能見度產生了一定影響。遠端視角各試驗工況均未見明顯煙氣。

同時，通過模型試驗結果與數值模型模擬結果對比，兩者數值形態及規律基本一致，選取通風量30 m3/s、支管間距30 m 工況對比結果見圖13 所示。其中，上圖為模型試驗結果，下圖為數值模型模擬結果。

圖13 點火后155s 沿隧道縱向溫度分布結果對比圖

通過多工況模型試驗，驗證了排煙支管在火災工況下的試驗結果與數值模擬計算結果基本一致，證明通過數值模擬可以有效地分析火災工況下隧道煙氣擴散情況，并通過多工況的模擬對比分析，確定最優工程控煙方案。同時，模型試驗也可以直觀了解在火災工況下的煙氣擴散、分層情況，為制定及驗證人員疏散方案提供依據。在無法進行實體試驗時，通過縮尺模型試驗已可達到模擬實際火災工況的精度要求。

6 結 語

北橫通道工程在研究過程中，為設計出合理可靠的排煙方案，采用數值模擬、縮尺模型試驗等多種手段，通過對不同的火災釋放率、多組合排煙支管方案、多種控煙方案等多種火災工況的模擬分析，確定了隧道重點排煙量為45 m3/s，排煙口斷面采用2.5 m×0.8 m，火災時開啟5～6 個排煙口。該消防排煙能力可滿足規范規定的人員安全疏散要求。