隧道側部排煙口優化方案研究

韓佳睿 張亮亮 姜學鵬 李海濱

摘要：文章針對排煙口下緣距地面1.7m的低位側部排煙隧道，構建以清晰高度處能見度與排煙效率為約束條件的隧道側部排煙效果評價模型，并采用全尺寸FDS數值模擬研究低位排煙口的關鍵設計參數。結果表明：合理的排煙口間距為60m，排煙口面積（形狀）宜取S≥3.2m2（4m×0.8m）。

關鍵詞：側部重點排煙;低位排煙口;評估模型;數值模擬

由于雙層隧道直徑受限，為保障城市水下隧道人員疏散安全，多設置側部重點排煙系統[1]。排煙口間距和形狀是影響隧道煙控制效果的關鍵參數。

部分學者針對隧道側部排煙開展了相關研究，姜學鵬對隧道側部排煙量進行優化，發現在隧道縱向通風下風機排煙量大于有效控煙所需風量時，風機排煙量越大越有利于抑制火災發展[2];林鵬通過縮尺寸實驗+數值模擬，探究排煙口位置對隧道火災排煙效率的影響，發現排煙口對稱分布于火源兩側時，煙氣層呈對稱分布，排煙效率最高[3];陳建忠認為用獨立排煙口代替排煙組，排煙效率可有效提升[4]。上述研究側部排煙口位置均高于隧道清晰高度，對排煙口下緣與隧道地面距離小于清晰高度的低位排煙口側部排煙隧道研究鮮少。

針對某城市隧道排煙口下緣距地面1.7m這一特殊工程條件，采用FDS模擬研究煙氣溫度場、能見度、排煙效率等，進而選取安全又經濟的排煙口間距和形狀。

一、模型建立與火災場景

（一）隧道模型

依托隧道為雙層隧道，隧道盾構段橫斷面如圖1所示。采用FDS軟件構建長1000m、寬11m、高10.4m的計算模型，排煙道與疏散通道位于隧道兩側，上下層行車道共用排煙道斷面積為5.5m2，上層隧道側部排煙口下緣距離地面1.7m。

（二）參數設計

隧道僅通行小汽車（7座及以下乘用車），共設置6個排煙口軸對稱開啟。設火災規模為15MW，火源距隧道端部500m，位于隧道2個排煙口中間，總排煙量為Q=100m3/s，排煙道兩端設置排煙豎井，排煙量各為Q/2，向隧道兩端水平側部重點排煙。火源與排煙口相對位置示意圖如圖2所示。

隧道火源熱釋放速率為15MW，網格尺寸在0.176m至0.705m之間模擬結果更為可靠。在排煙口與火源附近網格進行了局部加密，網格尺寸為0.5m×0.5m×0.2m。

（三）工況設置

探究不同排煙口間距、形狀對煙氣溫度場、能見度、排煙效率的影響，工況見表1。

二、模擬結果與分析

重點排煙系統應滿足如下目標：保障清晰高度處煙氣溫度、能見度不影響人員疏散并能有效排出煙氣。

清晰高度指的是煙層下邊緣至室內地面的高度，保守設定清晰高度為2.0m，清晰高度處能見度Vz≥10m，排煙系統總排煙效率η≥95%。

構建隧道煙氣控制效果評價模型如下：

（一）排煙口間距對煙控效果的影響

1.能見度

不同排煙口間距下隧道縱向2.0m清晰高度能見度曲線如圖3。

如圖3所示：各工況在火源處能見度低于10m，其他區域均大于清晰高度處能見度Vz≥10m。其中，各工況在排煙口（L2、L1、R1、R2）處持續下降，至排煙口（L3、R3）達到最低值開始回升，且隨著排煙口間距的增大，排煙口（L3、R3）達到的能見度最低值有增大趨勢。因此，從能見度角度，排煙口間距取l0 ≥50m。

2.排煙效率

不同排煙口間距時排煙效率η，如表2。

由表3可知：排煙口間距為60m、70m時，滿足總排煙效率η≥95%的約束要求。排煙口間距為50m時，總排煙效率η<95%，不符合火災煙氣控制效果評價模型約束條件。

綜上所述，通過分析排煙口下緣距地面1.7m條件下排煙口間距變化對隧道能見度及排煙效率的影響，間距宜取l0=60m。

（二）排煙口面積/尺寸對煙控效果的影響

以上述合理排煙口間距60m為基礎，探究不同排煙口形狀對能見度及排煙效率的影響。

1.能見度

不同排煙口尺寸下隧道中間縱向2.0m清晰高度能見度曲線如圖4。

如圖4所示：工況A03～A07在以火源為中心上下游90m～125m分布排煙口（L3、L2、R2、R3）能見度出現明顯下降，經過排煙口后能見度出現回升;距離火源較近處排煙口（L1、R1）的能見度同樣出現明顯下降，隨后能見度持續下降，未出現回升。可見火災產生的煙氣在火源上方形成頂棚射流，煙氣向火源兩端運動，使火源附近排煙口處能見度持續減小，隨后煙氣在隧道內蔓延，卷吸空氣形成穩定煙氣層，排煙口（L3、L2、R2、R3）可有效排出隧道煙氣，使能見度回升。此外，除火源正上方能見度在10m以下，其他位置2.0m高度處能見度穩定在10m以上，滿足約束條件能見度Vz≥10m。因此，從能見度角度，工況A03～A07排煙口尺寸均滿足人員安全疏散要求。

2.排煙效率

分析不同排煙口尺寸排煙效率η如表3。

如表3所示：隨排煙口面積增大，距離火源較近的排煙口（L2、L1、R1、R2），排煙效率逐漸降低，距離隧道端部較近排煙口（L3、R3）的排煙效率逐漸增大。可見距離隧道端口越近抽吸能力越強，排煙效率最高。根據排煙效率η≥95%的煙氣控制有效性判據，工況A03、A06不符合排煙要求。因此，從排煙效率角度，排煙口面積應取S≥3.2m2。

三、結論

文章針對排煙口下緣距離地面1.7m的特殊側部排煙隧道情況，研究了不同排煙口間距/形狀時的煙氣控制效果：

（1）構建了含清晰高度處能見度及排煙效率2個約束條件的重點排煙效果評估模型。

（2）確定合理排煙口間距為60m，排煙口面積/形狀宜取S≥3.2m2（4m×0.8m）。

參考文獻：

[1]陳娟娟，方正，袁建平.側向排煙口對雙層隧道機械排煙的影響[J].消防科學與技術，2015，34（01）：33-37.

[2]姜學鵬，劉嬋，于思維，等.側部重點排煙與水噴淋協同作用下隧道煙氣運動研究[J].消防科學與技術，2021，40（02）：175-179.

[3]林鵬，王國元，司有亮，等.隧道火災排煙口位置對排煙效率的影響[J].西南交通大學學報，2019，54（05）：1055-1062+1112.

[4]陳建忠，曹正卯，張琦.側壁排煙模式下超寬斷面沉管隧道火災排煙效率研究[J].地下空間與工程學報，2017，13（S1）：393-399.

[5]Australian Building Codes Board. Fire Engineering Guidelines[M].Sydney： Fire Code Reform Center Limited，1996.

[6]姜學鵬，呂彥昕，李超，萬娟.側部點式排煙模式下煙氣分層特性研究[J].火災科學，2021，30（03）：151-159.