側部排煙隧道低位排煙口優化設計

胡大偉,姜學鵬

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北 武漢 430063;2.武漢科技大學消防安全技術研究所,湖北 武漢 430081)

為了高效利用城市地下空間資源,隧道逐漸成為了跨越江河湖的主要方式[1-3]。由于隧道直徑受限,為了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[4]解決隧道空間受限問題。

一些學者針對隧道側部排煙開展了相關研究,如:梁園等[5]通過對隧道側向排煙口尺寸對排煙效果的影響展開研究,發現增大隧道寬高比有利于提高側部排煙系統的排煙效率;姜學鵬等[6]通過對隧道側部排煙量進行優化,發現在隧道縱向通風條件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的發展;林鵬等[7]通過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排煙效率最高;陳建忠等[8]研究認為用獨立排煙口代替排煙組,可有效提升排煙效率。上述研究主要是針對側部排煙口位置均高于隧道清晰高度[9-10]的情況,但針對排煙口下緣與隧道地面之間距離小于清晰高度的側部排煙隧道的研究鮮少,而雙層隧道上層空間常因受到隧道直徑限制使排煙口下緣高度低于隧道清晰高度。因此,探究側部重點排煙系統中側部排煙口參數至關重要。

本文將排煙口下緣距地面高度小于隧道清晰高度(2 m)[11]的排煙口定義為低位排煙口,依托武漢和平大道南延工程黃鶴樓隧道,采用FDS數值模擬軟件模擬側部重點排煙系統中不同低位排煙口下緣距地面高度、排煙口間距及尺寸等參數對隧道內排煙效率、溫度、能見度等評價指標的影響,為城市盾構隧道提供現實的防火設計指導。

1 數值建模

1.1 模型參數

1.1.1 隧道模型與火源設置

黃鶴樓隧道為雙層六車道隧道,上下層分別設置了三個車行道,如圖1所示。

圖1 黃鶴樓隧道盾構段橫斷面Fig.1 Cross-sectional of shield section of tunnel

本文采用FDS數值模擬軟件構建了1 000 m×11 m×10.4 m(長×寬×高)仿真模型,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面積為5.5 m2。

黃鶴樓隧道僅通行小汽車(7座及以下乘用車),故設置火源熱釋放速率為15 MW[12];火源距隧道端部500 m,位于上層隧道2個排煙口中間,共設置6個排煙口,軸對稱開啟。排煙道兩端設置排煙豎井,排煙量各為Q/2,總排煙量為Q=100 m3/s,向隧道兩端水平側部重點排煙,如圖2所示。

圖2 火源與排煙口相對位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative position of fire source and smoke outlet

1.1.2 網格設置

網格尺寸為0.04D*～0.12D*(D*為火焰特征尺寸)時模擬結果與試驗結果吻合[13],由火源熱釋放速率得到D*為4.88 m,因此在排煙口與火源附近對網格進行了局部加密,網格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.1 m。遠離火源區域采用較大的網格尺寸,為0.5 m×0.5 m×0.5 m。火焰特征尺寸D*的計算公式為

(1)

式中:D*為火焰特征尺寸(m);Q為火源釋放速率(kW),Q=15 000 kW;ρ為環境密度(kg/m3),ρ=1.1 kg/m3;c為環境比熱容[J/(kg·K)],c=1 000 J/(kg·K);T為環境溫度(K),T=293 K;g為重力加速度(m/s2),其值為9.8 m/s2。

1.2 工況設置

為了探究低位排煙口的排煙有效性及排煙口參數,探究了低位排煙口下緣距地面不同高度時的排煙有效性,并在此基礎上,研究了不同低位排煙口間距及尺寸等參數對隧道內排煙效率、溫度、能見度等因素的影響,具體工況設置見表1。

表1 工況設置

2 隧道火災煙氣控制效果評價模型

2.1 排煙控制評價指標

隧道側部排煙系統應滿足如下目標:

1) 確保人員在火災發生后有效逃生,隧道清晰高度處煙氣溫度、能見度不影響人員的正常疏散。

2) 保證在特殊工程設計下(設置低位排煙口),隧道側部重點排煙系統的排煙效率可保證人員在疏散過程中的安全。

基于低位排煙口隧道側部排煙系統的煙控目標,構建由隧道排煙效率η、隧道拱頂溫度T、隧道清晰高度處煙氣溫度Tz和隧道清晰高度處能見度Vz4個評價指標組成[14-15]的隧道火災煙氣控制效果評價模型。

2.2 火災煙氣控制效果評價模型

1) 隧道清晰高度[11]。隧道清晰高度是指煙層下邊緣至室內地面的高度,其計算公式為

Hq=1.6+0.1×H

(2)

式中:Hq表示隧道最小清晰高度(m);H表示建筑凈高度(m)。

火源所在上層車道凈高為5.95 m,計算得隧道最小清晰高度為2.195 m。參考文獻[10],本文設定隧道清晰高度為2.0 m。

2) 隧道排煙效率。以燃燒產生的CO2作為研究對象,隧道排煙效率η為在單位時間內所有開啟排煙口排出的CO2質量之和mes占CO2質量生成量mp的百分數[16],即:

(3)

式中:mesi為第i個排煙口排出的CO2質量(kg)。

為了保證隧道側部排煙系統在1.5 m低位排煙口的特殊工程設計下有效排出煙氣,設定隧道側部排煙系統總排煙效率η≥95%。

3) 隧道拱頂溫度。參考美國軌道車輛材料防火測試標準(NF-PA130—2014)和世界道路協會(PIARC)相關規定:火災環境下,人體對煙氣層輻射熱的耐受極限是2.5 kW/m2,相應的拱頂煙氣溫度為180 ℃。因此,本文設定拱頂溫度T≤180 ℃。

4) 隧道清晰高度處溫度。根據相關研究[17],得到人體對熱輻射的耐受時間如表2所示。

表2 人體對熱輻射的耐受時間

由表2可知:當煙氣層高于隧道清晰高度時,熱輻射強度低于2.5 kW/m2(相當于煙氣層溫度在180～200 ℃),人員可有效疏散;當煙氣層沉降至清晰高度以下時,煙氣層溫度低于人體適應溫度60 ℃[18]時,人員可有效疏散。依據《中國消防手冊》[15],隧道清晰高度2 m處溫度不宜高于60 ℃。因此,本文設定清晰高度處溫度Tz≤60 ℃。

5) 隧道清晰高度處能見度。參考澳大利亞《消防工程師指南》[14]以及《中國消防手冊》中關于隧道內車道最小清晰高度處能見度臨界值的相關內容,取隧道清晰高度處能見度Vz≥10 m。

綜上,可構建基于疏散安全和排煙有效性的多指標約束的隧道通風排煙策略的優化數學模型如下:

f(x)=f(η,T,Tz,Vz) (η≥95%,T≤180 ℃,Tz≤60 ℃,Vz≥10 m)

3 模擬結果與分析

3.1 低位排煙口下緣距地面高度分析

3.1.1 低位排煙口下緣距地面高度對隧道排煙效率的影響

低位排煙口下緣距地面不同高度(h0)時隧道的排煙效率,如表3所示。

由表3可知:隨著排煙口下緣距地面高度的增加,隧道排煙總效率依次增加;當排煙口下緣距地面高度為1.2 m時隧道排煙總效率低于95%,說明排煙口下緣距地面過低會明顯降低隧道排煙效率,當排煙口下緣距地面高度為1.5 m及以上時,可滿足隧道內部排煙要求;此外,與火源距離越大,高度為1.2、1.5 m的低位排煙口(L2、R2、L3、R3)隧道排煙效率逐次增大,高度為1.7、1.9 m的低位排煙口隧道排煙效率先增大后減小。

可見,排煙口下緣距地面高度較低(1.5 m及以下)時,煙氣沉降至隧道排煙口高度所需時間更長,排煙口與火源距離越遠隧道排煙效率越大;排煙口下緣距地面高度達1.5 m以上時,煙氣層沉降至排煙口高度所需時間縮短,煙氣由排煙口(L2、R2)排出,隧道排煙效率先增大后減小。因此,隧道側部排煙系統排煙效率受排煙口高度的影響,排煙口下緣距地面高度為1.5 m及以上時可滿足隧道內部排煙要求。

3.1.2 低位排煙口下緣距地面高度對隧道內溫度分布的影響

1) 隧道拱頂處溫度分布。低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道拱頂處溫度的分布曲線,如圖3所示。

圖3 低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道拱頂處溫度 的分布曲線Fig.3 Temperature distribution curves of the tunnel vault at different heights of low-level smoke outlet from the ground

由圖3可以看出:低位排煙口下緣距地面高度越大,隧道拱頂處最高溫度越低;對比低位排煙口下緣距地面不同高度的隧道拱頂溫度,發現隧道拱頂溫度超過耐火極限180 ℃的長度具有相同變化規律,如表4所示。可見,當排煙口下緣距地面高度過低時(h0=1.2 m),高溫煙氣聚集在隧道頂部難以從低位排煙口排出;當排煙口下緣距地面高度升高至1.5 m時隧道拱頂溫度超過耐火極限180 ℃的范圍大幅縮小至29.0 m,且隨著排煙口下緣距地面高度逐漸升高隧道拱頂溫度超過耐火極限180 ℃的范圍逐漸減小。此現象亦說明排煙口距地面高度過低時會明顯降低隧道排煙效率,當排煙口下緣距地面高度h0≥1.5 m時,可滿足隧道內部排煙要求。

表4 低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道拱頂溫度超過耐火極限的長度

2) 隧道清晰高度2 m處溫度分布。低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道清晰高度2 m處溫度的分布曲線,如圖4所示。

圖4 低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道清晰高度 2 m處溫度的分布曲線Fig.4 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel at different heights of low- level smoke outlet from the ground

由圖4可以得出:低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道清晰高度2 m處溫度分布無較大差異,高溫區域集中在火源兩側,其他區域溫度均分布在60 ℃以下,可滿足人員疏散過程中的安全需求。

3.1.3 低位排煙口下緣距地面高度對隧道清晰高度2 m處能見度的影響

低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道清晰高度2 m處能見度的變化曲線,如圖5所示。

圖5 低位排煙口下緣距地面不同高度時隧道清晰高度 2 m處能見度的變化曲線Fig.5 Visibility change curves at a clear height of 2 m in the tunnel at different heights of low-level smoke outlet from the ground

由圖5可以看出:與隧道清晰高度2 m處溫度相對應,低位排煙口下緣距地面高度差異對隧道清晰高度2 m處能見度無較大影響,僅火源附近能見度低于10 m,其余區域均在10 m以上,符合人員疏散的安全要求。其中,排煙口下緣距地面高度為1.2 m時隧道清晰高度2 m處能見度距火源越遠能見度浮動越明顯,距火源兩側125 m處能見度降至22 m,可見煙氣途經排煙口時未沉降至排煙口高度使得大量煙氣在隧道內堆積,因此距火源越遠能見度越低。

綜上所述,設置距地面1.5 m及以上高度的低位排煙口可保障隧道火災發生后從隧道排煙效率、隧道拱頂溫度、隧道清晰高度2 m處溫度及能見度等評價指標均滿足人員疏散過程中的安全需求。

3.2 低位排煙口間距分析

由第3.1節研究結果可知,距地面1.5 m及以上高度的低位排煙口可滿足人員疏散過程中的安全需求,本文選用合理范圍內最小排煙口下緣距地面高度為1.5 m,探究不同低位排煙口間距對4個排煙控制評價指標的影響。

3.2.1 低位排煙口間距對隧道排煙效率的影響

不同低位排煙口間距下隧道的排煙效率,如表5所示。

表5 不同低位排煙口間距下隧道的排煙效率

由表5可知:隨著排煙口間距的增大,隧道排煙總效率逐漸增大,當排煙口間距為60 m時隧道排煙總效率大于95%,符合人員逃生過程中的排煙要求;分析各排煙口的排煙效率發現,隨著排煙口間距的增大,L1、R1排煙口的排煙效率逐漸增大,其他位置排煙口的排煙效率總體上升,說明煙氣在隧道內部的蔓延存在沉降過程,低位排煙口更依賴煙氣的沉降作用,增大排煙口間距更符合煙氣蔓延規律,有利于隧道內煙氣大量排出。

3.2.2 低位排煙口間距對隧道內溫度分布的影響

1) 對隧道拱頂溫度的影響。不同低位排煙口間距下隧道拱頂溫度的變化曲線,如圖6所示。

圖6 不同低位排煙口間距下隧道拱頂處溫度的分布曲線Fig.6 Temperature distribution curves of the tunnel vault under different low-level smoke outlet spacing

由圖6可以看出:不同低位排煙口間距下隧道拱頂溫度分布近似,高溫區域以火源為中心對稱分布;隨著排煙口間距的增大,隧道拱頂溫度大于耐火極限180 ℃的范圍先增大后減小,當排煙口間距為60 m時其范圍最小為76.0 m,如表6所示。可見,增大排煙口間距可在一定程度上降低隧道拱頂溫度,亦說明增大排煙口間距有利于隧道內煙氣排出。

表6 不同低位排煙口間距下隧道拱頂溫度超過耐火極限的長度

2) 對隧道清晰高度2 m處溫度的影響。不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處溫度的變化曲線,如圖7所示。

圖7 不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處溫 度的分布曲線Fig.7 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet spacing

由圖7可以看出:不同低位排煙口間距對隧道清晰高度2 m處溫度分布的影響不大,火源上方溫度最高,其他區域溫度分布均在≤60 ℃以下,符合人員逃生要求。

3.2.3 低位排煙口間距對隧道清晰高度2 m處能見度的影響

不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處能見度的變化曲線,如圖8所示。

圖8 不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處能見 度的變化曲線Fig.8 Visibility change curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet spacing

由圖8可以看出:不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處能見度除火源上方部分區域小于10 m外,其余區域能見度均符合人員疏散安全要求。其中,當排煙口間距分別為30、40、50 m時,在火源兩側50、75、100 m處均出現明顯的能見度波動,且隨著排煙口間距增大至50 m其能見度波動幅度增大,而當排煙口間距為60 m時未出現明顯的能見度波動。可見,當排煙口間距為60 m時符合低位排煙口距地面高度為1.5 m時煙氣在蔓延過程中的沉降規律,可減少隧道內煙氣聚集。

綜上所述,當低位排煙口距地面高度為1.5 m時設置低位排煙口間距為60 m,可保障隧道火災發生后隧道排煙效率、隧道拱頂溫度、隧道清晰高度2 m處溫度及能見度等評價指標均滿足人員疏散過程中的安全需求,同時可最大程度地減少隧道內煙氣聚集。

3.3 低位排煙口尺寸分析

以上述分析確定的合理的低位排煙口下緣距地面高度(h0=1.5 m)、低位排煙口間距(l0=60 m)為基礎,探究不同低位排煙口尺寸對4個排煙控制評價指標的影響。

3.3.1 低位排煙口尺寸對隧道排煙效率的影響

不同低位排煙口尺寸下隧道的排煙效率,如表7所示。

表7 不同低位排煙口尺寸下隧道的排煙效率

由表7可知:低位排煙口面積S≥3.2 m2時隧道排煙總效率大于95%,且隨著排煙口面積增大總排煙效率逐漸增加。但值得關注的是:在滿足排煙控制指標(隧道排煙總效率η≥95%)的前提下,增大低位排煙口高、寬度時總排煙效率增加的比例不大,同時結合工程建設的經濟因素考慮,認為當排煙口尺寸為4 m×0.8 m時性價比最高。

3.3.2 低位排煙口尺寸對隧道內溫度分布的影響

不同低位排煙口尺寸下隧道拱頂及清晰高度2 m處溫度的分布曲線,如圖9和圖10所示。

圖9 不同低位排煙口尺寸下隧道拱頂處溫度分布 曲線Fig.9 Temperature distribution curves of the tunnel vault under different low-level smoke outlet sizes

圖10 不同低位排煙口尺寸下隧道清晰高度2 m處 溫度分布曲線Fig.10 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet sizes

由圖9和圖10可以看出:不同低位排煙口尺寸下隧道拱頂處、隧道清晰高度2 m處的溫度分布無較大差異;隧道拱頂處、清晰高度2 m處高溫區域集中在火源兩側,其他區域溫度分布均低于60 ℃,符合人員逃生要求。

3.3.3 低位排煙口尺寸對隧道清晰高度2 m處能見度的影響

不同低位排煙口尺寸下隧道清晰高度2 m處能見度的變化曲線,如圖11所示。

由圖11可以看出:不同低位排煙口尺寸下隧道清晰高度2 m處能見度無明顯差異,僅火源上方能見度低于10 m,其余區域能見度均趨于30 m,符合人員逃生要求。

綜上所述,當低位排煙口下緣距地面高度為1.5 m、排煙口間距為60 m條件下,不同低位排煙口面積S≥3.2 m2可保障隧道火災發生后隧道排煙效率、隧道拱頂處溫度、隧道清晰高度2 m處溫度及能見度等評價指標均滿足人員疏散過程中的安全需求,其中當排煙口尺寸為4 m×0.8 m時性價比最高。

4 結論與建議

針對側部排煙隧道低位排煙口這一特殊設計,本文采用FDS數值模擬軟件探究了低位排煙口下緣距地面高度、低位排煙口間距、低位排煙口尺寸對隧道排煙效率溫度、能見度的影響,得到如下結論:

1) 隧道排煙效率受低位排煙口下緣距地面高度的影響,排煙口下緣距地面高度越低隧道排煙效率越差,排煙口下緣距地面高度在1.5 m及以上時可滿足隧道內部排煙要求。

2) 增大排煙口間距有利于提高低位排煙口總排煙效率,當排煙口間距為60 m時可有效減少隧道內煙氣聚集。

3) 低位排煙口尺寸對隧道排煙效率、溫度、能見度等因素的影響較小,且隨排煙口面積增大隧道總排煙效率逐漸增加,其中當排煙口尺寸為4 m×0.8 m時性價比最高。

4) 確定符合火災控制評價指標的低位排煙口下緣距地面高度為1.5 m,排煙口間距為60 m,排煙口尺寸宜取4 m×0.8 m(排煙口面積S≥3.2 m2)。