黃強

中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司

水下隧道作為地面道路的延伸和補充，能夠緩解城市交通的擁堵，有效改善城市交通環(huán)境和人居環(huán)等特點[1]。由于水下隧道是一個狹長的封閉空間，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，災(zāi)情會迅速蔓延開來，導(dǎo)致巨大的人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此研究水下隧道的通風(fēng)排煙模式及疏散策略顯得尤為重要。

1 工程概況

本工程長度約6.5 km。隧道全長4405 m，其中盾構(gòu)段長3110 m（圖1）。西岸和東岸人工島均為915 m×115 m。經(jīng)過多次論證，最終方案為單洞上下層單向行車方案。本次研究范圍為東、西人工島之間的隧道段通風(fēng)排煙模式。

圖1 隧道平面圖

2 本工程推薦的通風(fēng)排煙模式，疏散及運營策略

2.1 推薦通風(fēng)模式

全橫向式通風(fēng)由送風(fēng)道，排風(fēng)道和行車道組成隧道斷面[2]。污濁空氣沿隧道橫向流動，經(jīng)排風(fēng)道排至隧道外。更適用于單洞雙向交通隧道。半橫向式通風(fēng)方式介于全橫向與縱向通風(fēng)之間[3]。它只設(shè)一條風(fēng)道，分送風(fēng)型半橫向及排風(fēng)型半橫向兩種形式。適合用于中等或長距離距離的單洞雙向交通隧道。

縱向式通風(fēng)是沿縱向在行車道內(nèi)形成氣流的通風(fēng)方式，適用于單向行車的隧道，可充分利用車輛活塞風(fēng)作用，國內(nèi)外大多數(shù)隧道均采用縱向通風(fēng)方式消除有害物，維持隧道內(nèi)的環(huán)境，且縱向通風(fēng)方案非常適用于單向式行車隧道，因此通風(fēng)方案采用縱向通風(fēng)方式。

2.2 推薦排煙模式

長大隧道的煙氣控制模式主要采用機械排煙。機械排煙根據(jù)其控制氣流的方式，主要分為縱向排煙，橫向或半橫向排煙，重點排煙[4]。

縱向排煙模式，在單向交通工況下，且下游沒有發(fā)生阻塞交通時比較有效，但實際情況并不能保證下游不發(fā)生阻塞。橫向和半橫向排煙模式下，所有排風(fēng)口均開啟，排煙效果不能保證，意大利-法國的勃朗峰隧道和奧地利陶恩隧道初建成時，分別采用半橫向排煙和全橫向排煙模式，在發(fā)生火災(zāi)后，造成重大損失，分析原因是其排煙效率不高。

根據(jù)本工程隧道斷面，可以利用隧道上部的空間設(shè)置獨立排煙道，進(jìn)行重點排煙。從排煙模式發(fā)展趨勢來看，這也與歐美發(fā)達(dá)國家的主流設(shè)計理念相吻合，同時該排煙模式也很適用于水底盾構(gòu)隧道。故從投資省、能耗低、運行調(diào)節(jié)靈活、主流設(shè)計理念、實施條件及有效排煙等方面考慮，本隧道推薦采用重點排煙方案。

在盾構(gòu)隧道上層車道頂部設(shè)置排煙道，間隔60 m，頂部排煙道設(shè)置電動排煙口。隧道下層車道通過上層集中排煙道向下層車道引排煙支管，間隔60 m，隧道側(cè)面設(shè)置電動排煙口。隧道兩端分別設(shè)置專用排煙風(fēng)機，風(fēng)機容量45 m3/s 隧道某處發(fā)生火災(zāi)時，執(zhí)行相關(guān)的火災(zāi)模式，位于火災(zāi)區(qū)域的土建排煙風(fēng)道上的電動風(fēng)閥打開，煙氣通過土建排煙風(fēng)道和風(fēng)井排出，射流風(fēng)機從兩側(cè)往火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行補風(fēng)，保證隧道內(nèi)煙氣控制在一定范圍之內(nèi)。

2.3 推薦疏散策略

根據(jù)隧道斷面形式，可以利用隧道側(cè)面的空間設(shè)置聯(lián)通上下層隧道的疏散樓梯（圖2、3），進(jìn)行垂直疏散。故從節(jié)省投資及有效防煙煙角度，在本隧道盾構(gòu)段推薦采用內(nèi)上下層互通垂直疏散?！冻鞘械叵碌缆饭こ淘O(shè)計規(guī)范》規(guī)定，雙層地下道路或人行疏散通道與車道孔不在同層的單層地下道路，宜設(shè)置封閉樓梯間，樓梯凈寬度不應(yīng)小于0.8 m，但并未明確規(guī)定間距要求。其它國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范也未明確單洞上下層疏散樓梯間距要求，疏散通道的間距大都在100 m～300 m之間，因為本工程按照疏散樓梯間距按照100 m 設(shè)置，寬度0.8 m。

圖2 隧道盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段斷面

圖3 隧道盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段斷面效果圖

2.4 運營策略

隧道內(nèi)車輛單向行駛，利用車行隧道作為風(fēng)道，采用全射流風(fēng)機進(jìn)行縱向誘導(dǎo)通風(fēng)的縱向通風(fēng)模式。此時，只開啟射流風(fēng)機，排煙風(fēng)口關(guān)閉，排煙風(fēng)機不啟動，氣流從隧道進(jìn)口流入，廢氣從隧道出口排除至大氣（圖4）。

圖4 正常工況隧道通風(fēng)模式

隧道火災(zāi)時，排煙系統(tǒng)工作模式如下：

當(dāng)在隧道進(jìn)口段發(fā)生火災(zāi)時，開啟進(jìn)口段射流風(fēng)機，排煙風(fēng)機及靠近進(jìn)口段內(nèi)部分排煙風(fēng)口，使進(jìn)口段內(nèi)形成縱向煙氣流，再通過排煙道排除至大氣，此時車輛需繼續(xù)向前行駛，駛離進(jìn)口段（圖5）。

圖5 單向行車隧道進(jìn)口段火災(zāi)時排煙模式

當(dāng)在中間段發(fā)生火災(zāi)時，開啟隧道兩端射流風(fēng)機、排煙風(fēng)機及著火點附近排煙口，此時射流風(fēng)機均向隧道內(nèi)補風(fēng)，煙氣經(jīng)排煙口沿排煙風(fēng)道排除至大氣。此時著火點前方車輛需繼續(xù)向前行駛，駛離隧道中間段（圖6）。

圖6 單向行車隧道中間段火災(zāi)時排煙模式

當(dāng)在出口段發(fā)生火災(zāi)時，開啟隧道兩端射流風(fēng)機，采用縱向排煙方式，將煙氣排除至大氣。此時車輛需繼續(xù)向前行駛，駛離隧道出口段。

圖7 單向行車隧道出口段火災(zāi)時排煙模式

3 重點排煙工況下的數(shù)值模擬研究

煙氣是火災(zāi)中造成人員傷亡的主要因素[5]，主要表現(xiàn)為煙氣的熱作用和毒性，影響人員安全疏散的主要因素有煙氣的溫度、濃度、能見度。根據(jù)國外相關(guān)準(zhǔn)則如NFPA130,PLARC 等，并結(jié)合我國消防安全要求如《中國消防手冊》等，指定火災(zāi)是人員生命安全評估準(zhǔn)則為：①人員高度處的最高溫度不超過60 ℃。②人員高度處CO 體積分?jǐn)?shù)不超過250×10-6。③人員高度處能見度不小于10 m。

結(jié)合本工程，單向行車入口段與出口段距離較短，排煙較易實現(xiàn)，故不多贅述，數(shù)值模擬部分著重研究行車隧道中部火災(zāi)工況。

3.1 模型建立

根據(jù)馬來西亞隧道結(jié)構(gòu)圖，利用FDS[6]建立隧道模型，為簡化計算，減少計算量，雙層隧道長度取1000 m，隧道與排煙風(fēng)道在保證截面積相同的情況下簡化為矩形。隧道模型見圖8 和圖9。

圖8 上層隧道模型圖

圖9 下層隧道模型圖

3.2 邊界條件

排煙風(fēng)道：隧道排煙風(fēng)道兩側(cè)分別設(shè)置一臺排煙風(fēng)機，風(fēng)機風(fēng)量為45 m3/s，風(fēng)道斷面12.7 m2，與既有設(shè)計方案斷面保持一致。

隧道洞口：壓力自由邊界條件。

火源：上下層隧道均考慮中部大客車火災(zāi)，火災(zāi)規(guī)模20 MW，快速t2火，火災(zāi)熱釋放率：20000 kW/m2。

測點設(shè)置：沿隧道縱向，在人員高度處每隔10 m，設(shè)置溫度，CO 和能見度測點。

3.3 模擬場景

具體火災(zāi)模擬工況設(shè)置見表1 和圖10 所示：

表1 火災(zāi)模擬工況設(shè)置

圖10 排煙口對稱開啟雙向排煙模擬場景示意圖

3.4 模擬結(jié)果

以工況1 和工況2 為例，模擬結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 工況1 各時刻煙氣分布云圖

圖12 工況2 各時刻煙氣分布云圖

由模擬計算結(jié)果可知，當(dāng)上層隧道發(fā)生火災(zāi)，煙氣自由蔓延時，隧道內(nèi)煙氣向兩端隧道迅速蔓延，且伴隨有明顯沉降，隧道內(nèi)能見度明顯降低；當(dāng)采用重點排煙時，煙氣經(jīng)排煙口從排煙道迅速排走，煙氣維持在排煙口開啟區(qū)域附近，且向隧道兩端蔓延的速度得到明顯控制，隧道內(nèi)低能見度基本維持在排煙口開啟區(qū)間附近，隧道遠(yuǎn)端基本維持無煙區(qū)，有利于人員疏散。

圖13 和14 分別為上、下層隧道采用煙氣自由蔓延和重點排煙工況下的可用疏散時間對比，比較兩種工況可得，采用重點排煙時，煙氣基本控制在火災(zāi)150 m（排煙口開啟區(qū)域內(nèi)），根據(jù)模擬計算結(jié)果，影響人員疏散的限制性因素影響程度依次為能見度、CO濃度、溫度，故取能見度測點下的疏散時間作為可用疏散時間，即距離火源不同距離處的人員可用疏散時間見表2。

圖13 上層隧道內(nèi)各處的可用安全疏散時間（ASET）

圖14 下層隧道內(nèi)各處可用安全疏散時間（ASET）

表2 人員可用疏散時間匯總表（s）

由表2 可知，上、下層隧道火災(zāi)，采用重點排煙方式時，上層隧道可用安全疏散時間較下層隧道更長，說明上層隧道頂開排煙口的方式較下層隧道側(cè)開排煙口的方式更有利于煙氣的排除。與煙氣自由蔓延相比，重點排煙方式下人員可用安全疏散時間在距離火源200 m 處提高了近1 倍，人員疏散安全性大大提高。根據(jù)上下層互通垂直疏散方案計算結(jié)果可知，必須疏散時間為300 s，由模擬計算結(jié)果，可知上層可用疏散安全時間為385 s，下層可用安全疏散時間為316 s，均滿足可用安全疏散時間＞必須疏散時間，滿足疏散的要求。

4 結(jié)論

1）縱向排煙模式，在單向交通工況下，且下游沒有發(fā)生阻塞交通時比較有效，但實際情況并不能保證下游不發(fā)生阻塞，因此縱向排煙模式不可靠。水下隧道采用縱向通風(fēng)+重點排煙方案可節(jié)省土建投資，切實可行。

2）上下層車道之間設(shè)置疏散樓梯進(jìn)行互通疏散可節(jié)省投資及有效防煙。

3）影響人員疏散的限制性因素影響程度依次為能見度、CO 濃度、溫度。采用重點排煙時，可以基本將煙氣控制在排煙口開啟區(qū)域內(nèi)，人員疏散安全性大大提高。

4）本次數(shù)值模擬只驗證當(dāng)疏散樓梯間距為100 m時，滿足可用疏散時間大于必須疏散時間的疏散要求，下一步可將樓梯間間距增加到150 m、200 m 繼續(xù)驗證方案可行性。