重點排煙模式盾構隧道橫斷面火災特性研究

王安民郭清超閆治國1，，*

（1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；3.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092）

重點排煙模式盾構隧道橫斷面火災特性研究

王安民2，3郭清超2，3閆治國1，2，3，*

（1.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092；2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092；3.同濟大學地下建筑與工程系，上海200092）

以在建的上海市虹梅南路越江隧道為對象，借助SMARTFIRE軟件模擬了50MW規模的火災下，開啟火源上下游各一個排煙口時，主要分析了三個位置橫斷面中心線上溫度、能見度和一氧化碳濃度沿豎向的變化規律。研究結果表明，排煙口面積保持不變時，排煙口橫向布置的排煙效率大于排煙口縱向布置，并且長寬比越大，排煙效果越好。

盾構隧道，重點排煙，火災特性

1 引言

重點排煙模式（亦稱為“集中排煙模式”）是在隧道頂端設置排煙口和排煙道。隧道內發生火災時，打開火源附近的排煙口和兩端的軸流風機，使煙氣通過隧道上部的排煙口排入隧道頂部的排煙道中，再由專門的豎井或者排風口排到外界。由于盾構隧道為圓形斷面，隧道上部的空間可以設為排煙道用于火災工況下的排煙。因此，重點排煙模式逐漸廣泛采用應用于盾構隧道，特別是長大盾構隧道。

眾多學者對重點排煙模式進行了大量研究，主要分析了火災煙氣沿隧道縱向的分布規律，評價了排煙系統的效率和隧道內的疏散救援環境［1-3］，但是對隧道橫斷面火災特性的研究較少。本文以在建的虹梅南路越江隧道為研究對象，主要研究了三種不同形式的排煙口對橫斷面火災特性和排煙效率的影響。

虹梅南路隧道暗埋段全長4841m，屬于雙孔特長道路隧道。隧道外徑為14.5 m，內徑為13.3 m，隧道共分為三層，如圖1所示。排煙道板每隔50 m設置一個排煙口。火災時利用頂部排煙風道，進行重點排煙，疏散通道設正壓送風系統。本文采用英國格林威治大學火災安全工程研究中心（FSEG）開發的高精度計算流體動力學（CFD）火災模擬軟件SMARTFIRE進行計算。SMARTFIRE運用有限體積法，提供了一整套火災場景模擬工具。計算中湍流模型采用RNG k－ε模型模擬，熱輻射采用六通量輻射模式。

圖1 虹梅南路隧道橫斷面圖Fig.1 Code suggestions for design of road Tunnel for HRR

2 隧道火災CFD模型

2.1 模型設置

重點排煙方式能夠將火災煙氣控制在一定范圍內，不必對整個隧道建立模型，故選取長度為400 m（X方向）的隧道模型，忽略坡度變化，模型的三維視圖如圖2所示。模型尺寸為400 m× 12 m×9 m（長度×寬度×高度）。車道層的高度為6.5 m，煙道板厚度為0.2 m，模型排煙道面積為9.2 m2。在煙道層兩端設置風扇模擬設計中布置的軸流排煙風機，每側排風量為125 m3／s。假設隧道兩端為開放的邊界條件，隧道內無縱向風速。大氣壓設為101 325 Pa，初始環境溫度設為288 K（15°C）。

表1是《道路隧道設計規范》建議的火災熱釋放速率（HRR），考慮虹梅南路隧道通行車輛，為研究特長城市隧道大型火災時橫斷面火災特性，本文HRR取為50 MW［4］。依據世界道路協會（PIARC）定義的火災逃生時間，將整個模擬的時間段定為火災發生后900 s［5］。

圖2 CFD模型三維視圖Fig.2 3-D view of themodel

表1 《道路隧道設計規范》建議的火災熱釋放率Table 1 Suggestions of code for design of road tunnel for HRR

英國暖通設計手冊（CIBSE Guide）將不同發展速率的火災對應不同火災熱釋放率系數，如表2所示［6］。本文設定火災發展極快，HRR按式（1）變化，其上升規律如圖3所示。火災發生515s后，HRR達到穩定值50MW，此后保持穩定不變。火源尺寸根據熱釋放率對應的車輛尺寸確定為10 m×2 m×1 m（長×寬×高）。

式中，Q代表HRR，單位kW；α是CIBSE Guide推薦的系數；t是火災發生的時間。

圖3 火災熱釋放率變化曲線Fig.3 The heat release rate curve

表2 CIBSE Guide推薦的火災熱釋放率變化系數Table 2 HRR constant for fire class（CIBSE Guide）

2.2 計算工況

本文研究了三種不同形式排煙口，對應的三種工況如表3所示，三種形式排煙口的俯視圖如圖4所示。排煙口長寬比按下式計算：

式中，lx為排煙口沿X軸方向的長度；ly為排煙口沿Y軸方向的長度。

表3 計算工況表Table 3 Simulation cases

模型開啟了火源上游和下游的各一個排煙口，火源位于整個模型中部的兩個排煙口之間（X＝200 m），如圖5所示。

3 計算結果與分析

本文主要研究了溫度、能見度和一氧化碳濃度（CCO）在橫斷面豎向中心線的變化規律，共選取了三個具有代表性的斷面進行了，分別是位于火源上游10 m處（X＝190 m）的橫斷面1（CS1）、火源上游25 m處（X＝175 m）的橫斷面2（CS2）和火源上游50 m處（X＝175 m）的橫斷面3（CS3）。計算時間為900 s時，各斷面豎向中心線的溫度沿高度變化如圖6—圖8所示。

圖4 三種類型的排煙口Fig.4 Three openings shapes

圖5 火源縱向位置示意圖Fig.5 The schematic diagram of the fire location in longitudinal direction

圖6 橫斷面1豎向中心線的溫度沿高度變化圖Fig.6 Temperature variation along the vertical direction on CS1

橫斷面1位于火源附近區域，三種工況表現出相似的規律，如圖6所示。隧道高度小于3 m的下部空間溫度約為320 K；隧道高度大于3.5 m的上部空間溫度明顯升高，煙道板下方溫度最高約為650 K，煙層厚度約為3.5 m。

橫斷面2位于排煙口正下方，溫度沿豎向的變化如圖7所示，煙氣層厚度約為3.5 m。工況二和工況三在隧道上部空間（H＞4 m）溫度明顯高于工況一，車道層頂部溫度高約50 K。這說明隧道下部空間的煙氣能夠更多通過排煙口進入排煙道，工況二和工況三改變排煙口形式使得排煙口排煙能力提升。

斷面3距離火源約50 m，三種工況橫斷面3豎向中心線的溫度沿高度變化如圖8所示，高溫區域集中在隧道頂部2 m范圍內，隧道下部空間（H＜4.5 m）溫度均小于320 K，這滿足疏散救援的要求。三種工況隧道上部（H＞4.5 m）高溫區域表現出不同的規律，同一高度處工況三溫度最小，比工況一低約100 K；工況二比工況一相同高度處的溫度低約30 K。研究結果表明，保持排煙口面積不變時，A類排煙口的排煙能力最弱；B類排煙口的排煙能力有所提升，橫向布置排煙口能夠提搞排煙效率；C類排煙口不僅橫向布置，而且加大了長寬比，使得排煙效率進一步提高。

隧道火災時能見度的分析采用消光系數（light extinction coefficient）Ksmoke進行評價，Ksmoke＜0.8時表示能見度大于10 m。如圖9和圖10所示，橫斷面3的能見度和CO濃度與溫度表現出的規律相似，三種工況在隧道下部空間（H＜4.5m）的能見度較好，一氧化碳濃度較低，能夠滿足疏散救援的環境要求；三種工況隧道上部（H＞4.5m）的煙氣濃度差別較明顯，工況三煙氣濃度最低，工況一煙氣濃度最高。

本文以在建的上海市虹梅南路越江隧道為對象，借助CFD技術模擬了50MW規模的火災下，開啟火源上下游各一個排煙口時，三個位置橫斷面中心線上溫度、能見度和Co濃度沿豎向的變化規律，主要結論如下：

（1）重點排煙模式能夠將煙氣控制在隧道上部空間，距離火源越遠，煙氣層厚度越小；

（2）排煙口面積保持不變時，排煙口橫向布置的排煙效率大于排煙口縱向布置；

（3）排煙口橫向布置時，長寬比越大，排煙效果越好。

圖7 橫斷面2豎向中心線的的溫度沿高度變化圖Fig.7 Temperature variation along the vertical direction on CS2

圖8 橫斷面3豎向中心線的溫度沿高度變化圖Fig.8 Temperature variation along the vertical direction on CS3

圖9 橫斷面3豎向中心線的消光系數沿高度變化圖Fig.9 Ksmokevariation along the vertical direction on CS3

圖10 橫斷面3豎向中心線的CO濃度沿高度變化圖Fig.10 CCOvariation along the vertical direction on CS3

4 結 論

［1］ 徐琳，張旭.風口特性對集中排煙隧道煙氣控制效果的影響［J］.暖通空調，2008（3）：76-79.Xu Lin，Zhang Xu.Effect of smoke outlet character-istics on smoke control for highway tunnelwith central smoke extraction systems［J］.Heating Ventilating and Air Conditioning，2008（3）：76-79.（in Chinese）

［2］ 潘一平，趙紅莉，吳德興，等.隧道火災集中排煙模式下的排煙效率研究［J］.安全與環境學報，2012（02）：191-196.Pan Yiping，Zhao Hongli，Wu Dexing，et al.Study on smoking exhaust efficiency under central exhaust mode in tunnel fires［J］.Journal of Safety and Environment，2012（2）：191-196.（in Chinese）

［3］ 郭清超，沈奕，閆治國.重點排煙大斷面隧道火災煙氣控制的CFD分析［J］.地下空間與工程學報，2012（S1）：1615-1620.Guo Qingchao，Shen Yi，Yan Zhiguo.CFD study of fire smoke control effect in large section shield tunnel with point smoke extraction strategy［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012（S1）：1615-1620.（in Chinese）

［4］ 上海市建設和交通委員會.DG／TJ 08—2033—2008道路隧道設計規范［S］.上海，2008.Shanghai Construction and Transportation Commission.DG／TJ 08—2033—2008.Road tunnel design code［S］.Shanghai，2008.（in Chinese）

［5］ PIARC.Fire and smoke control in road tunnels［u］.World Road Association（PIARC）Publication，2007.

［6］ CIBSE.CIBSE Guide E：Fire engineering［S］.The Chartered Institution of Building Services Engineers，London，1997.

Study on Fire Characteristics in Shield Tunnel w ith the Point Smoke Extraction System

WANG Anmin2，3GUO Qingchao2，3YAN Zhiguo1，2，3，*
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，China；3.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

With the the South Hongmei Road Tunnel project under construction as backgroud，three different dimensions of extraction openingswere simulated for a 50 MW fire scenario by using SMARTFIRE.Two extraction openings in the upstream and downstream were opened for each case.The variation of temperature，visibility and carbon monoxide concentration along the vertical direction on three cross-sectionswere analyzed to investigate fire characteristics on the cross-section and the smoke exhaust efficiency.The simulation results show that changing the direction of extraction opening from longitudinal to horizontal can increase the smoke exhaust efficiency.Furthermore，the larger aspect ratio of extraction opening will improve the smoke exhaust efficiency.

shield tunnel，point smoke extraction，fire characteristic

2013－12－10

上海市科技公關計劃（11231201200）

*聯系作者，Email：yanzguo＠tongji.edu.cn