基于多指標約束的V形坡隧道煙氣控制方案

李國棟

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

0 引言

近年來，城市水下隧道得到了長足發展。為保障火災時人員安全，水下隧道多采用重點排煙模式。但水下隧道“V”形連續縱坡使得隧道內煙氣流動更為復雜[1,2]，亟需考慮不同坡度段發生火災對煙氣控制效果的影響，進而明確隧道煙氣控制最佳方案，以提升救援有效性。

部分學者對隧道火災煙氣控制方案進行了研究。徐志勝[3]建立了+3%坡度隧道數值模型，研究了集中排煙模式下排煙口的最佳開啟方式；林鵬[4]針對水平、3.2%單坡隧道進行研究，結果表明傾斜隧道中排煙效率對排煙口位置更加敏感；曾艷華[5]研究了坡度隧道通風排煙方式和排煙口開啟狀態對排煙效果的影響，發現同時開啟火源上下游排煙口時排煙效率更高；王國卓[6]通過縮尺寸實驗，得出縱向與橫向排煙相結合能達到較好煙氣控制效果；肖志行[7]對“相向射流+豎井自然排煙”組合模式進行了研究，分析得出射流風速和火源位置對煙氣控制的影響；蔡崇慶[8]針對單坡隧道不同重點排煙模式進行研究，制定了合理的排煙方案；潘一平[9]研究了重點排煙模式下排煙口的數量、間距、位置和面積，結果表明火源兩側的排煙口都打開時排煙效果更好；李保軍[10]針對單側集中排煙隧道研究了排煙口開啟數量對煙控效果的影響，結果表明開啟火源附近4個排煙口時煙氣控制效果最好；姜學鵬[11,12]提出將排煙效率、煙氣蔓延范圍、能見度作為縱向合理機械補風的判定三個指標，并通過縮尺寸模型試驗對重點排煙與縱向補風共同作用下的臨界風速進行了研究，提出合理縱向補風風速應小于臨界風速值。上述研究多通過構建單一水平和單坡隧道數值模型對煙氣控制方案進行探討，未針對非對稱V形坡隧道不同位置火災的煙氣控制方案進行研究，且對排煙效果的評價指標零散，缺少系統性的評價方法。

以武漢兩湖隧道為研究對象，構建全尺寸水下V形坡隧道數值模型，針對不同坡度段火災位置，探究不同縱向通風與重點排煙口開啟方式下的煙控效果，依據評價指標，進而提出科學合理的隧道火災煙氣控制方案。

1 數值建模及工況設計

1.1 工程概況

武漢兩湖隧道為雙層超大直徑隧道，其中省博緊急出入口—光谷大橋段長3720m，整個隧道呈不對稱“V”字形，最大縱坡為4.5%。隧道內徑13.7m，上層行車道凈高4.25m。排煙道橫斷面面積7.27m2，在排煙道頂隔板上間隔60m設長1m×寬4m排煙口。隧道出入端各設置一處豎井雙向均衡排煙，總排煙量為90m3/s。隧道上層橫斷面如圖1所示，隧道縱斷面如圖2所示。

圖1 兩湖隧道上層橫斷面Fig.1 Upper cross section of Lianghu tunnel

圖2 火源設置示意Fig.2 Schematic diagram of fire source setting

1.2 數值模型建立

為真實模擬兩湖隧道火災煙氣流動情況，采用FDS構建3720m長的全尺寸隧道模型。考慮2～3輛小汽車碰撞火災，設火災規模為15MW超快速t2火。火源位于隧道中心線，尺寸為長5.5m×寬2m（高度忽略不計），火源燃料默認為丙烷。網格大小選擇1/16～1/4倍火源特征直徑作為模擬網格尺寸[13]，火源上下游采用0.5m×0.5m×0.5m局部加密網格，其余網格尺寸均為1m×1m×1m。隧道兩端出口設置為自然開口，排煙道端口處設為EXHAUST，壓力為101325Pa，其環境溫度設置為20℃。墻體為混凝土，模擬計算時間為1200s，選取1100s～1200s的模擬數據平均值進行研究討論。

1.3 工況設定

考慮火災位置、排煙口開啟方式、縱向通風等對排煙效果的影響，設定在隧道出入段、隧道最低點發生火災，如圖2所示。負號代表隧道下坡方向，近省博緊急出入口側為上游，近光谷大橋側為下游。采用“雙向機械補風（隧道兩端洞口同時補風）”+排煙口對稱開啟（上游、下游各開啟3個）及“單向機械補風（沿行車方向單向機械補風）”+排煙口對稱開啟/不對稱開啟（上游2個、下游4個）3種不同通風排煙控制方案，每種方案配合不同補風風速，共計27組模擬工況，詳見表1。

表1 不同火源位置煙氣蔓延長度Table 1 Smoke spread length at different fire source locations

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

火災時，隧道重點排煙系統應滿足如下目標：

（1）保障人員安全疏散需要，避免縱向風擾亂煙氣分層，使清晰高度處煙氣溫度、濃度保持在安全范圍內，最大程度減小煙氣對人員疏散影響。

（2）有效地將煙氣排入煙道，盡可能將煙氣控制在火源附近排煙口開啟區域內，控制高溫煙氣影響范圍。

基于以上控制目標，有效的重點通風排煙系統應實現：火災煙氣控制在排煙口開啟區段內，清晰高度處煙氣溫度與能見度安全化，且排煙有效化。

2.2 數學模型

將上述排煙效果評價指標，凝煉為煙氣前鋒蔓延長度、排煙效率、清晰高度處能見度和溫度等4個指標[14,15]。構建基于疏散安全和排煙有效的多指標約束的通風排煙策略的優化數學模型。

其中，式（1）為優化的目標函數，式（2）為約束條件。式中，L60℃為排煙道底板下方60℃煙氣溫度前鋒蔓延距離，m；Tz為清晰高度處溫度，℃；Vz為清晰高度處能見度，m；η為排煙效率，%；n為上游側排煙口開啟數量，個；mesi為第i個排煙口單位時間排出的CO2量，kg/s；mp為單位時間內CO2生成總量，kg/s。

3 結果與討論

3.1 煙氣蔓延長度

表1為不同縱向補風+不同排煙口開啟組合方式下的煙氣蔓延長度。

隧道2.2%-1%下坡段A點發生火災時，上游煙氣受到縱向風流的抑制作用，其蔓延長度隨補風風速增大而減小，最小蔓延長度為45m；下游則隨風速增大而增加，蔓延總長均＜300m。由式（2）中煙氣蔓延長度判據可得：排煙口上3+下3開啟時，煙氣蔓延長度均滿足L上60℃≤L=150m、L下60℃≤L=150m；排煙口上2+下4開啟，單向1m/s補風，上游煙氣蔓延長度不滿足L上60℃≤L=90m。

隧道最低點B發生火災時，上游煙氣受到縱向風流的抑制作用，其蔓延長度隨補風風速增大而減小，最小蔓延長度為25m；下游則由于煙囪效應耦合增大的風速而增加，總蔓延長度均＜300m。由判據可得：排煙口上3+下3開啟，補風風速≤1.5m/s時，煙氣蔓延長度均滿足L上60℃≤L=150m、L下60℃≤L=150m；排煙口上2+下4開啟，不同補風風速均能將煙氣控制在排煙口開啟區段。

隧道1%-4.5%上坡段C點發生火災雙向補風時，隨補風風速的增大，上游煙氣逐漸增加，下游逐漸減小；單向補風時，煙氣則被吹往下游，呈現上游減小，下游增加的趨勢。總蔓延長度＜300m。由判據可得：雙向補風≥1m/s時，滿足判據；排煙口上3下3開啟+單向補風≤1.5m/s、排煙口上2下4開啟+單向補風≥1.5m/s時，滿足煙控要求。

3.2 清晰高度處溫度分析

圖3-圖5為不同火源位置、不同縱向補風+不同排煙口開啟組合方式下的溫度分布。

由圖3可知，A點火災時：溫度呈現不對稱分布，上游的溫度稍高于下游。隨補風風速增大，上游溫度迅速降低，下游逐漸升高，距離火源越近L1-R1排煙口開啟區段受火羽流影響溫度波動較大。60℃以上高溫煙氣均控制在排煙口開啟區段（375m-675m）。由式（2）中Tz≤60℃判據可得：不同煙控組合方式均滿足要求。

圖3 火源A點清晰高度處溫度分布Fig.3 Temperature distribution at the clear height of point A of fire source

由圖4可知，B點火災時：隧道右側坡度更大，故下游的溫度稍高于上游。由于雙向補風將煙氣控制在排煙口開啟區段（1490m-1790m)內，整體溫度有緩慢上升的趨勢。沿行車方向補風時，上游溫度隨風速增大迅速降低，而下游則逐漸升高。上游溫度均低于60℃，下游R1-R2開啟區段溫度在60℃上下波動。由判據可得：不同煙控組合方式均滿足要求。

圖4 火源B點清晰高度處溫度分布Fig.4 Temperature distribution at the clear height of point B of fire source

由圖5可知，C點火災時：因其位于連續上坡段，煙氣朝上坡蔓延，故下游的溫度高于上游。C點距離隧道出口僅675m，遠小于與入口的距離，故雙向補風時，下游補風將煙氣吹往上游，使上游溫度升高、下游降低。單向補風時，規律同B點類似，但補風風速為2m/s時，“煙囪效應”得到促進，高溫煙氣被大量吹往下游，使R1-R3排煙口開啟區段（3045m-3195m)內溫度驟升超過60℃。由判據可得：除單向補風2m/s外，不同煙控組合方式均滿足要求。

圖5 火源C點清晰高度處溫度分布Fig.5 Temperature distribution at the clear height of point C of fire source

3.3 清晰高度處能見度分析

圖6～圖8為不同火源位置、不同縱向補風+不同排煙口開啟組合方式下的溫度分布。

A點火災時（見圖6）：較小補風風速下，下游能見度高于上游。隨補風風速增大，煙氣逐漸聚集在下游，上游能見度逐漸增加，下游能見度逐漸降低。由式（2）中Vz≤10m判據可得：雙向補風煙控效果較好；單向補風+排煙口上3下3開啟時，1m/s補風煙控效果較好、上2下4開啟時，除2m/s補風外，基本滿足要求。

圖6 火源A清晰高度處能見度分布Fig.6 Visibility distribution at clear height of fire source A

B、C點火災時（圖7、圖8）：由于右側整體坡度大于左側，上游能見度高于下游。雙向補風時，下游煙囪效應被抑制，上游能見度隨風速增大而降低、下游則相反。單向補風時，煙囪效應得到促進，上游能見度逐漸升高而下游逐漸降低。由判據可得：B點火災時，雙向補風以及單向1m/s補風時煙控效果較好；C點火災時，雙向補風≤1.5m/s以及單向1m/s補風時煙控效果較好。

圖7 火源B清晰高度處能見度分布Fig.7 Visibility distribution at clear height of fire source B

圖8 火源C清晰高度處能見度分布Fig.8 Visibility distribution at clear height of fire source C

3.4 排煙效率分析

排煙效率η≥95%是衡量排煙系統效果最直接的指標。不同火源位置，不同縱向補風+不同排煙口開啟組合方式下的排煙效率如表2所示。

表2 不同火源位置排煙效率Table 2 Smoke exhaust efficiency at different fire source locations

A點火災時（位于2.2%-1%下坡段），各工況排煙效率呈不對稱分布，上游側（2.2%坡度）排煙口效率最高。隨補風風速增大，上游側排煙效率逐漸降低而下游逐漸升高。當單向補風風速≤1.5m/s時，隨排煙口向下游偏移（上2下4），排煙效率呈增加趨勢。由式（2）中判據可得：雙向補風+排煙口上3下3開啟時，風速≥1.5m/s；單向補風+不同排煙口開啟組合時，風速≤1.5m/s滿足要求。

B、C點火災時，各工況排煙效率呈不對稱分布，下游側整體排煙效率較高。雙向補風時，上游側L1-L3效率逐漸增加，下游則減小。單向補風時，煙氣被大量吹往下游，隨縱向風速的增大，上游排煙效率逐漸降低，出現負值，表明該排煙口失效，而下游則逐漸升高。B點火災時，雙向補風≤1.5m/s、單向補風1m/s時，排煙效率大于95%；C點火災時，雙向補風效果不佳，排煙口上3下3開啟、單向補風風速1m/s和排煙口上2下4開啟、單向補風風速≤1.5m/s時煙控效果較好。

3.5 討論

通過對不同火源位置、不同補風方式+排煙口開啟方式進行探究，考慮煙氣蔓延長度、清晰高度處溫度、能見度、排煙效率4個煙氣控制指標，進而得出煙氣控制方案，如表3所示。

表3 排煙方案Table 3 Smoke exhaust scheme

由于隧道內火災發生位置的隨機性，控制模式多樣化則不便于工程實際操作。當采用雙向補風時，C點無合適的補風風速滿足煙控要求；當單向補風配合排煙口上2下4時，三種火災位置無統一的風速可滿足要求；當排煙口上3下3配合1m/s單向補風時，均可較好實現煙氣控制效果，故推薦此方案。

4 結論與討論

本文依托武漢市兩湖V形坡隧道，對隧道不同坡度段位置發生火災進行數值模擬，分析討論得到如下結論：

（1）基于人員安全疏散、煙氣是否有效排出的要求，構建了包含60℃煙氣前鋒蔓延長度、排煙效率、清晰高度處溫度與能見度4個約束指標的隧道火災煙氣控制效果評價模型。

（2）針對武漢兩湖非對稱V形坡隧道，通過對不同火源位置、縱向通風+排煙口開啟組合方式進行模擬分析，得到：發生在任意坡度段的火災，均采用上游隧道洞口處單向機械補風、排煙口上游、下游各開啟3個、配合1m/s的補風風速，均可保證達到較好的煙氣控制效果。