隧道側(cè)部排煙口優(yōu)化方案研究

■ 韓佳睿 山東建筑大學(xué)

■ 張亮亮 中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司

■ 姜學(xué)鵬 武漢科技大學(xué)消防安全研究中心

■ 李海濱 濟(jì)南市交通工程質(zhì)量與安全中心

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(shè)置側(cè)部重點排煙系統(tǒng)[1]。排煙口間距和形狀是影響隧道煙控制效果的關(guān)鍵參數(shù)。

部分學(xué)者針對隧道側(cè)部排煙開展了相關(guān)研究，姜學(xué)鵬對隧道側(cè)部排煙量進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)在隧道縱向通風(fēng)下風(fēng)機(jī)排煙量大于有效控?zé)熕栾L(fēng)量時，風(fēng)機(jī)排煙量越大越有利于抑制火災(zāi)發(fā)展[2]；林鵬通過縮尺寸實驗+ 數(shù)值模擬，探究排煙口位置對隧道火災(zāi)排煙效率的影響，發(fā)現(xiàn)排煙口對稱分布于火源兩側(cè)時，煙氣層呈對稱分布，排煙效率最高[3]；陳建忠認(rèn)為用獨(dú)立排煙口代替排煙組，排煙效率可有效提升[4]。上述研究側(cè)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(cè)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(jìn)而選取安全又經(jīng)濟(jì)的排煙口間距和形狀。

一、模型建立與火災(zāi)場景

（一）隧道模型

依托隧道為雙層隧道，隧道盾構(gòu)段橫斷面如圖1所示。采用FDS 軟件構(gòu)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(cè)，上下層行車道共用排煙道斷面積為5.5m2，上層隧道側(cè)部排煙口下緣距離地面1.7m。

（二）參數(shù)設(shè)計

隧道僅通行小汽車（7 座及以下乘用車），共設(shè)置6 個排煙口軸對稱開啟。設(shè)火災(zāi)規(guī)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(shè)置排煙豎井，排煙量各為Q/2，向隧道兩端水平側(cè)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(wǎng)格尺寸在0.176m 至0.705m 之間模擬結(jié)果更為可靠。在排煙口與火源附近網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，網(wǎng)格尺寸為0.5m×0.5m×0.2m。

（三）工況設(shè)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。

表1 工況設(shè)置

二、模擬結(jié)果與分析

重點排煙系統(tǒng)應(yīng)滿足如下目標(biāo)：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(nèi)地面的高度，保守設(shè)定清晰高度為2.0m，清晰高度處能見度Vz≥10m，排煙系統(tǒng)總排煙效率η≥95%。

構(gòu)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(qū)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(xù)下降，至排煙口（L3、R3）達(dá)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(dá)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。

表2 不同排煙口間距排煙系統(tǒng)排煙效率

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(zāi)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(chǔ)，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(xiàn)明顯下降，經(jīng)過排煙口后能見度出現(xiàn)回升；距離火源較近處排煙口（L1、R1）的能見度同樣出現(xiàn)明顯下降，隨后能見度持續(xù)下降，未出現(xiàn)回升。可見火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣在火源上方形成頂棚射流，煙氣向火源兩端運(yùn)動，使火源附近排煙口處能見度持續(xù)減小，隨后煙氣在隧道內(nèi)蔓延，卷吸空氣形成穩(wěn)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(wěn)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。

表3 不同排煙口面積排煙系統(tǒng)排煙效率

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(qiáng)，排煙效率最高。根據(jù)排煙效率η≥95% 的煙氣控制有效性判據(jù)，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(yīng)取S≥3.2m2。

三、結(jié)論

文章針對排煙口下緣距離地面1.7m 的特殊側(cè)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(gòu)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）。