重點(diǎn)排煙模式盾構(gòu)隧道橫斷面火災(zāi)特性研究

王安民郭清超閆治國(guó)1，，*

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092）

重點(diǎn)排煙模式盾構(gòu)隧道橫斷面火災(zāi)特性研究

王安民2，3郭清超2，3閆治國(guó)1，2，3，*

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.同濟(jì)大學(xué)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(duì)象，借助SMARTFIRE軟件模擬了50MW規(guī)模的火災(zāi)下，開(kāi)啟火源上下游各一個(gè)排煙口時(shí)，主要分析了三個(gè)位置橫斷面中心線上溫度、能見(jiàn)度和一氧化碳濃度沿豎向的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，排煙口面積保持不變時(shí)，排煙口橫向布置的排煙效率大于排煙口縱向布置，并且長(zhǎng)寬比越大，排煙效果越好。

盾構(gòu)隧道，重點(diǎn)排煙，火災(zāi)特性

1 引言

重點(diǎn)排煙模式（亦稱(chēng)為“集中排煙模式”）是在隧道頂端設(shè)置排煙口和排煙道。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，打開(kāi)火源附近的排煙口和兩端的軸流風(fēng)機(jī)，使煙氣通過(guò)隧道上部的排煙口排入隧道頂部的排煙道中，再由專(zhuān)門(mén)的豎井或者排風(fēng)口排到外界。由于盾構(gòu)隧道為圓形斷面，隧道上部的空間可以設(shè)為排煙道用于火災(zāi)工況下的排煙。因此，重點(diǎn)排煙模式逐漸廣泛采用應(yīng)用于盾構(gòu)隧道，特別是長(zhǎng)大盾構(gòu)隧道。

眾多學(xué)者對(duì)重點(diǎn)排煙模式進(jìn)行了大量研究，主要分析了火災(zāi)煙氣沿隧道縱向的分布規(guī)律，評(píng)價(jià)了排煙系統(tǒng)的效率和隧道內(nèi)的疏散救援環(huán)境［1-3］，但是對(duì)隧道橫斷面火災(zāi)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(duì)象，主要研究了三種不同形式的排煙口對(duì)橫斷面火災(zāi)特性和排煙效率的影響。

虹梅南路隧道暗埋段全長(zhǎng)4841m，屬于雙孔特長(zhǎng)道路隧道。隧道外徑為14.5 m，內(nèi)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(shè)置一個(gè)排煙口?；馂?zāi)時(shí)利用頂部排煙風(fēng)道，進(jìn)行重點(diǎn)排煙，疏散通道設(shè)正壓送風(fēng)系統(tǒng)。本文采用英國(guó)格林威治大學(xué)火災(zāi)安全工程研究中心（FSEG）開(kāi)發(fā)的高精度計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）火災(zāi)模擬軟件SMARTFIRE進(jìn)行計(jì)算。SMARTFIRE運(yùn)用有限體積法，提供了一整套火災(zāi)場(chǎng)景模擬工具。計(jì)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(zāi)CFD模型

2.1 模型設(shè)置

重點(diǎn)排煙方式能夠?qū)⒒馂?zāi)煙氣控制在一定范圍內(nèi)，不必對(duì)整個(gè)隧道建立模型，故選取長(zhǎng)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(zhǎng)度×寬度×高度）。車(chē)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(shè)置風(fēng)扇模擬設(shè)計(jì)中布置的軸流排煙風(fēng)機(jī)，每側(cè)排風(fēng)量為125 m3／s。假設(shè)隧道兩端為開(kāi)放的邊界條件，隧道內(nèi)無(wú)縱向風(fēng)速。大氣壓設(shè)為101 325 Pa，初始環(huán)境溫度設(shè)為288 K（15°C）。

表1是《道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》建議的火災(zāi)熱釋放速率（HRR），考慮虹梅南路隧道通行車(chē)輛，為研究特長(zhǎng)城市隧道大型火災(zāi)時(shí)橫斷面火災(zāi)特性，本文HRR取為50 MW［4］。依據(jù)世界道路協(xié)會(huì)（PIARC）定義的火災(zāi)逃生時(shí)間，將整個(gè)模擬的時(shí)間段定為火災(zāi)發(fā)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(shè)計(jì)規(guī)范》建議的火災(zāi)熱釋放率Table 1 Suggestions of code for design of road tunnel for HRR

英國(guó)暖通設(shè)計(jì)手冊(cè)（CIBSE Guide）將不同發(fā)展速率的火災(zāi)對(duì)應(yīng)不同火災(zāi)熱釋放率系數(shù)，如表2所示［6］。本文設(shè)定火災(zāi)發(fā)展極快，HRR按式（1）變化，其上升規(guī)律如圖3所示。火災(zāi)發(fā)生515s后，HRR達(dá)到穩(wěn)定值50MW，此后保持穩(wěn)定不變?；鹪闯叽绺鶕?jù)熱釋放率對(duì)應(yīng)的車(chē)輛尺寸確定為10 m×2 m×1 m（長(zhǎng)×寬×高）。

式中，Q代表HRR，單位kW；α是CIBSE Guide推薦的系數(shù)；t是火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間。

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

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

2.2 計(jì)算工況

本文研究了三種不同形式排煙口，對(duì)應(yīng)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(zhǎng)寬比按下式計(jì)算：

式中，lx為排煙口沿X軸方向的長(zhǎng)度；ly為排煙口沿Y軸方向的長(zhǎng)度。

表3 計(jì)算工況表Table 3 Simulation cases

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

3 計(jì)算結(jié)果與分析

本文主要研究了溫度、能見(jiàn)度和一氧化碳濃度（CCO）在橫斷面豎向中心線的變化規(guī)律，共選取了三個(gè)具有代表性的斷面進(jìn)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(jì)算時(shí)間為900 s時(shí)，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(lèi)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(qū)域，三種工況表現(xiàn)出相似的規(guī)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(chē)道層頂部溫度高約50 K。這說(shuō)明隧道下部空間的煙氣能夠更多通過(guò)排煙口進(jìn)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(qū)域集中在隧道頂部2 m范圍內(nèi)，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(qū)域表現(xiàn)出不同的規(guī)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(jié)果表明，保持排煙口面積不變時(shí)，A類(lèi)排煙口的排煙能力最弱；B類(lèi)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(lèi)排煙口不僅橫向布置，而且加大了長(zhǎng)寬比，使得排煙效率進(jìn)一步提高。

隧道火災(zāi)時(shí)能見(jiàn)度的分析采用消光系數(shù)（light extinction coefficient）Ksmoke進(jìn)行評(píng)價(jià)，Ksmoke＜0.8時(shí)表示能見(jiàn)度大于10 m。如圖9和圖10所示，橫斷面3的能見(jiàn)度和CO濃度與溫度表現(xiàn)出的規(guī)律相似，三種工況在隧道下部空間（H＜4.5m）的能見(jiàn)度較好，一氧化碳濃度較低，能夠滿足疏散救援的環(huán)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(duì)象，借助CFD技術(shù)模擬了50MW規(guī)模的火災(zāi)下，開(kāi)啟火源上下游各一個(gè)排煙口時(shí)，三個(gè)位置橫斷面中心線上溫度、能見(jiàn)度和Co濃度沿豎向的變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

（1）重點(diǎn)排煙模式能夠?qū)煔饪刂圃谒淼郎喜靠臻g，距離火源越遠(yuǎn)，煙氣層厚度越??；

（2）排煙口面積保持不變時(shí)，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(shí)，長(zhǎng)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(shù)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(jié) 論

［1］ 徐琳，張旭.風(fēng)口特性對(duì)集中排煙隧道煙氣控制效果的影響［J］.暖通空調(diào)，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(zāi)集中排煙模式下的排煙效率研究［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，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(guó).重點(diǎn)排煙大斷面隧道火災(zāi)煙氣控制的CFD分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，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(shè)和交通委員會(huì).DG／TJ 08—2033—2008道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)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(guān)計(jì)劃（11231201200）

*聯(lián)系作者，Email：yanzguo＠#edu.cn