雙層盾構(gòu)隧道火災(zāi)排煙方式研究

溫竹茵

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

雙層盾構(gòu)隧道火災(zāi)排煙方式研究

溫竹茵

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

以上海周家嘴路越江隧道為工程依托，對雙層長大盾構(gòu)隧道的火災(zāi)排煙方式進(jìn)行了分析研究。通過對火災(zāi)工況條件下隧道內(nèi)溫度場、能見度和一氧化碳濃度的模擬計算，對疏散通道的設(shè)置方案和逃生救援對策進(jìn)行分析。結(jié)果表明，對于此類型隧道，在采取了相應(yīng)的逃生救援措施后，采用縱向通風(fēng)方式是安全可靠的。

雙層盾構(gòu)隧道；隧道火災(zāi)；煙氣擴散；縱向通風(fēng)

0 引言

隨著城市地下空間的進(jìn)一步開發(fā)，地下建構(gòu)筑物日益密集，雙層盾構(gòu)隧道因其占地小、空間利用率高而得到了越來越多的應(yīng)用。對于長大隧道，當(dāng)隧道封閉段較長時，通常會在隧道上方設(shè)置重點排煙風(fēng)道來解決火災(zāi)排煙問題[1，2],而雙層盾構(gòu)隧道因為受到斷面布置的限制，難以布置出符合要求的排煙風(fēng)道。如何解決這類項目的排煙難題是研究的重點。

本文以上海周家嘴路越江隧道為工程背景，對長大雙層盾構(gòu)隧道的排煙方式進(jìn)行了分析研究，為今后此類項目建設(shè)提供有益經(jīng)驗。

1 工程背景

上海周家嘴路隧道起自浦西周家嘴路-內(nèi)江路口，迄于浦東東靖路-張楊北路口，自內(nèi)江路交叉口向東沿周家嘴路連續(xù)穿越中環(huán)線—理工大學(xué)—黃浦江—浦東北路后于萊陽路東西兩側(cè)爬出地面。工程全長4.45 km，采用14.5 m外徑的盾構(gòu)法隧道穿越黃浦江，單管雙層雙向4車道布置，設(shè)計車速60 km/h。隧道上層封閉段總長3 056 m，下層封閉段總長3 798 m，其中盾構(gòu)段長2 572 m，上層引道段總長287 m，下層引導(dǎo)段總長265 m。圖1為隧道平縱斷面圖。

圖1 隧道平縱斷面圖

因為隧道封閉段長度大于3 km，屬于特長隧道，根據(jù)《道路隧道設(shè)計規(guī)范》（DG/TJ08-2033-2008）[3]，其煙氣控制模式宜采用重點排煙方式。但是隧道受已有盾構(gòu)機的限制，盾構(gòu)隧道外徑為14.5 m，為上下層布置的大車隧道（車輛凈空4.5 m），空間利用率很高，難以按常規(guī)設(shè)置重點排煙道。因此選擇合適的排煙方案，是這條隧道的消防設(shè)計重點。

2 雙層長大道路隧道火災(zāi)排煙方案

適合于周家嘴路隧道的火災(zāi)排煙方式主要有縱向通風(fēng)+重點排煙方式[4]、縱向通風(fēng)兩種模式。

2.1 縱向通風(fēng)+重點排煙方式

（1）方案一：設(shè)頂部重點排煙風(fēng)道（見圖2）

布局方式：上層隧道的重點排煙風(fēng)道布置在盾構(gòu)頂部，下層排煙風(fēng)道設(shè)置在側(cè)面。

存在問題：每層有效風(fēng)道面積約8 m2，滿足重點排煙的面積要求，但盾構(gòu)隧道外徑達(dá)16 m，超過了目前國內(nèi)已有的最大盾構(gòu)隧道外徑，可實施性較差。

（2）方案二:設(shè)側(cè)面重點排煙風(fēng)道（見圖3）

布局方式：在外徑14.5 m盾構(gòu)隧道一側(cè)布置上下層公用的排煙風(fēng)道，上層風(fēng)道排煙口距地面約2.5 m，下層貼頂布置。

圖2 方案一橫斷面布置圖（單位：mm）

圖3 方案二橫斷面布置圖（單位：mm）

存在問題：

a.排煙風(fēng)道的布置方式對排煙效果有較大折減，綜合折減率約72.5%；側(cè)向排煙方式效率比頂部排煙效率低；上層排煙口設(shè)置在風(fēng)道頂部，離側(cè)墻較近，吸風(fēng)條件較差，易產(chǎn)生渦流，從而增加局部阻力；上層車道由于排煙口較低，火災(zāi)煙氣會大量積蓄在車道上部，對人員逃生造成影響。

b.隧道功能有損失

盾構(gòu)內(nèi)設(shè)置煙道壓縮了設(shè)備和逃生空間。管線與疏散樓梯同側(cè)，無法設(shè)置縱向通長、獨立防火分區(qū)的管線管廊，增加了火災(zāi)的潛在風(fēng)險?？臻g壓縮后對管線空間布置、今后的運營養(yǎng)護、檢修和人員疏散通道的布置均有不利影響。

2.2 縱向通風(fēng)排煙方式

布置方式：盾構(gòu)段采用縱向通風(fēng)排煙方式，排煙區(qū)段長2.572 km（見圖4）。

圖4 縱向通風(fēng)排煙方案橫斷面（單位：mm）

特點：充分利用雙層隧道上下層隧道在火災(zāi)時互為逃生救援通道的有利特征，采用成熟的通風(fēng)、消防技術(shù)，到達(dá)良好的防災(zāi)效果。

（1）取消重點排煙風(fēng)道后，盾構(gòu)段內(nèi)空間較充裕，管線空間、敷設(shè)條件相對較好。在盾構(gòu)的下層設(shè)置了封閉式的管廊，可設(shè)置與消防救援有關(guān)的重要管線及10 kV高壓電纜，有利于隧道安全運營。

（2）縱向通風(fēng)方式是常用的一種隧道通風(fēng)方式，在多條隧道中均有先例，單管雙層縱向通風(fēng)的盾構(gòu)斷面型式也是一種較為成熟的布局方式。

（3）通過提高疏散設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，提高隧道火災(zāi)發(fā)現(xiàn)、監(jiān)控與救援的綜合能力。

周家嘴路隧道最長封閉段長度為3.785 km，但盾構(gòu)段長度2.572 km，上下層隧道在兩個工作井內(nèi)均設(shè)置了排煙機房，在最不利情況下煙氣的流經(jīng)長度不超過3 km。同時根據(jù)交通預(yù)測需求分析，隧道在正常運行情況下，遠(yuǎn)期2030年的服務(wù)水平處于C級，隧道的通行情況較好，不易發(fā)生阻塞。

隧道為雙層隧道，上下層車道為兩個獨立防火分區(qū)，每隔一段距離設(shè)置一個消防逃生樓梯。當(dāng)一個車道層發(fā)生火災(zāi)，人員可通過逃生樓梯撤離至另一個車道層，基本可以解決阻滯工況下的火災(zāi)逃生問題。

2.3 方案比選

為了進(jìn)一步論證縱向通風(fēng)火災(zāi)排煙方式的合理性，下面將采用CFD技術(shù)對隧道火災(zāi)蔓延和煙氣擴散進(jìn)行模擬計算，并進(jìn)一步分析研究雙層長大隧道的火災(zāi)疏散逃生救援策略。表1為兩種排煙方案的綜合比較表。

表1 兩種排煙方式綜合比選表

3 隧道火災(zāi)蔓延和煙氣擴散規(guī)律研究

借助CFD技術(shù)，采用Smartfire軟件全面仿真分析不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)火災(zāi)時的煙氣流動蔓延及溫度傳播分布規(guī)律，得到火災(zāi)時隧道內(nèi)溫度場、隧道內(nèi)能見度、高溫有毒氣體濃度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

火災(zāi)規(guī)模定為20 WM，計算了5種工況（見表2、圖5）。

表2 計算工況表

圖5 工況示意圖

根據(jù)《道路隧道設(shè)計規(guī)范》（DG/TJ08-2033-2008），火災(zāi)工況時，隧道內(nèi)乘行人員的安全疏散時間宜小于15 min，因此定義發(fā)生火災(zāi)時間為0 s，從發(fā)生火災(zāi)到模擬結(jié)束時間為900 s，中間保持縱向通風(fēng)速度不變，關(guān)鍵時間節(jié)點見表3。

表3 關(guān)鍵時間節(jié)點

經(jīng)過模擬計算，計算出各個工況其溫度、能見度、一氧化碳濃度分布云圖，以工況一為例，其計算結(jié)果見圖6。

（1）溫度場：在火災(zāi)發(fā)生360 s之后，隧道內(nèi)的高溫區(qū)域?qū)⒀杆贁U大，對隧道內(nèi)人員產(chǎn)生較大威脅。這是由于火災(zāi)在早期（320 s之前）處于一個逐漸發(fā)展的過程，火災(zāi)發(fā)生320 s后，HRR達(dá)到穩(wěn)定值20 MW。HRR達(dá)到穩(wěn)定值后保持不變，直到模擬計算時間結(jié)束。當(dāng)火災(zāi)達(dá)到并維持在20 MW之后，隧道內(nèi)疏散逃生環(huán)境急劇惡化。

（2）能見度：縱向風(fēng)速為2.5 m/s時，隧道內(nèi)能見度大范圍受到煙氣影響而降低發(fā)生在240 s之后。對于其他較小風(fēng)速的工況，能見度大范圍降低的時間將會推后。隧道內(nèi)人員接到火情警報的最遲時間為120 s，如果在120 s之內(nèi)能夠逃生到最近出口即可認(rèn)為能見度的降低對于逃生疏散的影響較小。

（3）有毒氣體CO：一氧化碳濃度在整個模擬過程中并不是決定性因素，一氧化碳濃度超過限值的區(qū)域主要在火源附近200 m范圍內(nèi)的上部空間。

4 隧道火災(zāi)的疏散逃生救援策略研究

采用buildingEXODUS軟件分析火災(zāi)發(fā)生的位置、人員的密度、逃生通道的通行能力和逃生出口數(shù)量等因素對人員疏散的影響。在綜合考慮隧道長度、交通量及交通組成、通風(fēng)模式、消防監(jiān)控配置以及救援組織的基礎(chǔ)上，確定出可能的火災(zāi)場景。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD計算得到的火災(zāi)時隧道內(nèi)溫度場、煙氣流動速度、高溫有毒氣體濃度分布特性及隧道內(nèi)能見度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作為疏散分析的背景數(shù)據(jù)進(jìn)行人員疏散逃生救援分析。

圖6 CFD模擬結(jié)果

（1）參數(shù)選擇

車輛的車種比例采用遠(yuǎn)期預(yù)測比例，人員參數(shù)根據(jù)相關(guān)模擬通用的不同年齡層、不同人群的人員比例分配。其中大型車輛均模擬人員從車內(nèi)行至車門口再進(jìn)行疏散的情況?；馂?zāi)發(fā)生與人員疏散時間分別按照距離火災(zāi)發(fā)生的遠(yuǎn)近取值為60 s、120 s。逃生樓梯設(shè)計寬度為0.8 m。逃生樓梯間距分別是80 m、100 m。模型中出口的通行能力為1.33人/s，模擬了交通阻塞工況，火災(zāi)發(fā)生在最不利點的兩種工況。圖7為模擬計算場景圖。

圖7 模擬計算場景圖

（2）模擬計算結(jié)果

所有工況的安全疏散時間均未超過900 s，即15 min，即能夠及時疏散完被困人群，且未出現(xiàn)人員傷亡。

隧道內(nèi)乘行人員在火災(zāi)發(fā)生240 s之后，基本全部疏散至逃生口附近。由于逃生口通行能力的限制，人員不得不在此排隊等侯通過疏散樓梯逃生至安全區(qū)域。因此逃生通道的寬度也是制約疏散時間的關(guān)鍵因素。

在火災(zāi)發(fā)生360 s之后，隧道內(nèi)的高溫區(qū)域?qū)⒀杆贁U大，能見度迅速下降，對隧道內(nèi)乘行人員產(chǎn)生較大威脅，因此火災(zāi)發(fā)生5 min之后應(yīng)啟用有效的控溫措施。

縮短疏散通道的間距能夠有效提升疏散效率，逃生出口間距從120 m縮短為80～100 m（縮短33%～20%），大約節(jié)省疏散時間36%～18%。

逃生樓梯設(shè)計寬度為0.8 m。隧道內(nèi)乘行人員在火在發(fā)生240 s之后，基本全部疏散至逃生出口附近。

5 結(jié)語

周家嘴路隧道作為雙層盾構(gòu)道路隧道，由于斷面利用率高，難以設(shè)置合適的重點排煙風(fēng)道。在采取相應(yīng)措施的情況下，采用縱向通風(fēng)排煙方式來解決排煙問題是合理可行的。

（1）縮短疏散通道的間距能夠有效提升疏散效率，逃生出口間距從120 m縮短為80 m，大約節(jié)省疏散時間36%。

（2）逃生樓梯寬度設(shè)計為0.8 m，隧道內(nèi)乘行人員在火災(zāi)發(fā)生240 s之后，基本全部疏散至逃生出口附近。

（3）泡沫水噴霧系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生5 min之內(nèi)及時開啟，可有效控制溫度的上升，降低火災(zāi)產(chǎn)生的高溫對排隊等候的受困人員的影響。

（4）交通阻塞工況時，通過有效的監(jiān)控和管理措施控制隧道內(nèi)車輛的數(shù)量，限制堵車段長度，有效控制隧道內(nèi)乘行人員數(shù)量，有利于隧道應(yīng)急防災(zāi)安全

[1]郭清超，沈奕，閆治國，等.重點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，2012,8(1):1616-1620.

[2]方銀鋼，朱合華，閆治國，等.上海長江隧道火災(zāi)疏散救援措施研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2010,6(2):418-422.

[3]袁慧.公路隧道火災(zāi)排煙設(shè)計探討[J].山西建筑，2016,42(18): 152-153.

[4]江平，沈斐敏.縱向通風(fēng)對隧道初期火災(zāi)探測的影響[J].市政技術(shù)，2016,34(1):44-46.

U458.1

A

1009-7716（2017）04-0240-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.071

2017-03-01

溫竹茵（1975-），女，碩士，高級工程師，從事隧道設(shè)計及研究工作。