越江盾構(gòu)隧道排煙口設(shè)置位置對(duì)比研究

陳 兵，牛忠臣，蔣亞強(qiáng)，時(shí)訓(xùn)先

(1.中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院，北京 100012；2.武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.應(yīng)急管理部四川消防研究所，四川 成都 610036)

近年來，隨著盾構(gòu)裝備技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)法施工在跨江越海隧道工程中得到了大量應(yīng)用，如國外的英法海峽隧道，國內(nèi)的武漢長江隧道、上海長江隧道等[1]。然而盾構(gòu)隧道排煙空間相對(duì)較小，這也給盾構(gòu)隧道火災(zāi)防治帶來了新的挑戰(zhàn)[2]。目前國內(nèi)外對(duì)隧道排煙已經(jīng)開展了大量的研究[3-5]，但對(duì)于盾構(gòu)隧道火災(zāi)煙氣控制的研究較少，另外，考慮到盾構(gòu)隧道現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性和成本因素，這些研究多以數(shù)值模擬為主。盾構(gòu)法施工會(huì)在隧道的頂部和兩側(cè)形成弧頂和弧邊，可以用作排煙通道，故盾構(gòu)隧道常采用頂部通道或側(cè)壁通道排煙這樣的半橫向集中排煙方式。

ZHU等[6]通過CFD模擬研究了盾構(gòu)大斷面隧道火災(zāi)點(diǎn)式排煙方式的可行性與有效性。XU等[7]通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)雙層盾構(gòu)隧道排煙系統(tǒng)的合理排煙量進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)140 m3/s的排煙量較為合理。王忠等[8]分析了海底隧道火災(zāi)煙氣的特點(diǎn)和危害，結(jié)合膠州灣海底隧道的實(shí)際情況，對(duì)不同情況下半橫向通風(fēng)的排煙效果展開了模擬研究。陳娟娟等[9]利用FDS模擬研究了側(cè)壁排煙時(shí)不同排煙口數(shù)量和面積對(duì)盾構(gòu)隧道溫度、排煙速率及排煙效果的影響。潘一平等[10]借助CFD技術(shù)，研究了盾構(gòu)隧道頂部排煙時(shí)排煙閥開啟個(gè)數(shù)、設(shè)置間距等因素對(duì)單向和雙向兩種集中排煙模式的總排煙效率和單個(gè)排煙閥排煙效率的影響。方正等[11]通過模擬研究了武漢長江盾構(gòu)隧道頂部排煙不同火源功率時(shí)隧道內(nèi)縱向風(fēng)速對(duì)煙氣流動(dòng)和隧道內(nèi)溫度分布的影響。

綜上可以看出，目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在頂部和側(cè)壁排煙的排煙口數(shù)量和位置設(shè)置對(duì)排煙效果的影響，而較少對(duì)這兩種排煙方式的煙氣控制效果進(jìn)行對(duì)比研究。筆者基于數(shù)值模擬的方式，研究盾構(gòu)隧道頂部排煙和側(cè)壁排煙模式對(duì)隧道煙氣層高度、拱頂溫度及排熱效率等參數(shù)指標(biāo)的影響，對(duì)比分析兩種排煙模式對(duì)煙氣的控制效果，以期為盾構(gòu)隧道通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)方案比選提供理論參考。

1 模型建立

火災(zāi)煙氣控制的研究方法主要有物理模型試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真。數(shù)值模擬具有靈活多變、周期短、節(jié)約試驗(yàn)成本等優(yōu)點(diǎn)，因此筆者采用在消防領(lǐng)域廣泛使用的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)軟件FDS(fire dynamics simulator)開展研究。FDS是由美國 NIST開發(fā)完成的專門用于火災(zāi)模擬的計(jì)算程序[12]，主要針對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的煙氣流動(dòng)及熱傳遞進(jìn)行求解，目前已經(jīng)得到建筑、消防等領(lǐng)域的廣泛認(rèn)可。

1.1 隧道幾何尺寸和邊界條件

以某越江盾構(gòu)雙層隧道為基礎(chǔ)模型，建立1 000 m長的盾構(gòu)隧道模型，并選擇其上層隧道作為計(jì)算區(qū)域，模擬火災(zāi)發(fā)生后1 200 s內(nèi)的煙氣蔓延狀態(tài)。其中，盾構(gòu)隧道外徑為14 m，內(nèi)徑為13 m，車道總寬為8 m。頂部設(shè)排煙道時(shí)，車道凈高為4.5 m，頂部排煙盾構(gòu)隧道截面圖如圖1所示。側(cè)壁設(shè)排煙道時(shí)，車道凈高為6 m。頂部排煙時(shí)，隧道內(nèi)空間包括行車道、頂部煙道隔板、頂部排煙口、頂部排煙道;側(cè)壁排煙時(shí)，隧道內(nèi)包括行車道、側(cè)壁排煙口、側(cè)壁排煙道，側(cè)壁排煙盾構(gòu)隧道側(cè)視圖如圖2所示。隧道兩端為自然通風(fēng)出口邊界，環(huán)境溫度為 20°C。排煙口設(shè)置于火源下游，距離火源10 m處，設(shè)置4個(gè)1 m×2 m(寬×高)的排煙口，相鄰排煙口間距為3 m。側(cè)壁排煙時(shí)排煙口位于弧頂與側(cè)壁的交接處，頂部排煙時(shí)排煙口位于頂部隔板中心位置，高度均為4.5 m。

圖1 頂部排煙盾構(gòu)隧道截面圖

圖2 側(cè)壁排煙盾構(gòu)隧道側(cè)視圖

在頂板下方0.5 m處，從火源中心處開始，分別向火源上游和下游設(shè)置熱電偶，熱電偶間距為20 m，共設(shè)置50個(gè)熱電偶，用以監(jiān)測拱頂溫度；隧道中間位置設(shè)置有Layer-zoning用以監(jiān)測煙氣層高，橫向間距為20 m；每個(gè)排煙口處設(shè)置有Heat-Flow，用以監(jiān)測通過排煙口的排熱量。

1.2 火災(zāi)場景

火源位于隧道中央(500 m處)，火源功率選取一輛長途汽車著火時(shí)的釋放熱量功率，即20 MW[13]。模擬燃料為柴油火，燃燒模型設(shè)置為：C=12；H=23；燃料熱值取47 MJ/kg[14]。

根據(jù)火災(zāi)熱釋放速率的不同，火災(zāi)模型可分為穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種，熱釋放速率為定值的火源為穩(wěn)態(tài)火源，熱釋放速率隨時(shí)間變化的火災(zāi)即為非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)，防火工程師常采用t2(NFPA92B,2 000)型火災(zāi)來近似描述非穩(wěn)態(tài)火災(zāi)。

Q=αt2

(1)

式中：Q為火源的熱釋放速率；α為推薦系數(shù)；t為火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間。

以往的研究表明，隧道火災(zāi)一般會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)最大的火源功率，因此筆者考慮超快速火災(zāi)，令α取0.187 6，即火災(zāi)發(fā)生300 s后，火源的熱釋放速率達(dá)到穩(wěn)定值20 MW，此后保持穩(wěn)定不變。

根據(jù)Heskestad羽流模型[15](如式(2)所示)，火源功率為20 MW時(shí)煙氣生成量約為76 m3/s，結(jié)合我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，筆者將4個(gè)排煙口風(fēng)速均設(shè)為10 m/s(對(duì)應(yīng)總排煙量為80 m3/s)，風(fēng)機(jī)于火災(zāi)發(fā)生60 s后開啟。

(2)

式中：mp為羽流質(zhì)量流量；Q為火源的熱釋放速率；z1為火焰限制高度；z為燃料面到煙氣層底部的高度(取值應(yīng)大于等于最小清晰高度2 m)。設(shè)燃料面為行車道路面，當(dāng)煙氣全部被排出時(shí)，煙氣層底部即為排煙道頂板底面，此時(shí)z即為行車道路面到排煙道頂板底面的高度4.5 m。

1.3 網(wǎng)格設(shè)置

在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格精度是影響計(jì)算結(jié)果的一個(gè)重要因素。網(wǎng)格尺寸越小，模擬精度越高，所得到的模擬結(jié)果也就越準(zhǔn)確，但是過于精細(xì)的網(wǎng)格尺寸又會(huì)導(dǎo)致對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求過高、模擬時(shí)間長等問題。因此，在建立隧道模型時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)需要?jiǎng)澐趾线m的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。SMARDZ[16]研究表明劃分網(wǎng)格時(shí)采用0.1倍火源特征直徑的尺寸更能使模擬結(jié)果與實(shí)際相符?；鹪刺卣髦睆紻*通常表示為：

(3)

式中：Q為火源的熱釋放速率；ρ∞為熱空氣密度;Cp為定壓比熱;T∞為熱空氣溫度;g為重力加速度。

火源功率為20 MW時(shí)，火源特征直徑為4.7 m，因此在火源和排煙口附近(490 m～530 m)，設(shè)置網(wǎng)格精度為0.25 m，其余部分為0.5 m，總網(wǎng)格數(shù)為645 120，如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

2 模擬結(jié)果與分析

模擬火災(zāi)初期，火源功率較小，且排煙風(fēng)機(jī)未開啟，煙氣在隧道頂部沿縱向蔓延，火災(zāi)發(fā)生60 s后開啟排煙風(fēng)機(jī)，側(cè)壁和頂部排煙口都能很好地控制煙氣繼續(xù)蔓延，但隨著火源功率的快速增大，煙氣量迅速增加，側(cè)壁排煙時(shí)煙氣逐漸不受排煙口控制，繼續(xù)在隧道頂部沿縱向蔓延；頂部排煙時(shí)對(duì)下游煙氣有較好的控制。隧道內(nèi)煙氣流動(dòng)的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

2.1 煙氣層厚度

盾構(gòu)雙車道頂部排煙與側(cè)壁排煙的煙氣層厚度對(duì)比如圖5所示，由圖5可知，不同時(shí)刻側(cè)壁排煙模式下煙氣層厚度要明顯大于頂部排煙模式下煙氣層厚度。頂部排煙時(shí)，隨著火災(zāi)的發(fā)展，煙氣在隧道內(nèi)逐漸蓄積，煙氣層厚度也不斷增加?；馂?zāi)發(fā)生300 s之后，排煙口下游的火災(zāi)煙氣厚度幾乎為0，表明頂部排煙可以很好地控制火災(zāi)煙氣向下游移動(dòng)。側(cè)壁排煙時(shí)，由于排煙口設(shè)置在隧道的一側(cè)，煙氣在隧道中積聚到一定厚度時(shí)才能排出較多的煙氣，當(dāng)排煙口對(duì)煙氣蔓延的影響較小時(shí)，煙氣層厚度在火源兩側(cè)近似呈對(duì)稱的M型分布，即其對(duì)煙氣控制力較差。

圖4 不同時(shí)刻煙氣分布側(cè)視圖

圖5 兩種排煙模式下隧道煙氣層厚度對(duì)比

2.2 拱頂溫度

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，隧道內(nèi)溫度會(huì)急劇上升，受浮力效應(yīng)的影響火災(zāi)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔鈺?huì)使隧道頂部積聚大量的熱量，因此相較于其他部位，隧道拱頂更容易被破壞，因此拱頂溫度是隧道排煙排熱系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)。兩種排煙模式下，不同時(shí)刻拱頂溫度對(duì)比如圖6所示，由圖6可看出，在60 s時(shí)，排煙風(fēng)機(jī)剛剛開啟，此時(shí)產(chǎn)生的煙氣量較少，煙氣蔓延距離較短，拱頂高溫區(qū)域較少，主要集中在火源上方附近。120 s時(shí)，雖已產(chǎn)生較多的煙氣，但由于開啟了排煙風(fēng)機(jī)，因此煙氣蔓延距離較短，拱頂高溫區(qū)域較少，仍集中在火源上方附近，但拱頂最高溫度上升了約60 ℃。

從300 s和1 000 s時(shí)的拱頂溫度可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)產(chǎn)生大量煙氣后，拱頂溫度主要受排煙系統(tǒng)的排煙效果影響。此時(shí)頂部排煙的火源上方的拱頂區(qū)域溫度較高，大于安全溫度400 ℃。但是頂部排煙對(duì)火源下游的煙氣控制效果較好，頂部排煙隧道的火源下游基本無煙氣，拱頂溫度基本為環(huán)境溫度。而側(cè)壁排煙隧道拱頂溫度則從火源位置開始在火源兩側(cè)慢慢衰減，設(shè)置排煙口火源下游的拱頂溫度并無明顯下降趨勢，因此頂部設(shè)置排煙口的拱頂溫度下降更為明顯。

圖6 兩種排煙模式下不同時(shí)刻拱頂溫度對(duì)比

2.3 排熱效率

特長隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的煙氣控制是隧道火災(zāi)防治的重點(diǎn)難點(diǎn)之一，僅僅采用隧道內(nèi)煙氣層高、排煙量、濃度、壓力及溫度等指標(biāo)無法綜合評(píng)估隧道排煙系統(tǒng)對(duì)煙氣的控制效果，存在較大的誤差。而排熱效率是一個(gè)量化指標(biāo)，可以作為集中排煙效果的一個(gè)衡量依據(jù)，可從宏觀上評(píng)估隧道火災(zāi)發(fā)生時(shí)側(cè)壁和頂部的排煙效果。通過計(jì)算排煙風(fēng)機(jī)排出熱量與火源釋放熱量之比推導(dǎo)出排煙風(fēng)機(jī)的排熱效率λ(t)，0 s～1 200 s內(nèi)的總排熱效率可用式(4)計(jì)算。

λ(t)=Qp(t)/Q(t)×100%=

(4)

式中：Qp(t)為排煙口的排熱量；Q(t)為火源釋放熱量；Qm為排煙口排熱速率；Q為火源熱釋放速率。

排煙口排熱效率如圖7所示，由圖7可知，靠近火源的側(cè)壁排煙口1和排煙口2的排熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于頂部排煙口1和排煙口2的排熱效率，兩種模式下排煙口3的總排熱效率基本相同，兩種模式下排煙口4的排熱效率則是側(cè)壁大于頂部，其主要原因是因?yàn)轫敳靠拷鹪吹呐艧熆谖樟舜蟛糠譄崃?，火源下游的煙氣溫度較側(cè)壁模式下的下游溫度更低。1 000 s時(shí)排煙口處的溫度云圖如圖8所示，可知頂部排煙時(shí)火源下游溫度要遠(yuǎn)低于側(cè)壁排煙，經(jīng)計(jì)算盾構(gòu)側(cè)壁4個(gè)排煙口的總排熱效率為39.5%，盾構(gòu)頂部4個(gè)排煙口的總排熱效率為48.5%，頂部排熱效率比側(cè)壁排熱效率高9%。

圖7 排煙口排熱效率

圖8 1 000 s排煙口處溫度云圖

3 結(jié)論

筆者對(duì)盾構(gòu)雙層四車道隧道上層火災(zāi)(20 MW)發(fā)生時(shí)，側(cè)壁和頂部不同位置排煙口的排煙效果開展模擬分析，得出以下結(jié)論：①隨著火災(zāi)發(fā)展至穩(wěn)定階段，側(cè)壁排煙模式火源下游的煙氣厚度明顯增加，火源上方拱頂高溫區(qū)域向火源兩邊擴(kuò)散，上下游拱頂高溫區(qū)域基本對(duì)稱分布，排煙口逐漸對(duì)火源下游的煙氣失去控制。②頂部排煙模式下，火源下游的煙氣厚度得到很好的控制，火源下游的拱頂溫度基本無高溫區(qū)域，排煙系統(tǒng)較好地控制了向下游蔓延的煙氣。③對(duì)于盾構(gòu)雙層四車道隧道，頂部排煙較好地控制了下游煙氣，下游煙氣層厚度及拱頂高溫區(qū)域較小，頂部排煙的排熱效率比側(cè)壁排煙高9%，綜合來講頂部排煙的排煙效果優(yōu)于側(cè)壁排煙。因此，在設(shè)計(jì)雙車道盾構(gòu)隧道時(shí)，在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先考慮頂部排煙模式。