超長(zhǎng)水下隧道重點(diǎn)排煙量計(jì)算研究

梁 園

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，長(zhǎng)大水下公路交通隧道成為連接跨江河湖海城市之間和城際之間重要的交通動(dòng)脈，對(duì)江河湖海兩端城市區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)、經(jīng)濟(jì)協(xié)同發(fā)展起著非常重要的作用。隧道長(zhǎng)度逐年突破，尤其水下隧道下穿的暗埋段長(zhǎng)度越來越長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)在建城市公路隧道水下段已超過10 km。水下隧道下穿江、河、湖、海時(shí)，在施工難度可控范圍內(nèi)，若在水中建造人工島、設(shè)置隧道通風(fēng)排煙機(jī)房，極大增加了工程投資和工程復(fù)雜性，并且隨著國(guó)家環(huán)評(píng)報(bào)批、生態(tài)紅線規(guī)定越來越嚴(yán)，在生態(tài)湖等設(shè)島的可能性減小，這對(duì)水下隧道通風(fēng)排煙及疏散逃生防災(zāi)系統(tǒng)提出了新難題［1］。從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀看，分段排煙方式可實(shí)施性較難。調(diào)查得知，目前我國(guó)建成及在建的特長(zhǎng)水下隧道大多采用縱向通風(fēng)＋重點(diǎn)排煙方式［2］。重點(diǎn)排煙量是重點(diǎn)排煙系統(tǒng)的最重要參數(shù)之一，我國(guó)相關(guān)規(guī)范針對(duì)公路隧道重點(diǎn)排煙量的計(jì)算方法均不詳細(xì)，涉及內(nèi)容少。本文分析了影響重點(diǎn)排煙量的因素、計(jì)算方法，為該系統(tǒng)的合理設(shè)置提供理論基礎(chǔ)，保證了隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員和車輛能夠安全撤離。

2 重點(diǎn)排煙系統(tǒng)及排煙量相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 住建部頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求

《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014）針對(duì)城市交通隧道的防火設(shè)計(jì)有相關(guān)規(guī)定，其中城市交通隧道的通風(fēng)和排煙系統(tǒng)應(yīng)符合以下規(guī)定［3］：

長(zhǎng)度大于3 000 m的隧道，宜采用縱向分段排煙方式或重點(diǎn)排煙方式；單洞雙向交通隧道，宜采用重點(diǎn)排煙方式。

規(guī)定大于3 km的長(zhǎng)大隧道宜采用縱向分段排煙或重點(diǎn)排煙方式，以控制煙氣的影響范圍。重點(diǎn)排煙是橫向排煙方式的一種特殊情況，即在隧道縱向設(shè)置專用排煙風(fēng)道，并設(shè)置一定數(shù)量的排煙口，火災(zāi)時(shí)只開啟火源附近或火源所在設(shè)計(jì)排煙區(qū)的排煙口，直接從火源附近將煙氣快速有效地排出行車道空間，并從兩端洞口自然補(bǔ)風(fēng)，隧道內(nèi)可形成一定的縱向風(fēng)速。

條文說明中提到重點(diǎn)排煙的排煙量應(yīng)根據(jù)火災(zāi)規(guī)模、隧道空間形狀等確定，排煙量不應(yīng)小于火災(zāi)的產(chǎn)煙量。隧道中重點(diǎn)排煙的排煙量目前還沒有公認(rèn)的數(shù)值，沒有明確重點(diǎn)排煙量計(jì)算方法，選取國(guó)際道路協(xié)會(huì)（PIARC）推薦的煙霧體積流量作為參考，見表1。

_表1_國(guó)際道路協(xié)會(huì)推薦的煙霧體積流量

2.2 交通運(yùn)輸部頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG／T D70／2-02-2014）針對(duì)公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中防排煙系統(tǒng)有相關(guān)規(guī)定，其中公路隧道火災(zāi)防煙與排煙應(yīng)符合以下規(guī)定［4］：

用全橫向、半橫向及集中排煙的公路隧道，火災(zāi)煙霧生成率可按表2取值。

_表2 全橫向、半橫向及集中排煙的隧道火災(zāi)煙霧生成_率

本條煙霧生成率的取值參照了國(guó)際道路協(xié)會(huì)（PIARC）、歐洲等國(guó)外相關(guān)技術(shù)資料。采用全橫向、半橫向及集中排煙的隧道火災(zāi)排煙需風(fēng)量與煙霧生成率、隧道斷面積、縱向風(fēng)速等因素有關(guān)。

2.3 地方頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

湖南省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《公路隧道消防技術(shù)規(guī)范》（DB／43729-2012）針對(duì)湖南省公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)中集中式排煙系統(tǒng)排煙量推薦值見表 3［5］。

表3_排煙量推薦值

上海市住建管理委員會(huì)批準(zhǔn)發(fā)布的《道路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DG／TJ 08-2033-2017）針對(duì)上海地區(qū)城市和公路機(jī)動(dòng)車專用道路隧道設(shè)計(jì)有相關(guān)規(guī)定，當(dāng)隧道采用重點(diǎn)排煙時(shí)，應(yīng)符合以下規(guī)定［6］：

排煙量應(yīng)按設(shè)計(jì)火災(zāi)規(guī)模計(jì)算確定，并考慮土建排煙風(fēng)道和排煙口的漏風(fēng)量等因素。

3 重點(diǎn)排煙量計(jì)算

（1）隧道火災(zāi)時(shí)的排煙量可采用《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251-2017）羽流質(zhì)量流量的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算［7-8］。

當(dāng)Z＞Z1：

當(dāng)Z≤Z1：

式中，QC為熱釋放速率的對(duì)流部分，一般取值QC＝0.7Q（kW）；Z為燃料面到煙層底部的高度（m）；Z1為火焰極限高度（m）。

體積產(chǎn)煙量計(jì)算公式：

式中，V為排煙量（m3／s）；ρ0為環(huán)境溫度下的空氣密度（kg／m3）；TO為周圍空氣溫度（K）；T為煙層的平均絕對(duì)溫度（K）。

重點(diǎn)排煙量計(jì)算還應(yīng)考慮排煙道及排煙口漏風(fēng)量、隧道斷面積、縱向風(fēng)速等因素有關(guān)，其中排煙道漏風(fēng)量受隧道管線、結(jié)構(gòu)施工縫等布置影響難以量化；隧道斷面尺寸源于施工工法不同，排煙口布置位置與隧道橫斷面產(chǎn)生影響關(guān)系，造成排煙口處新風(fēng)吸入比例不同；縱向風(fēng)速影響重點(diǎn)排煙效果，該影響因子可作為系統(tǒng)排煙效果分析，不進(jìn)行計(jì)算量化。

（2）根據(jù)公共安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《排煙閥（口）》（GA 481-2004）中對(duì)排煙口漏風(fēng)量規(guī)定：

當(dāng)排煙閥（口）前后壓差為1 000 Pa±15 Pa時(shí)，其單位面積在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的漏風(fēng)量不應(yīng)大于700 m3／（m2·h），即 0.19 m3／（m2·s）。

《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG／T D70／2-02-2014）中對(duì)風(fēng)閥規(guī)定如下：

風(fēng)閥應(yīng)與通風(fēng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的氣密性；在不大于2 000 Pa壓差的情況下，風(fēng)閥單位面積的漏風(fēng)量不應(yīng)大于 0.1 m3／（m2·s）。

排煙閥產(chǎn)生的漏風(fēng)量Q1＝0.1×N×A（m3／s）

（3）PIARC提出了排煙口設(shè)置在側(cè)部，且排煙口頂部與隧道頂部重合時(shí)，隧道兩側(cè)設(shè)排煙口與頂部設(shè)排煙口相比，其排煙效率會(huì)下降5%～10%；隧道單側(cè)設(shè)置排煙口與頂部設(shè)排煙口相比，其排煙效率會(huì)下降 15% ～20%［9-10］。

4 工程研究數(shù)據(jù)分析

4.1 隧道概況

江浙區(qū)域某一級(jí)公路以隧道形式下穿水域，采用雙向六車道一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度100 km／h，隧道建筑長(zhǎng)度約7 740 m，暗埋段7 210 m。水下隧道采用多個(gè)W型的組合縱坡，隧道的最小凸形豎曲線和最小凹型豎曲線半徑均為10 000 m。隧道的最大縱坡為3%，最小縱坡為0.3%，隧道分段見圖1和表4。

圖1 隧道縱斷面

表4_隧道分段樁號(hào)

根據(jù)線路設(shè)計(jì)，該隧道為雙向六車道，設(shè)置連續(xù)式緊急停車帶，設(shè)計(jì)車速為100 km／h。斷面采用雙孔一管廊的形式，單孔凈寬17.45 m，凈高7.35 m，中間管廊寬度為5.0 m，上部為排煙風(fēng)道。隧道橫斷面見圖2。為解決隧道在發(fā)生火災(zāi)時(shí)洞內(nèi)人員的避難逃生問題，防災(zāi)救援系統(tǒng)非常重要，湖中無法設(shè)置排煙風(fēng)井，應(yīng)采用重點(diǎn)排煙系統(tǒng)。

圖2 隧道橫斷面

4.2 隧道重點(diǎn)排煙工況模擬及分析

本工程火災(zāi)熱釋放率取值為50 MW［11］，按上述計(jì)算方法，排煙口所需排煙量取141 m3／s、161.5m3／s，排煙風(fēng)口在單則設(shè)置的效率值取85%，所需火災(zāi)時(shí)開啟排煙口的總排煙量Q1為190 m3／s?？紤]排煙口單位面積漏風(fēng)量取值0.1 m3／（m2·s），排煙口尺寸3 m×2 m，隧道兩端排煙風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)總漏風(fēng)量取值 70 m3／s，排煙管道風(fēng)量Q2為225 m3／s，根據(jù)規(guī)范要求混凝土煙道內(nèi)最大允許排煙風(fēng)速為15 m／s，計(jì)算得到排煙道橫斷面面積不小于15 m2。

使用火災(zāi)煙氣模擬軟件FDS建立隧道火災(zāi)模型，對(duì)重點(diǎn)排煙量為141、161.5、190、210、240 m3／s共6種工況進(jìn)行重點(diǎn)排煙情況模擬，模擬計(jì)算采用的斷面尺寸為實(shí)際的隧道斷面尺寸，見圖3、圖4。在隧道側(cè)壁設(shè)置排煙口，排煙口在火源燃燒90 s后開始排煙。

圖3 建立的隧道模型

圖4 X-Z軸方向上幾何模型截面圖

隧道側(cè)壁相鄰排煙孔間距為60 m，火源為“T2工況”火，應(yīng)用軟件自帶的反應(yīng)為庚烷燃燒反應(yīng)，火源位于隧道中部，即y＝250 m處?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)開啟離火源最近的6個(gè)排煙孔（Y＝100 m、Y＝160 m、Y＝220 m、Y＝280 m、Y＝340 m、Y＝400 m），每個(gè)排煙孔尺寸為3 m×2 m（寬×高）。重點(diǎn)排煙各工況下排煙效果見表5，重點(diǎn)排煙口的效率分析結(jié)果見圖5。

_表5_重點(diǎn)排煙各工況_排煙效果分析匯總

圖5 各工況下重點(diǎn)排煙口的排煙效率

模擬數(shù)據(jù)整理匯總在表5，可知側(cè)壁排煙方式下，工況1～工況6的排煙口總排煙量均按大于煙霧生成率的100 m3／s；工況1和工況2在煙層厚度不同的前提下，所需排煙量分別為 141 m3／s、161.5 m3／s，但未考慮排煙口單側(cè)設(shè)置效率下降，排煙效率介于49%～60%，可用疏散時(shí)間介于370～380 s；工況3按照PIARC報(bào)告考慮排煙口單側(cè)設(shè)置效率下降15%，排煙量為190 m3／s，模擬計(jì)算的總排煙效率為71.1%，即排煙效率下降28.9%，較PIARC報(bào)告效率下降推薦值10%～15%大，此時(shí)可用疏散時(shí)間提供393 s；當(dāng)排煙量為210 m3／s即工況4時(shí)，排煙效率達(dá)80.4%，可用疏散時(shí)間397 s；當(dāng)排煙量為排煙口可允許最大值240 m3／s時(shí)，工況5的排煙效率達(dá)87.2%，可用疏散時(shí)間399 s。因此計(jì)算重點(diǎn)排煙量必須考慮排煙口設(shè)置造成的效率下降因素。

工況6在工況3的基礎(chǔ)上考慮交通通風(fēng)力等影響［12］，增加斷面縱向風(fēng)速 1.5 m／s，排煙效率僅為60.3%，即縱向風(fēng)速過大對(duì)排煙效率影響較大，但改變開啟排煙口方案，上游開啟2個(gè)排煙口使上游煙氣得到很好控制，模擬時(shí)間900 s內(nèi)未出現(xiàn)危險(xiǎn)，下游開啟4個(gè)排煙口因?yàn)樾氏陆担艧熆诨烊氲男嘛L(fēng)比例增大，下游可用疏散時(shí)間下降到382 s。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）隧道火災(zāi)時(shí)，采用《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51251-2017）羽流質(zhì)量流量的計(jì)算公式進(jìn)行煙氣質(zhì)量流量計(jì)算。

（2）根據(jù)體積產(chǎn)煙量計(jì)算公式，在煙氣質(zhì)量流量數(shù)值基礎(chǔ)上計(jì)算出排煙口理論總排煙量。

（3）排煙口設(shè)置對(duì)排煙效率的影響不可忽視，推薦按照PIARC報(bào)告提出的原則考慮，即：排煙口設(shè)置在側(cè)部，且排煙口頂部與隧道頂部重合時(shí)，隧道兩側(cè)設(shè)排煙口與頂部設(shè)排煙口相比，其排煙效率會(huì)下降5%～10%；隧道單側(cè)設(shè)置排煙口與頂部設(shè)排煙口相比，其排煙效率會(huì)下降15%～20%。

（4）考慮排煙效率折損后，應(yīng)通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)行重點(diǎn)排煙效果校驗(yàn)，通過校驗(yàn)在（1）～（3）基礎(chǔ)上調(diào)整排煙口的重點(diǎn)排煙量及排煙口開啟方式。

（5）排煙風(fēng)道、排煙風(fēng)機(jī)的重點(diǎn)排煙量應(yīng)考慮排煙口單位面積漏風(fēng)量，取值 0.1 m3／（m2·s），根據(jù)規(guī)范要求排煙風(fēng)道最大允許排煙風(fēng)速得出最小排煙道橫斷面面積、排煙風(fēng)機(jī)。