公路隧道機械排煙效果影響因素研究綜述

楊 黎，楊瑩瑩，韋良文，劉佳亮,李林杰

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

隧道空間相對狹窄、排煙通道有限，隧道發(fā)生火災時有毒氣體不能夠及時排出從而導致受困人員窒息是造成隧道火災傷亡慘重的主要原因。1919年，美國結合紐約市荷蘭隧道這一實際工程對公路隧道的通風問題進行了研究，并自此將400 ppm作為隧道設計時的CO設計濃度值。這次劃時代的研究推開了人們對公路隧道通風問題研究的大門。我國交通運輸部在1999年發(fā)布了《公路隧道通風照明設計規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)，該規(guī)范明確提出“通風設計時必須考慮火災對策，長度大于1 500 m且交通量較大的隧道應考慮排煙措施”。2014年頒布的《公路隧道設計規(guī)范 第二冊交通工程與附屬設施》(JTG D70/2—2014)和《公路隧道通風設計細則》(JTG D70/2-02—2014)對隧道發(fā)生火災時的排煙措施提出了更高的要求。

隨著隧道工程逐漸向著長、特長方向發(fā)展，在隧道發(fā)生火災時，如何高效地將煙氣分離保證維生環(huán)境是現(xiàn)今隧道火災研究的重要課題。

1 國內(nèi)外隧道通風方式發(fā)展進程

20世紀80年代以前，國際普遍采用的隧道通風方式是橫向式或半橫向式通風，例如瑞士、奧地利、意大利等歐洲國家[1]。 首次采用半橫向式通風方案的是英國人修建的莫爾西隧道，全長3 226 m；圣哥達公路隧道，全長16 900 m，建成于 1980年9月，是當時全球第二長的公路隧道，采用半橫向通風方式；1987年奧地利建成的普拉布奇隧道，全長9 634 m，采用的是全橫向通風方式。20世紀80年代來，雙洞方案逐步取代了單洞方案，分段縱向通風方式走上了歷史舞臺。縱向通風方案逐漸成為主流，取代了過去的全橫向、半橫向通風方式[2]。日本在對隧道縱向通風方面的研究一直名列前茅，日本長、大公路隧道幾乎全部采用了縱向通風方案。1990年，日本關越隧道全長11 010 m，首次在全長超過10 km的隧道上運用了豎井縱向通風。歐洲方面，始建于1995年的艾于蘭-洛達爾隧道，采用了縱向通風方案，全長24 500 m，是當時世界上最長的公路隧道。

我國的隧道通風方式經(jīng)歷了從橫向、半橫向到縱向式通風的發(fā)展歷程，其中縱向式通風又可以分為豎井式、射流式、斜井式和混合式縱向通風。具有代表性的隧道有：1989年的甘肅七道梁隧道、中梁山隧道、二郎山隧道、大溪嶺隧道、大別山隧道、縉云山隧道等。特別是在1995年建成的處于成渝高速公路上的中梁山隧道、縉云山隧道，大膽地將原設計的橫向通風更改為了全射流縱向通風和豎井縱向分段通風，開創(chuàng)了我國大、長公路隧道縱向通風的先河。

縱觀全世界，在20世紀80年代以前，隧道通風方式以橫向、半橫向為主，到了20世紀80年代以后縱向通風在隧道通風系統(tǒng)中興盛了起來。

2 公路隧道機械排煙方式

公路隧道排煙主要分為兩類，一類是機械排煙，一類是自然排煙。機械排煙主要是利用隧道內(nèi)的通風設備將新鮮的空氣送入隧道內(nèi)，與隧道內(nèi)的空氣進行交換。自然排煙是通過隧道內(nèi)外風壓不同或空氣溫度差促使空氣發(fā)生交換。筆者主要論述了公路隧道縱向機械排煙和公路隧道集中排煙兩種方式及其影響因素。

2.1 公路隧道縱向機械排煙

縱向排煙是在隧道內(nèi)發(fā)生火災的情況下，利用隧道內(nèi)的通風設備，如安裝在隧道頂部或墻體兩側的射流風機、豎井，將外界的空氣送入隧道。排煙情況如圖1所示。

圖1 豎井式縱向排煙方式

縱向排煙時，氣流方向與車行方向一致。其原理是將煙霧吹向火源的下游，使上游有足夠的時間和空間對人員、車輛進行疏散和實施救援[3]?；馂陌l(fā)生后高溫煙氣會迅速往隧道坡度較高的區(qū)域蔓延，適當?shù)目v向通風可防止煙氣回流，向人員疏散方向擴散，因此縱向通風速度必須大于臨界風速[4]。

縱向通風分為兩類：①射流式通風。射流式通風是在車道空間上方吊設射流風機進行通風。隧道內(nèi)交通方式不同，射流式通風適用的距離亦不相同，雙向式交通隧道短于1 000 m，單向交通時適用的最大距離可達2 000 m。如果交通量小，即使隧道很長仍可運用。射流式通風設備費用低,但噪聲較大。②豎井分段式縱向通風。雙向交通時，適用于3 000 m以下的隧道，單向交通時，適用1 500 m以下的隧道。

2.2 公路隧道集中排煙

集中排煙方式在國外使用較早，常用于雙向公路隧道和特長隧道。如瑞士Giswil隧道、斯洛伐克Branisko隧道、奧地利Tauern隧道。我國首次采用這種排煙方式是在香港鷹巢隧道。集中排煙方式屬于橫向排煙的一種，按照其布置形式的不同可以分為雙向排煙和單向排煙兩種[5],分別如圖2和圖3所示。隧道集中排煙是在距離隧道頂部一定距離處設置頂板以形成獨立的排煙道，在頂板上布置一定數(shù)量間距、大小合適的排煙閥，排煙道和行車道通過排煙閥相互連接。當火災發(fā)生時，打開排煙閥，煙氣進入排煙道后通過與外界相通的豎井或斜井排出。這種排煙方式能夠快速、高效地排出煙氣，給受困者一個安全的環(huán)境，大大降低了救援的難度[6]。集中排煙通常與橫向通風模式相結合使用，需要在隧道內(nèi)修建送風道和排煙道，提高了運營費用和管理費用。

圖2 雙向排煙模式

圖3 單向排煙模式

隨著特長隧道的日益增多，大量學者開展了對公路隧道集中排煙模式的研究，如李婷婷等[7]利用數(shù)值模擬方法對長大隧道內(nèi)火災燃燒特性和氣體散布規(guī)律進行了研究, 并對不同火災情況下的通風措施和橫向通道疏散方法進行了優(yōu)化；袁慧[8]對比分析了縱向排煙方式和集中排煙方式的優(yōu)缺點，提出了在長隧道的設計中應當將通風方式與排煙方式分別進行設計；鐘坤[9]提出了長隧道應當采取縱向通風和集中排煙相結合的排煙方式；劉明[10]針對浙江省蒼嶺隧道，采用CFD對比分析了縱向通風模式和縱向通風+集中排煙模式下煙氣的蔓延范圍及可見度，研究表明當設有集中排煙通道時可以將煙氣控制在一定范圍內(nèi)且蔓延的速度較緩，而在縱向通風模式下煙氣會較快地蔓延至整個隧道。集中排煙通道使縱向射流射風機開啟時煙氣層擾動小，進而使得隧道內(nèi)的可見度通常在可接受范圍內(nèi)，這對于人員疏散十分有利。WANG等[11]提出了適用于定量分析縱向通風與集中排煙相結合的通風排煙模式下煙氣回流長度的模型。

綜上所述，隨著對長大隧道的需求不斷增加，縱向通風與集中排煙相結合的通風模式將會運用得越來越廣泛，這種排煙方式將會是引領未來隧道排煙通風的發(fā)展方向。

3 公路隧道縱向排煙影響因素

3.1 臨界風速

臨界風速是為了避免隧道火災煙氣與縱向通風方向相反運動、發(fā)生倒流所需要的最小風速[12]。臨界風速值通常是基于保留弗洛德數(shù)的半經(jīng)驗方程得到的?；鹪垂β?、火源寬度、火源位置、隧道阻塞比和坡度這幾個因素對臨界風速的大小都存在影響。HESELDEN[13]對水平隧道的臨界風速進行研究，提出了臨界風速與火源功率的關系，認為臨界風速與火源功率的三分之一成正比，在一定范圍內(nèi)臨界風速與熱釋放速率成正比，熱釋放速率越快臨界風速越高，所需要的縱向通風速度就越大。但是據(jù)LI等[14]的研究，對于高展玹比隧道運用臨界弗洛德模型計算臨界風速并不合適。

傾斜隧道中坡度的存在對隧道內(nèi)煙氣的運動有顯著的影響。YI等[15]在對縱向通風條件下傾斜隧道臨界風速的實驗研究中表明隧道坡度可以改變縱向通風隧道的臨界風速值，在一定范圍內(nèi)臨界風速隨隧道坡度的增大而減小。事實上大多數(shù)傾斜隧道的傾角比較小，故傾斜隧道與水平隧道的臨界風速差距并不大。

3.2 火災煙氣分層

煙氣層的判定通常依靠溫度梯度變化、煙氣濃度以及能見度作為依據(jù)。目前，與目測結果最相接近的是高子鶴[16]通過理論分析與小尺寸實驗，對無風條件下采用浮力頻率法確定煙氣分層高度的理論研究。

劉曉陽等[17]研究發(fā)現(xiàn)煙氣層高度及穩(wěn)定性與火源測點、火源間距、隧道內(nèi)的通風情況和有無排煙有關。在隧道的末端，煙氣遇冷發(fā)生沉降，煙氣回流到隧道內(nèi)部，回流煙氣處于熱煙氣層的下方，回流速度小于末端煙氣蔓延速度，煙氣回流一定的距離后再次進入熱煙氣層[18]。

根據(jù)陽東等[19]的研究，當縱向通風超過臨界值時，隧道頂部下方就會形成相對低溫的區(qū)域，由于高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的溫度差異，煙氣就會產(chǎn)生分叉流動。煙氣層與冷空氣層發(fā)生混合致使上部煙氣層與下部冷空氣層的界限模糊，煙氣層的厚度會隨著縱向通風強度的增大先降低后升高。

3.3 隧道坡度

RIESS等[20]研究得出影響傾斜隧道內(nèi)煙氣運動的一個重要因素是煙囪效應，煙囪效應顯著影響傾斜隧道內(nèi)的煙氣運動，并改變溫度分布和煙氣流速。雖然傾斜隧道的傾角一般較小，但隧道內(nèi)高差較大的空間被熱煙占據(jù)，導致煙氣疊加在一起[21-22]。劉拓等[23]建立CFD數(shù)值模型，研究了隧道坡度分別為-3%、0%、3%時不同縱向誘導風速和排煙口開啟方式對隧道內(nèi)溫度、2m高度處的可見度、煙氣蔓延范圍以及排煙效率的影響。結果表明合理的縱向誘導風速能夠有效抑制由隧道坡度引起的“煙囪效應”,有利于火源上游的救援，同時還能夠有效控制煙氣的蔓延范圍。ZHONG等[24]在對縱向通風的傾斜隧道火災煙氣運動的研究中，指出在傾斜隧道火災中機械通風與煙囪效應之間的相互作用會導致多種穩(wěn)定流動模式，在機械通風系統(tǒng)啟動前，煙氣的傳播僅受浮力的驅(qū)動，并有向隧道上部入口擴散的趨勢,機械通風系統(tǒng)的介入導致強制氣流與煙囪效應相互作用，改變了煙氣的傳播趨勢。目前，很少有研究關注煙囪效應及機械通風系統(tǒng)在傾斜隧道煙氣運動中的作用及其對煙氣的控制機制。

3.4 隧道豎井

豎井排煙機制類似于煙囪效應。隧道內(nèi)發(fā)生火災的時候，豎井內(nèi)部與豎井外部之間會形成一個溫度差，根據(jù)熱力學定律，熱量會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳達，因此隧道內(nèi)的高熱煙氣會流向溫度相對較低的豎井內(nèi)部[25]。當豎井足夠高的時候，過大的溫差迫使隧道內(nèi)的冷空氣穿過煙氣層進入豎井，這就是吸穿現(xiàn)象。吸穿現(xiàn)象會嚴重降低豎井的排煙效率，吸穿現(xiàn)象與豎井度、有無縱向通風有重要的聯(lián)系。

在沒有縱向通風的情況下，接近豎井下方排煙口的煙氣層在受到來自豎井上方的風力與自身的慣性共同作用下，煙氣層會產(chǎn)生漩渦，從而降低煙氣層的高度。當豎井的高度較小時，隧道外部的冷空氣會從豎井的上端進入豎井內(nèi)部，阻礙煙氣的排出。

豎井的吸穿現(xiàn)象會隨著豎井高度的增加而增加，適當增加縱向通風，會有效降低吸穿現(xiàn)象。吳德興等[26]采用1∶10的縮尺寸模型，研究發(fā)現(xiàn)當風速小于1.58 m/s時，冷空氣對煙氣層的擾動較小，當風速增加到2.75 m/s時，冷空氣會使煙氣層發(fā)生紊亂而不利于救援。姜童輝[27]研究發(fā)現(xiàn)當縱向風速較大時，豎井內(nèi)部的邊界層會因為逐漸分離而形成較大的漩渦，同時豎井頂端的冷空氣被卷吸回流進入豎井，與外排的煙氣耦合形成漩渦，阻礙煙氣排放，降低豎井排煙效率?？梢娫黾涌v向通風，對改善高豎井排煙效果并不理想。

4 公路隧道集中排煙影響因素

排煙閥的布置形式和排煙速率是影響集中排煙效率最為主要的因素。對這些參數(shù)進行研究可以為隧道通風排煙的設計提供可靠的依據(jù)。

4.1 排煙閥的布置

排煙閥的布置包括排煙閥的個數(shù)、開口大小、間距及開啟方式，布置不合理會引發(fā)吸穿現(xiàn)象從而降低排煙效率，《公路隧道通風設計細則》(JTG/T D70/2-02—2014)要求“排煙口間距不宜小于60m”[28]。

在排煙閥的間距布置方面，蔡崇慶等[29]建立了1:20的縮尺寸模型，研究發(fā)現(xiàn)排煙口的間距越大，發(fā)生吸穿現(xiàn)象時的排煙速率越小，并提出了防止發(fā)生吸穿現(xiàn)象的臨界排煙速率和排煙閥最小間距的計算公式。XU等[30]結合港珠澳沉管隧道建立了研究模型，實驗結果顯示在火源附近對稱設置排煙閥并將其角度分別調(diào)為28.84°、36.84°和44.54°，可以提高排煙效率且降低耗能。排煙口的開啟方式對煙氣蔓延范圍的影響較其他因素而言更為顯著，在采用集中排煙模式時排煙口應該對稱于火源分布。因此,為避免吸穿現(xiàn)象的發(fā)生,需選取合適的排煙口間距及開啟方式。

4.2 排煙速率

排煙速率是引起吸穿現(xiàn)象最直接的因素。過小的排煙速率將不能及時有效地將煙氣排出，加大了救援逃生的難度；過大的排煙速率則會引起吸穿現(xiàn)象，使得排煙效率降低，不利于救援且浪費能源。

姜學鵬等[31]運用FDS進行數(shù)值模擬,分析了集中排煙模式下對稱開啟的6個排煙口下方的煙氣蔓延規(guī)律、煙氣層溫度和厚度分布規(guī)律。試驗證明排煙速率達到一定程度時，距離火源越遠的排煙閥越容易吸穿。排煙效率與排煙效能不呈正相關，且只有在一定范圍內(nèi)排煙風量才會對排煙效率造成顯著的影響，排煙速率大到一定程度時會導致煙氣層吸穿,使得機械排煙效率降低。

5 結論

筆者從縱向通風臨界風速、煙氣運動、集中排煙誘導風速、排煙閥的布置、排煙速率這5個方面進行了總結：

(1)確認臨界風速是隧道縱向通風中相當重要的一環(huán)，臨界風速越大，所需要的縱向風力就越大，對射流風機的功率要求就越高?？v向風力小于臨界風速，煙氣就會回流。

(2)在沒有通風的情況下煙氣層有明顯的分界，縱向通風增加煙氣對空氣的夾帶，稀釋了隧道頂部煙氣的密度，致使上部煙氣層與下部冷空氣層的界限模糊，煙氣層與冷空氣層發(fā)生混合。

(3)當隧道內(nèi)發(fā)生火災的時候，豎井內(nèi)部與豎井外部之間會形成一個溫度差，根據(jù)熱力學定律，熱量會從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳達。當豎井足夠高的時候，由于壓強差太大，隧道內(nèi)的冷空氣會穿過煙氣層進入豎井，這就是吸穿現(xiàn)象。適當增加縱向通風，會有效降低吸穿現(xiàn)象。

(4)縱向誘導風速過小將不能控制煙氣的蔓延范圍，從而降低能見度；縱向誘導風速過大則會對煙氣層造成較大的擾動，發(fā)生吸穿現(xiàn)象使排煙效率降低。

(5)排煙閥間距過大會使得煙氣席卷的冷空氣較多，使得煙氣溫度降低發(fā)生下沉而不利于人員疏散救援。

(6)過大的排煙速率加快了排煙閥下的氣體流速，使得吸穿現(xiàn)象更容易發(fā)生。