單洞雙向隧道防煙設(shè)計(jì)初探

陳必宙

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350004)

0 引言

有關(guān)資料顯示，汽車大約每行車1000萬km平均發(fā)生0.5～1.5次火災(zāi)。1999年3月24日上午，勃朗峰隧道發(fā)生火災(zāi)，死亡38人，損失慘重。類似報(bào)道層出不窮。仔細(xì)分析火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，濃煙影響疏散是死亡率居高不下的關(guān)鍵原因之一。除隧道排煙外，火災(zāi)早期如何保證疏散通道安全，防止煙氣侵入逃生通道，在隧道防災(zāi)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

我國(guó)2014年8月1日頒布實(shí)施的《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》[1]JTG/T D70/2-02-2014(簡(jiǎn)稱《細(xì)則》[1])，10.4、10.5章節(jié)對(duì)隧道防煙設(shè)計(jì)提出明確要求：①專用避難疏散通道、獨(dú)立避難所的前室余壓值不應(yīng)小于30 Pa，專用避難疏散通道、獨(dú)立避難所的余壓值不應(yīng)小于50 Pa。②專用避難疏散通道的防煙設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)其長(zhǎng)度和凈空，選擇合理適用的機(jī)械加壓送風(fēng)方式。其前室加壓送風(fēng)量和送風(fēng)口尺寸，應(yīng)按其入口門洞風(fēng)速不小于1.2 m/s計(jì)算確定。雖然疏散通道的余壓及門洞風(fēng)速的要求和《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]GB51251-2017基本一致，但是《細(xì)則》[1]并無明確疏散通道防煙設(shè)計(jì)具體做法和詳細(xì)要求。《細(xì)則》[1]中涉及隧道疏散防煙的要求只有簡(jiǎn)單一句：“選擇合理適用的機(jī)械加壓送風(fēng)方式”，使設(shè)計(jì)人員無從下手。為此，總結(jié)出一套行之有效的防煙設(shè)計(jì)，刻不容緩。

1 隧道疏散通道與建筑防煙樓梯間的比較

《細(xì)則》[1]10.4.1～10.4.4-條文說明：參照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]GB50016-2014(2018)?！恫膳L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]等提出了獨(dú)立避難所機(jī)械加壓送風(fēng)量、新鮮空氣供應(yīng)時(shí)間和排風(fēng)設(shè)置的設(shè)計(jì)規(guī)定。10.5.2條文說明：“隧道附屬用房的防煙與排煙設(shè)計(jì)，主要?dú)w屬于建筑設(shè)計(jì)范疇，可參照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]執(zhí)行”。下文基于《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]《建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]對(duì)隧道疏散通道與建筑防煙樓梯間做細(xì)節(jié)比較。

1.1 共同點(diǎn)

(1)隧道疏散通道(平行導(dǎo)洞)與建筑防煙樓梯間，同樣為人員疏散使用。

(2)防火分隔原理一致。從安全疏散角度，平行導(dǎo)洞相當(dāng)于防煙樓梯間；橫通道隔間相當(dāng)于前室或防火隔間；都是采用防火門或防火卷簾作為防火分隔措施。

(3)通道開啟概率一致。火災(zāi)時(shí)，100 m>高度≥24 m的防煙樓梯間(僅樓梯間送風(fēng)，前室不送風(fēng))按同時(shí)開啟著火層及上下層共三個(gè)前室計(jì)算送風(fēng)量；隧道橫通道間距都是250 m以上，從概率及安全角度隧道也可以參考借鑒同時(shí)開啟三個(gè)橫通道計(jì)算送風(fēng)量。

(4)防煙原理一致?！督ㄖ罒熍艧熛到y(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]3.4.6條：當(dāng)樓梯間機(jī)械加壓送風(fēng)、只有一個(gè)開啟門的獨(dú)立前室不送風(fēng)時(shí)，通向樓梯間疏散門的門洞斷面風(fēng)速不應(yīng)小于1.0 m/s;隧道平行導(dǎo)洞+橫通道可按《細(xì)則》[1]取值，平導(dǎo)前室門洞風(fēng)速不以小于1.2 m/s計(jì)算送風(fēng)量。

1.2 差異點(diǎn)

(1)防煙樓梯間及其前室不能采用防火卷簾門，而隧道疏散工程允許使用。

(2)平行導(dǎo)洞除滿足前期人員疏散外，同時(shí)應(yīng)滿足后期消防車輛、醫(yī)護(hù)救援車輛、滯留車輛的通行；防煙樓梯間無此要求。

(3)百米高樓火災(zāi)時(shí)，防煙樓梯間設(shè)計(jì)為同時(shí)開啟著火層及其上下層前室。前室每層層高約3 m～5 m，樓層距離短，風(fēng)口之間阻力差值小，風(fēng)量易平衡；而隧道橫通道間距一般大于300 m，各通道間風(fēng)量是否平衡，有待計(jì)算確認(rèn)。

(4)單洞雙向隧道，由于火災(zāi)點(diǎn)上下游都存在車輛滯留，皆需人員疏散，橫通道疏散門開啟具有更大的不確定性。防煙樓梯間規(guī)范明確開啟著火層及相鄰上下層前室防火門。

(5)防煙樓梯間防煙模型為枝狀管網(wǎng)，豎井一端送風(fēng)，如圖1、圖2所示。隧道防煙系統(tǒng)為了在兩端貫通的平導(dǎo)內(nèi)形成正壓，宜在出入口兩端設(shè)置2處動(dòng)力源對(duì)吹，成環(huán)狀管網(wǎng)，如圖3、圖4所示。環(huán)狀管網(wǎng)任一送風(fēng)口有2處及以上動(dòng)力源，枝裝管網(wǎng)只有一個(gè)，兩者計(jì)算完全不同，具體可參《流體輸配管網(wǎng)》[5]。

(6)防煙樓梯間送風(fēng)機(jī)為軸流、混流、離心風(fēng)機(jī)，而隧道防煙可利用平時(shí)的射流風(fēng)機(jī)。射流風(fēng)機(jī)靠高速射流卷吸帶動(dòng)周圍空氣向前；軸流風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速低，卷吸不明顯。兩種風(fēng)機(jī)工作原理及選型計(jì)算方法不同。

(7)防煙樓梯間為垂直系統(tǒng)，無需考慮室外自然風(fēng)作用；隧道為水平系統(tǒng)，隧道洞口間的氣壓坡度差、隧道內(nèi)外溫度差引起的壓差，及洞外季風(fēng)吹入洞口時(shí)產(chǎn)生的“風(fēng)墻式”壓差，在貫通隧洞內(nèi)能形成自然風(fēng)，其風(fēng)速一般按2～3 m/s考慮，下文按2 m/s計(jì)算。

1.3 小結(jié)

差異點(diǎn)1、2詳見下節(jié)分析，差異點(diǎn)3-7需要構(gòu)建模型計(jì)算解決，詳下文。

圖1 防煙樓梯間枝狀管網(wǎng)加壓送風(fēng)示意圖

圖2 防煙樓梯間枝狀管網(wǎng)加壓送風(fēng)原理圖

圖3 單洞雙向隧道防煙示意圖

圖4 隧道疏散通道環(huán)狀管網(wǎng)加壓送風(fēng)原理圖

2 疏散橫通道的防火分隔——防火門、防火卷簾門的爭(zhēng)議與取舍

2.1 現(xiàn)狀

車行橫通道兼做人行橫洞，作為火災(zāi)時(shí)的逃生救援通道。其中人行橫通道設(shè)置兩道防火門，構(gòu)成前室；車行橫通道僅中間設(shè)置一道防火卷簾作為防火分隔。通常做法如圖5所示(雙洞單向通過橫通道互相借用疏散的隧道類似)。

圖5 橫通道疏散門(卷簾)的通常做法

完善的防煙系統(tǒng)涉及多個(gè)專業(yè)?！都?xì)則》[1]要求應(yīng)采用防煙設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)要求“逃生入口門洞風(fēng)速不小于1.2 m/s”，而車行橫通道設(shè)置防火門或防火卷簾對(duì)防煙計(jì)算風(fēng)量及設(shè)計(jì)影響巨大。同時(shí)相關(guān)專業(yè)規(guī)范對(duì)此規(guī)定不夠明確，差別如下。

觀點(diǎn)一：應(yīng)采用防火卷簾。2014年8月1日實(shí)施的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范第二冊(cè)—交通工程與附屬設(shè)施》[6]第10.3.6條“車行橫通道應(yīng)設(shè)防火卷簾” 防火卷簾應(yīng)滿足防煙要求。防火門在救援時(shí)候，由于平時(shí)常閉及自動(dòng)關(guān)閉的特性，需要救援人員下車，用石頭或人員手動(dòng)卡門，不如采用電動(dòng)或消控中心遠(yuǎn)程開啟的防火卷簾便利。

觀點(diǎn)二：應(yīng)采用防火門。依據(jù)2018版《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]城市交通隧道第12.1.6條：隧道與車行橫通道或車行疏散通道的聯(lián)通處，應(yīng)采用防火分隔措施。條文解釋：隧道與車行橫通道或車行疏散通道的連接處采取防火分隔措施，是為防止火災(zāi)向相鄰隧道或車行疏散通道蔓延。防火分隔措施可采用耐火極限與相應(yīng)結(jié)構(gòu)耐火極限一致的防火門，防火門要具有良好的密閉防煙性能。

2.2 車行橫通道設(shè)置一道卷簾門存在的問題

(1)逃生及救援不及時(shí)。依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]6.4.10強(qiáng)制性條文說明：“在火災(zāi)時(shí)，建筑內(nèi)可供人員安全進(jìn)入樓梯間的時(shí)間比較短，一般為幾分鐘?！馂?zāi)時(shí)防火門自動(dòng)關(guān)閉起到阻火擋煙的作用”。20 Pa的余壓下，卷簾啟閉的速度一般為6～9 m/min，規(guī)范要求一般是60 s內(nèi)。也就是說，完全開關(guān)一次約2 min。而開啟防火門需要的時(shí)間，只需要幾秒；顯然，及時(shí)開啟疏散門，會(huì)大大減少恐慌下逃生人群在幽暗、局部狹小的空間內(nèi)產(chǎn)生的擠壓、混亂、踩踏等二次事故。若著火點(diǎn)在車行橫通道附近，逃生人員開啟卷簾或平時(shí)半開，則火勢(shì)煙氣可能直接蔓延到疏散通道。

(2)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]第6.4.1強(qiáng)制性條文，疏散樓梯間應(yīng)符合下列規(guī)定：封閉樓梯間、防煙樓梯間及其前室，不應(yīng)設(shè)置卷簾。條文解釋：雖然防火卷簾在耐火極限上可達(dá)到防火要求，但卷簾密閉性不好，防煙效果不理想，加之聯(lián)動(dòng)設(shè)施、固定槽或卷軸電機(jī)等部位如果不能正常發(fā)揮作用，防煙樓梯間或封閉樓梯間的防煙措施將形同虛設(shè)。此外，卷簾在關(guān)閉時(shí)也不利于人員逃生。卷簾門啟閉困難：由于隧道陰濕環(huán)境，及汽車酸性尾氣對(duì)卷簾門框長(zhǎng)期腐蝕；洞內(nèi)活塞風(fēng)壓對(duì)單面的卷簾門反復(fù)吸壓容易導(dǎo)致門框和門簾變形，銹蝕卡損，脫軌。當(dāng)車行橫通道卷簾門開啟(兼作為人員疏散時(shí)，基本無人去關(guān)閉)，隧道主洞啟動(dòng)風(fēng)速>2.5 m/S(單洞雙向隧道前期為0.5 m/S控?zé)?縱向排煙模式，上游排煙射流風(fēng)機(jī)的部分風(fēng)量，將由車行橫通道旁通到平行隧道、平行導(dǎo)洞、逃生通道，使主洞無法達(dá)到排煙控?zé)煹娘L(fēng)速要求。而防火門閉門器有自動(dòng)關(guān)閉性能，完全可以避免以上問題。

(3)前期疏散時(shí)防火卷簾門開啟，無序混亂的車輛逆行從車行橫洞強(qiáng)行疏散，可能導(dǎo)致二次事故。

2.3 小結(jié)

一般隧道防災(zāi)分疏散和救援(滅火)2個(gè)階段?；馂?zāi)前期，滯留人員棄車通過人行、車行橫洞進(jìn)入疏散通道逃生，火災(zāi)中后期救護(hù)、救援、消防車輛受管理中心指揮，從平行導(dǎo)洞、車行橫通道參與救援。而前期的逃生自救又比后期的被動(dòng)救援，在生命存保上具有更積極的意義。前期逃生，防火門與防火卷簾在靈活啟閉與質(zhì)量穩(wěn)定性上相比有巨大優(yōu)勢(shì)；而后期救援時(shí)，加強(qiáng)平時(shí)管理維護(hù)下、采用可以遠(yuǎn)程開啟的卷簾門，也確實(shí)更易于操作。

基于目前專業(yè)規(guī)范之間表達(dá)不一致的事實(shí)，現(xiàn)提出一種解決各方矛盾，且能滿足防煙系統(tǒng)基本功能的橫通道新式做法，具體如圖6所示。

圖6 橫通道疏散門新式做法

新做法：人行橫通道采用防火門。車行橫通道采用兩道同時(shí)聯(lián)動(dòng)啟閉的卷簾門+兩扇防火門，其中防火門用于前期人員疏散，卷簾門用于后期救援；同時(shí)車行橫通道的兩道卷簾門之間形成防火隔間，有利于加強(qiáng)防火保護(hù)、減緩活塞風(fēng)吸壓傷害。

3 隧道防煙模型的建立及計(jì)算

根據(jù)以上分析，建立防煙模型，如圖3～圖4所示。對(duì)逃生階段平導(dǎo)兩端入口風(fēng)速V1V2和3個(gè)橫洞Q1Q2Q3進(jìn)行推導(dǎo)，以完成加壓射流風(fēng)機(jī)升壓力計(jì)算。為方便計(jì)算，圖3-單洞雙向隧道防煙示意圖，簡(jiǎn)化為圖4-環(huán)狀管網(wǎng)加壓計(jì)算模型：

這是一個(gè)低速穩(wěn)態(tài)湍流模型，流動(dòng)方向是假設(shè)的，水平方向上P2處流速為0(假設(shè)中性點(diǎn))

S1～S6為各管路阻抗

ΔP1、ΔP2為穩(wěn)態(tài)下風(fēng)機(jī)壓頭。A為截面積

ΔP1=P1+(ρV1)/2+S1(V1A)2

①

②

V1′A+Q1=V1A

③

P1+(ρV1′2)/2=P2+S2(V1′A)2

④

⑤

ΔP2=P3+(ρV2)/2+S4(V2A)2

⑥

⑦

V2A-Q3=V2′A

⑧

P3+(ρV2′2)/2=P2+S3(V2′A)2

⑨

V1A+V2A=Q1+Q2+Q3

⑩

由①～⑤得：

由⑥～⑨得：

簡(jiǎn)化防煙系統(tǒng)，建立CFD的3D模型具體參圖3，詳表1。

表1 模型具體參數(shù)

單個(gè)門洞漏風(fēng)量=0.827*A*1.25*(17)0.5，A=每個(gè)門有效漏風(fēng)面積

②從以上打陰影的計(jì)算數(shù)值可以看出，未開啟的門洞的門縫漏風(fēng)量相對(duì)來說很小。為簡(jiǎn)化模型，按忽略不計(jì)。

本例采用FLUENT軟件求解：預(yù)估壓力入口，模擬多種典型工況下的出口速度。計(jì)算按標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101．325 kPa，基于壓力的、絕對(duì)速度的穩(wěn)態(tài)求解器；紊流模型采取標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型，采用壓力速度耦合解法方案。

模擬要求：無自然風(fēng)時(shí)壓力入口、自然風(fēng)風(fēng)速2.0 m形成單邊入口壓力均能滿足：①疏散階段任意3個(gè)逃生橫道防火門同時(shí)開啟；②救援階段僅一個(gè)車行橫道防火卷簾開啟時(shí)。通道門洞風(fēng)速均大于1.2 m/s的防煙要求。模擬結(jié)果如下(通道編號(hào)詳圖3)：

(1)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號(hào)4、5、6三個(gè)(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet4Outlet5Outlet6風(fēng)速m/s0.1813210.1820791.5040311.2212421.508192

(2)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號(hào)2、3、4三個(gè)(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet2Outlet3Outlet4風(fēng)速m/s0.2241240.1345831.2096511.5043811.505160

(3)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號(hào)1、5、9三個(gè)(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2outlet1Outlet5Outlet9風(fēng)速m/s0.1867850.1868351.5369641.2399161.535465

(4)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號(hào)1、3、9三個(gè)(3人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2outlet1Outlet3Outlet9風(fēng)速m/s0.2801360.1088371.5148931.5265621.539272

(5)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號(hào)4、5、8三個(gè)(2車+1人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet4Outlet5Outlet8風(fēng)速m/s0.1514030.1871181.5121541.2142741.214053

(6)疏散階段：左右壓力入口各2.80 Pa。編號(hào)2、5、8三個(gè)(3車)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet2Outlet5Outlet8風(fēng)速m/s0.1596430.1591771.2260221.2033861.215953

(7)疏散階段：自然風(fēng)風(fēng)速2.0 m/s形成左邊入口壓力P=34Pa，右邊入口壓力為0，編號(hào)3、5、7三個(gè)(1車+2人)橫道開啟；

出入口inlet1inlet2Outlet3Outlet5Outlet7風(fēng)速m/s3.477968-2.8929593.4469531.9669442.058856

同時(shí)由圖7速度矢量圖得出：即使輔洞高自然風(fēng)風(fēng)速下，各速度出口依然不存在“虹吸倒流”現(xiàn)象。即出口速度均為正值，并且遠(yuǎn)超1.2 m/s：

圖7 速度矢量圖

(8)救援階段：左右壓力入口各2.80 Pa。僅編號(hào)5(1車)通道防火卷簾開啟

出入口inlet1inlet2Outlet5風(fēng)速m/s0.6027510.59130381.470417

(9)救援階段：左右壓力入口各2.80 Pa。僅編號(hào)2(1車)通道通道防火卷簾開啟

出入口inlet1inlet2Outlet2風(fēng)速m/s0.7856440.45012861.544629

綜合以上計(jì)算結(jié)果，顯然左右兩端各2.8Pa的入口壓力滿足隧道防煙門洞風(fēng)速要求。

按計(jì)算值，取壓力安全系數(shù)為1.2，選型加壓射流風(fēng)機(jī)升壓力=2.8×1.2=3.36 N/m2

《細(xì)則》[1]第7.5.3條規(guī)定，射流風(fēng)機(jī)1～6組時(shí)可備用1組。本隧道加壓送風(fēng)系統(tǒng)選型：射流風(fēng)機(jī)ΔPj(500,4 KW,24 m/s)：4臺(tái)，2用2備。

小結(jié)：疏散工況，車行橫洞的阻力明顯比人行橫道大。而滿足車行橫道阻力，其他橫道的風(fēng)速基本也滿足。由于疏散大通道(平導(dǎo))橫截面較大，風(fēng)速太低，沿程阻力很小，相當(dāng)于民用建筑的空調(diào)大靜壓箱，而橫通道就是靜壓箱上的各個(gè)支管。所以各個(gè)隨機(jī)開啟的橫道，互相之間的間距，對(duì)防火門門洞的風(fēng)速影響不大。顯然3個(gè)車行橫洞防火門同時(shí)開啟是防煙最不利情況。

考慮縱向排煙的雙洞單向的長(zhǎng)隧道，在洞口兩端一般都有設(shè)置多臺(tái)射流排煙風(fēng)機(jī)，而火災(zāi)僅考慮一個(gè)隧洞一個(gè)著火點(diǎn)，那么，平行非火災(zāi)隧道的排煙射流風(fēng)機(jī)就可以兼做橫通道疏散的配套防煙風(fēng)機(jī)使用。在具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)選型階段時(shí)，應(yīng)綜合考慮。

4 余壓閥設(shè)計(jì)

人員逃生時(shí)，防火門的反復(fù)啟閉，讓逃生通道及橫道的壓力一直處于瞬態(tài)變化中，相當(dāng)大的概率里防火門同時(shí)開啟是小于3個(gè)的。上例計(jì)算結(jié)果，“2.8 Pa”是3個(gè)橫通道同時(shí)開啟時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)平衡下的壓力；當(dāng)橫通道防火門關(guān)閉僅余門縫漏風(fēng)時(shí)，系統(tǒng)阻力大增，動(dòng)壓轉(zhuǎn)化為靜壓后，產(chǎn)生新的動(dòng)態(tài)平衡，根據(jù)風(fēng)機(jī)管路特性曲線，新平衡下射流風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓也將大大提高。自然風(fēng)也是客觀存在的(參上模擬結(jié)果7，當(dāng)自然風(fēng)速3 m/s時(shí)，入口壓力P=76.5Pa)，這都可能導(dǎo)致逃生通道及橫道的風(fēng)壓波動(dòng)過大，從而影響防火門的開啟。所以，當(dāng)系統(tǒng)余壓值超過最大允許壓力差時(shí)，應(yīng)采取泄壓措施?！都?xì)則》[1]規(guī)定：疏散通道的前室余壓值不應(yīng)小于30 Pa，疏散通道的余壓值不應(yīng)小于50 Pa。

余壓閥可根據(jù)F=(Lv-Ly)/(3600×6.41)計(jì)算

公式中的Ly是壓差法計(jì)算的加壓風(fēng)量，Lv是風(fēng)速法計(jì)算的加壓風(fēng)量。余壓閥設(shè)計(jì)均有相關(guān)規(guī)定，此處不再詳述。

5 結(jié)論

(1)因圓管和方管的阻力計(jì)算公式存在差異，采用FLUENT的2d模型(默認(rèn)高度1 m)模擬的結(jié)果，和3d模擬比誤差較大，應(yīng)慎用。

(2)該防煙模型同樣適用于雙洞單向隧道通過橫通道互相借用疏散的防煙設(shè)計(jì)。

(3)采用斜洞疏散的隧道防煙是枝裝管網(wǎng)，可以參考民用建筑防煙樓梯間的設(shè)計(jì)方法解決。

(4)做好隧道防煙需要多專業(yè)配合，尤其是橫通道的防火門及防火卷簾，及消防火災(zāi)報(bào)警聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)等等的前期調(diào)試和定期維護(hù)，以及有關(guān)部門的科學(xué)管理、定期的聯(lián)合消防演習(xí)、駕駛?cè)藛T的消防知識(shí)培訓(xùn)等等，都是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行缺一不可的環(huán)節(jié)。