側(cè)部排煙隧道低位排煙口優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡大偉,姜學(xué)鵬

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063;2.武漢科技大學(xué)消防安全技術(shù)研究所,湖北 武漢 430081)

為了高效利用城市地下空間資源,隧道逐漸成為了跨越江河湖的主要方式[1-3]。由于隧道直徑受限,為了保障城市水下隧道人員疏散安全,多設(shè)置側(cè)部重點(diǎn)排煙系統(tǒng)[4]解決隧道空間受限問(wèn)題。

一些學(xué)者針對(duì)隧道側(cè)部排煙開(kāi)展了相關(guān)研究,如:梁園等[5]通過(guò)對(duì)隧道側(cè)向排煙口尺寸對(duì)排煙效果的影響展開(kāi)研究,發(fā)現(xiàn)增大隧道寬高比有利于提高側(cè)部排煙系統(tǒng)的排煙效率;姜學(xué)鵬等[6]通過(guò)對(duì)隧道側(cè)部排煙量進(jìn)行優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)在隧道縱向通風(fēng)條件下風(fēng)機(jī)排煙量大于有效控?zé)熕栾L(fēng)量時(shí),風(fēng)機(jī)排煙量越大越有利于抑制火災(zāi)的發(fā)展;林鵬等[7]通過(guò)探究排煙口位置對(duì)隧道火災(zāi)排煙效率的影響,發(fā)現(xiàn)排煙口對(duì)稱分布于火源兩側(cè)時(shí)排煙效率最高;陳建忠等[8]研究認(rèn)為用獨(dú)立排煙口代替排煙組,可有效提升排煙效率。上述研究主要是針對(duì)側(cè)部排煙口位置均高于隧道清晰高度[9-10]的情況,但針對(duì)排煙口下緣與隧道地面之間距離小于清晰高度的側(cè)部排煙隧道的研究鮮少,而雙層隧道上層空間常因受到隧道直徑限制使排煙口下緣高度低于隧道清晰高度。因此,探究側(cè)部重點(diǎn)排煙系統(tǒng)中側(cè)部排煙口參數(shù)至關(guān)重要。

本文將排煙口下緣距地面高度小于隧道清晰高度(2 m)[11]的排煙口定義為低位排煙口,依托武漢和平大道南延工程黃鶴樓隧道,采用FDS數(shù)值模擬軟件模擬側(cè)部重點(diǎn)排煙系統(tǒng)中不同低位排煙口下緣距地面高度、排煙口間距及尺寸等參數(shù)對(duì)隧道內(nèi)排煙效率、溫度、能見(jiàn)度等評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響,為城市盾構(gòu)隧道提供現(xiàn)實(shí)的防火設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

1 數(shù)值建模

1.1 模型參數(shù)

1.1.1 隧道模型與火源設(shè)置

黃鶴樓隧道為雙層六車道隧道,上下層分別設(shè)置了三個(gè)車行道,如圖1所示。

圖1 黃鶴樓隧道盾構(gòu)段橫斷面Fig.1 Cross-sectional of shield section of tunnel

本文采用FDS數(shù)值模擬軟件構(gòu)建了1 000 m×11 m×10.4 m(長(zhǎng)×寬×高)仿真模型,排煙道與疏散通道位于隧道兩側(cè),上下層行車道共用排煙道斷面面積為5.5 m2。

黃鶴樓隧道僅通行小汽車(7座及以下乘用車),故設(shè)置火源熱釋放速率為15 MW[12];火源距隧道端部500 m,位于上層隧道2個(gè)排煙口中間,共設(shè)置6個(gè)排煙口,軸對(duì)稱開(kāi)啟。排煙道兩端設(shè)置排煙豎井,排煙量各為Q/2,總排煙量為Q=100 m3/s,向隧道兩端水平側(cè)部重點(diǎn)排煙,如圖2所示。

圖2 火源與排煙口相對(duì)位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of relative position of fire source and smoke outlet

1.1.2 網(wǎng)格設(shè)置

網(wǎng)格尺寸為0.04D*～0.12D*(D*為火焰特征尺寸)時(shí)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合[13],由火源熱釋放速率得到D*為4.88 m,因此在排煙口與火源附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密,網(wǎng)格尺寸為0.5 m×0.5 m×0.1 m。遠(yuǎn)離火源區(qū)域采用較大的網(wǎng)格尺寸,為0.5 m×0.5 m×0.5 m?；鹧嫣卣鞒叽鏒*的計(jì)算公式為

(1)

式中:D*為火焰特征尺寸(m);Q為火源釋放速率(kW),Q=15 000 kW;ρ為環(huán)境密度(kg/m3),ρ=1.1 kg/m3;c為環(huán)境比熱容[J/(kg·K)],c=1 000 J/(kg·K);T為環(huán)境溫度(K),T=293 K;g為重力加速度(m/s2),其值為9.8 m/s2。

1.2 工況設(shè)置

為了探究低位排煙口的排煙有效性及排煙口參數(shù),探究了低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)的排煙有效性,并在此基礎(chǔ)上,研究了不同低位排煙口間距及尺寸等參數(shù)對(duì)隧道內(nèi)排煙效率、溫度、能見(jiàn)度等因素的影響,具體工況設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 工況設(shè)置

2 隧道火災(zāi)煙氣控制效果評(píng)價(jià)模型

2.1 排煙控制評(píng)價(jià)指標(biāo)

隧道側(cè)部排煙系統(tǒng)應(yīng)滿足如下目標(biāo):

1) 確保人員在火災(zāi)發(fā)生后有效逃生,隧道清晰高度處煙氣溫度、能見(jiàn)度不影響人員的正常疏散。

2) 保證在特殊工程設(shè)計(jì)下(設(shè)置低位排煙口),隧道側(cè)部重點(diǎn)排煙系統(tǒng)的排煙效率可保證人員在疏散過(guò)程中的安全。

基于低位排煙口隧道側(cè)部排煙系統(tǒng)的煙控目標(biāo),構(gòu)建由隧道排煙效率η、隧道拱頂溫度T、隧道清晰高度處煙氣溫度Tz和隧道清晰高度處能見(jiàn)度Vz4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成[14-15]的隧道火災(zāi)煙氣控制效果評(píng)價(jià)模型。

2.2 火災(zāi)煙氣控制效果評(píng)價(jià)模型

1) 隧道清晰高度[11]。隧道清晰高度是指煙層下邊緣至室內(nèi)地面的高度,其計(jì)算公式為

Hq=1.6+0.1×H

(2)

式中:Hq表示隧道最小清晰高度(m);H表示建筑凈高度(m)。

火源所在上層車道凈高為5.95 m,計(jì)算得隧道最小清晰高度為2.195 m。參考文獻(xiàn)[10],本文設(shè)定隧道清晰高度為2.0 m。

2) 隧道排煙效率。以燃燒產(chǎn)生的CO2作為研究對(duì)象,隧道排煙效率η為在單位時(shí)間內(nèi)所有開(kāi)啟排煙口排出的CO2質(zhì)量之和mes占CO2質(zhì)量生成量mp的百分?jǐn)?shù)[16],即:

(3)

式中:mesi為第i個(gè)排煙口排出的CO2質(zhì)量(kg)。

為了保證隧道側(cè)部排煙系統(tǒng)在1.5 m低位排煙口的特殊工程設(shè)計(jì)下有效排出煙氣,設(shè)定隧道側(cè)部排煙系統(tǒng)總排煙效率η≥95%。

3) 隧道拱頂溫度。參考美國(guó)軌道車輛材料防火測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(NF-PA130—2014)和世界道路協(xié)會(huì)(PIARC)相關(guān)規(guī)定:火災(zāi)環(huán)境下,人體對(duì)煙氣層輻射熱的耐受極限是2.5 kW/m2,相應(yīng)的拱頂煙氣溫度為180 ℃。因此,本文設(shè)定拱頂溫度T≤180 ℃。

4) 隧道清晰高度處溫度。根據(jù)相關(guān)研究[17],得到人體對(duì)熱輻射的耐受時(shí)間如表2所示。

表2 人體對(duì)熱輻射的耐受時(shí)間

由表2可知:當(dāng)煙氣層高于隧道清晰高度時(shí),熱輻射強(qiáng)度低于2.5 kW/m2(相當(dāng)于煙氣層溫度在180～200 ℃),人員可有效疏散;當(dāng)煙氣層沉降至清晰高度以下時(shí),煙氣層溫度低于人體適應(yīng)溫度60 ℃[18]時(shí),人員可有效疏散。依據(jù)《中國(guó)消防手冊(cè)》[15],隧道清晰高度2 m處溫度不宜高于60 ℃。因此,本文設(shè)定清晰高度處溫度Tz≤60 ℃。

5) 隧道清晰高度處能見(jiàn)度。參考澳大利亞《消防工程師指南》[14]以及《中國(guó)消防手冊(cè)》中關(guān)于隧道內(nèi)車道最小清晰高度處能見(jiàn)度臨界值的相關(guān)內(nèi)容,取隧道清晰高度處能見(jiàn)度Vz≥10 m。

綜上,可構(gòu)建基于疏散安全和排煙有效性的多指標(biāo)約束的隧道通風(fēng)排煙策略的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下:

f(x)=f(η,T,Tz,Vz) (η≥95%,T≤180 ℃,Tz≤60 ℃,Vz≥10 m)

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 低位排煙口下緣距地面高度分析

3.1.1 低位排煙口下緣距地面高度對(duì)隧道排煙效率的影響

低位排煙口下緣距地面不同高度(h0)時(shí)隧道的排煙效率,如表3所示。

由表3可知:隨著排煙口下緣距地面高度的增加,隧道排煙總效率依次增加;當(dāng)排煙口下緣距地面高度為1.2 m時(shí)隧道排煙總效率低于95%,說(shuō)明排煙口下緣距地面過(guò)低會(huì)明顯降低隧道排煙效率,當(dāng)排煙口下緣距地面高度為1.5 m及以上時(shí),可滿足隧道內(nèi)部排煙要求;此外,與火源距離越大,高度為1.2、1.5 m的低位排煙口(L2、R2、L3、R3)隧道排煙效率逐次增大,高度為1.7、1.9 m的低位排煙口隧道排煙效率先增大后減小。

可見(jiàn),排煙口下緣距地面高度較低(1.5 m及以下)時(shí),煙氣沉降至隧道排煙口高度所需時(shí)間更長(zhǎng),排煙口與火源距離越遠(yuǎn)隧道排煙效率越大;排煙口下緣距地面高度達(dá)1.5 m以上時(shí),煙氣層沉降至排煙口高度所需時(shí)間縮短,煙氣由排煙口(L2、R2)排出,隧道排煙效率先增大后減小。因此,隧道側(cè)部排煙系統(tǒng)排煙效率受排煙口高度的影響,排煙口下緣距地面高度為1.5 m及以上時(shí)可滿足隧道內(nèi)部排煙要求。

3.1.2 低位排煙口下緣距地面高度對(duì)隧道內(nèi)溫度分布的影響

1) 隧道拱頂處溫度分布。低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道拱頂處溫度的分布曲線,如圖3所示。

圖3 低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道拱頂處溫度 的分布曲線Fig.3 Temperature distribution curves of the tunnel vault at different heights of low-level smoke outlet from the ground

由圖3可以看出:低位排煙口下緣距地面高度越大,隧道拱頂處最高溫度越低;對(duì)比低位排煙口下緣距地面不同高度的隧道拱頂溫度,發(fā)現(xiàn)隧道拱頂溫度超過(guò)耐火極限180 ℃的長(zhǎng)度具有相同變化規(guī)律,如表4所示?？梢?jiàn),當(dāng)排煙口下緣距地面高度過(guò)低時(shí)(h0=1.2 m),高溫?zé)煔饩奂谒淼理敳侩y以從低位排煙口排出;當(dāng)排煙口下緣距地面高度升高至1.5 m時(shí)隧道拱頂溫度超過(guò)耐火極限180 ℃的范圍大幅縮小至29.0 m,且隨著排煙口下緣距地面高度逐漸升高隧道拱頂溫度超過(guò)耐火極限180 ℃的范圍逐漸減小。此現(xiàn)象亦說(shuō)明排煙口距地面高度過(guò)低時(shí)會(huì)明顯降低隧道排煙效率,當(dāng)排煙口下緣距地面高度h0≥1.5 m時(shí),可滿足隧道內(nèi)部排煙要求。

表4 低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道拱頂溫度超過(guò)耐火極限的長(zhǎng)度

2) 隧道清晰高度2 m處溫度分布。低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道清晰高度2 m處溫度的分布曲線,如圖4所示。

圖4 低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道清晰高度 2 m處溫度的分布曲線Fig.4 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel at different heights of low- level smoke outlet from the ground

由圖4可以得出:低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道清晰高度2 m處溫度分布無(wú)較大差異,高溫區(qū)域集中在火源兩側(cè),其他區(qū)域溫度均分布在60 ℃以下,可滿足人員疏散過(guò)程中的安全需求。

3.1.3 低位排煙口下緣距地面高度對(duì)隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度的影響

低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度的變化曲線,如圖5所示。

圖5 低位排煙口下緣距地面不同高度時(shí)隧道清晰高度 2 m處能見(jiàn)度的變化曲線Fig.5 Visibility change curves at a clear height of 2 m in the tunnel at different heights of low-level smoke outlet from the ground

由圖5可以看出:與隧道清晰高度2 m處溫度相對(duì)應(yīng),低位排煙口下緣距地面高度差異對(duì)隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度無(wú)較大影響,僅火源附近能見(jiàn)度低于10 m,其余區(qū)域均在10 m以上,符合人員疏散的安全要求。其中,排煙口下緣距地面高度為1.2 m時(shí)隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度距火源越遠(yuǎn)能見(jiàn)度浮動(dòng)越明顯,距火源兩側(cè)125 m處能見(jiàn)度降至22 m,可見(jiàn)煙氣途經(jīng)排煙口時(shí)未沉降至排煙口高度使得大量煙氣在隧道內(nèi)堆積,因此距火源越遠(yuǎn)能見(jiàn)度越低。

綜上所述,設(shè)置距地面1.5 m及以上高度的低位排煙口可保障隧道火災(zāi)發(fā)生后從隧道排煙效率、隧道拱頂溫度、隧道清晰高度2 m處溫度及能見(jiàn)度等評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足人員疏散過(guò)程中的安全需求。

3.2 低位排煙口間距分析

由第3.1節(jié)研究結(jié)果可知,距地面1.5 m及以上高度的低位排煙口可滿足人員疏散過(guò)程中的安全需求,本文選用合理范圍內(nèi)最小排煙口下緣距地面高度為1.5 m,探究不同低位排煙口間距對(duì)4個(gè)排煙控制評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

3.2.1 低位排煙口間距對(duì)隧道排煙效率的影響

不同低位排煙口間距下隧道的排煙效率,如表5所示。

表5 不同低位排煙口間距下隧道的排煙效率

由表5可知:隨著排煙口間距的增大,隧道排煙總效率逐漸增大,當(dāng)排煙口間距為60 m時(shí)隧道排煙總效率大于95%,符合人員逃生過(guò)程中的排煙要求;分析各排煙口的排煙效率發(fā)現(xiàn),隨著排煙口間距的增大,L1、R1排煙口的排煙效率逐漸增大,其他位置排煙口的排煙效率總體上升,說(shuō)明煙氣在隧道內(nèi)部的蔓延存在沉降過(guò)程,低位排煙口更依賴煙氣的沉降作用,增大排煙口間距更符合煙氣蔓延規(guī)律,有利于隧道內(nèi)煙氣大量排出。

3.2.2 低位排煙口間距對(duì)隧道內(nèi)溫度分布的影響

1) 對(duì)隧道拱頂溫度的影響。不同低位排煙口間距下隧道拱頂溫度的變化曲線,如圖6所示。

圖6 不同低位排煙口間距下隧道拱頂處溫度的分布曲線Fig.6 Temperature distribution curves of the tunnel vault under different low-level smoke outlet spacing

由圖6可以看出:不同低位排煙口間距下隧道拱頂溫度分布近似,高溫區(qū)域以火源為中心對(duì)稱分布;隨著排煙口間距的增大,隧道拱頂溫度大于耐火極限180 ℃的范圍先增大后減小,當(dāng)排煙口間距為60 m時(shí)其范圍最小為76.0 m,如表6所示?？梢?jiàn),增大排煙口間距可在一定程度上降低隧道拱頂溫度,亦說(shuō)明增大排煙口間距有利于隧道內(nèi)煙氣排出。

表6 不同低位排煙口間距下隧道拱頂溫度超過(guò)耐火極限的長(zhǎng)度

2) 對(duì)隧道清晰高度2 m處溫度的影響。不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處溫度的變化曲線,如圖7所示。

圖7 不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處溫 度的分布曲線Fig.7 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet spacing

由圖7可以看出:不同低位排煙口間距對(duì)隧道清晰高度2 m處溫度分布的影響不大,火源上方溫度最高,其他區(qū)域溫度分布均在≤60 ℃以下,符合人員逃生要求。

3.2.3 低位排煙口間距對(duì)隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度的影響

不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度的變化曲線,如圖8所示。

圖8 不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處能見(jiàn) 度的變化曲線Fig.8 Visibility change curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet spacing

由圖8可以看出:不同低位排煙口間距下隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度除火源上方部分區(qū)域小于10 m外,其余區(qū)域能見(jiàn)度均符合人員疏散安全要求。其中,當(dāng)排煙口間距分別為30、40、50 m時(shí),在火源兩側(cè)50、75、100 m處均出現(xiàn)明顯的能見(jiàn)度波動(dòng),且隨著排煙口間距增大至50 m其能見(jiàn)度波動(dòng)幅度增大,而當(dāng)排煙口間距為60 m時(shí)未出現(xiàn)明顯的能見(jiàn)度波動(dòng)?？梢?jiàn),當(dāng)排煙口間距為60 m時(shí)符合低位排煙口距地面高度為1.5 m時(shí)煙氣在蔓延過(guò)程中的沉降規(guī)律,可減少隧道內(nèi)煙氣聚集。

綜上所述,當(dāng)?shù)臀慌艧熆诰嗟孛娓叨葹?.5 m時(shí)設(shè)置低位排煙口間距為60 m,可保障隧道火災(zāi)發(fā)生后隧道排煙效率、隧道拱頂溫度、隧道清晰高度2 m處溫度及能見(jiàn)度等評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足人員疏散過(guò)程中的安全需求,同時(shí)可最大程度地減少隧道內(nèi)煙氣聚集。

3.3 低位排煙口尺寸分析

以上述分析確定的合理的低位排煙口下緣距地面高度(h0=1.5 m)、低位排煙口間距(l0=60 m)為基礎(chǔ),探究不同低位排煙口尺寸對(duì)4個(gè)排煙控制評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

3.3.1 低位排煙口尺寸對(duì)隧道排煙效率的影響

不同低位排煙口尺寸下隧道的排煙效率,如表7所示。

表7 不同低位排煙口尺寸下隧道的排煙效率

由表7可知:低位排煙口面積S≥3.2 m2時(shí)隧道排煙總效率大于95%,且隨著排煙口面積增大總排煙效率逐漸增加。但值得關(guān)注的是:在滿足排煙控制指標(biāo)(隧道排煙總效率η≥95%)的前提下,增大低位排煙口高、寬度時(shí)總排煙效率增加的比例不大,同時(shí)結(jié)合工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)因素考慮,認(rèn)為當(dāng)排煙口尺寸為4 m×0.8 m時(shí)性價(jià)比最高。

3.3.2 低位排煙口尺寸對(duì)隧道內(nèi)溫度分布的影響

不同低位排煙口尺寸下隧道拱頂及清晰高度2 m處溫度的分布曲線,如圖9和圖10所示。

圖9 不同低位排煙口尺寸下隧道拱頂處溫度分布 曲線Fig.9 Temperature distribution curves of the tunnel vault under different low-level smoke outlet sizes

圖10 不同低位排煙口尺寸下隧道清晰高度2 m處 溫度分布曲線Fig.10 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet sizes

由圖9和圖10可以看出:不同低位排煙口尺寸下隧道拱頂處、隧道清晰高度2 m處的溫度分布無(wú)較大差異;隧道拱頂處、清晰高度2 m處高溫區(qū)域集中在火源兩側(cè),其他區(qū)域溫度分布均低于60 ℃,符合人員逃生要求。

3.3.3 低位排煙口尺寸對(duì)隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度的影響

不同低位排煙口尺寸下隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度的變化曲線,如圖11所示。

由圖11可以看出:不同低位排煙口尺寸下隧道清晰高度2 m處能見(jiàn)度無(wú)明顯差異,僅火源上方能見(jiàn)度低于10 m,其余區(qū)域能見(jiàn)度均趨于30 m,符合人員逃生要求。

綜上所述,當(dāng)?shù)臀慌艧熆谙戮壘嗟孛娓叨葹?.5 m、排煙口間距為60 m條件下,不同低位排煙口面積S≥3.2 m2可保障隧道火災(zāi)發(fā)生后隧道排煙效率、隧道拱頂處溫度、隧道清晰高度2 m處溫度及能見(jiàn)度等評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足人員疏散過(guò)程中的安全需求,其中當(dāng)排煙口尺寸為4 m×0.8 m時(shí)性價(jià)比最高。

4 結(jié)論與建議

針對(duì)側(cè)部排煙隧道低位排煙口這一特殊設(shè)計(jì),本文采用FDS數(shù)值模擬軟件探究了低位排煙口下緣距地面高度、低位排煙口間距、低位排煙口尺寸對(duì)隧道排煙效率溫度、能見(jiàn)度的影響,得到如下結(jié)論:

1) 隧道排煙效率受低位排煙口下緣距地面高度的影響,排煙口下緣距地面高度越低隧道排煙效率越差,排煙口下緣距地面高度在1.5 m及以上時(shí)可滿足隧道內(nèi)部排煙要求。

2) 增大排煙口間距有利于提高低位排煙口總排煙效率,當(dāng)排煙口間距為60 m時(shí)可有效減少隧道內(nèi)煙氣聚集。

3) 低位排煙口尺寸對(duì)隧道排煙效率、溫度、能見(jiàn)度等因素的影響較小,且隨排煙口面積增大隧道總排煙效率逐漸增加,其中當(dāng)排煙口尺寸為4 m×0.8 m時(shí)性價(jià)比最高。

4) 確定符合火災(zāi)控制評(píng)價(jià)指標(biāo)的低位排煙口下緣距地面高度為1.5 m,排煙口間距為60 m,排煙口尺寸宜取4 m×0.8 m(排煙口面積S≥3.2 m2)。