重点排烟模式盾构隧道横断面火灾特性研究

王安民郭清超闫治国1，，*

（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；3.同济大学地下建筑与工程系，上海200092）

重点排烟模式盾构隧道横断面火灾特性研究

王安民2，3郭清超2，3闫治国1，2，3，*

（1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；3.同济大学地下建筑与工程系，上海200092）

以在建的上海市虹梅南路越江隧道为对象，借助SMARTFIRE软件模拟了50MW规模的火灾下，开启火源上下游各一个排烟口时，主要分析了三个位置横断面中心线上温度、能见度和一氧化碳浓度沿竖向的变化规律。研究结果表明，排烟口面积保持不变时，排烟口横向布置的排烟效率大于排烟口纵向布置，并且长宽比越大，排烟效果越好。

盾构隧道，重点排烟，火灾特性

1 引言

重点排烟模式（亦称为“集中排烟模式”）是在隧道顶端设置排烟口和排烟道。隧道内发生火灾时，打开火源附近的排烟口和两端的轴流风机，使烟气通过隧道上部的排烟口排入隧道顶部的排烟道中，再由专门的竖井或者排风口排到外界。由于盾构隧道为圆形断面，隧道上部的空间可以设为排烟道用于火灾工况下的排烟。因此，重点排烟模式逐渐广泛采用应用于盾构隧道，特别是长大盾构隧道。

众多学者对重点排烟模式进行了大量研究，主要分析了火灾烟气沿隧道纵向的分布规律，评价了排烟系统的效率和隧道内的疏散救援环境［1-3］，但是对隧道横断面火灾特性的研究较少。本文以在建的虹梅南路越江隧道为研究对象，主要研究了三种不同形式的排烟口对横断面火灾特性和排烟效率的影响。

虹梅南路隧道暗埋段全长4841m，属于双孔特长道路隧道。隧道外径为14.5 m，内径为13.3 m，隧道共分为三层，如图1所示。排烟道板每隔50 m设置一个排烟口。火灾时利用顶部排烟风道，进行重点排烟，疏散通道设正压送风系统。本文采用英国格林威治大学火灾安全工程研究中心（FSEG）开发的高精度计算流体动力学（CFD）火灾模拟软件SMARTFIRE进行计算。SMARTFIRE运用有限体积法，提供了一整套火灾场景模拟工具。计算中湍流模型采用RNG k－ε模型模拟，热辐射采用六通量辐射模式。

图1 虹梅南路隧道横断面图Fig.1 Code suggestions for design of road Tunnel for HRR

2 隧道火灾CFD模型

2.1 模型设置

重点排烟方式能够将火灾烟气控制在一定范围内，不必对整个隧道建立模型，故选取长度为400 m（X方向）的隧道模型，忽略坡度变化，模型的三维视图如图2所示。模型尺寸为400 m× 12 m×9 m（长度×宽度×高度）。车道层的高度为6.5 m，烟道板厚度为0.2 m，模型排烟道面积为9.2 m2。在烟道层两端设置风扇模拟设计中布置的轴流排烟风机，每侧排风量为125 m3／s。假设隧道两端为开放的边界条件，隧道内无纵向风速。大气压设为101 325 Pa，初始环境温度设为288 K（15°C）。

表1是《道路隧道设计规范》建议的火灾热释放速率（HRR），考虑虹梅南路隧道通行车辆，为研究特长城市隧道大型火灾时横断面火灾特性，本文HRR取为50 MW［4］。依据世界道路协会（PIARC）定义的火灾逃生时间，将整个模拟的时间段定为火灾发生后900 s［5］。

图2 CFD模型三维视图Fig.2 3-D view of themodel

表1 《道路隧道设计规范》建议的火灾热释放率Table 1 Suggestions of code for design of road tunnel for HRR

英国暖通设计手册（CIBSE Guide）将不同发展速率的火灾对应不同火灾热释放率系数，如表2所示［6］。本文设定火灾发展极快，HRR按式（1）变化，其上升规律如图3所示。火灾发生515s后，HRR达到稳定值50MW，此后保持稳定不变。火源尺寸根据热释放率对应的车辆尺寸确定为10 m×2 m×1 m（长×宽×高）。

式中，Q代表HRR，单位kW；α是CIBSE Guide推荐的系数；t是火灾发生的时间。

图3 火灾热释放率变化曲线Fig.3 The heat release rate curve

表2 CIBSE Guide推荐的火灾热释放率变化系数Table 2 HRR constant for fire class（CIBSE Guide）

2.2 计算工况

本文研究了三种不同形式排烟口，对应的三种工况如表3所示，三种形式排烟口的俯视图如图4所示。排烟口长宽比按下式计算：

式中，lx为排烟口沿X轴方向的长度；ly为排烟口沿Y轴方向的长度。

表3 计算工况表Table 3 Simulation cases

模型开启了火源上游和下游的各一个排烟口，火源位于整个模型中部的两个排烟口之间（X＝200 m），如图5所示。

3 计算结果与分析

本文主要研究了温度、能见度和一氧化碳浓度（CCO）在横断面竖向中心线的变化规律，共选取了三个具有代表性的断面进行了，分别是位于火源上游10 m处（X＝190 m）的横断面1（CS1）、火源上游25 m处（X＝175 m）的横断面2（CS2）和火源上游50 m处（X＝175 m）的横断面3（CS3）。计算时间为900 s时，各断面竖向中心线的温度沿高度变化如图6—图8所示。

图4 三种类型的排烟口Fig.4 Three openings shapes

图5 火源纵向位置示意图Fig.5 The schematic diagram of the fire location in longitudinal direction

图6 横断面1竖向中心线的温度沿高度变化图Fig.6 Temperature variation along the vertical direction on CS1

横断面1位于火源附近区域，三种工况表现出相似的规律，如图6所示。隧道高度小于3 m的下部空间温度约为320 K；隧道高度大于3.5 m的上部空间温度明显升高，烟道板下方温度最高约为650 K，烟层厚度约为3.5 m。

横断面2位于排烟口正下方，温度沿竖向的变化如图7所示，烟气层厚度约为3.5 m。工况二和工况三在隧道上部空间（H＞4 m）温度明显高于工况一，车道层顶部温度高约50 K。这说明隧道下部空间的烟气能够更多通过排烟口进入排烟道，工况二和工况三改变排烟口形式使得排烟口排烟能力提升。

断面3距离火源约50 m，三种工况横断面3竖向中心线的温度沿高度变化如图8所示，高温区域集中在隧道顶部2 m范围内，隧道下部空间（H＜4.5 m）温度均小于320 K，这满足疏散救援的要求。三种工况隧道上部（H＞4.5 m）高温区域表现出不同的规律，同一高度处工况三温度最小，比工况一低约100 K；工况二比工况一相同高度处的温度低约30 K。研究结果表明，保持排烟口面积不变时，A类排烟口的排烟能力最弱；B类排烟口的排烟能力有所提升，横向布置排烟口能够提搞排烟效率；C类排烟口不仅横向布置，而且加大了长宽比，使得排烟效率进一步提高。

隧道火灾时能见度的分析采用消光系数（light extinction coefficient）Ksmoke进行评价，Ksmoke＜0.8时表示能见度大于10 m。如图9和图10所示，横断面3的能见度和CO浓度与温度表现出的规律相似，三种工况在隧道下部空间（H＜4.5m）的能见度较好，一氧化碳浓度较低，能够满足疏散救援的环境要求；三种工况隧道上部（H＞4.5m）的烟气浓度差别较明显，工况三烟气浓度最低，工况一烟气浓度最高。

本文以在建的上海市虹梅南路越江隧道为对象，借助CFD技术模拟了50MW规模的火灾下，开启火源上下游各一个排烟口时，三个位置横断面中心线上温度、能见度和Co浓度沿竖向的变化规律，主要结论如下：

（1）重点排烟模式能够将烟气控制在隧道上部空间，距离火源越远，烟气层厚度越小；

（2）排烟口面积保持不变时，排烟口横向布置的排烟效率大于排烟口纵向布置；

（3）排烟口横向布置时，长宽比越大，排烟效果越好。

图7 横断面2竖向中心线的的温度沿高度变化图Fig.7 Temperature variation along the vertical direction on CS2

图8 横断面3竖向中心线的温度沿高度变化图Fig.8 Temperature variation along the vertical direction on CS3

图9 横断面3竖向中心线的消光系数沿高度变化图Fig.9 Ksmokevariation along the vertical direction on CS3

图10 横断面3竖向中心线的CO浓度沿高度变化图Fig.10 CCOvariation along the vertical direction on CS3

4 结 论

［1］ 徐琳，张旭.风口特性对集中排烟隧道烟气控制效果的影响［J］.暖通空调，2008（3）：76-79.Xu Lin，Zhang Xu.Effect of smoke outlet character-istics on smoke control for highway tunnelwith central smoke extraction systems［J］.Heating Ventilating and Air Conditioning，2008（3）：76-79.（in Chinese）

［2］ 潘一平，赵红莉，吴德兴，等.隧道火灾集中排烟模式下的排烟效率研究［J］.安全与环境学报，2012（02）：191-196.Pan Yiping，Zhao Hongli，Wu Dexing，et al.Study on smoking exhaust efficiency under central exhaust mode in tunnel fires［J］.Journal of Safety and Environment，2012（2）：191-196.（in Chinese）

［3］ 郭清超，沈奕，闫治国.重点排烟大断面隧道火灾烟气控制的CFD分析［J］.地下空间与工程学报，2012（S1）：1615-1620.Guo Qingchao，Shen Yi，Yan Zhiguo.CFD study of fire smoke control effect in large section shield tunnel with point smoke extraction strategy［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2012（S1）：1615-1620.（in Chinese）

［4］ 上海市建设和交通委员会.DG／TJ 08—2033—2008道路隧道设计规范［S］.上海，2008.Shanghai Construction and Transportation Commission.DG／TJ 08—2033—2008.Road tunnel design code［S］.Shanghai，2008.（in Chinese）

［5］ PIARC.Fire and smoke control in road tunnels［u］.World Road Association（PIARC）Publication，2007.

［6］ CIBSE.CIBSE Guide E：Fire engineering［S］.The Chartered Institution of Building Services Engineers，London，1997.

Study on Fire Characteristics in Shield Tunnel w ith the Point Smoke Extraction System

WANG Anmin2，3GUO Qingchao2，3YAN Zhiguo1，2，3，*
（1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai200092，China；3.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

With the the South Hongmei Road Tunnel project under construction as backgroud，three different dimensions of extraction openingswere simulated for a 50 MW fire scenario by using SMARTFIRE.Two extraction openings in the upstream and downstream were opened for each case.The variation of temperature，visibility and carbon monoxide concentration along the vertical direction on three cross-sectionswere analyzed to investigate fire characteristics on the cross-section and the smoke exhaust efficiency.The simulation results show that changing the direction of extraction opening from longitudinal to horizontal can increase the smoke exhaust efficiency.Furthermore，the larger aspect ratio of extraction opening will improve the smoke exhaust efficiency.

shield tunnel，point smoke extraction，fire characteristic

2013－12－10

上海市科技公关计划（11231201200）

*联系作者，Email：yanzguo＠tongji.edu.cn