侧向排烟城市道路隧道的水幕阻烟隔热性能研究

闫治国， 张 宁,*， 王兆阳， 董景涛

(1. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室， 上海 200092；2. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系， 上海 200092)

0 引言

近几年，水幕系统越来越广泛地应用于城市道路隧道消防中。火源两侧的水幕控制阀组接收火灾信号后开启，2道防火水幕形成分隔区段，包围火源。火灾烟气蔓延至水幕处时受到阻挡，被限制在分隔区段内； 同时，水汽蒸发可以降低隧道内空气温度，为人员的疏散逃生提供条件。

目前，国内外学者采用数值模拟、模型试验、现场试验等方法，对水幕系统在隧道消防中的作用进行了研究。刘抗[1]通过数值模拟，指出水幕可对隧道形成防火分隔； LIANG Qiang等[2]、梅甫定等[3]、YANG Peizhong等[4]采用数值模拟方法，指出水幕系统具有阻烟降温效果； WANG Zhigang等[5]、梁强等[6]、陈娟娟等[7]通过模型试验，得到了水幕系统的阻烟性能； 刘柳等[8]、聂乔敏[9]、CHANG Huepei等[10]采用模型试验的方法，得出水幕具有阻烟隔热效果的结论； 罗鹏等[11]、李浩等[12]通过隧道现场试验，证明水幕系统可以降低隧道内环境温度，并有效控制火情； 梁强[13]指出减小水幕液滴粒径、提高喷雾压力、增加水幕宽度有利于控制火灾烟气； YUAN Lining等[14]指出喷头位置和喷淋系统激活温度会对水幕的工作效果产生较大影响； 张轩轩等[15]针对不同规模的火灾，给出了相应喷水强度的建议。

然而，现有的研究多是针对采用常规排烟方式的隧道，而针对侧向排烟隧道的水幕作用的研究相对较少，并且对所研究隧道的类型没有进一步明确。为探究侧向排烟城市道路隧道水幕系统的阻烟隔热性能，采用FDS数值模拟方法，依托上海市北横通道双层盾构城市道路隧道，考虑不同喷头数量、喷水压力、排烟量、排烟口间距及排烟口数量的影响，对下层侧向排烟隧道水幕系统的性能进行模拟。由于烟气扩散范围、温度场分布以及能见度能够比较全面地体现隧道火情，反映水幕的阻烟隔热性能，因此，对这3个指标进行分析和对比。模拟数据真实可靠，可为水幕系统在侧向排烟城市道路隧道消防中的应用提供参考。

1 计算模型

1.1 依托工程

FDS数值计算模型以上海市北横通道双层盾构隧道工程为依托建立，隧道全长7.788 km，横断面直径15 m，隧道横断面如图1所示。上层隧道净空高约4.2 m，净宽约10 m； 下层隧道净空高约4 m，净宽约10 m。

通风消防方面，上层隧道采用常规重点排烟模式，排烟口位于隧道上方，尺寸为3 000 mm×1 000 mm(长×宽)，相邻间距为60 m； 下层隧道采用侧向重点排烟模式，排烟口位于隧道一侧，发生火灾时，开启火源附近5个排烟口，将烟气通过排烟支管及顶部排烟道排出隧道，排烟口尺寸为2 500 mm×800 mm(长×宽)，排烟支管尺寸为2 200 mm×500 mm(长×宽)，间距为45 m。

图1 隧道横断面(单位： m)

1.2 火灾场景设定

表1和表2分别为DBJ 53-14—2005《公路隧道消防设计施工管理技术规程》[16]以及文献[17]所提到的CETU(F)中不同火灾场景下热释放速率(HRR)的推荐取值。因本文所讨论的上海市北横通道双层盾构隧道为小汽车专用快速路，禁止货车、载重车等大型车辆通行，同时计算中考虑到2～3辆小轿车失火的不利工况； 因此，设定火灾热释放速率为8 MW。

表1DBJ53-14—2005《公路隧道消防设计施工管理技术规程》热释放速率推荐取值

Table 1 Recommended values of heat release rate in Regulation DBJ 53-14-2005 MW

起火车辆最大热释放量 载人小汽车 3～5 载重车/公共汽车 15～20 油罐车 50～100

表2CETU(F)(1996/1997)热释放速率推荐取值

Table 2 Recommended values of heat release rate in Regulation CETU(1996/1997) MW

起火车辆热释放速率 小轿车2.5 2～3辆小轿车8 1辆厢式车15 1辆巴士或卡车20 载重卡车30

火源尺寸根据设定火灾热释放速率所对应的车辆平面尺寸确定，参考世界道路协会(PIARC，2007)推荐标准，具体取值为2 m×1 m×1 m(长×宽×高)[18]。火源位置设置于下层隧道中间排烟口的正下方，如图2所示。

图2 火源及水喷头布置图

表3为根据英国《暖通设计手册》(CIBSE Guide)中，不同发展速率的火灾对应的不同火灾热释放速率系数[19]。

表3CIBSEGuide推荐的火灾热释放速率变化系数

Table 3 Variation coefficient of fire heat release rate recommended by Regulation CIBSE Guide

火灾类型系数α慢速0.002 9中速0.011 7快速0.046 9极快0.187 6

考虑到最不利工况，本文设定火灾发展速度极快[20]，即取α=0.187 6。热释放速率(HRR)按式(1)变化，火灾热释放速率增长曲线如图3所示。

Q=αt2。

(1)

式中：Q为热释放速率(HRR)，MW；α为英国《暖通设计手册》(CIBSE Guide)推荐的系数；t为火灾发生的时间，s。

图3 火灾热释放速率增长曲线

火灾发生206 s后，热释放速率(HRR)达到稳定值8 MW，并保持不变，直到模拟计算时间结束。

1.3 计算模型建立

建模过程严格按照上海北横通道的形状进行，考虑到火灾工况下通过开启水喷淋可将烟气控制在一定范围内。计算模型长度取为300 m，包括下层隧道、上层隧道排烟道及水喷头。CFD仿真模型如图4所示。

图4 CFD仿真模型

根据美国国家标准与技术协会(NIST)试验结论，当网格尺寸取火源特征尺寸的1/10时，模拟结果与试验结果较为吻合[21]。火源特征尺寸D*可表示为

(2)

式中：Q为火源热释放速率，kW；ρ为环境空气密度，kg/m3；cp为空气定压热容，kJ/(kg·K)；T为环境空气温度，K；g为重力加速度，m/s2。

这里取Q=8 000 kW；ρ=1.29 kg/m3；cp=1.00 kJ/(kg·K)； 环境温度设为20 ℃，因此T=293 K；g取9.8 m/s2。经计算，得到D*的值为6.76，因此1/10D*为0.68。此外，对不同网格尺寸划分方式进行比较，见表4。

表4 不同网格尺寸的比较

在此基础上平衡计算精确度与计算时间成本，将隧道网格统一划分为0.5 m×0.5 m×0.5 m，并依据热物理变化梯度大小关系对火源附近进行网格加密处理。隧道两端设为自然通风边界，隧道壁定为绝热面，排烟道通风量根据工况设定。

1.4 水幕设计方案

水幕系统由火源、水喷头、感控装置等构成。火源设置于隧道中部，靠近支管排烟口； 水喷头对称布置于火源两侧，喷头组间距45 m。根据GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》，喷头间距为1.8～2.4 m[22]。考虑到下层隧道净宽为10 m、净高为4 m，相对较小，喷头组设置为顶部2或4个及底部2个。顶部喷头为水幕主要出水点，采用边墙型快速响应喷头(喷头流量系数K取115)； 底部喷头为辅助出水点，兼具运营期洒水降温功能，采用标准喷头(喷头流量系数K取80)。火源及水喷头布置见图2。水喷淋效果见图5。

图5 水喷淋效果

喷头工作压力标准值取0.1 MPa[22]，考虑略小于、等于、略大于标准值的情况，计算模型中喷头工作压力及流量取值如表5所示。

表5 喷头工作压力及流量取值

在火源两侧范围内，每隔5 m布设温度和能见度传感器(传感器距离隧道底板2 m高)，以实现对隧道沿纵向方向温度及能见度的监测。

参考如表6所示的世界道路协会(PIARC)对隧道内温度、能见度和CO质量分数允许值的相关报告规定[23]，对隧道内疏散救援环境的好坏进行综合评判。

1.5 水喷淋工况设定

本文主要关注隧道顶部水喷头的数量及工作压力，讨论不同工况下水幕系统对于北横通道下层侧向排烟隧道火灾烟气流动特性的影响，从而论证烟气隔离效果和水幕消防方案的有效性。根据设计的水喷淋方案，对如表7所示的9种工况进行模拟。

表6隧道内温度、能见度和CO质量分数允许值(PIARC，1999)

Table 6 Allowable values of temperature, visibility and CO concentration in tunnel (PIARC, 1999)

控制指标允许值空气温度/℃<80能见度/m>7～15CO质量分数/(×10-6)<225

表7 模拟火灾工况

2 计算结果及分析

2.1 隧道内烟气扩散范围

各工况下不同时刻烟气扩散情况(工况0—工况8)如图6所示。由图6可知，水幕系统对于隧道内烟气扩散起到了一定的分隔作用。由于这种分隔依靠的是水幕而非固态隔墙，因此属于“软分隔”。顶部2个喷头布置条件下，450 s时烟气锋面模糊，外扩蔓延滞缓； 900 s时烟气充满火源两侧范围，无分层。顶部4个喷头布置条件下，450 s时烟气被阻隔，当喷头工作压力大于0.1 MPa时，隔断效果明显； 900 s时烟气扩散至着火点两侧范围，其中当喷头工作压力大于0.25 MPa时，烟气出现不明显分层。

2.2 隧道内温度情况

各工况下不同时刻沿隧道纵向2 m高位置温度分布(工况0—工况8)见图7。由图7可知，在水幕的隔热作用下，分隔区段内外两侧形成分化，呈现出“内高外低”的趋势，水幕系统对分隔区段外侧的温度起到了一定的控制作用。水幕分隔区段内，受水喷淋影响存在水蒸汽液化现象，温度出现波动，使得喷淋工况下该区段的温度比无喷淋时高。顶部2个喷头布置条件下，温度在60 ℃附近波动且跳幅剧烈； 顶部4个喷头布置条件下，温度在40 ℃附近波动且跳幅平缓。水幕分隔区段外侧，温度变化趋缓，整体分布平稳，2个喷头条件下均温在40 ℃左右，4个喷头条件下均温在25 ℃左右(接近室温)。

450 s 900 s

450 s 900 s

(c) 工况2

450 s 900 s

(d) 工况3

450 s 900 s

(e) 工况4

450 s 900 s

(f) 工况5

450 s 900 s

(g) 工况6

450 s 900 s

(h) 工况7

450 s 900 s

(i) 工况8

图6各工况下不同时刻烟气扩散情况(工况0—工况8)

Fig. 6 Smoke diffusion under different working conditions

2.3 隧道内能见度

各工况下不同时刻沿隧道纵向2 m高位置能见度分布(工况0—工况8)见图8。由图8可知，水幕系统在火灾发展的中期(450 s左右)起到了一定的作用，隧道着火点两侧远端处能见度明显改善； 但对于后期阶段(900 s左右)，水幕系统产生的“软分隔”作用在一定程度上近乎失效，隧道全线能见度极度恶化。

顶部2个喷头布置条件下，450 s时水幕内外两侧的能见度呈现出分化现象，但明显可观察到烟气穿透导致的能见度下降； 顶部4个喷头布置条件下，450 s时水幕内外两侧完全隔离，水幕分隔区段外区域的能见度处于正常水平(30 m)。火灾发展到900 s时，顶部喷头数量(2个或4个)对烟气的影响不大，烟气满溢造成了隧道内全线能见度的急剧下降，其中距离火源25 m处的能见度低至5 m，25 m以外区域的能见度低至10 m，救援疏散受到干扰(能见度允许值7～15 m)。因此，为保证救援安全和救援效果，救援疏散应尽可能在烟气蔓延至整个隧道前进行。

(a) 2个喷头(工况0—工况4)450 s

(b) 2个喷头(工况0—工况4)900 s

(c) 4个喷头(工况5—工况8)450 s

(d) 4个喷头(工况5—工况8)900 s

图7各工况下不同时刻沿隧道纵向2m高位置温度分布(工况0—工况8)

Fig. 7 Temperature distribution at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

(a) 2个喷头(工况0—工况4)450 s

(b) 2个喷头(工况0—工况4)900 s

(c) 4个喷头(工况5—工况8)450 s

(d) 4个喷头(工况5—工况8)900 s

图8各工况下不同时刻沿隧道纵向2m高位置能见度分布(工况0—工况8)

Fig. 8 Visibility at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

2.4 侧向排烟量及排烟风速的影响

为探究排烟量对水幕阻烟隔热性能的影响，将侧向排烟与水幕作用耦合，研究水幕系统在不同排烟量情况下的效果。具体工况为： 火灾规模8 MW，顶部喷头数量为4个，喷水压力0.25 MPa； 底部喷头数量为2个，喷水压力0.1 MPa；工况C1、工况C2、工况C3、工况C4、工况C5的排烟量分别设为0、15、30、45、60 m3/s，排烟道截面积为11.8 m2，对应的排烟风速为0、1.27、2.55、3.82、5.09。对隧道内烟气扩散范围、温度和能见度进行分析。

各工况下不同时刻烟气扩散情况(工况C1—工况C5)如图9所示。由图9可知，侧向排烟与水幕系统的耦合作用对于隧道内火灾烟气扩散范围的控制是有效的。在火灾中前期(450 s)，水幕系统起到了明显的阻烟作用。在火灾中后期(900 s)，不同排烟量所呈现出的效果存在一定的差异性，随着排烟量的增加，水幕对隧道内烟气的阻隔作用提升。排烟量在30 m3/s以内时，烟气蔓延至整个隧道； 排烟量大于45 m3/s时，烟气扩散可控制在一定范围内。

450 s 900 s

(a) 工况C1

450 s 900 s

(b) 工况C2

450 s 900 s

(c) 工况C3

450 s 900 s

(d) 工况C4

450 s 900 s

(e) 工况C5

图9各工况下不同时刻烟气扩散情况(工况C1—工况C5)

Fig. 9 Smoke diffusion under different working conditions

各工况下不同时刻沿隧道纵向2 m高位置温度分布(工况C1—工况C5)见图10。由图10可知，随着侧向排烟量增加，水幕系统对分隔区段以外区域温度的控制作用更加明显，而对分隔区段以内最高温度的影响并不大。

(a) 450 s (b) 900 s

图10各工况下不同时刻沿隧道纵向2m高位置温度分布(工况C1—工况C5)

Fig. 10 Temperature distribution at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

各工况下不同时刻沿隧道纵向2 m高位置能见度分布(工况C1—工况C5)见图11。由图11可知，隧道排烟与水幕作用的耦合对于分隔区段外能见度的改善是明显的。在火灾中前期(450 s)，排烟量大于30 m3/s时，水幕系统对分隔区段外能见度的改善起到了显著作用； 当排烟量不大于15 m3/s时，这种改善作用减弱。在火灾后期(900 s)，尽管整个隧道的能见度出现下降，但能见度的恶化程度随排烟量的增大而减小。

(a) 450 s (b) 900 s

图11各工况下不同时刻沿隧道纵向2m高位置能见度分布(工况C1—工况C5)

Fig. 11 Visibility at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

2.5 侧向排烟口间距的影响

为研究排烟口间距大小对水幕作用的影响，模拟水幕系统在不同排烟口距离情况下其阻烟隔热性能的表现状况。具体工况为： 火灾规模8 MW； 顶部喷头数量为4个，喷水压力为0.25 MPa； 底部喷头数量为2个，喷水压力为0.1 MPa； 排烟量为45 m3/s； 工况T1、工况T2、工况T3侧向排烟口间距分别为25、45、80 m，对应的排烟口数量分别为7个、5个、3个。对隧道内烟气扩散范围、温度和能见度进行分析，结果见图12—14。

450 s 900 s

(a) 工况T1

450 s 900 s

(b) 工况T2

450 s 900 s

(c) 工况T3

图12各工况下不同时刻烟气扩散情况(工况T1—工况T3)

Fig. 12 Smoke diffusion under different working conditions

(a) 450 s (b) 900 s

图13各工况下不同时刻沿隧道纵向2m高位置温度分布(工况T1—工况T3)

Fig. 13 Temperature distribution at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

(a) 450 s

(b) 900 s

图14各工况下不同时刻沿隧道纵向2m高位置能见度分布(工况T1—工况T3)

Fig. 14 Visibility at a height of 2 m along longitudinal direction of tunnel under different working conditions

由图12—14可知： 随着隧道侧向排烟口间距的减小(即排烟口数量的增加)，烟气的扩散范围相应缩小，火灾前中期(450 s)的阻烟效果明显； 水幕系统对分隔区段以外温度的控制及能见度的改善起到了一定的作用，但效果不明显。

3 结论与建议

1)对于一般性火灾，在水幕系统作用下，隧道内烟气扩散范围能够得到一定程度的控制，有利于消防救援。

2)在水幕系统作用下，隧道内温度场分布呈现分化状态，水幕分隔区段以外区域的温度能够得到控制，满足逃生救援要求。

3)水幕系统可以使分隔区段内外的能见度状况出现分化。在火灾发生的前中期能延缓整个隧道内能见度的下降； 在火灾发生的中后期，水幕系统对于隧道内能见度的改善作用减弱。

4)在增大侧向排烟口的排烟量、减小排烟口间距、增加排烟口数量的情况下，水幕系统的阻烟隔热性能可以得到更好地发挥。

5)消防救援工作受到隧道环境的影响，要尽可能在隧道温度、烟气质量分数、能见度等指标满足要求的情况下进行，因此，对于侧向排烟隧道，消防工作需要在火灾发生的前中期开展，以取得理想效果。

6)针对DG/T J08-2033—2017《道路隧道设计标准》规定的“当设有重点排烟系统和泡沫-水喷雾灭火联用系统时，安全疏散时间可适当放宽至20 min[24]”，需额外指出对于设有水喷淋系统的侧向排烟城市道路隧道，安全疏散时间应当控制在10～12 min，不宜放宽至20 min。