超长水下隧道重点排烟量计算研究

梁 园

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

随着我国经济发展的需要，长大水下公路交通隧道成为连接跨江河湖海城市之间和城际之间重要的交通动脉，对江河湖海两端城市区域产业结构互补、经济协同发展起着非常重要的作用。隧道长度逐年突破，尤其水下隧道下穿的暗埋段长度越来越长，目前国内在建城市公路隧道水下段已超过10 km。水下隧道下穿江、河、湖、海时，在施工难度可控范围内，若在水中建造人工岛、设置隧道通风排烟机房，极大增加了工程投资和工程复杂性，并且随着国家环评报批、生态红线规定越来越严，在生态湖等设岛的可能性减小，这对水下隧道通风排烟及疏散逃生防灾系统提出了新难题［1］。从国内现状看，分段排烟方式可实施性较难。调查得知，目前我国建成及在建的特长水下隧道大多采用纵向通风＋重点排烟方式［2］。重点排烟量是重点排烟系统的最重要参数之一，我国相关规范针对公路隧道重点排烟量的计算方法均不详细，涉及内容少。本文分析了影响重点排烟量的因素、计算方法，为该系统的合理设置提供理论基础，保证了隧道内发生火灾时人员和车辆能够安全撤离。

2 重点排烟系统及排烟量相关设计标准

2.1 住建部颁布的国家标准要求

《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014）针对城市交通隧道的防火设计有相关规定，其中城市交通隧道的通风和排烟系统应符合以下规定［3］：

长度大于3 000 m的隧道，宜采用纵向分段排烟方式或重点排烟方式；单洞双向交通隧道，宜采用重点排烟方式。

规定大于3 km的长大隧道宜采用纵向分段排烟或重点排烟方式，以控制烟气的影响范围。重点排烟是横向排烟方式的一种特殊情况，即在隧道纵向设置专用排烟风道，并设置一定数量的排烟口，火灾时只开启火源附近或火源所在设计排烟区的排烟口，直接从火源附近将烟气快速有效地排出行车道空间，并从两端洞口自然补风，隧道内可形成一定的纵向风速。

条文说明中提到重点排烟的排烟量应根据火灾规模、隧道空间形状等确定，排烟量不应小于火灾的产烟量。隧道中重点排烟的排烟量目前还没有公认的数值，没有明确重点排烟量计算方法，选取国际道路协会（PIARC）推荐的烟雾体积流量作为参考，见表1。

_表1_国际道路协会推荐的烟雾体积流量

2.2 交通运输部颁布的行业标准要求

《公路隧道通风设计细则》（JTG／T D70／2-02-2014）针对公路隧道通风设计中防排烟系统有相关规定，其中公路隧道火灾防烟与排烟应符合以下规定［4］：

用全横向、半横向及集中排烟的公路隧道，火灾烟雾生成率可按表2取值。

_表2 全横向、半横向及集中排烟的隧道火灾烟雾生成_率

本条烟雾生成率的取值参照了国际道路协会（PIARC）、欧洲等国外相关技术资料。采用全横向、半横向及集中排烟的隧道火灾排烟需风量与烟雾生成率、隧道断面积、纵向风速等因素有关。

2.3 地方颁布的行业标准要求

湖南省质量技术监督局发布的《公路隧道消防技术规范》（DB／43729-2012）针对湖南省公路隧道通风设计中集中式排烟系统排烟量推荐值见表 3［5］。

表3_排烟量推荐值

上海市住建管理委员会批准发布的《道路隧道设计标准》（DG／TJ 08-2033-2017）针对上海地区城市和公路机动车专用道路隧道设计有相关规定，当隧道采用重点排烟时，应符合以下规定［6］：

排烟量应按设计火灾规模计算确定，并考虑土建排烟风道和排烟口的漏风量等因素。

3 重点排烟量计算

（1）隧道火灾时的排烟量可采用《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251-2017）羽流质量流量的计算公式进行计算［7-8］。

当Z＞Z1：

当Z≤Z1：

式中，QC为热释放速率的对流部分，一般取值QC＝0.7Q（kW）；Z为燃料面到烟层底部的高度（m）；Z1为火焰极限高度（m）。

体积产烟量计算公式：

式中，V为排烟量（m3／s）；ρ0为环境温度下的空气密度（kg／m3）；TO为周围空气温度（K）；T为烟层的平均绝对温度（K）。

重点排烟量计算还应考虑排烟道及排烟口漏风量、隧道断面积、纵向风速等因素有关，其中排烟道漏风量受隧道管线、结构施工缝等布置影响难以量化；隧道断面尺寸源于施工工法不同，排烟口布置位置与隧道横断面产生影响关系，造成排烟口处新风吸入比例不同；纵向风速影响重点排烟效果，该影响因子可作为系统排烟效果分析，不进行计算量化。

（2）根据公共安全行业标准《排烟阀（口）》（GA 481-2004）中对排烟口漏风量规定：

当排烟阀（口）前后压差为1 000 Pa±15 Pa时，其单位面积在标准状态下的漏风量不应大于700 m3／（m2·h），即 0.19 m3／（m2·s）。

《公路隧道通风设计细则》（JTG／T D70／2-02-2014）中对风阀规定如下：

风阀应与通风机联动，其结构应具有良好的气密性；在不大于2 000 Pa压差的情况下，风阀单位面积的漏风量不应大于 0.1 m3／（m2·s）。

排烟阀产生的漏风量Q1＝0.1×N×A（m3／s）

（3）PIARC提出了排烟口设置在侧部，且排烟口顶部与隧道顶部重合时，隧道两侧设排烟口与顶部设排烟口相比，其排烟效率会下降5%～10%；隧道单侧设置排烟口与顶部设排烟口相比，其排烟效率会下降 15% ～20%［9-10］。

4 工程研究数据分析

4.1 隧道概况

江浙区域某一级公路以隧道形式下穿水域，采用双向六车道一级公路标准，设计速度100 km／h，隧道建筑长度约7 740 m，暗埋段7 210 m。水下隧道采用多个W型的组合纵坡，隧道的最小凸形竖曲线和最小凹型竖曲线半径均为10 000 m。隧道的最大纵坡为3%，最小纵坡为0.3%，隧道分段见图1和表4。

图1 隧道纵断面

表4_隧道分段桩号

根据线路设计，该隧道为双向六车道，设置连续式紧急停车带，设计车速为100 km／h。断面采用双孔一管廊的形式，单孔净宽17.45 m，净高7.35 m，中间管廊宽度为5.0 m，上部为排烟风道。隧道横断面见图2。为解决隧道在发生火灾时洞内人员的避难逃生问题，防灾救援系统非常重要，湖中无法设置排烟风井，应采用重点排烟系统。

图2 隧道横断面

4.2 隧道重点排烟工况模拟及分析

本工程火灾热释放率取值为50 MW［11］，按上述计算方法，排烟口所需排烟量取141 m3／s、161.5m3／s，排烟风口在单则设置的效率值取85%，所需火灾时开启排烟口的总排烟量Q1为190 m3／s。考虑排烟口单位面积漏风量取值0.1 m3／（m2·s），排烟口尺寸3 m×2 m，隧道两端排烟风机同时启动总漏风量取值 70 m3／s，排烟管道风量Q2为225 m3／s，根据规范要求混凝土烟道内最大允许排烟风速为15 m／s，计算得到排烟道横断面面积不小于15 m2。

使用火灾烟气模拟软件FDS建立隧道火灾模型，对重点排烟量为141、161.5、190、210、240 m3／s共6种工况进行重点排烟情况模拟，模拟计算采用的断面尺寸为实际的隧道断面尺寸，见图3、图4。在隧道侧壁设置排烟口，排烟口在火源燃烧90 s后开始排烟。

图3 建立的隧道模型

图4 X-Z轴方向上几何模型截面图

隧道侧壁相邻排烟孔间距为60 m，火源为“T2工况”火，应用软件自带的反应为庚烷燃烧反应，火源位于隧道中部，即y＝250 m处。火灾发生时开启离火源最近的6个排烟孔（Y＝100 m、Y＝160 m、Y＝220 m、Y＝280 m、Y＝340 m、Y＝400 m），每个排烟孔尺寸为3 m×2 m（宽×高）。重点排烟各工况下排烟效果见表5，重点排烟口的效率分析结果见图5。

_表5_重点排烟各工况_排烟效果分析汇总

图5 各工况下重点排烟口的排烟效率

模拟数据整理汇总在表5，可知侧壁排烟方式下，工况1～工况6的排烟口总排烟量均按大于烟雾生成率的100 m3／s；工况1和工况2在烟层厚度不同的前提下，所需排烟量分别为 141 m3／s、161.5 m3／s，但未考虑排烟口单侧设置效率下降，排烟效率介于49%～60%，可用疏散时间介于370～380 s；工况3按照PIARC报告考虑排烟口单侧设置效率下降15%，排烟量为190 m3／s，模拟计算的总排烟效率为71.1%，即排烟效率下降28.9%，较PIARC报告效率下降推荐值10%～15%大，此时可用疏散时间提供393 s；当排烟量为210 m3／s即工况4时，排烟效率达80.4%，可用疏散时间397 s；当排烟量为排烟口可允许最大值240 m3／s时，工况5的排烟效率达87.2%，可用疏散时间399 s。因此计算重点排烟量必须考虑排烟口设置造成的效率下降因素。

工况6在工况3的基础上考虑交通通风力等影响［12］，增加断面纵向风速 1.5 m／s，排烟效率仅为60.3%，即纵向风速过大对排烟效率影响较大，但改变开启排烟口方案，上游开启2个排烟口使上游烟气得到很好控制，模拟时间900 s内未出现危险，下游开启4个排烟口因为效率下降，排烟口混入的新风比例增大，下游可用疏散时间下降到382 s。

5 结束语

（1）隧道火灾时，采用《建筑防烟排烟系统技术标准》（GB 51251-2017）羽流质量流量的计算公式进行烟气质量流量计算。

（2）根据体积产烟量计算公式，在烟气质量流量数值基础上计算出排烟口理论总排烟量。

（3）排烟口设置对排烟效率的影响不可忽视，推荐按照PIARC报告提出的原则考虑，即：排烟口设置在侧部，且排烟口顶部与隧道顶部重合时，隧道两侧设排烟口与顶部设排烟口相比，其排烟效率会下降5%～10%；隧道单侧设置排烟口与顶部设排烟口相比，其排烟效率会下降15%～20%。

（4）考虑排烟效率折损后，应通过数值模拟、实验等手段进行重点排烟效果校验，通过校验在（1）～（3）基础上调整排烟口的重点排烟量及排烟口开启方式。

（5）排烟风道、排烟风机的重点排烟量应考虑排烟口单位面积漏风量，取值 0.1 m3／（m2·s），根据规范要求排烟风道最大允许排烟风速得出最小排烟道横断面面积、排烟风机。