公路隧道机械排烟效果影响因素研究综述

杨 黎，杨莹莹，韦良文，刘佳亮,李林杰

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

隧道空间相对狭窄、排烟通道有限，隧道发生火灾时有毒气体不能够及时排出从而导致受困人员窒息是造成隧道火灾伤亡惨重的主要原因。1919年，美国结合纽约市荷兰隧道这一实际工程对公路隧道的通风问题进行了研究，并自此将400 ppm作为隧道设计时的CO设计浓度值。这次划时代的研究推开了人们对公路隧道通风问题研究的大门。我国交通运输部在1999年发布了《公路隧道通风照明设计规范》(JTJ 026.1—1999)，该规范明确提出“通风设计时必须考虑火灾对策，长度大于1 500 m且交通量较大的隧道应考虑排烟措施”。2014年颁布的《公路隧道设计规范 第二册交通工程与附属设施》(JTG D70/2—2014)和《公路隧道通风设计细则》(JTG D70/2-02—2014)对隧道发生火灾时的排烟措施提出了更高的要求。

随着隧道工程逐渐向着长、特长方向发展，在隧道发生火灾时，如何高效地将烟气分离保证维生环境是现今隧道火灾研究的重要课题。

1 国内外隧道通风方式发展进程

20世纪80年代以前，国际普遍采用的隧道通风方式是横向式或半横向式通风，例如瑞士、奥地利、意大利等欧洲国家[1]。 首次采用半横向式通风方案的是英国人修建的莫尔西隧道，全长3 226 m；圣哥达公路隧道，全长16 900 m，建成于 1980年9月，是当时全球第二长的公路隧道，采用半横向通风方式；1987年奥地利建成的普拉布奇隧道，全长9 634 m，采用的是全橫向通风方式。20世纪80年代来，双洞方案逐步取代了单洞方案，分段纵向通风方式走上了历史舞台。纵向通风方案逐渐成为主流，取代了过去的全横向、半横向通风方式[2]。日本在对隧道纵向通风方面的研究一直名列前茅，日本长、大公路隧道几乎全部采用了纵向通风方案。1990年，日本关越隧道全长11 010 m，首次在全长超过10 km的隧道上运用了竖井纵向通风。欧洲方面，始建于1995年的艾于兰-洛达尔隧道，采用了纵向通风方案，全长24 500 m，是当时世界上最长的公路隧道。

我国的隧道通风方式经历了从横向、半横向到纵向式通风的发展历程，其中纵向式通风又可以分为竖井式、射流式、斜井式和混合式纵向通风。具有代表性的隧道有：1989年的甘肃七道梁隧道、中梁山隧道、二郎山隧道、大溪岭隧道、大别山隧道、缙云山隧道等。特别是在1995年建成的处于成渝高速公路上的中梁山隧道、缙云山隧道，大胆地将原设计的横向通风更改为了全射流纵向通风和竖井纵向分段通风，开创了我国大、长公路隧道纵向通风的先河。

纵观全世界，在20世纪80年代以前，隧道通风方式以横向、半横向为主，到了20世纪80年代以后纵向通风在隧道通风系统中兴盛了起来。

2 公路隧道机械排烟方式

公路隧道排烟主要分为两类，一类是机械排烟，一类是自然排烟。机械排烟主要是利用隧道内的通风设备将新鲜的空气送入隧道内，与隧道内的空气进行交换。自然排烟是通过隧道内外风压不同或空气温度差促使空气发生交换。笔者主要论述了公路隧道纵向机械排烟和公路隧道集中排烟两种方式及其影响因素。

2.1 公路隧道纵向机械排烟

纵向排烟是在隧道内发生火灾的情况下，利用隧道内的通风设备，如安装在隧道顶部或墙体两侧的射流风机、竖井，将外界的空气送入隧道。排烟情况如图1所示。

图1 竖井式纵向排烟方式

纵向排烟时，气流方向与车行方向一致。其原理是将烟雾吹向火源的下游，使上游有足够的时间和空间对人员、车辆进行疏散和实施救援[3]。火灾发生后高温烟气会迅速往隧道坡度较高的区域蔓延，适当的纵向通风可防止烟气回流，向人员疏散方向扩散，因此纵向通风速度必须大于临界风速[4]。

纵向通风分为两类：①射流式通风。射流式通风是在车道空间上方吊设射流风机进行通风。隧道内交通方式不同，射流式通风适用的距离亦不相同，双向式交通隧道短于1 000 m，单向交通时适用的最大距离可达2 000 m。如果交通量小，即使隧道很长仍可运用。射流式通风设备费用低,但噪声较大。②竖井分段式纵向通风。双向交通时，适用于3 000 m以下的隧道，单向交通时，适用1 500 m以下的隧道。

2.2 公路隧道集中排烟

集中排烟方式在国外使用较早，常用于双向公路隧道和特长隧道。如瑞士Giswil隧道、斯洛伐克Branisko隧道、奥地利Tauern隧道。我国首次采用这种排烟方式是在香港鹰巢隧道。集中排烟方式属于横向排烟的一种，按照其布置形式的不同可以分为双向排烟和单向排烟两种[5],分别如图2和图3所示。隧道集中排烟是在距离隧道顶部一定距离处设置顶板以形成独立的排烟道，在顶板上布置一定数量间距、大小合适的排烟阀，排烟道和行车道通过排烟阀相互连接。当火灾发生时，打开排烟阀，烟气进入排烟道后通过与外界相通的竖井或斜井排出。这种排烟方式能够快速、高效地排出烟气，给受困者一个安全的环境，大大降低了救援的难度[6]。集中排烟通常与横向通风模式相结合使用，需要在隧道内修建送风道和排烟道，提高了运营费用和管理费用。

图2 双向排烟模式

图3 单向排烟模式

随着特长隧道的日益增多，大量学者开展了对公路隧道集中排烟模式的研究，如李婷婷等[7]利用数值模拟方法对长大隧道内火灾燃烧特性和气体散布规律进行了研究, 并对不同火灾情况下的通风措施和横向通道疏散方法进行了优化；袁慧[8]对比分析了纵向排烟方式和集中排烟方式的优缺点，提出了在长隧道的设计中应当将通风方式与排烟方式分别进行设计；钟坤[9]提出了长隧道应当采取纵向通风和集中排烟相结合的排烟方式；刘明[10]针对浙江省苍岭隧道，采用CFD对比分析了纵向通风模式和纵向通风+集中排烟模式下烟气的蔓延范围及可见度，研究表明当设有集中排烟通道时可以将烟气控制在一定范围内且蔓延的速度较缓，而在纵向通风模式下烟气会较快地蔓延至整个隧道。集中排烟通道使纵向射流射风机开启时烟气层扰动小，进而使得隧道内的可见度通常在可接受范围内，这对于人员疏散十分有利。WANG等[11]提出了适用于定量分析纵向通风与集中排烟相结合的通风排烟模式下烟气回流长度的模型。

综上所述，随着对长大隧道的需求不断增加，纵向通风与集中排烟相结合的通风模式将会运用得越来越广泛，这种排烟方式将会是引领未来隧道排烟通风的发展方向。

3 公路隧道纵向排烟影响因素

3.1 临界风速

临界风速是为了避免隧道火灾烟气与纵向通风方向相反运动、发生倒流所需要的最小风速[12]。临界风速值通常是基于保留弗洛德数的半经验方程得到的。火源功率、火源宽度、火源位置、隧道阻塞比和坡度这几个因素对临界风速的大小都存在影响。HESELDEN[13]对水平隧道的临界风速进行研究，提出了临界风速与火源功率的关系，认为临界风速与火源功率的三分之一成正比，在一定范围内临界风速与热释放速率成正比，热释放速率越快临界风速越高，所需要的纵向通风速度就越大。但是据LI等[14]的研究，对于高展玹比隧道运用临界弗洛德模型计算临界风速并不合适。

倾斜隧道中坡度的存在对隧道内烟气的运动有显著的影响。YI等[15]在对纵向通风条件下倾斜隧道临界风速的实验研究中表明隧道坡度可以改变纵向通风隧道的临界风速值，在一定范围内临界风速随隧道坡度的增大而减小。事实上大多数倾斜隧道的倾角比较小，故倾斜隧道与水平隧道的临界风速差距并不大。

3.2 火灾烟气分层

烟气层的判定通常依靠温度梯度变化、烟气浓度以及能见度作为依据。目前，与目测结果最相接近的是高子鹤[16]通过理论分析与小尺寸实验，对无风条件下采用浮力频率法确定烟气分层高度的理论研究。

刘晓阳等[17]研究发现烟气层高度及稳定性与火源测点、火源间距、隧道内的通风情况和有无排烟有关。在隧道的末端，烟气遇冷发生沉降，烟气回流到隧道内部，回流烟气处于热烟气层的下方，回流速度小于末端烟气蔓延速度，烟气回流一定的距离后再次进入热烟气层[18]。

根据阳东等[19]的研究，当纵向通风超过临界值时，隧道顶部下方就会形成相对低温的区域，由于高温区域与低温区域的温度差异，烟气就会产生分叉流动。烟气层与冷空气层发生混合致使上部烟气层与下部冷空气层的界限模糊，烟气层的厚度会随着纵向通风强度的增大先降低后升高。

3.3 隧道坡度

RIESS等[20]研究得出影响倾斜隧道内烟气运动的一个重要因素是烟囱效应，烟囱效应显著影响倾斜隧道内的烟气运动，并改变温度分布和烟气流速。虽然倾斜隧道的倾角一般较小，但隧道内高差较大的空间被热烟占据，导致烟气叠加在一起[21-22]。刘拓等[23]建立CFD数值模型，研究了隧道坡度分别为-3%、0%、3%时不同纵向诱导风速和排烟口开启方式对隧道内温度、2m高度处的可见度、烟气蔓延范围以及排烟效率的影响。结果表明合理的纵向诱导风速能够有效抑制由隧道坡度引起的“烟囱效应”,有利于火源上游的救援，同时还能够有效控制烟气的蔓延范围。ZHONG等[24]在对纵向通风的倾斜隧道火灾烟气运动的研究中，指出在倾斜隧道火灾中机械通风与烟囱效应之间的相互作用会导致多种稳定流动模式，在机械通风系统启动前，烟气的传播仅受浮力的驱动，并有向隧道上部入口扩散的趋势,机械通风系统的介入导致强制气流与烟囱效应相互作用，改变了烟气的传播趋势。目前，很少有研究关注烟囱效应及机械通风系统在倾斜隧道烟气运动中的作用及其对烟气的控制机制。

3.4 隧道竖井

竖井排烟机制类似于烟囱效应。隧道内发生火灾的时候，竖井内部与竖井外部之间会形成一个温度差，根据热力学定律，热量会从高温区域向低温区域传达，因此隧道内的高热烟气会流向温度相对较低的竖井内部[25]。当竖井足够高的时候，过大的温差迫使隧道内的冷空气穿过烟气层进入竖井，这就是吸穿现象。吸穿现象会严重降低竖井的排烟效率，吸穿现象与竖井度、有无纵向通风有重要的联系。

在没有纵向通风的情况下，接近竖井下方排烟口的烟气层在受到来自竖井上方的风力与自身的惯性共同作用下，烟气层会产生漩涡，从而降低烟气层的高度。当竖井的高度较小时，隧道外部的冷空气会从竖井的上端进入竖井内部，阻碍烟气的排出。

竖井的吸穿现象会随着竖井高度的增加而增加，适当增加纵向通风，会有效降低吸穿现象。吴德兴等[26]采用1∶10的缩尺寸模型，研究发现当风速小于1.58 m/s时，冷空气对烟气层的扰动较小，当风速增加到2.75 m/s时，冷空气会使烟气层发生紊乱而不利于救援。姜童辉[27]研究发现当纵向风速较大时，竖井内部的边界层会因为逐渐分离而形成较大的漩涡，同时竖井顶端的冷空气被卷吸回流进入竖井，与外排的烟气耦合形成漩涡，阻碍烟气排放，降低竖井排烟效率。可见增加纵向通风，对改善高竖井排烟效果并不理想。

4 公路隧道集中排烟影响因素

排烟阀的布置形式和排烟速率是影响集中排烟效率最为主要的因素。对这些参数进行研究可以为隧道通风排烟的设计提供可靠的依据。

4.1 排烟阀的布置

排烟阀的布置包括排烟阀的个数、开口大小、间距及开启方式，布置不合理会引发吸穿现象从而降低排烟效率，《公路隧道通风设计细则》(JTG/T D70/2-02—2014)要求“排烟口间距不宜小于60m”[28]。

在排烟阀的间距布置方面，蔡崇庆等[29]建立了1:20的缩尺寸模型，研究发现排烟口的间距越大，发生吸穿现象时的排烟速率越小，并提出了防止发生吸穿现象的临界排烟速率和排烟阀最小间距的计算公式。XU等[30]结合港珠澳沉管隧道建立了研究模型，实验结果显示在火源附近对称设置排烟阀并将其角度分别调为28.84°、36.84°和44.54°，可以提高排烟效率且降低耗能。排烟口的开启方式对烟气蔓延范围的影响较其他因素而言更为显著，在采用集中排烟模式时排烟口应该对称于火源分布。因此,为避免吸穿现象的发生,需选取合适的排烟口间距及开启方式。

4.2 排烟速率

排烟速率是引起吸穿现象最直接的因素。过小的排烟速率将不能及时有效地将烟气排出，加大了救援逃生的难度；过大的排烟速率则会引起吸穿现象，使得排烟效率降低，不利于救援且浪费能源。

姜学鹏等[31]运用FDS进行数值模拟,分析了集中排烟模式下对称开启的6个排烟口下方的烟气蔓延规律、烟气层温度和厚度分布规律。试验证明排烟速率达到一定程度时，距离火源越远的排烟阀越容易吸穿。排烟效率与排烟效能不呈正相关，且只有在一定范围内排烟风量才会对排烟效率造成显著的影响，排烟速率大到一定程度时会导致烟气层吸穿,使得机械排烟效率降低。

5 结论

笔者从纵向通风临界风速、烟气运动、集中排烟诱导风速、排烟阀的布置、排烟速率这5个方面进行了总结：

(1)确认临界风速是隧道纵向通风中相当重要的一环，临界风速越大，所需要的纵向风力就越大，对射流风机的功率要求就越高。纵向风力小于临界风速，烟气就会回流。

(2)在没有通风的情况下烟气层有明显的分界，纵向通风增加烟气对空气的夹带，稀释了隧道顶部烟气的密度，致使上部烟气层与下部冷空气层的界限模糊，烟气层与冷空气层发生混合。

(3)当隧道内发生火灾的时候，竖井内部与竖井外部之间会形成一个温度差，根据热力学定律，热量会从高温区域向低温区域传达。当竖井足够高的时候，由于压强差太大，隧道内的冷空气会穿过烟气层进入竖井，这就是吸穿现象。适当增加纵向通风，会有效降低吸穿现象。

(4)纵向诱导风速过小将不能控制烟气的蔓延范围，从而降低能见度；纵向诱导风速过大则会对烟气层造成较大的扰动，发生吸穿现象使排烟效率降低。

(5)排烟阀间距过大会使得烟气席卷的冷空气较多，使得烟气温度降低发生下沉而不利于人员疏散救援。

(6)过大的排烟速率加快了排烟阀下的气体流速，使得吸穿现象更容易发生。