不同排烟口开启状态下妈湾隧道的排烟技术

曾艳华，李 杰，张先富,3，韩 通，丁茂瑞，张 嵩

（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.深圳市交通公用设施建设中心，深圳518040；3.中铁二院工程集团有限责任公司地铁院土建分院，四川 成都 610031）

近年来，伴随着我国城市地下空间的不断开发利用和盾构法隧道施工技术的不断进步，跨江跨海隧道的建设也取得了瞩目成就.跨江跨海隧道除具有连接两岸经济、交通作用外，更为重要的是可以节约宝贵的地面用地，缓解桥梁等设施的交通压力[1].但由于跨海隧道交通构成复杂，交通量大，且处于封闭环境中，一旦发生火灾，后果极其严重.所以，跨海隧道的通风排烟技术研究也显得尤为重要.

盾构法水下隧道发生火灾时，一般是依靠拱顶富余空间进行重点排烟，排烟口是排烟系统最为重要的组成部分.烟气控制技术的目的是将烟气控制在一定范围内，使得逃生人员免于受其侵害，另外在烟气控制技术中需考察的是排烟系统的功效.考虑到排烟口在实际情况下存在不同的工作状态，且不同的排烟口开启状态下对应排烟风量以及人员疏散的可用疏散时间（ASET）也不一致，故针对不同的排烟口开启状态，应单独进行研究.

目前国内部分学者围绕排烟口展开了排烟方式以及不同排烟风量效果等的研究.潘一平等[2]通过温度场、行车道2 m高处能见度以及排烟阀流速等指标，研究了隧道集中排烟模式下合理的排烟阀面积、排烟阀结构形状等设计参数；代言明等[3]通过对不同排烟口参数的比较，研究了排烟开口面积、开口间距以及宽高比对烟气蔓延速度、上方温度以及烟气沉降高度的影响；刘琪等[4]基于火灾动力学模拟器（FDS）中火灾燃烧烟气的质量生产速率对比发现，随着排烟风量的增大，机械排烟效率增大，机械排烟效能反而降低；张玉春等[5]对纵向排烟和重点排烟模式下的烟气特性进行了对比，得到了顶部设排烟道排烟较纵向通风排烟有较好的烟气控制效果，且排烟口的设置间距和开口大小将影响隧道火灾时的排烟特性；陈娟娟等[6]通过对双层隧道侧部排烟的温度、能见度及排烟口流速等分布的研究，提出了在火灾功率为20 MW时排烟口数量、面积以及间距等参数最佳值.另外还有学者研究了当排烟口发生吸穿现象时烟气部分指标与排烟风量的关系：刘洪义等[7]通过数值模拟,获得不同排烟速率下排烟阀下方的温度、流速、烟气层厚度，验证了排烟阀下方烟气层吸穿现象的存在，为集中排烟模式的优化提供参考；姜学鹏等[8]通过描述烟气层厚度、温度与排烟速率之间的关系，获得排烟口下方发生吸穿现象的排烟速率范围.

已有研究主要是针对排烟口参数以及通风排烟方式展开的，而对排烟口实际的工作状态关注较少，但排烟口开启状态却是实际影响排烟效果的直接因素[9].故本文基于盾构法水下隧道排烟口不同的工作状态，结合人员在火灾情景下耐受极限以及烟气蔓延特性，开展排烟口在不同开启状态下的排烟研究，对指导水下隧道通风排烟设备的设计工作提供参考.

1 火灾模拟参数及工况

1.1 依托工程

妈湾跨海隧道为深圳市沿江高速月亮湾大道的组成部分，隧道主要交通组成为大型疏港卡车，海底隧道部分组成为“两端明挖 + 中部盾构隧道”结构形式，地下道路主线设计速度为80 km/h.妈湾跨海盾构隧道采用纵向通风+重点排烟方式：采用的分两段设置的分段纵向式方式通风，出口段采用射流风机反吹，污染空气全部从竖井排出的方案；隧道排烟方案分3段，即分段纵向式 + 重点排烟式 + 分段纵向式，盾构段设置集中排烟风道.

本文以中部妈湾水下盾构隧道为对象展开排烟特性研究，盾构段全长2 300 m，内径为13.7 m，隧道内轮廓面积为86.1 m2，纵向坡度呈“V”字形，全隧最大纵坡3%.隧道横断面尺寸如图1.

图 1 盾构隧道横断面尺寸（单位：cm）Fig.1 Shield tunnel cross-sectional dimensions/cm (unit: cm)

1.2 网格的划分原则

一般说来，火源直径D1（如式（1））与网格尺寸的比值达到4～16可以很好地解决模拟当中的湍流问题.当前可靠度较高的网格尺寸设置方法为：网格尺寸取为0.1D1，另外在火源区进行对网格加密计算，此时模拟结果与试验结果吻合度较高.

式中：Q为火源热释放速率；ρa为环境密度；cp为空气比热容；Ta为环境温度；g为重力加速度.

1.3 隧道模型的建立

全隧道按最不利情况考虑[10]统一纵坡为3%，隧道全长为2 300 m，内径为13.7 m，隧道内轮廓面积为86.1 m2；根据相关研究[2]，当排烟口参数长宽比为1∶3，面积大小为6 m2，间距为60 m时，可以达到最佳排烟风量.结合网格大小，最终确定排烟口尺寸为1.4 m × 4.0 m，排烟口位置在隧道顶部.因FDS建模采用矩形网格，模型无法精确建立曲线边界，故在隧道内部会出现锯齿状边界，所以设置语句SAWTOOTH=.FASLSE来消除锯齿以改善此处的流动状况.

建立火灾三维计算模型如图2所示，运用上文所述的网格划分原则，设置网格大小为1.0 m × 0.5 m ×0.5 m，为了提高计算精度，对火源及排烟口范围内进行网格加密，采用0.2 m × 0.5 m × 0.5 m的网格.

图 2 隧道火灾计算模型Fig.2 Model of tunnel fire simulation

1.4 模拟参数的设定

环境模拟参数：隧道内温度20 ℃，空气密度取1.205 kg/m3，隧道外大气压取年平均气压101 325 Pa；隧道主洞两端为自然通风边界，因隧道的半封闭性，壁面为绝热面.

计算燃烧参数：烟尘生成量参数（soot yield）根据平原地区交通事故CO的生成量，模拟值取为0.05[11]，由于依托工程主要交通组成为大型疏散卡车，故火灾功率为50 MW.

1.5 火灾计算面积

在FDS中有两种设置火源的方法：一种是在SURF行上指定一个单位面积热释放速率；另一种是指定一个单位面积热释放速率，连同还要指定MATL行上的其它参数.本文计算模型选取第一种方法设定火源，取火源最大热释放速率为50 MW，另外设置火灾面积大小（长 × 宽）为 10.5 m × 2.5 m，则单位面积热释放速率HRRPUA = 1 905.本模拟以大涡模拟理论来求解纳维-斯托克斯流体动量守恒运动方程，本方程描述热驱动低速流动，选用燃烧模型对火灾进行模拟计算.

1.6 计算工况

当排烟口失效而不能正常开启时，要将烟气控制在下游范围，使之不产生回流，此种通风方式称之为纵向排烟，此时的控制风速vc即为临界风速，如图3.

图 3 临界风速示意Fig.3 Critical velocity diagram

当排烟口正常开启时，一般将烟气控制在火灾点上下游排烟口范围内；当火灾下游发生堵塞时，只开启下游排烟口而将烟气控制在下游一定范围内，这两种通风方式称为重点排烟.而开启下游或只开启上下游排烟口时，又可以按照火灾点正上方排烟口是否能及时打开而分为两种情况，分别如图4、5所示，故以这3种排烟口的不同工作状态展开研究，火灾工况如表1所示.

图 4 同时开启上下游排烟口时，排烟口与火灾点示意Fig.4 The diagram of fire and the fire point when opening the upper and lower smoke exhaust

图 5 只开启下游6个排烟口时，排烟口与火灾点示意Fig.5 The diagram of fire and the fire point when Only opening the lower smoke exhaust

表 1 妈湾水下盾构隧道火灾工况模拟Tab.1 Simulation conditions of shield tunnel fire

为了更好研究排烟口开启状态对排烟效果的影响，设计了以下风速工况，火灾点均在距离洞口1 000 m处：当上下游同时开启排烟口时，若开启排烟口为6个，排烟口开启范围为850～1 150 m，若开启排烟口为7个，排烟口开启范围为820～1 180 m；当只开启下游排烟口时，排烟口开启范围为1 000～1 360 m.

2 排烟技术

2.1 排烟效率的定义

排烟风口的排烟效率等于单位时间内排烟口的烟气量与火源产生的烟气量之比，而整个通风排烟系统的排烟效率η则等于各排烟口的排烟效率之和，如式（2）.

式中：ηi为第i个排烟口的排烟效率；mi为第i个排烟阀的排烟量；M为产生的烟气量.

因烟气流动过程中的卷吸作用及排烟阀抽吸作用，排出气流包括烟气及一部分新鲜空气，所以实际的排烟量和生成烟量难以测定[12]，因此，本文以燃烧生成的产物之一CO2作为参考，排烟风口的CO2排量通过FDS监测得到，采用软件默认的丙烷（C3H8）模拟计算CO2的生成量，见式（3），结合50 MW的火灾功率得到为3.135 kg/s.

2.2 纵向通风排烟方式

为探究纵向排烟方式不同工况下排烟特性的不同，分别对烟气高度、烟气蔓延长度等烟气特性以及人眼高度能见度、CO体积浓度等人体耐受极限展开研究.

火灾后能使火灾烟流不发生逆流的风速即称为临界风速，临界风速的大小受诸多因素的影响，包括火灾热释放率、隧道的坡率、几何形状等.

Heselden[13]提出，临界风速可以根据式（4）、（5）计算得出.

式中：Kg为坡度修正系数，当火灾发生在隧道平坡或上坡段时Kg= 1.0，当火灾发生在隧道下坡段时，Kg= 1 + 0.037 4 × 0.8tanθ；K为常数，取决于相应实验；H为隧道横断面高度； ρ0为环境温度下隧道内空气的密度；A为隧道断面面积；Tp为隧道内平均烟气温度；T0为环境温度.

Oka和 Atkinson[14]采用 1∶10 缩尺的模型,研究水平隧道里的烟气运动状况，提出了用隧道水力直径作为特征长度计算临界风速，如式（6）、（7）.

式中：D为隧道水力直径；Q2为无量纲热释放速率；v2为无量纲临界风速；vcr为临界风速.

当Q2＜0.20,v2=0.40×0.2−13(Q2)13，当Q2≥0.20 ，v2=0.40，0°～10° 倾角下坡隧道的坡度修正系数为λ= 1 + 0.014θ，隧道坡度为θ时的临界风速为

采用妈湾跨海隧道的纵坡、火灾热释放率和隧道断面参数，式（4）、（5）计算的临界风速值偏小，故采用式（6）、（7）、（8）计算得到的临界风速（3.57 m/s），为得到合理的临界风速，采用控制风速试算法来确定.

当高洞口的控制风速为3.5、4.0、4.5 m/s，保持其余其他条件不变，烟气蔓延如图6所示，图中分别记录300、600、900、1 200 s时刻的烟气蔓延情况.

图 6 不同控制风速下烟气蔓延情况Fig.6 Smoke spreading in the case of different velocity

从图6可以看出来：控制风速为3.5 m/s时烟气还有部分回流，在600、900 s时回流长度分别达到了30、60 m，在1 200 s时回流长度趋于稳定，达到32 m；对比控制风速4.0 m/s和4.5 m/s发现，当风速为4.0 m/s时仍有少量烟气回流，从整个全时程来看，控制风速达到4.5 m/s的烟气控制效果更好更为可靠，故在火灾功率50 MW时，建议4.5 m/s的控制风速作为临界风速.即当妈湾跨海盾构隧道采用分段纵向式排烟时，开启射流风机保持临界风速，让新鲜空气从隧道入口进入.

2.3 重点通风排烟方式

实际工程中重点排烟方式的适用性更强，故对其展开重点研究，研究指标包括烟气特性以及排烟口的实际工作状态.

当隧道中发生火灾时，产生了大量的有毒气体，这些有毒气体中危害最大的是CO.烟气特性中CO体积浓度对人体的伤害具有累加性，但实际中CO是随时流动消散的状态，即火灾发展到某个时刻，隧道中的CO浓度即为火灾发展至该时刻的CO累计浓度.

根据模拟结果[11]：当火灾发展至100 s时，火灾上下游的CO体积浓度均未超出人体耐受极限；当火灾发展至300 s时，火灾点上下游50～250 m范围内的CO体积浓度在人体耐受极限之上；当火灾发展至600 s时，火灾点上下游50～300 m范围内的CO体积浓度均在人体耐受极限之上；当火灾发展至1 200 s时，上下游CO浓度均远远超出人体耐受极限，且上游100 m范围内的CO体积浓度显著升高，最高值达到3 200 ppm.从上述规律看到，火灾发生到1 200 s时，火灾点上下游的CO浓度较高，火灾发展较为充分稳定，烟气基本覆盖了全隧道.

表2给出了人体吸入不同浓度CO的反应（危害）情况[15]，综合人体在CO不同体积浓度的耐受情况适当作保守估值，取稳定状态下1 200 s时刻下CO体积浓度的耐受红线值300 ppm作为研究指标.

2.3.1 正常开启上下游排烟口

开启6个排烟口与7个排烟口的烟气高度情况，如图7，二者均可以将烟气有效地控制在排烟阀附近范围内.当开启6个排烟口时，工况6和工况5的排烟风量达到290 m3/s，火源的烟气高度均有所升高，在火源附近排烟效率得到了提升；对比开启6个排烟口的情况当开启7个排烟口时，上游位置的烟气高度有部分提升，下游位置的烟气高度基本保持，这表明了开启7个排烟口时，会使得上游位置附近排烟口的排烟效率得到提升，从烟气高度来考虑，开启7个排烟口的排烟效果要略优于开启6个排烟口.

表 2 CO浓度对人体健康的影响Tab.2 Effect of CO concentration on human health

图 7 上下游同时开启排烟口的烟气高度Fig.7 The smoke height when opening the upper and lower smoke exhaust

表3为同时开启上下游排烟口时烟气蔓延距离，由表3可知：当开启6个排烟口时，工况6好于工况4和工况5；另外对比工况5和工况6，同样的排烟风量下，主洞内不同的诱导风速会对隧道内的排烟效果产生明显的区别，基本上工况6将烟气控制在排烟口2#～5# 范围内，而工况5的烟气基本在1#～6# 排烟口范围内，但二者总体的控烟效果都是满足要求的；开启7个排烟口时，工况7、8和工况9的上游烟气蔓延基本控制在2# 排烟阀以内，这和上文烟气高度的分析规律吻合；在下游位置，工况9的下游烟气蔓延也在6# 排烟口以内，表明了烟气未到达7# 排烟口，7# 排烟阀并未发挥功效，说明开启火源上方排烟口可以显著提升烟气控制效果.

表 3 同时开启上下游排烟口时烟气蔓延距离Tab.3 Smoke spreading distance comparison table of opening the upper and lower smoke exhaust m

图8为上下游同时开启排烟口的人眼能见度，由图8可知：开启6个排烟口时，工况6的能见度在火源下游位置有接近100 m范围的提高，工况5和工况4的能见度分布规律差别不大；开启7个排烟口时，3种不同排烟风量的具体差别在于工况9和工况8在火源位置的能见度要高于工况7，提高排烟风量主要提高了火源位置的能见度；开启7个排烟口的能见度都在“10 m能见度红线”以上，而开启6个排烟口会使得火源位置的烟气能见度得到了提高.

图 8 上下游同时开启排烟口的人眼能见度Fig.8 The visibility of human eye height when opening the upper and lower smoke exhaust

图9为上下游同时开启排烟口时人眼高度 CO体积浓度，由图9可知：开启6个排烟阀时，沿纵向位置CO体积浓度呈“M”分布；排烟阀范围800～1 200 m内的CO体积浓度都是高于“人体耐受极限值”，最高数值达到了700 ppm，并且提高排烟风量对降低CO体积浓度作用不大，工况4、5、6的CO体积浓度分布规律基本一致；开启7个排烟口时，CO体积浓度处于“人体耐受极限”之上的范围缩短，几乎只在火源位置，且数值最高仅450 ppm，故从人体对CO的耐受极限角度来说，开启火源正上方的排烟阀对人员的逃生安全是极为重要的.

图 9 上下游同时开启排烟口时人眼高度CO体积浓度Fig.9 The CO volume concentration of human eye height when opening the upper and lower smoke exhaust

2.3.2 下游发生堵塞只开启下游排烟口

当下游发生堵塞只开启下游排烟口时，不同工况下烟气高度情况，如图10，当排烟风量从290 m3/s（工况10）提高到330 m3/s（工况11），烟气高度变化不大，当从 330 m3/s（工况 11）提高到 410 m3/s（工况12）时，火灾上游位置的烟气高度升高，表明了上游的回流烟气得到了控制，在下游位置烟气高度略有下沉，即使当下游发生堵塞情况，火灾附近的烟气也不会影响人员逃生.

控制烟气蔓延长度情况，如表4，及时打开火灾点上方排烟口的效果要好于火源上方排烟口不能及时开启的情况.当排烟风量为290 m3/s（工况10）和330 m3/s（工况11）时，均有不同程度的烟气回流，且下游位置烟气只能到达5# 排烟口位置，6# 排烟口未能起到排烟作用，当提高排烟风量至410 m3/s（工况12）时，烟气基本不会产生回流现象，且当火源上方排烟口打开时，下游位置烟气蔓延至5# 排烟口，当不能及时打开上方的排烟口，烟气蔓延距离增至347 m，基本上到达了最右端的排烟口.

图 10 只开启下游排烟口的烟气高度Fig.10 The smoke height when opening the lower smoke exhaust

表 4 只开启下游排烟口时烟气蔓延距离对比Tab.4 Smoke spreading distance comparison table of opening the lower smoke exhaust m

只开启下游排烟口时，能见度情况如图11，提高排烟风量后整体能见度变化不大，仅在火灾位置附近的能见度得到了提高：上游100 m范围内有一定程度的提高，下游200 m范围内的能见度基本处于“能见度红线”以下，下游200 m范围正好处于下游开启的排烟口范围以内，故不会影响下游排烟口以外位置的能见度.

图 11 只开启下游排烟口的能见度Fig.11 The visibility of human eye height when opening the lower smoke exhaust

CO体积浓度如图12，只开启下游排烟口会使得下游300 m范围内的CO体积浓度显著升高，最高值达到1 600 ppm，同理，此范围正好处于下游开启的排烟口范围以内，故不会危及下游排烟口以外位置人员的安全.

图 12 只开启下游排烟口的CO体积浓度Fig.12 The CO volume concentration of human eye height when opening the lower smoke exhaust

3 各种开启状态下的排烟效率研究

3.1 各开启状态下排烟口风速大小

为了对比不同排烟口开启状态下各个排烟阀的排烟效率情况，如图13，监测得到了各个排烟口下排烟风速大小.当同时开启上下游的排烟口时，由于工况4～6以及工况7～9的排烟风量差别不大，故排烟口下风速相差不大，但是对比开启6个排烟阀与7个排烟口来看，开启火灾点上方的排烟可以大大提高正上方的排烟口风速大小，这可以有效提升单个排烟口的排烟效率.

当只开启下游排烟口时，排烟口下风速如图14，因工况10～13的排烟风量相差较大，故排烟风量越大其排烟口下风速越大，且2# 和3# 排烟口下风速最大，表明2# 和3# 排烟口的排烟阀效率较高.当不能及时打开火源正上方的排烟口时，可以看到此时排烟口下风速最大的是3# 排烟口，但是1#、2# 与3# 排烟口下风速相差不大，表明了火源点正上方的排烟口未能及时打开时，排烟口的排烟效率大于正上方排烟口开启时的排烟效率.

3.2 排烟效率的研究

统计工况4～13，不同排烟风量各个排烟口的排烟效率如表5.同时开启上下游6个排烟口时，3#和4# 排烟口的排烟效率占到了整体排烟效率的一半，且随着排烟风量的增大，整体排烟效率在提高，但是整体排烟效率高于开启7个排烟口时的；当开启7个排烟口时，可以看到4# 排烟口的单个排烟效率达到了65%以上，虽然火灾点上方的排烟口打开更有利于排烟，从排烟效率来看，其余排烟口的排烟效率很低，导致了整体排烟口效率低下.综合前文对烟气蔓延特性以及人员耐受极限来看，开启火灾点正上方的排烟口更有利于人员疏散逃生，故仍建议开启火灾点正上方的排烟口进行排烟.

图 13 上下游同时开启排烟口时排烟口下风速Fig.13 Velocity under the smoke exhaust when opening the upper and lower smoke exhaust

图 14 只开启下游排烟口时排烟口下风速Fig.14 Velocity under smoke exhaust when opening the lower smoke exhaust

只开启下游的排烟口时，过大的排烟风量使得烟气被控制在下游一定范围内，特别是1#～3# 排烟口的排烟效率占了所有排烟口的排烟效率的60%，且此时整体排烟效率均大于95%，对比不同的排烟风量其整体排烟效率差别不大.

综合以上可得：当发生火灾时，应采用重点排烟方式，将火灾点最近的排烟口打开，并且沿着火灾上下游分别开启排烟口，非特殊情况尽量避免只开启火灾点下游的排烟口.同时，火灾下游竖井内的轴流排风机开启排烟，依靠射流风机引流从洞口进行补风.火灾上游竖井内的轴流送风机开启向救援通道正压送风，以保证救援通道内的人员安全.

表 5 不同排烟口开启状态下各排烟口的排烟效率Tab.5 Smoke exhaust efficiency of different smoke exhaust’s opening strategy %

4 结 论

通过对妈湾水下盾构隧道排烟口不同开启状态下烟气蔓延特性以及司乘人员生理耐受指标的研究，并探究了重点排烟方式下的排烟效率、排烟口下风速，得到了以下结论：

（1）得到了纵向通风排烟方式的临界风速（4.5 m/s），重点排烟方式下同时开启上下游排烟口、发生堵塞只开启下游排烟口的最佳排烟风量分别为290、410 m3/s，且主洞不同的诱导风速会引起较为明显的排烟效果.

（2）从人员逃生指标及排烟效率角度来讲，重点排烟方式应及时开启火灾点正上方的排烟口，同时开启上下游排烟口时的具体安全性表现为：火源点正上方的排烟口开启可以保证能见度在人眼能见度红线之上，CO体积浓度只在火源附近威胁人员安全且最大值仅为450 ppm.

（3）受限于论文篇幅，只针对排烟方式和排烟效率进行了论述，并未对人员疏散以及逃生条件进行更深层次的研究，下一步的研究会将跨海隧道的排烟技术与人员疏散更好地联系起来.