马来西亚某水下隧道通风排烟及疏散研究

黄强

中铁第六勘察设计院集团有限公司

水下隧道作为地面道路的延伸和补充，能够缓解城市交通的拥堵，有效改善城市交通环境和人居环等特点[1]。由于水下隧道是一个狭长的封闭空间，当发生火灾时，灾情会迅速蔓延开来，导致巨大的人员伤亡及财产损失。因此研究水下隧道的通风排烟模式及疏散策略显得尤为重要。

1 工程概况

本工程长度约6.5 km。隧道全长4405 m，其中盾构段长3110 m（图1）。西岸和东岸人工岛均为915 m×115 m。经过多次论证，最终方案为单洞上下层单向行车方案。本次研究范围为东、西人工岛之间的隧道段通风排烟模式。

图1 隧道平面图

2 本工程推荐的通风排烟模式，疏散及运营策略

2.1 推荐通风模式

全横向式通风由送风道，排风道和行车道组成隧道断面[2]。污浊空气沿隧道横向流动，经排风道排至隧道外。更适用于单洞双向交通隧道。半横向式通风方式介于全横向与纵向通风之间[3]。它只设一条风道，分送风型半横向及排风型半横向两种形式。适合用于中等或长距离距离的单洞双向交通隧道。

纵向式通风是沿纵向在行车道内形成气流的通风方式，适用于单向行车的隧道，可充分利用车辆活塞风作用，国内外大多数隧道均采用纵向通风方式消除有害物，维持隧道内的环境，且纵向通风方案非常适用于单向式行车隧道，因此通风方案采用纵向通风方式。

2.2 推荐排烟模式

长大隧道的烟气控制模式主要采用机械排烟。机械排烟根据其控制气流的方式，主要分为纵向排烟，横向或半横向排烟，重点排烟[4]。

纵向排烟模式，在单向交通工况下，且下游没有发生阻塞交通时比较有效，但实际情况并不能保证下游不发生阻塞。横向和半横向排烟模式下，所有排风口均开启，排烟效果不能保证，意大利-法国的勃朗峰隧道和奥地利陶恩隧道初建成时，分别采用半横向排烟和全横向排烟模式，在发生火灾后，造成重大损失，分析原因是其排烟效率不高。

根据本工程隧道断面，可以利用隧道上部的空间设置独立排烟道，进行重点排烟。从排烟模式发展趋势来看，这也与欧美发达国家的主流设计理念相吻合，同时该排烟模式也很适用于水底盾构隧道。故从投资省、能耗低、运行调节灵活、主流设计理念、实施条件及有效排烟等方面考虑，本隧道推荐采用重点排烟方案。

在盾构隧道上层车道顶部设置排烟道，间隔60 m，顶部排烟道设置电动排烟口。隧道下层车道通过上层集中排烟道向下层车道引排烟支管，间隔60 m，隧道侧面设置电动排烟口。隧道两端分别设置专用排烟风机，风机容量45 m3/s 隧道某处发生火灾时，执行相关的火灾模式，位于火灾区域的土建排烟风道上的电动风阀打开，烟气通过土建排烟风道和风井排出，射流风机从两侧往火灾区域进行补风，保证隧道内烟气控制在一定范围之内。

2.3 推荐疏散策略

根据隧道断面形式，可以利用隧道侧面的空间设置联通上下层隧道的疏散楼梯（图2、3），进行垂直疏散。故从节省投资及有效防烟烟角度，在本隧道盾构段推荐采用内上下层互通垂直疏散。《城市地下道路工程设计规范》规定，双层地下道路或人行疏散通道与车道孔不在同层的单层地下道路，宜设置封闭楼梯间，楼梯净宽度不应小于0.8 m，但并未明确规定间距要求。其它国内外相关规范也未明确单洞上下层疏散楼梯间距要求，疏散通道的间距大都在100 m～300 m之间，因为本工程按照疏散楼梯间距按照100 m 设置，宽度0.8 m。

图2 隧道盾构标准段断面

图3 隧道盾构标准段断面效果图

2.4 运营策略

隧道内车辆单向行驶，利用车行隧道作为风道，采用全射流风机进行纵向诱导通风的纵向通风模式。此时，只开启射流风机，排烟风口关闭，排烟风机不启动，气流从隧道进口流入，废气从隧道出口排除至大气（图4）。

图4 正常工况隧道通风模式

隧道火灾时，排烟系统工作模式如下：

当在隧道进口段发生火灾时，开启进口段射流风机，排烟风机及靠近进口段内部分排烟风口，使进口段内形成纵向烟气流，再通过排烟道排除至大气，此时车辆需继续向前行驶，驶离进口段（图5）。

图5 单向行车隧道进口段火灾时排烟模式

当在中间段发生火灾时，开启隧道两端射流风机、排烟风机及着火点附近排烟口，此时射流风机均向隧道内补风，烟气经排烟口沿排烟风道排除至大气。此时着火点前方车辆需继续向前行驶，驶离隧道中间段（图6）。

图6 单向行车隧道中间段火灾时排烟模式

当在出口段发生火灾时，开启隧道两端射流风机，采用纵向排烟方式，将烟气排除至大气。此时车辆需继续向前行驶，驶离隧道出口段。

图7 单向行车隧道出口段火灾时排烟模式

3 重点排烟工况下的数值模拟研究

烟气是火灾中造成人员伤亡的主要因素[5]，主要表现为烟气的热作用和毒性，影响人员安全疏散的主要因素有烟气的温度、浓度、能见度。根据国外相关准则如NFPA130,PLARC 等，并结合我国消防安全要求如《中国消防手册》等，指定火灾是人员生命安全评估准则为：①人员高度处的最高温度不超过60 ℃。②人员高度处CO 体积分数不超过250×10-6。③人员高度处能见度不小于10 m。

结合本工程，单向行车入口段与出口段距离较短，排烟较易实现，故不多赘述，数值模拟部分着重研究行车隧道中部火灾工况。

3.1 模型建立

根据马来西亚隧道结构图，利用FDS[6]建立隧道模型，为简化计算，减少计算量，双层隧道长度取1000 m，隧道与排烟风道在保证截面积相同的情况下简化为矩形。隧道模型见图8 和图9。

图8 上层隧道模型图

图9 下层隧道模型图

3.2 边界条件

排烟风道：隧道排烟风道两侧分别设置一台排烟风机，风机风量为45 m3/s，风道断面12.7 m2，与既有设计方案断面保持一致。

隧道洞口：压力自由边界条件。

火源：上下层隧道均考虑中部大客车火灾，火灾规模20 MW，快速t2火，火灾热释放率：20000 kW/m2。

测点设置：沿隧道纵向，在人员高度处每隔10 m，设置温度，CO 和能见度测点。

3.3 模拟场景

具体火灾模拟工况设置见表1 和图10 所示：

表1 火灾模拟工况设置

图10 排烟口对称开启双向排烟模拟场景示意图

3.4 模拟结果

以工况1 和工况2 为例，模拟结果见图11、图12。

图11 工况1 各时刻烟气分布云图

图12 工况2 各时刻烟气分布云图

由模拟计算结果可知，当上层隧道发生火灾，烟气自由蔓延时，隧道内烟气向两端隧道迅速蔓延，且伴随有明显沉降，隧道内能见度明显降低；当采用重点排烟时，烟气经排烟口从排烟道迅速排走，烟气维持在排烟口开启区域附近，且向隧道两端蔓延的速度得到明显控制，隧道内低能见度基本维持在排烟口开启区间附近，隧道远端基本维持无烟区，有利于人员疏散。

图13 和14 分别为上、下层隧道采用烟气自由蔓延和重点排烟工况下的可用疏散时间对比，比较两种工况可得，采用重点排烟时，烟气基本控制在火灾150 m（排烟口开启区域内），根据模拟计算结果，影响人员疏散的限制性因素影响程度依次为能见度、CO浓度、温度，故取能见度测点下的疏散时间作为可用疏散时间，即距离火源不同距离处的人员可用疏散时间见表2。

图13 上层隧道内各处的可用安全疏散时间（ASET）

图14 下层隧道内各处可用安全疏散时间（ASET）

表2 人员可用疏散时间汇总表（s）

由表2 可知，上、下层隧道火灾，采用重点排烟方式时，上层隧道可用安全疏散时间较下层隧道更长，说明上层隧道顶开排烟口的方式较下层隧道侧开排烟口的方式更有利于烟气的排除。与烟气自由蔓延相比，重点排烟方式下人员可用安全疏散时间在距离火源200 m 处提高了近1 倍，人员疏散安全性大大提高。根据上下层互通垂直疏散方案计算结果可知，必须疏散时间为300 s，由模拟计算结果，可知上层可用疏散安全时间为385 s，下层可用安全疏散时间为316 s，均满足可用安全疏散时间＞必须疏散时间，满足疏散的要求。

4 结论

1）纵向排烟模式，在单向交通工况下，且下游没有发生阻塞交通时比较有效，但实际情况并不能保证下游不发生阻塞，因此纵向排烟模式不可靠。水下隧道采用纵向通风+重点排烟方案可节省土建投资，切实可行。

2）上下层车道之间设置疏散楼梯进行互通疏散可节省投资及有效防烟。

3）影响人员疏散的限制性因素影响程度依次为能见度、CO 浓度、温度。采用重点排烟时，可以基本将烟气控制在排烟口开启区域内，人员疏散安全性大大提高。

4）本次数值模拟只验证当疏散楼梯间距为100 m时，满足可用疏散时间大于必须疏散时间的疏散要求，下一步可将楼梯间间距增加到150 m、200 m 继续验证方案可行性。