侧部排烟隧道低位排烟口优化设计

胡大伟,姜学鹏

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063;2.武汉科技大学消防安全技术研究所,湖北 武汉 430081)

为了高效利用城市地下空间资源,隧道逐渐成为了跨越江河湖的主要方式[1-3]。由于隧道直径受限,为了保障城市水下隧道人员疏散安全,多设置侧部重点排烟系统[4]解决隧道空间受限问题。

一些学者针对隧道侧部排烟开展了相关研究,如:梁园等[5]通过对隧道侧向排烟口尺寸对排烟效果的影响展开研究,发现增大隧道宽高比有利于提高侧部排烟系统的排烟效率;姜学鹏等[6]通过对隧道侧部排烟量进行优化,发现在隧道纵向通风条件下风机排烟量大于有效控烟所需风量时,风机排烟量越大越有利于抑制火灾的发展;林鹏等[7]通过探究排烟口位置对隧道火灾排烟效率的影响,发现排烟口对称分布于火源两侧时排烟效率最高;陈建忠等[8]研究认为用独立排烟口代替排烟组,可有效提升排烟效率。上述研究主要是针对侧部排烟口位置均高于隧道清晰高度[9-10]的情况,但针对排烟口下缘与隧道地面之间距离小于清晰高度的侧部排烟隧道的研究鲜少,而双层隧道上层空间常因受到隧道直径限制使排烟口下缘高度低于隧道清晰高度。因此,探究侧部重点排烟系统中侧部排烟口参数至关重要。

本文将排烟口下缘距地面高度小于隧道清晰高度(2 m)[11]的排烟口定义为低位排烟口,依托武汉和平大道南延工程黄鹤楼隧道,采用FDS数值模拟软件模拟侧部重点排烟系统中不同低位排烟口下缘距地面高度、排烟口间距及尺寸等参数对隧道内排烟效率、温度、能见度等评价指标的影响,为城市盾构隧道提供现实的防火设计指导。

1 数值建模

1.1 模型参数

1.1.1 隧道模型与火源设置

黄鹤楼隧道为双层六车道隧道,上下层分别设置了三个车行道,如图1所示。

图1 黄鹤楼隧道盾构段横断面Fig.1 Cross-sectional of shield section of tunnel

本文采用FDS数值模拟软件构建了1 000 m×11 m×10.4 m(长×宽×高)仿真模型,排烟道与疏散通道位于隧道两侧,上下层行车道共用排烟道断面面积为5.5 m2。

黄鹤楼隧道仅通行小汽车(7座及以下乘用车),故设置火源热释放速率为15 MW[12];火源距隧道端部500 m,位于上层隧道2个排烟口中间,共设置6个排烟口,轴对称开启。排烟道两端设置排烟竖井,排烟量各为Q/2,总排烟量为Q=100 m3/s,向隧道两端水平侧部重点排烟,如图2所示。

图2 火源与排烟口相对位置示意图Fig.2 Schematic diagram of relative position of fire source and smoke outlet

1.1.2 网格设置

网格尺寸为0.04D*～0.12D*(D*为火焰特征尺寸)时模拟结果与试验结果吻合[13],由火源热释放速率得到D*为4.88 m,因此在排烟口与火源附近对网格进行了局部加密,网格尺寸为0.5 m×0.5 m×0.1 m。远离火源区域采用较大的网格尺寸,为0.5 m×0.5 m×0.5 m。火焰特征尺寸D*的计算公式为

(1)

式中:D*为火焰特征尺寸(m);Q为火源释放速率(kW),Q=15 000 kW;ρ为环境密度(kg/m3),ρ=1.1 kg/m3;c为环境比热容[J/(kg·K)],c=1 000 J/(kg·K);T为环境温度(K),T=293 K;g为重力加速度(m/s2),其值为9.8 m/s2。

1.2 工况设置

为了探究低位排烟口的排烟有效性及排烟口参数,探究了低位排烟口下缘距地面不同高度时的排烟有效性,并在此基础上,研究了不同低位排烟口间距及尺寸等参数对隧道内排烟效率、温度、能见度等因素的影响,具体工况设置见表1。

表1 工况设置

2 隧道火灾烟气控制效果评价模型

2.1 排烟控制评价指标

隧道侧部排烟系统应满足如下目标:

1) 确保人员在火灾发生后有效逃生,隧道清晰高度处烟气温度、能见度不影响人员的正常疏散。

2) 保证在特殊工程设计下(设置低位排烟口),隧道侧部重点排烟系统的排烟效率可保证人员在疏散过程中的安全。

基于低位排烟口隧道侧部排烟系统的烟控目标,构建由隧道排烟效率η、隧道拱顶温度T、隧道清晰高度处烟气温度Tz和隧道清晰高度处能见度Vz4个评价指标组成[14-15]的隧道火灾烟气控制效果评价模型。

2.2 火灾烟气控制效果评价模型

1) 隧道清晰高度[11]。隧道清晰高度是指烟层下边缘至室内地面的高度,其计算公式为

Hq=1.6+0.1×H

(2)

式中:Hq表示隧道最小清晰高度(m);H表示建筑净高度(m)。

火源所在上层车道净高为5.95 m,计算得隧道最小清晰高度为2.195 m。参考文献[10],本文设定隧道清晰高度为2.0 m。

2) 隧道排烟效率。以燃烧产生的CO2作为研究对象,隧道排烟效率η为在单位时间内所有开启排烟口排出的CO2质量之和mes占CO2质量生成量mp的百分数[16],即:

(3)

式中:mesi为第i个排烟口排出的CO2质量(kg)。

为了保证隧道侧部排烟系统在1.5 m低位排烟口的特殊工程设计下有效排出烟气,设定隧道侧部排烟系统总排烟效率η≥95%。

3) 隧道拱顶温度。参考美国轨道车辆材料防火测试标准(NF-PA130—2014)和世界道路协会(PIARC)相关规定:火灾环境下,人体对烟气层辐射热的耐受极限是2.5 kW/m2,相应的拱顶烟气温度为180 ℃。因此,本文设定拱顶温度T≤180 ℃。

4) 隧道清晰高度处温度。根据相关研究[17],得到人体对热辐射的耐受时间如表2所示。

表2 人体对热辐射的耐受时间

由表2可知:当烟气层高于隧道清晰高度时,热辐射强度低于2.5 kW/m2(相当于烟气层温度在180～200 ℃),人员可有效疏散;当烟气层沉降至清晰高度以下时,烟气层温度低于人体适应温度60 ℃[18]时,人员可有效疏散。依据《中国消防手册》[15],隧道清晰高度2 m处温度不宜高于60 ℃。因此,本文设定清晰高度处温度Tz≤60 ℃。

5) 隧道清晰高度处能见度。参考澳大利亚《消防工程师指南》[14]以及《中国消防手册》中关于隧道内车道最小清晰高度处能见度临界值的相关内容,取隧道清晰高度处能见度Vz≥10 m。

综上,可构建基于疏散安全和排烟有效性的多指标约束的隧道通风排烟策略的优化数学模型如下:

f(x)=f(η,T,Tz,Vz) (η≥95%,T≤180 ℃,Tz≤60 ℃,Vz≥10 m)

3 模拟结果与分析

3.1 低位排烟口下缘距地面高度分析

3.1.1 低位排烟口下缘距地面高度对隧道排烟效率的影响

低位排烟口下缘距地面不同高度(h0)时隧道的排烟效率,如表3所示。

由表3可知:随着排烟口下缘距地面高度的增加,隧道排烟总效率依次增加;当排烟口下缘距地面高度为1.2 m时隧道排烟总效率低于95%,说明排烟口下缘距地面过低会明显降低隧道排烟效率,当排烟口下缘距地面高度为1.5 m及以上时,可满足隧道内部排烟要求;此外,与火源距离越大,高度为1.2、1.5 m的低位排烟口(L2、R2、L3、R3)隧道排烟效率逐次增大,高度为1.7、1.9 m的低位排烟口隧道排烟效率先增大后减小。

可见,排烟口下缘距地面高度较低(1.5 m及以下)时,烟气沉降至隧道排烟口高度所需时间更长,排烟口与火源距离越远隧道排烟效率越大;排烟口下缘距地面高度达1.5 m以上时,烟气层沉降至排烟口高度所需时间缩短,烟气由排烟口(L2、R2)排出,隧道排烟效率先增大后减小。因此,隧道侧部排烟系统排烟效率受排烟口高度的影响,排烟口下缘距地面高度为1.5 m及以上时可满足隧道内部排烟要求。

3.1.2 低位排烟口下缘距地面高度对隧道内温度分布的影响

1) 隧道拱顶处温度分布。低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道拱顶处温度的分布曲线,如图3所示。

图3 低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道拱顶处温度 的分布曲线Fig.3 Temperature distribution curves of the tunnel vault at different heights of low-level smoke outlet from the ground

由图3可以看出:低位排烟口下缘距地面高度越大,隧道拱顶处最高温度越低;对比低位排烟口下缘距地面不同高度的隧道拱顶温度,发现隧道拱顶温度超过耐火极限180 ℃的长度具有相同变化规律,如表4所示。可见,当排烟口下缘距地面高度过低时(h0=1.2 m),高温烟气聚集在隧道顶部难以从低位排烟口排出;当排烟口下缘距地面高度升高至1.5 m时隧道拱顶温度超过耐火极限180 ℃的范围大幅缩小至29.0 m,且随着排烟口下缘距地面高度逐渐升高隧道拱顶温度超过耐火极限180 ℃的范围逐渐减小。此现象亦说明排烟口距地面高度过低时会明显降低隧道排烟效率,当排烟口下缘距地面高度h0≥1.5 m时,可满足隧道内部排烟要求。

表4 低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道拱顶温度超过耐火极限的长度

2) 隧道清晰高度2 m处温度分布。低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道清晰高度2 m处温度的分布曲线,如图4所示。

图4 低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道清晰高度 2 m处温度的分布曲线Fig.4 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel at different heights of low- level smoke outlet from the ground

由图4可以得出:低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道清晰高度2 m处温度分布无较大差异,高温区域集中在火源两侧,其他区域温度均分布在60 ℃以下,可满足人员疏散过程中的安全需求。

3.1.3 低位排烟口下缘距地面高度对隧道清晰高度2 m处能见度的影响

低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道清晰高度2 m处能见度的变化曲线,如图5所示。

图5 低位排烟口下缘距地面不同高度时隧道清晰高度 2 m处能见度的变化曲线Fig.5 Visibility change curves at a clear height of 2 m in the tunnel at different heights of low-level smoke outlet from the ground

由图5可以看出:与隧道清晰高度2 m处温度相对应,低位排烟口下缘距地面高度差异对隧道清晰高度2 m处能见度无较大影响,仅火源附近能见度低于10 m,其余区域均在10 m以上,符合人员疏散的安全要求。其中,排烟口下缘距地面高度为1.2 m时隧道清晰高度2 m处能见度距火源越远能见度浮动越明显,距火源两侧125 m处能见度降至22 m,可见烟气途经排烟口时未沉降至排烟口高度使得大量烟气在隧道内堆积,因此距火源越远能见度越低。

综上所述,设置距地面1.5 m及以上高度的低位排烟口可保障隧道火灾发生后从隧道排烟效率、隧道拱顶温度、隧道清晰高度2 m处温度及能见度等评价指标均满足人员疏散过程中的安全需求。

3.2 低位排烟口间距分析

由第3.1节研究结果可知,距地面1.5 m及以上高度的低位排烟口可满足人员疏散过程中的安全需求,本文选用合理范围内最小排烟口下缘距地面高度为1.5 m,探究不同低位排烟口间距对4个排烟控制评价指标的影响。

3.2.1 低位排烟口间距对隧道排烟效率的影响

不同低位排烟口间距下隧道的排烟效率,如表5所示。

表5 不同低位排烟口间距下隧道的排烟效率

由表5可知:随着排烟口间距的增大,隧道排烟总效率逐渐增大,当排烟口间距为60 m时隧道排烟总效率大于95%,符合人员逃生过程中的排烟要求;分析各排烟口的排烟效率发现,随着排烟口间距的增大,L1、R1排烟口的排烟效率逐渐增大,其他位置排烟口的排烟效率总体上升,说明烟气在隧道内部的蔓延存在沉降过程,低位排烟口更依赖烟气的沉降作用,增大排烟口间距更符合烟气蔓延规律,有利于隧道内烟气大量排出。

3.2.2 低位排烟口间距对隧道内温度分布的影响

1) 对隧道拱顶温度的影响。不同低位排烟口间距下隧道拱顶温度的变化曲线,如图6所示。

图6 不同低位排烟口间距下隧道拱顶处温度的分布曲线Fig.6 Temperature distribution curves of the tunnel vault under different low-level smoke outlet spacing

由图6可以看出:不同低位排烟口间距下隧道拱顶温度分布近似,高温区域以火源为中心对称分布;随着排烟口间距的增大,隧道拱顶温度大于耐火极限180 ℃的范围先增大后减小,当排烟口间距为60 m时其范围最小为76.0 m,如表6所示。可见,增大排烟口间距可在一定程度上降低隧道拱顶温度,亦说明增大排烟口间距有利于隧道内烟气排出。

表6 不同低位排烟口间距下隧道拱顶温度超过耐火极限的长度

2) 对隧道清晰高度2 m处温度的影响。不同低位排烟口间距下隧道清晰高度2 m处温度的变化曲线,如图7所示。

图7 不同低位排烟口间距下隧道清晰高度2 m处温 度的分布曲线Fig.7 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet spacing

由图7可以看出:不同低位排烟口间距对隧道清晰高度2 m处温度分布的影响不大,火源上方温度最高,其他区域温度分布均在≤60 ℃以下,符合人员逃生要求。

3.2.3 低位排烟口间距对隧道清晰高度2 m处能见度的影响

不同低位排烟口间距下隧道清晰高度2 m处能见度的变化曲线,如图8所示。

图8 不同低位排烟口间距下隧道清晰高度2 m处能见 度的变化曲线Fig.8 Visibility change curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet spacing

由图8可以看出:不同低位排烟口间距下隧道清晰高度2 m处能见度除火源上方部分区域小于10 m外,其余区域能见度均符合人员疏散安全要求。其中,当排烟口间距分别为30、40、50 m时,在火源两侧50、75、100 m处均出现明显的能见度波动,且随着排烟口间距增大至50 m其能见度波动幅度增大,而当排烟口间距为60 m时未出现明显的能见度波动。可见,当排烟口间距为60 m时符合低位排烟口距地面高度为1.5 m时烟气在蔓延过程中的沉降规律,可减少隧道内烟气聚集。

综上所述,当低位排烟口距地面高度为1.5 m时设置低位排烟口间距为60 m,可保障隧道火灾发生后隧道排烟效率、隧道拱顶温度、隧道清晰高度2 m处温度及能见度等评价指标均满足人员疏散过程中的安全需求,同时可最大程度地减少隧道内烟气聚集。

3.3 低位排烟口尺寸分析

以上述分析确定的合理的低位排烟口下缘距地面高度(h0=1.5 m)、低位排烟口间距(l0=60 m)为基础,探究不同低位排烟口尺寸对4个排烟控制评价指标的影响。

3.3.1 低位排烟口尺寸对隧道排烟效率的影响

不同低位排烟口尺寸下隧道的排烟效率,如表7所示。

表7 不同低位排烟口尺寸下隧道的排烟效率

由表7可知:低位排烟口面积S≥3.2 m2时隧道排烟总效率大于95%,且随着排烟口面积增大总排烟效率逐渐增加。但值得关注的是:在满足排烟控制指标(隧道排烟总效率η≥95%)的前提下,增大低位排烟口高、宽度时总排烟效率增加的比例不大,同时结合工程建设的经济因素考虑,认为当排烟口尺寸为4 m×0.8 m时性价比最高。

3.3.2 低位排烟口尺寸对隧道内温度分布的影响

不同低位排烟口尺寸下隧道拱顶及清晰高度2 m处温度的分布曲线,如图9和图10所示。

图9 不同低位排烟口尺寸下隧道拱顶处温度分布 曲线Fig.9 Temperature distribution curves of the tunnel vault under different low-level smoke outlet sizes

图10 不同低位排烟口尺寸下隧道清晰高度2 m处 温度分布曲线Fig.10 Temperature distribution curves at a clear height of 2 m in the tunnel under different low-level smoke outlet sizes

由图9和图10可以看出:不同低位排烟口尺寸下隧道拱顶处、隧道清晰高度2 m处的温度分布无较大差异;隧道拱顶处、清晰高度2 m处高温区域集中在火源两侧,其他区域温度分布均低于60 ℃,符合人员逃生要求。

3.3.3 低位排烟口尺寸对隧道清晰高度2 m处能见度的影响

不同低位排烟口尺寸下隧道清晰高度2 m处能见度的变化曲线,如图11所示。

由图11可以看出:不同低位排烟口尺寸下隧道清晰高度2 m处能见度无明显差异,仅火源上方能见度低于10 m,其余区域能见度均趋于30 m,符合人员逃生要求。

综上所述,当低位排烟口下缘距地面高度为1.5 m、排烟口间距为60 m条件下,不同低位排烟口面积S≥3.2 m2可保障隧道火灾发生后隧道排烟效率、隧道拱顶处温度、隧道清晰高度2 m处温度及能见度等评价指标均满足人员疏散过程中的安全需求,其中当排烟口尺寸为4 m×0.8 m时性价比最高。

4 结论与建议

针对侧部排烟隧道低位排烟口这一特殊设计,本文采用FDS数值模拟软件探究了低位排烟口下缘距地面高度、低位排烟口间距、低位排烟口尺寸对隧道排烟效率温度、能见度的影响,得到如下结论:

1) 隧道排烟效率受低位排烟口下缘距地面高度的影响,排烟口下缘距地面高度越低隧道排烟效率越差,排烟口下缘距地面高度在1.5 m及以上时可满足隧道内部排烟要求。

2) 增大排烟口间距有利于提高低位排烟口总排烟效率,当排烟口间距为60 m时可有效减少隧道内烟气聚集。

3) 低位排烟口尺寸对隧道排烟效率、温度、能见度等因素的影响较小,且随排烟口面积增大隧道总排烟效率逐渐增加,其中当排烟口尺寸为4 m×0.8 m时性价比最高。

4) 确定符合火灾控制评价指标的低位排烟口下缘距地面高度为1.5 m,排烟口间距为60 m,排烟口尺寸宜取4 m×0.8 m(排烟口面积S≥3.2 m2)。