城市環(huán)形公路隧道火災煙氣控制方案研究

唐磊

（河南省南陽市消防支隊，河南　南陽）

摘要：針對城市環(huán)形公路隧道的特點，對其煙氣控制進行研究。以某城市環(huán)形公路隧道為背景工程，將其劃分為8個排煙控制區(qū)段，采用防火卷簾進行煙氣控制區(qū)段劃分，提出了利用車道內(nèi)射流風機及排煙豎井防煙風機相結(jié)合的煙控方案，并用FDS軟件對典型場景火災煙氣蔓延進行了模擬計算，模擬結(jié)果驗證了所提出的火災煙氣控制方案的合理性。

關(guān)鍵詞：城市環(huán)形公路隧道；火災煙氣控制；防火卷簾；FDS

1　引言

城市環(huán)形公路隧道是一種新型公路隧道，一般位于城市中心，且連接較多商場及車庫，目前廣泛應用于大中型城市，例如北京奧林匹克公園城市環(huán)形公路隧道、天津泰達城市環(huán)形公路隧道、蘇州火車站城市環(huán)形公路隧道工程等^［1］。這些隧道相對封閉，發(fā)生火災時煙氣不易排出，極易造成群死群傷，因此，如何有效的對其進行煙氣控制成為亟待解決的問題。

國內(nèi)外關(guān)于城市環(huán)形公路隧道的研究較少，李磊等^［2］采用性能化防火設(shè)計方法對北京奧林匹克公園城市環(huán)形公路隧道和北京金融街城市環(huán)形公路隧道的消防系統(tǒng)進行了評估并提出相應的解決方案；王偉等提出了城市地下交通聯(lián)系隧道性能化防火設(shè)計的研究構(gòu)想^［3，4］，模擬分析北京市CBD城市環(huán)形公路隧道不同排煙工況時的煙氣蔓延規(guī)律，以臨界風速和有限的煙氣蔓延范圍為控制要求，確定了合理煙控方案^［5，6］；姜學鵬提出利用區(qū)段控制煙氣實現(xiàn)煙氣合理控制^［7］，并利用FDS驗證了火災煙控方案的有效性^［8］。

上述研究只對城市環(huán)形公路隧道的火災煙氣控制提出了改善措施，但未明確提出完善的煙氣控制方案體系，加之現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中可供參考的設(shè)計依據(jù)較少或比較籠統(tǒng)，不能完全滿足城市環(huán)形公路隧道通風排煙設(shè)計的實踐要求，因此尋求城市環(huán)形公路隧道通風排煙設(shè)計方法是十分必要的。

2　城市環(huán)形公路隧道火災煙氣控制方案

2.1　通風排煙有效性判定準則

為確保隧道內(nèi)發(fā)生火災時人員能夠及時疏散，這里對火災情況下相應的特性參數(shù)進行了如下規(guī)定。

（1）火源處隧道頂部溫度指標不應超過600℃。

（2）隧道2m高度處煙氣溫度指標不應超過60℃。

（3）隧道2m高度處能見度指標應大于10m。

（4）隧道2m高處CO濃度指標應小于1400mg/m³。

（5）隧道火源上游通風風速指標應大于或等于臨界風速。臨界風速采用Wu和Bakar提出的公式^［9］計算：

　　 （1） 　　

式中，V_c為臨界風速，m/s；g為重力加速度，m/s²；Q為火災時熱釋放速率，W；ρ₀是環(huán)境溫度下氣體密度，kg/m³；C_P是空氣的定壓比熱，J/（kg·K）；為通道水利高度，m；Q″為無量綱熱釋放速率。

（6）煙氣蔓延范圍指標應將煙氣控制在一定范圍內(nèi)，大部分區(qū)段沒有煙氣影響。

2.2　城市環(huán)形公路隧道火災煙氣控制方案制定方法框圖

參照上述所提出的隧道火災煙氣控制有效性判定準則，總結(jié)城市環(huán)形公路隧道火災煙氣控制方案制定方法如圖1所示。

3　工程應用

3.1　某火車站城市環(huán)形公路隧道概況

該地下交通聯(lián)系通道的設(shè)計概況如圖2。車行地道為環(huán)形，全長約2170m。除車庫區(qū)車行出口外，環(huán)形車道與外界共有4個出入口。通道寬7.5m，凈高4.3m，四個出入口的坡度均不相同，出口1坡度為7.25％，水平延伸為121.7m，高度差為8.7m；入口1坡度為10％，水平延伸為119m，高度差為11.9m；出口2坡度為11％，水平延伸為32.5m，高度差為3.6m；入口2坡度為8％，水平延伸為29.3m，高度差為2.3m。共裝有32臺射流風機和12臺射流風井，具體參數(shù)見表1。

3.2　火災煙氣控制方案設(shè)計

依據(jù)通道出入口、交叉口、豎井的平面布局，通過設(shè)置防火卷簾將整個隧道分隔為8個火災煙氣控制區(qū)段，如圖2所示。

由于火災煙氣控制區(qū)段較多，這里選取火災發(fā)生在區(qū)段6作為典型工況進行分析，將Section 4、Section 5和Section 6作為一個整體進行控制，共設(shè)四個工況，工況一為正常的煙控方案，在60s時啟動車道內(nèi)防火卷簾6和新增1進行分隔，同時啟動軸流風機FJ-5～8到120s全速運行，排煙量為110m³/s，并開啟射流風機FJ-19～32進行風壓平衡，由出口2進行補風，煙氣由1#排煙口排出；為了說明補風對排煙的影響，增加了一個入口進行補風，即工況二：在60s時啟動車道內(nèi)防火卷簾3和6進行分隔，啟動軸流風機FJ-5～8到120s全速運行，排煙量為110m³/s，開啟射流風機FJ-19～32進行風壓平衡，由入口2進行補風，煙氣由1#排煙口排出。工況三為發(fā)生于Section 6的自由蔓延火災，工況四為風機啟動失效下火災蔓延情況。

3.3　模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)定

因城市環(huán)形公路隧道只允許轎車和轎廂式汽車通行，設(shè)定其火災熱釋放速率為10MW^［10］。由于該通道為環(huán)形布置，且長度較長，采用FDS建模時若采用一個整體網(wǎng)格來劃分將會出現(xiàn)很多不必要計算的網(wǎng)格，針對環(huán)形公路隧道火災模擬，提出采用多重網(wǎng)格劃分隧道模型。在網(wǎng)格尺寸設(shè)計時，由于隧道總長較大，若采用統(tǒng)一尺寸網(wǎng)格，網(wǎng)格過大造成不精確，網(wǎng)格過小會造成網(wǎng)格過多計算機無法計算，提出網(wǎng)格尺寸分區(qū)段設(shè)定，涉及到計算區(qū)域的采用0.5m×0.5m×0.5m的網(wǎng)格，其余區(qū)段采用1m×1m×1m的網(wǎng)格，這樣在保證精確計算的同時，又能減少計算時占用計算機內(nèi)存^［11］。

3.4　模擬計算分析

根據(jù)提出隧道煙氣控制有效性判定準則對該工況下各參數(shù)進行了分析，分析結(jié)果如下。

3.4.1　煙氣蔓延規(guī)律分析

圖3列出了四種煙控方案下火災煙氣蔓延情況，從中可以看出，自由蔓延狀況下，煙氣會聚集在隧道內(nèi)，而且影響區(qū)域較大；正常煙控方案下煙氣在隧道內(nèi)蔓延長度為225.6m，占主通道的10.4％，可知大部分通道是安全的；采用兩個補風口補風時，導致補風量過大煙氣越過排煙口向隧道下游蔓延；在煙控方案實行過程中，若風機失效，導致煙氣無法從入口1蔓延出去，煙氣影響范圍較自由蔓延狀況下大。因此應該制定采用防火卷簾及風機組合的煙控方案，且防火卷簾設(shè)置位置及開啟都很重要。另外要加強設(shè)備的維護，若設(shè)備失效，造成的火災會更嚴重。

3.4.2　正常通風工況下各項指標分析

（1）火源附近煙氣溫度分布規(guī)律研究

圖4為穩(wěn)定燃燒時通道內(nèi)火源處縱向切面溫度分布圖，從圖中可以看出：入口2的補風帶來了大量的冷空氣，對煙氣進行了冷卻，車道內(nèi)的溫度較低。

圖5為不同時刻頂板溫度分布規(guī)律圖，從圖中可以看出，火災下游大部分區(qū)域煙氣溫度只有60℃左右，上游頂板溫度維持不變，下游頂板溫度隨著火災時間的發(fā)展逐漸上升，火源偏下游處溫度最高。隨著火源功率的穩(wěn)定，480s時溫度分布基本達到穩(wěn)定，頂板最高溫度在300℃，混凝土能承受的高溫為600℃，故對頂板結(jié)構(gòu)不能造成危害。

（2）隧道2m高處溫度分布規(guī)律研究

圖6和圖7分別為穩(wěn)定燃燒時通道2m高處溫度分布圖和不同時刻隧道2m高處溫度分布規(guī)律，從兩幅圖可以看出，由于補風帶來了大量的冷空氣，對煙氣進行了冷卻，車道內(nèi)的溫度較低，上游溫度維持在常溫不變，下游溫度在480s基本達到穩(wěn)定，大部分區(qū)域2m高處溫度在60℃左右，靠近火源的位置會高于60℃；因此，從隧道2m高處溫度來看，通道人員疏散的可用安全疏散時間不受限制。

（3）隧道2m高處能見度分布規(guī)律

圖8和圖9為穩(wěn)定燃燒時通道2m高處能見度分布圖和穩(wěn)定燃燒時通道2m高處能見度分布圖。從圖可以看出，通道縱向切面能見度低于10m的只出現(xiàn)在火源下游。上游能見度維持在30m不變，下游能見度在480s基本達到穩(wěn)定，大部分區(qū)域2m高處能見度高于10m，只有靠近火源的位置會低于10m；因此，從隧道2m高處能見度來看，通道人員疏散的可用安全疏散時間不受限制。

（4）隧道2m高處CO濃度分布規(guī)律

圖10和圖11分別為穩(wěn)定燃燒時通道2m高處CO濃度分布圖和不同時刻通道內(nèi)CO濃度分布規(guī)律圖，從圖可以看出：在隧道2m高處，火源下游5m處的CO濃度較高，但隧道2m以下的大部分區(qū)域的CO濃度一直維持在較低水平。以隧道2m高處CO濃度小于1400ppm作為判定標準，其CO濃度一直維持在人體可接受水平，從而保證人員的安全疏散環(huán)境。從隧道2m高處CO濃度來看，通道人員疏散的可用安全疏散時間不受限制。

（5）隧道內(nèi)流場分析

本隧道內(nèi)臨界風速根據(jù)公式1計算，將以下特性參數(shù)帶入公式，g=9.8m/s²，H=4.3m，Q=10MW，ρ₀=1.22kg/m³，C_p=1020J/（kg·K），A=32.465m²，T₀=300K，。得到該通道臨界風速分別為2.498m/s。從流速場分布來看，開啟射流風機使得通道內(nèi)速度場維持在3m/s以上，在此工況下不會發(fā)生煙氣逆流。

4　結(jié)論

（1）基于保證火災發(fā)生時隧道的整體安全和人員疏散安全的前提，結(jié)合城市環(huán)形公路隧道的雙重屬性，提出城市環(huán)形公路隧道火災煙氣控制方案：①防火分隔。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，城市環(huán)形公路隧道與地下停車庫、商場之間采用防火墻、防火卷簾、甲級防火門進行分隔；②排煙補風豎井。采用排煙補風相結(jié)合的煙氣控制模式，結(jié)合地面城市規(guī)劃合理設(shè)計排煙補風豎井的位置和數(shù)量；③排煙控制區(qū)段。根據(jù)隧道出入口和豎井平面布局，采用防火卷簾對車行通道內(nèi)部進行防煙隔斷，將整個通道分隔為多個排煙控制區(qū)段；④射流誘導風機。結(jié)合縱向通風方案，在隧道內(nèi)設(shè)置能夠逆向開啟射流風機，讓煙氣控制在理想的區(qū)段。

（2）該設(shè)計方案可指導城市環(huán)形公路隧道火災煙氣控制的消防設(shè)計，確保通道的火災排煙安全。研究成果可直接用于城市環(huán)形公路隧道通風排煙的設(shè)計與評估中，并對類似構(gòu)筑物具有指導意義。

（3）在城市環(huán)形公路隧道煙氣控制方案設(shè)計時應重點考慮防火卷簾及風機的設(shè)置位置及開啟方案。另外要加強設(shè)備的日常維護，若設(shè)備失效，造成的火災將會更嚴重。

參考文獻

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