摘要：為研究隧道內(nèi)火災(zāi)煙氣控制方案，本文以長(zhǎng)沙市某隧道工程為研究對(duì)象，利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDSS.3.0對(duì)兩種設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景下的煙氣蔓延進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景下隧道內(nèi)的溫度和能見(jiàn)度分布情況，并通過(guò)對(duì)比煙氣100℃前鋒和10m能見(jiàn)度前鋒在2m高度處的蔓延曲線得到起火區(qū)域上、下游各個(gè)位置的可用安全疏散時(shí)間，模擬結(jié)果為該隧道內(nèi)消防設(shè)施的安全性、合理性和可靠性評(píng)估以及整體工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隧道火災(zāi)：煙氣控制；火災(zāi)場(chǎng)景；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U458.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008－0422(2012)02－0100－03

1、引言

隧道是一種特殊的地下建筑，其建筑結(jié)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)境以及功能用途與普通建筑有著很大的區(qū)別，因此隧道的火災(zāi)特點(diǎn)、防治及人員疏散和救援技術(shù)都有著不同于普通建筑的特性。隧道內(nèi)部狹窄及其兩側(cè)封閉的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使得火災(zāi)煙氣的排放、車輛及人員疏散困難增加，一旦發(fā)生火災(zāi)，可能造成嚴(yán)重的損失。由于目前我國(guó)還沒(méi)有相應(yīng)的隧道消防規(guī)范對(duì)其消防設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，設(shè)計(jì)參數(shù)、消防設(shè)施的配置等方面沒(méi)有現(xiàn)成的法規(guī)可循，其消防設(shè)計(jì)大多采用論證或照搬其它工程案例的方法解決。采用這種方法，一方面，可能由于防火設(shè)施或疏散措施設(shè)置未達(dá)到應(yīng)有的要求，而使隧道存在較高的潛在危險(xiǎn)性；另一方面，也可能由于缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，盲目追求隧道的火災(zāi)安全性能，提高隧道防火級(jí)別，從而大幅度增加成本，降低了隧道的經(jīng)濟(jì)性能。

本文將通過(guò)數(shù)值模擬的分析手段，對(duì)長(zhǎng)沙市南湖路湘江隧道工程的火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行分析，為其消防設(shè)施的安全性、合理性和可靠性評(píng)估以及整體工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2、工程概況

長(zhǎng)沙市南湖路湘江隧道是聯(lián)通湘江，緩解過(guò)江交通壓力的樞紐工程。工程設(shè)計(jì)為雙管單向，盾構(gòu)內(nèi)徑7.4m，分北線和南線，北線最長(zhǎng)封閉段1782m，南線最長(zhǎng)封閉段2058m，僅限通行非危險(xiǎn)化學(xué)品等機(jī)動(dòng)車，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB5001 6 2006)…屬于二類隧道，盾構(gòu)段隧道斷面如圖1所示。隧道內(nèi)包括防排煙系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)、人員疏散通道及救援設(shè)施等消防安全措施。由于南、北線隧道類似，本文僅選擇較長(zhǎng)的南線隧道進(jìn)行分析。

3、火災(zāi)煙氣控制通氣氣流組織

根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.9.1條的規(guī)定：通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮火災(zāi)對(duì)策，長(zhǎng)度大于1500m且交通量較大的隧道應(yīng)考慮排煙措施。本項(xiàng)目隧道南線長(zhǎng)2058m，北線長(zhǎng)1758m，洞內(nèi)影響風(fēng)速大小的因素復(fù)雜，為充分保證火災(zāi)時(shí)排煙需要，應(yīng)詳細(xì)考慮隧道的排煙措施。

當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，首先監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)的實(shí)際風(fēng)速，如果在2.5～4.5m／s之間，可先不開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，讓風(fēng)向與行車方向一致：如監(jiān)測(cè)到風(fēng)速小于2.5m/s，則必須啟動(dòng)排煙程序。順行車方向提供足夠的氣流。保證疏散人員安全以及防止煙霧反向蔓延：如出現(xiàn)特殊情況，監(jiān)測(cè)的風(fēng)速大于4.5m／s，需減少已開(kāi)啟正向風(fēng)機(jī)或反向開(kāi)啟部分風(fēng)機(jī)以降低隧道內(nèi)風(fēng)速。總之，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，應(yīng)維持隧道內(nèi)沿行車方向2.5～3m／s的臨界風(fēng)速，防止火源迅速擴(kuò)大和煙霧的蔓延，保證疏散車輛及人員的安全。煙霧從河?xùn)|洞口排出。

同時(shí)，為保證安全通道內(nèi)疏散人員的安全，開(kāi)啟安全通道通風(fēng)機(jī)，維持安全通道內(nèi)正壓送風(fēng)，防止行車道內(nèi)的煙霧向安全通道蔓延，并為安全通道內(nèi)提供新鮮空氣。

南湖路隧道擬采用的軸流風(fēng)機(jī)SDZ100的參數(shù)為：流量：15～20m³／s：風(fēng)壓：600～800pa；功率：15～20kw。

4、火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置

正確設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景是火災(zāi)模擬分析的基礎(chǔ)?；馂?zāi)場(chǎng)景的選取通常采用最不利原則，即根據(jù)火災(zāi)危害較大與火災(zāi)最可能發(fā)生的情況來(lái)選取火災(zāi)場(chǎng)景。但在實(shí)際操作時(shí)，設(shè)計(jì)者往往不能事先判斷出哪一火災(zāi)場(chǎng)景危害較大或最可能發(fā)生，所以在確定火災(zāi)場(chǎng)景時(shí)應(yīng)進(jìn)行全面科學(xué)合理的篩選，以避免由于設(shè)計(jì)者對(duì)火災(zāi)規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性導(dǎo)致選取的片性。

由于南湖路湘江隧道屬于市政公路隧道，通過(guò)其中的車輛類型與普通公路隧道有所不同，主要為小型載客車量，中型、大型貨車所占比例非常小，并且限制載有大量可燃物的車輛(如油罐車、工業(yè)、化學(xué)藥品車輛等)的進(jìn)入。因此，通過(guò)隧道的車輛所攜帶的可燃物較少，主要為車輛自身所需的燃油和車內(nèi)裝飾物，發(fā)生大型火災(zāi)的概率微乎其微。參照公路隧道火災(zāi)荷載設(shè)計(jì)要求，確定火源為汽車，火源功率為20MW。

確定火災(zāi)的熱釋放速率隨時(shí)聞的變化規(guī)律是火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)定的核心。在隧道受限制的條件下，隧道火災(zāi)產(chǎn)生的溫度往往要高于建筑物火災(zāi)產(chǎn)生的溫度，而且由于滅火人員和設(shè)備較難進(jìn)入，因此持續(xù)的時(shí)間要長(zhǎng)得多。本文選取RABT曲線為火源熱釋放曲線，如圖2所示，該曲線假設(shè)火場(chǎng)溫度在5min之內(nèi)快速升高到1200℃并在持續(xù)較短時(shí)間后，冷卻110min。它模擬一場(chǎng)簡(jiǎn)單的卡車火災(zāi)的升溫狀況，但針對(duì)一些特殊類型的火災(zāi)，最高溫度的持續(xù)時(shí)間也可延長(zhǎng)到60min?；蚋L(zhǎng)的時(shí)間，然后冷卻110min。

按照火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置的危險(xiǎn)性、全面性以及最不利性的設(shè)置原則，本文設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)南湖路湘江隧道內(nèi)的火災(zāi)場(chǎng)景：

場(chǎng)景1：起火地點(diǎn)位于隧道盾構(gòu)段中部。此時(shí)，火源功率20MW，隧道通風(fēng)模式轉(zhuǎn)換為火災(zāi)通風(fēng)模式，通風(fēng)風(fēng)速2.5m／s。起火后氣流組織按圖3所示。起火區(qū)下游車輛繼續(xù)前行駛出隧道，起火區(qū)上游車輛停止，入口匝道附近人員可直接由入口疏散離開(kāi)，而盾構(gòu)段內(nèi)部人員可從車道左邊的逃生滑道或救援／疏散樓梯進(jìn)入安全通道，從工作井撤離隧道。

通過(guò)火災(zāi)煙氣數(shù)值模擬，研究分析盾構(gòu)段中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，設(shè)計(jì)的火災(zāi)通風(fēng)風(fēng)速對(duì)抑制火災(zāi)煙氣蔓延的有效性，獲得該火災(zāi)場(chǎng)景下的人員和車輛可用的安全疏散時(shí)間。

場(chǎng)景2：與場(chǎng)景1相似，位于隧道盾構(gòu)段中部，但起火后通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障停止工作。

5、隧道內(nèi)煙氣流動(dòng)數(shù)值模擬分析

目前，工程上使用的火災(zāi)數(shù)值模擬軟件很多，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局開(kāi)發(fā)的FDS就是其中一種，其默認(rèn)湍流模型采用SmagorinsI(y形式的大渦模型，燃燒模型采用的是混和分?jǐn)?shù)模型，輻射傳熱通過(guò)對(duì)非散射灰體近似的氣體利用有限體積方法求解其輻射傳輸方程，通過(guò)大渦模型對(duì)連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程以及壓力收斂方程進(jìn)行求解，可得到溫度、壓力、氣體成分、可見(jiàn)度等參數(shù)的空間分布。本文采用FDS軟件，對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)隧道內(nèi)的火災(zāi)蔓延和煙氣蔓延情況進(jìn)行模擬分析，計(jì)算火災(zāi)發(fā)展過(guò)程中各參數(shù)的變化情況，利用FDS建成的隧道整體模型如圖4所示。

5.1 火災(zāi)場(chǎng)景1模擬結(jié)果

火災(zāi)場(chǎng)景1條件下模擬得到的隧道內(nèi)溫度及能見(jiàn)度分布情況如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，由于隧道內(nèi)有2 5m／s的縱向通風(fēng)，300s時(shí)隧道煙氣未向火源上游蔓延，而在縱向通風(fēng)的作用下向火源下方蔓延，600s時(shí)煙氣已蔓延至整個(gè)下游隧道并基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)煙氣在火區(qū)下游的危害主要體現(xiàn)在遮光性和毒性上，說(shuō)明盾構(gòu)段中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，設(shè)計(jì)火災(zāi)通風(fēng)風(fēng)速為2.5m／s能有效地抑制火災(zāi)煙氣向火區(qū)上游進(jìn)行蔓延，火災(zāi)煙氣對(duì)火區(qū)上游的受困人員沒(méi)有影響。

從起火后30min火源附近的溫度分布和能見(jiàn)度分布圖看到，隧道中部發(fā)生火災(zāi)后，隧道內(nèi)的高溫?zé)煔夥謱颖容^明顯，100℃以上的高溫?zé)煔饩∮谒淼郎喜?，溫度隨下游方向逐漸降低。

5.2 火災(zāi)場(chǎng)景2模擬結(jié)果

當(dāng)起火后通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障停止工作時(shí)，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

從模擬結(jié)果我們可以看到，由于通風(fēng)系統(tǒng)失效，隧道內(nèi)煙氣向火源兩端蔓延的速度大致相當(dāng)，但因火源上游隧道坡度大干火源下游坡度，坡度產(chǎn)生煙囪效應(yīng)使煙氣向火源上游蔓延的強(qiáng)度大于向火源下游蔓延的強(qiáng)度。由圖7、圖8可知起火600s后開(kāi)始產(chǎn)生明顯的煙囪效應(yīng)，火源下游煙氣開(kāi)始往上游方向回流，1200s后達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)隧道上游方向充滿火災(zāi)煙氣，將對(duì)人員疏散造成較嚴(yán)重的威脅。

5.3 人員可用安全疏散時(shí)間

若僅考慮火災(zāi)煙氣對(duì)隧道內(nèi)疏散人員的危害，起火區(qū)域上、下游各個(gè)位置的可用安全疏散時(shí)間可以通過(guò)對(duì)比煙氣1000c前鋒和10m能見(jiàn)度前鋒在2m高度處的蔓延曲線得到。兩種火災(zāi)場(chǎng)景下，人員可用安全疏散時(shí)間如圖9、圖10。

6、結(jié)論與建議

由此可見(jiàn)，該城市水下隧道的消防設(shè)施設(shè)備正常工作的情況下能夠保障緊急情況下人員疏散的安全性，消防設(shè)施設(shè)備發(fā)生故障時(shí)人員的生命安全則難以保障。因此，應(yīng)加強(qiáng)日常的系統(tǒng)維護(hù)，確保消防設(shè)施設(shè)備的有效性。

本文通過(guò)國(guó)際通用的火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS，對(duì)長(zhǎng)沙市南湖路湘江隧道在兩種火災(zāi)場(chǎng)景下的火災(zāi)煙氣蔓延和流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)火災(zāi)條件下火災(zāi)煙氣控制措施的有效性進(jìn)行了評(píng)估，并獲得了兩種場(chǎng)景下的人員和車輛可用的安全疏散時(shí)間，為分析長(zhǎng)沙市南湖湘江隧道疏散方式的可靠性作準(zhǔn)備。

結(jié)果表明。對(duì)火災(zāi)場(chǎng)景1，設(shè)計(jì)火災(zāi)通風(fēng)風(fēng)速為2.5m／s，能滿足抑制火災(zāi)煙氣向火區(qū)上游蔓延，受困人員安全疏散要求。而在通風(fēng)系統(tǒng)損壞的情況下，隧道火災(zāi)中，人員安全疏散將受到嚴(yán)重影響。同時(shí)隧道本身的坡度將對(duì)煙氣蔓延產(chǎn)生一定影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以注意，避免因煙囪效應(yīng)導(dǎo)致的排煙失效。

隧道火災(zāi)煙氣控制分析是一個(gè)復(fù)雜而又重要的課題，既關(guān)系到人員的安全疏散，也關(guān)系隧道自身結(jié)構(gòu)安全，無(wú)論在理論研究方面，還是隧道安全管理方面都面臨著不少挑戰(zhàn)，有待于進(jìn)一步研究國(guó)內(nèi)外隧道防火技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。