溫竹茵

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

雙層盾構(gòu)隧道火災(zāi)排煙方式研究

溫竹茵

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

以上海周家嘴路越江隧道為工程依托，對(duì)雙層長(zhǎng)大盾構(gòu)隧道的火災(zāi)排煙方式進(jìn)行了分析研究。通過(guò)對(duì)火災(zāi)工況條件下隧道內(nèi)溫度場(chǎng)、能見(jiàn)度和一氧化碳濃度的模擬計(jì)算，對(duì)疏散通道的設(shè)置方案和逃生救援對(duì)策進(jìn)行分析。結(jié)果表明，對(duì)于此類(lèi)型隧道，在采取了相應(yīng)的逃生救援措施后，采用縱向通風(fēng)方式是安全可靠的。

雙層盾構(gòu)隧道；隧道火災(zāi)；煙氣擴(kuò)散；縱向通風(fēng)

0 引言

隨著城市地下空間的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，地下建構(gòu)筑物日益密集，雙層盾構(gòu)隧道因其占地小、空間利用率高而得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。對(duì)于長(zhǎng)大隧道，當(dāng)隧道封閉段較長(zhǎng)時(shí)，通常會(huì)在隧道上方設(shè)置重點(diǎn)排煙風(fēng)道來(lái)解決火災(zāi)排煙問(wèn)題[1，2],而雙層盾構(gòu)隧道因?yàn)槭艿綌嗝娌贾玫南拗疲y以布置出符合要求的排煙風(fēng)道。如何解決這類(lèi)項(xiàng)目的排煙難題是研究的重點(diǎn)。

本文以上海周家嘴路越江隧道為工程背景，對(duì)長(zhǎng)大雙層盾構(gòu)隧道的排煙方式進(jìn)行了分析研究，為今后此類(lèi)項(xiàng)目建設(shè)提供有益經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

上海周家嘴路隧道起自浦西周家嘴路-內(nèi)江路口，迄于浦東東靖路-張楊北路口，自?xún)?nèi)江路交叉口向東沿周家嘴路連續(xù)穿越中環(huán)線(xiàn)—理工大學(xué)—黃浦江—浦東北路后于萊陽(yáng)路東西兩側(cè)爬出地面。工程全長(zhǎng)4.45 km，采用14.5 m外徑的盾構(gòu)法隧道穿越黃浦江，單管雙層雙向4車(chē)道布置，設(shè)計(jì)車(chē)速60 km/h。隧道上層封閉段總長(zhǎng)3 056 m，下層封閉段總長(zhǎng)3 798 m，其中盾構(gòu)段長(zhǎng)2 572 m，上層引道段總長(zhǎng)287 m，下層引導(dǎo)段總長(zhǎng)265 m。圖1為隧道平縱斷面圖。

圖1 隧道平縱斷面圖

因?yàn)樗淼婪忾]段長(zhǎng)度大于3 km，屬于特長(zhǎng)隧道，根據(jù)《道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG/TJ08-2033-2008）[3]，其煙氣控制模式宜采用重點(diǎn)排煙方式。但是隧道受已有盾構(gòu)機(jī)的限制，盾構(gòu)隧道外徑為14.5 m，為上下層布置的大車(chē)隧道（車(chē)輛凈空4.5 m），空間利用率很高，難以按常規(guī)設(shè)置重點(diǎn)排煙道。因此選擇合適的排煙方案，是這條隧道的消防設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

2 雙層長(zhǎng)大道路隧道火災(zāi)排煙方案

適合于周家嘴路隧道的火災(zāi)排煙方式主要有縱向通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方式[4]、縱向通風(fēng)兩種模式。

2.1 縱向通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方式

（1）方案一：設(shè)頂部重點(diǎn)排煙風(fēng)道（見(jiàn)圖2）

布局方式：上層隧道的重點(diǎn)排煙風(fēng)道布置在盾構(gòu)頂部，下層排煙風(fēng)道設(shè)置在側(cè)面。

存在問(wèn)題：每層有效風(fēng)道面積約8 m2，滿(mǎn)足重點(diǎn)排煙的面積要求，但盾構(gòu)隧道外徑達(dá)16 m，超過(guò)了目前國(guó)內(nèi)已有的最大盾構(gòu)隧道外徑，可實(shí)施性較差。

（2）方案二:設(shè)側(cè)面重點(diǎn)排煙風(fēng)道（見(jiàn)圖3）

布局方式：在外徑14.5 m盾構(gòu)隧道一側(cè)布置上下層公用的排煙風(fēng)道，上層風(fēng)道排煙口距地面約2.5 m，下層貼頂布置。

圖2 方案一橫斷面布置圖（單位：mm）

圖3 方案二橫斷面布置圖（單位：mm）

存在問(wèn)題：

a.排煙風(fēng)道的布置方式對(duì)排煙效果有較大折減，綜合折減率約72.5%；側(cè)向排煙方式效率比頂部排煙效率低；上層排煙口設(shè)置在風(fēng)道頂部，離側(cè)墻較近，吸風(fēng)條件較差，易產(chǎn)生渦流，從而增加局部阻力；上層車(chē)道由于排煙口較低，火災(zāi)煙氣會(huì)大量積蓄在車(chē)道上部，對(duì)人員逃生造成影響。

b.隧道功能有損失

盾構(gòu)內(nèi)設(shè)置煙道壓縮了設(shè)備和逃生空間。管線(xiàn)與疏散樓梯同側(cè)，無(wú)法設(shè)置縱向通長(zhǎng)、獨(dú)立防火分區(qū)的管線(xiàn)管廊，增加了火災(zāi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)?？臻g壓縮后對(duì)管線(xiàn)空間布置、今后的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)、檢修和人員疏散通道的布置均有不利影響。

2.2 縱向通風(fēng)排煙方式

布置方式：盾構(gòu)段采用縱向通風(fēng)排煙方式，排煙區(qū)段長(zhǎng)2.572 km（見(jiàn)圖4）。

圖4 縱向通風(fēng)排煙方案橫斷面（單位：mm）

特點(diǎn)：充分利用雙層隧道上下層隧道在火災(zāi)時(shí)互為逃生救援通道的有利特征，采用成熟的通風(fēng)、消防技術(shù)，到達(dá)良好的防災(zāi)效果。

（1）取消重點(diǎn)排煙風(fēng)道后，盾構(gòu)段內(nèi)空間較充裕，管線(xiàn)空間、敷設(shè)條件相對(duì)較好。在盾構(gòu)的下層設(shè)置了封閉式的管廊，可設(shè)置與消防救援有關(guān)的重要管線(xiàn)及10 kV高壓電纜，有利于隧道安全運(yùn)營(yíng)。

（2）縱向通風(fēng)方式是常用的一種隧道通風(fēng)方式，在多條隧道中均有先例，單管雙層縱向通風(fēng)的盾構(gòu)斷面型式也是一種較為成熟的布局方式。

（3）通過(guò)提高疏散設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)，提高隧道火災(zāi)發(fā)現(xiàn)、監(jiān)控與救援的綜合能力。

周家嘴路隧道最長(zhǎng)封閉段長(zhǎng)度為3.785 km，但盾構(gòu)段長(zhǎng)度2.572 km，上下層隧道在兩個(gè)工作井內(nèi)均設(shè)置了排煙機(jī)房，在最不利情況下煙氣的流經(jīng)長(zhǎng)度不超過(guò)3 km。同時(shí)根據(jù)交通預(yù)測(cè)需求分析，隧道在正常運(yùn)行情況下，遠(yuǎn)期2030年的服務(wù)水平處于C級(jí)，隧道的通行情況較好，不易發(fā)生阻塞。

隧道為雙層隧道，上下層車(chē)道為兩個(gè)獨(dú)立防火分區(qū)，每隔一段距離設(shè)置一個(gè)消防逃生樓梯。當(dāng)一個(gè)車(chē)道層發(fā)生火災(zāi)，人員可通過(guò)逃生樓梯撤離至另一個(gè)車(chē)道層，基本可以解決阻滯工況下的火災(zāi)逃生問(wèn)題。

2.3 方案比選

為了進(jìn)一步論證縱向通風(fēng)火災(zāi)排煙方式的合理性，下面將采用CFD技術(shù)對(duì)隧道火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散進(jìn)行模擬計(jì)算，并進(jìn)一步分析研究雙層長(zhǎng)大隧道的火災(zāi)疏散逃生救援策略。表1為兩種排煙方案的綜合比較表。

表1 兩種排煙方式綜合比選表

3 隧道火災(zāi)蔓延和煙氣擴(kuò)散規(guī)律研究

借助CFD技術(shù)，采用Smartfire軟件全面仿真分析不同縱向風(fēng)速下隧道內(nèi)火災(zāi)時(shí)的煙氣流動(dòng)蔓延及溫度傳播分布規(guī)律，得到火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)、隧道內(nèi)能見(jiàn)度、高溫有毒氣體濃度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

火災(zāi)規(guī)模定為20 WM，計(jì)算了5種工況（見(jiàn)表2、圖5）。

表2 計(jì)算工況表

圖5 工況示意圖

根據(jù)《道路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG/TJ08-2033-2008），火災(zāi)工況時(shí)，隧道內(nèi)乘行人員的安全疏散時(shí)間宜小于15 min，因此定義發(fā)生火災(zāi)時(shí)間為0 s，從發(fā)生火災(zāi)到模擬結(jié)束時(shí)間為900 s，中間保持縱向通風(fēng)速度不變，關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，計(jì)算出各個(gè)工況其溫度、能見(jiàn)度、一氧化碳濃度分布云圖，以工況一為例，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

（1）溫度場(chǎng)：在火災(zāi)發(fā)生360 s之后，隧道內(nèi)的高溫區(qū)域?qū)⒀杆贁U(kuò)大，對(duì)隧道內(nèi)人員產(chǎn)生較大威脅。這是由于火災(zāi)在早期（320 s之前）處于一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，火災(zāi)發(fā)生320 s后，HRR達(dá)到穩(wěn)定值20 MW。HRR達(dá)到穩(wěn)定值后保持不變，直到模擬計(jì)算時(shí)間結(jié)束。當(dāng)火災(zāi)達(dá)到并維持在20 MW之后，隧道內(nèi)疏散逃生環(huán)境急劇惡化。

（2）能見(jiàn)度：縱向風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，隧道內(nèi)能見(jiàn)度大范圍受到煙氣影響而降低發(fā)生在240 s之后。對(duì)于其他較小風(fēng)速的工況，能見(jiàn)度大范圍降低的時(shí)間將會(huì)推后。隧道內(nèi)人員接到火情警報(bào)的最遲時(shí)間為120 s，如果在120 s之內(nèi)能夠逃生到最近出口即可認(rèn)為能見(jiàn)度的降低對(duì)于逃生疏散的影響較小。

（3）有毒氣體CO：一氧化碳濃度在整個(gè)模擬過(guò)程中并不是決定性因素，一氧化碳濃度超過(guò)限值的區(qū)域主要在火源附近200 m范圍內(nèi)的上部空間。

4 隧道火災(zāi)的疏散逃生救援策略研究

采用buildingEXODUS軟件分析火災(zāi)發(fā)生的位置、人員的密度、逃生通道的通行能力和逃生出口數(shù)量等因素對(duì)人員疏散的影響。在綜合考慮隧道長(zhǎng)度、交通量及交通組成、通風(fēng)模式、消防監(jiān)控配置以及救援組織的基礎(chǔ)上，確定出可能的火災(zāi)場(chǎng)景。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合CFD計(jì)算得到的火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)、煙氣流動(dòng)速度、高溫有毒氣體濃度分布特性及隧道內(nèi)能見(jiàn)度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作為疏散分析的背景數(shù)據(jù)進(jìn)行人員疏散逃生救援分析。

圖6 CFD模擬結(jié)果

（1）參數(shù)選擇

車(chē)輛的車(chē)種比例采用遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)比例，人員參數(shù)根據(jù)相關(guān)模擬通用的不同年齡層、不同人群的人員比例分配。其中大型車(chē)輛均模擬人員從車(chē)內(nèi)行至車(chē)門(mén)口再進(jìn)行疏散的情況?；馂?zāi)發(fā)生與人員疏散時(shí)間分別按照距離火災(zāi)發(fā)生的遠(yuǎn)近取值為60 s、120 s。逃生樓梯設(shè)計(jì)寬度為0.8 m。逃生樓梯間距分別是80 m、100 m。模型中出口的通行能力為1.33人/s，模擬了交通阻塞工況，火災(zāi)發(fā)生在最不利點(diǎn)的兩種工況。圖7為模擬計(jì)算場(chǎng)景圖。

圖7 模擬計(jì)算場(chǎng)景圖

（2）模擬計(jì)算結(jié)果

所有工況的安全疏散時(shí)間均未超過(guò)900 s，即15 min，即能夠及時(shí)疏散完被困人群，且未出現(xiàn)人員傷亡。

隧道內(nèi)乘行人員在火災(zāi)發(fā)生240 s之后，基本全部疏散至逃生口附近。由于逃生口通行能力的限制，人員不得不在此排隊(duì)等侯通過(guò)疏散樓梯逃生至安全區(qū)域。因此逃生通道的寬度也是制約疏散時(shí)間的關(guān)鍵因素。

在火災(zāi)發(fā)生360 s之后，隧道內(nèi)的高溫區(qū)域?qū)⒀杆贁U(kuò)大，能見(jiàn)度迅速下降，對(duì)隧道內(nèi)乘行人員產(chǎn)生較大威脅，因此火災(zāi)發(fā)生5 min之后應(yīng)啟用有效的控溫措施。

縮短疏散通道的間距能夠有效提升疏散效率，逃生出口間距從120 m縮短為80～100 m（縮短33%～20%），大約節(jié)省疏散時(shí)間36%～18%。

逃生樓梯設(shè)計(jì)寬度為0.8 m。隧道內(nèi)乘行人員在火在發(fā)生240 s之后，基本全部疏散至逃生出口附近。

5 結(jié)語(yǔ)

周家嘴路隧道作為雙層盾構(gòu)道路隧道，由于斷面利用率高，難以設(shè)置合適的重點(diǎn)排煙風(fēng)道。在采取相應(yīng)措施的情況下，采用縱向通風(fēng)排煙方式來(lái)解決排煙問(wèn)題是合理可行的。

（1）縮短疏散通道的間距能夠有效提升疏散效率，逃生出口間距從120 m縮短為80 m，大約節(jié)省疏散時(shí)間36%。

（2）逃生樓梯寬度設(shè)計(jì)為0.8 m，隧道內(nèi)乘行人員在火災(zāi)發(fā)生240 s之后，基本全部疏散至逃生出口附近。

（3）泡沫水噴霧系統(tǒng)在火災(zāi)發(fā)生5 min之內(nèi)及時(shí)開(kāi)啟，可有效控制溫度的上升，降低火災(zāi)產(chǎn)生的高溫對(duì)排隊(duì)等候的受困人員的影響。

（4）交通阻塞工況時(shí)，通過(guò)有效的監(jiān)控和管理措施控制隧道內(nèi)車(chē)輛的數(shù)量，限制堵車(chē)段長(zhǎng)度，有效控制隧道內(nèi)乘行人員數(shù)量，有利于隧道應(yīng)急防災(zāi)安全

[1]郭清超，沈奕，閆治國(guó)，等.重點(diǎn)排煙大斷面隧道火災(zāi)煙氣控制的CFD分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2012,8(1):1616-1620.

[2]方銀鋼，朱合華，閆治國(guó)，等.上海長(zhǎng)江隧道火災(zāi)疏散救援措施研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010,6(2):418-422.

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U458.1

A

1009-7716（2017）04-0240-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.071

2017-03-01

溫竹茵（1975-），女，碩士，高級(jí)工程師，從事隧道設(shè)計(jì)及研究工作。