楊 黎，楊瑩瑩，韋良文，劉佳亮,李林杰

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

隧道空間相對(duì)狹窄、排煙通道有限，隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)有毒氣體不能夠及時(shí)排出從而導(dǎo)致受困人員窒息是造成隧道火災(zāi)傷亡慘重的主要原因。1919年，美國(guó)結(jié)合紐約市荷蘭隧道這一實(shí)際工程對(duì)公路隧道的通風(fēng)問題進(jìn)行了研究，并自此將400 ppm作為隧道設(shè)計(jì)時(shí)的CO設(shè)計(jì)濃度值。這次劃時(shí)代的研究推開了人們對(duì)公路隧道通風(fēng)問題研究的大門。我國(guó)交通運(yùn)輸部在1999年發(fā)布了《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 026.1—1999)，該規(guī)范明確提出“通風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮火災(zāi)對(duì)策，長(zhǎng)度大于1 500 m且交通量較大的隧道應(yīng)考慮排煙措施”。2014年頒布的《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第二冊(cè)交通工程與附屬設(shè)施》(JTG D70/2—2014)和《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG D70/2-02—2014)對(duì)隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)的排煙措施提出了更高的要求。

隨著隧道工程逐漸向著長(zhǎng)、特長(zhǎng)方向發(fā)展，在隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如何高效地將煙氣分離保證維生環(huán)境是現(xiàn)今隧道火災(zāi)研究的重要課題。

1 國(guó)內(nèi)外隧道通風(fēng)方式發(fā)展進(jìn)程

20世紀(jì)80年代以前，國(guó)際普遍采用的隧道通風(fēng)方式是橫向式或半橫向式通風(fēng)，例如瑞士、奧地利、意大利等歐洲國(guó)家[1]。 首次采用半橫向式通風(fēng)方案的是英國(guó)人修建的莫爾西隧道，全長(zhǎng)3 226 m；圣哥達(dá)公路隧道，全長(zhǎng)16 900 m，建成于 1980年9月，是當(dāng)時(shí)全球第二長(zhǎng)的公路隧道，采用半橫向通風(fēng)方式；1987年奧地利建成的普拉布奇隧道，全長(zhǎng)9 634 m，采用的是全橫向通風(fēng)方式。20世紀(jì)80年代來，雙洞方案逐步取代了單洞方案，分段縱向通風(fēng)方式走上了歷史舞臺(tái)。縱向通風(fēng)方案逐漸成為主流，取代了過去的全橫向、半橫向通風(fēng)方式[2]。日本在對(duì)隧道縱向通風(fēng)方面的研究一直名列前茅，日本長(zhǎng)、大公路隧道幾乎全部采用了縱向通風(fēng)方案。1990年，日本關(guān)越隧道全長(zhǎng)11 010 m，首次在全長(zhǎng)超過10 km的隧道上運(yùn)用了豎井縱向通風(fēng)。歐洲方面，始建于1995年的艾于蘭-洛達(dá)爾隧道，采用了縱向通風(fēng)方案，全長(zhǎng)24 500 m，是當(dāng)時(shí)世界上最長(zhǎng)的公路隧道。

我國(guó)的隧道通風(fēng)方式經(jīng)歷了從橫向、半橫向到縱向式通風(fēng)的發(fā)展歷程，其中縱向式通風(fēng)又可以分為豎井式、射流式、斜井式和混合式縱向通風(fēng)。具有代表性的隧道有：1989年的甘肅七道梁隧道、中梁山隧道、二郎山隧道、大溪嶺隧道、大別山隧道、縉云山隧道等。特別是在1995年建成的處于成渝高速公路上的中梁山隧道、縉云山隧道，大膽地將原設(shè)計(jì)的橫向通風(fēng)更改為了全射流縱向通風(fēng)和豎井縱向分段通風(fēng)，開創(chuàng)了我國(guó)大、長(zhǎng)公路隧道縱向通風(fēng)的先河。

縱觀全世界，在20世紀(jì)80年代以前，隧道通風(fēng)方式以橫向、半橫向?yàn)橹鳎搅?0世紀(jì)80年代以后縱向通風(fēng)在隧道通風(fēng)系統(tǒng)中興盛了起來。

2 公路隧道機(jī)械排煙方式

公路隧道排煙主要分為兩類，一類是機(jī)械排煙，一類是自然排煙。機(jī)械排煙主要是利用隧道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備將新鮮的空氣送入隧道內(nèi)，與隧道內(nèi)的空氣進(jìn)行交換。自然排煙是通過隧道內(nèi)外風(fēng)壓不同或空氣溫度差促使空氣發(fā)生交換。筆者主要論述了公路隧道縱向機(jī)械排煙和公路隧道集中排煙兩種方式及其影響因素。

2.1 公路隧道縱向機(jī)械排煙

縱向排煙是在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的情況下，利用隧道內(nèi)的通風(fēng)設(shè)備，如安裝在隧道頂部或墻體兩側(cè)的射流風(fēng)機(jī)、豎井，將外界的空氣送入隧道。排煙情況如圖1所示。

圖1 豎井式縱向排煙方式

縱向排煙時(shí)，氣流方向與車行方向一致。其原理是將煙霧吹向火源的下游，使上游有足夠的時(shí)間和空間對(duì)人員、車輛進(jìn)行疏散和實(shí)施救援[3]?；馂?zāi)發(fā)生后高溫?zé)煔鈺?huì)迅速往隧道坡度較高的區(qū)域蔓延，適當(dāng)?shù)目v向通風(fēng)可防止煙氣回流，向人員疏散方向擴(kuò)散，因此縱向通風(fēng)速度必須大于臨界風(fēng)速[4]。

縱向通風(fēng)分為兩類：①射流式通風(fēng)。射流式通風(fēng)是在車道空間上方吊設(shè)射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。隧道內(nèi)交通方式不同，射流式通風(fēng)適用的距離亦不相同，雙向式交通隧道短于1 000 m，單向交通時(shí)適用的最大距離可達(dá)2 000 m。如果交通量小，即使隧道很長(zhǎng)仍可運(yùn)用。射流式通風(fēng)設(shè)備費(fèi)用低,但噪聲較大。②豎井分段式縱向通風(fēng)。雙向交通時(shí)，適用于3 000 m以下的隧道，單向交通時(shí)，適用1 500 m以下的隧道。

2.2 公路隧道集中排煙

集中排煙方式在國(guó)外使用較早，常用于雙向公路隧道和特長(zhǎng)隧道。如瑞士Giswil隧道、斯洛伐克Branisko隧道、奧地利Tauern隧道。我國(guó)首次采用這種排煙方式是在香港鷹巢隧道。集中排煙方式屬于橫向排煙的一種，按照其布置形式的不同可以分為雙向排煙和單向排煙兩種[5],分別如圖2和圖3所示。隧道集中排煙是在距離隧道頂部一定距離處設(shè)置頂板以形成獨(dú)立的排煙道，在頂板上布置一定數(shù)量間距、大小合適的排煙閥，排煙道和行車道通過排煙閥相互連接。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，打開排煙閥，煙氣進(jìn)入排煙道后通過與外界相通的豎井或斜井排出。這種排煙方式能夠快速、高效地排出煙氣，給受困者一個(gè)安全的環(huán)境，大大降低了救援的難度[6]。集中排煙通常與橫向通風(fēng)模式相結(jié)合使用，需要在隧道內(nèi)修建送風(fēng)道和排煙道，提高了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用和管理費(fèi)用。

圖2 雙向排煙模式

圖3 單向排煙模式

隨著特長(zhǎng)隧道的日益增多，大量學(xué)者開展了對(duì)公路隧道集中排煙模式的研究，如李婷婷等[7]利用數(shù)值模擬方法對(duì)長(zhǎng)大隧道內(nèi)火災(zāi)燃燒特性和氣體散布規(guī)律進(jìn)行了研究, 并對(duì)不同火災(zāi)情況下的通風(fēng)措施和橫向通道疏散方法進(jìn)行了優(yōu)化；袁慧[8]對(duì)比分析了縱向排煙方式和集中排煙方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了在長(zhǎng)隧道的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)將通風(fēng)方式與排煙方式分別進(jìn)行設(shè)計(jì)；鐘坤[9]提出了長(zhǎng)隧道應(yīng)當(dāng)采取縱向通風(fēng)和集中排煙相結(jié)合的排煙方式；劉明[10]針對(duì)浙江省蒼嶺隧道，采用CFD對(duì)比分析了縱向通風(fēng)模式和縱向通風(fēng)+集中排煙模式下煙氣的蔓延范圍及可見度，研究表明當(dāng)設(shè)有集中排煙通道時(shí)可以將煙氣控制在一定范圍內(nèi)且蔓延的速度較緩，而在縱向通風(fēng)模式下煙氣會(huì)較快地蔓延至整個(gè)隧道。集中排煙通道使縱向射流射風(fēng)機(jī)開啟時(shí)煙氣層擾動(dòng)小，進(jìn)而使得隧道內(nèi)的可見度通常在可接受范圍內(nèi)，這對(duì)于人員疏散十分有利。WANG等[11]提出了適用于定量分析縱向通風(fēng)與集中排煙相結(jié)合的通風(fēng)排煙模式下煙氣回流長(zhǎng)度的模型。

綜上所述，隨著對(duì)長(zhǎng)大隧道的需求不斷增加，縱向通風(fēng)與集中排煙相結(jié)合的通風(fēng)模式將會(huì)運(yùn)用得越來越廣泛，這種排煙方式將會(huì)是引領(lǐng)未來隧道排煙通風(fēng)的發(fā)展方向。

3 公路隧道縱向排煙影響因素

3.1 臨界風(fēng)速

臨界風(fēng)速是為了避免隧道火災(zāi)煙氣與縱向通風(fēng)方向相反運(yùn)動(dòng)、發(fā)生倒流所需要的最小風(fēng)速[12]。臨界風(fēng)速值通常是基于保留弗洛德數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)方程得到的?；鹪垂β?、火源寬度、火源位置、隧道阻塞比和坡度這幾個(gè)因素對(duì)臨界風(fēng)速的大小都存在影響。HESELDEN[13]對(duì)水平隧道的臨界風(fēng)速進(jìn)行研究，提出了臨界風(fēng)速與火源功率的關(guān)系，認(rèn)為臨界風(fēng)速與火源功率的三分之一成正比，在一定范圍內(nèi)臨界風(fēng)速與熱釋放速率成正比，熱釋放速率越快臨界風(fēng)速越高，所需要的縱向通風(fēng)速度就越大。但是據(jù)LI等[14]的研究，對(duì)于高展玹比隧道運(yùn)用臨界弗洛德模型計(jì)算臨界風(fēng)速并不合適。

傾斜隧道中坡度的存在對(duì)隧道內(nèi)煙氣的運(yùn)動(dòng)有顯著的影響。YI等[15]在對(duì)縱向通風(fēng)條件下傾斜隧道臨界風(fēng)速的實(shí)驗(yàn)研究中表明隧道坡度可以改變縱向通風(fēng)隧道的臨界風(fēng)速值，在一定范圍內(nèi)臨界風(fēng)速隨隧道坡度的增大而減小。事實(shí)上大多數(shù)傾斜隧道的傾角比較小，故傾斜隧道與水平隧道的臨界風(fēng)速差距并不大。

3.2 火災(zāi)煙氣分層

煙氣層的判定通常依靠溫度梯度變化、煙氣濃度以及能見度作為依據(jù)。目前，與目測(cè)結(jié)果最相接近的是高子鶴[16]通過理論分析與小尺寸實(shí)驗(yàn)，對(duì)無風(fēng)條件下采用浮力頻率法確定煙氣分層高度的理論研究。

劉曉陽等[17]研究發(fā)現(xiàn)煙氣層高度及穩(wěn)定性與火源測(cè)點(diǎn)、火源間距、隧道內(nèi)的通風(fēng)情況和有無排煙有關(guān)。在隧道的末端，煙氣遇冷發(fā)生沉降，煙氣回流到隧道內(nèi)部，回流煙氣處于熱煙氣層的下方，回流速度小于末端煙氣蔓延速度，煙氣回流一定的距離后再次進(jìn)入熱煙氣層[18]。

根據(jù)陽東等[19]的研究，當(dāng)縱向通風(fēng)超過臨界值時(shí)，隧道頂部下方就會(huì)形成相對(duì)低溫的區(qū)域，由于高溫區(qū)域與低溫區(qū)域的溫度差異，煙氣就會(huì)產(chǎn)生分叉流動(dòng)。煙氣層與冷空氣層發(fā)生混合致使上部煙氣層與下部冷空氣層的界限模糊，煙氣層的厚度會(huì)隨著縱向通風(fēng)強(qiáng)度的增大先降低后升高。

3.3 隧道坡度

RIESS等[20]研究得出影響傾斜隧道內(nèi)煙氣運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要因素是煙囪效應(yīng)，煙囪效應(yīng)顯著影響傾斜隧道內(nèi)的煙氣運(yùn)動(dòng)，并改變溫度分布和煙氣流速。雖然傾斜隧道的傾角一般較小，但隧道內(nèi)高差較大的空間被熱煙占據(jù)，導(dǎo)致煙氣疊加在一起[21-22]。劉拓等[23]建立CFD數(shù)值模型，研究了隧道坡度分別為-3%、0%、3%時(shí)不同縱向誘導(dǎo)風(fēng)速和排煙口開啟方式對(duì)隧道內(nèi)溫度、2m高度處的可見度、煙氣蔓延范圍以及排煙效率的影響。結(jié)果表明合理的縱向誘導(dǎo)風(fēng)速能夠有效抑制由隧道坡度引起的“煙囪效應(yīng)”,有利于火源上游的救援，同時(shí)還能夠有效控制煙氣的蔓延范圍。ZHONG等[24]在對(duì)縱向通風(fēng)的傾斜隧道火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)的研究中，指出在傾斜隧道火災(zāi)中機(jī)械通風(fēng)與煙囪效應(yīng)之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致多種穩(wěn)定流動(dòng)模式，在機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)前，煙氣的傳播僅受浮力的驅(qū)動(dòng)，并有向隧道上部入口擴(kuò)散的趨勢(shì),機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的介入導(dǎo)致強(qiáng)制氣流與煙囪效應(yīng)相互作用，改變了煙氣的傳播趨勢(shì)。目前，很少有研究關(guān)注煙囪效應(yīng)及機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)在傾斜隧道煙氣運(yùn)動(dòng)中的作用及其對(duì)煙氣的控制機(jī)制。

3.4 隧道豎井

豎井排煙機(jī)制類似于煙囪效應(yīng)。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，豎井內(nèi)部與豎井外部之間會(huì)形成一個(gè)溫度差，根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量會(huì)從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳達(dá)，因此隧道內(nèi)的高熱煙氣會(huì)流向溫度相對(duì)較低的豎井內(nèi)部[25]。當(dāng)豎井足夠高的時(shí)候，過大的溫差迫使隧道內(nèi)的冷空氣穿過煙氣層進(jìn)入豎井，這就是吸穿現(xiàn)象。吸穿現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重降低豎井的排煙效率，吸穿現(xiàn)象與豎井度、有無縱向通風(fēng)有重要的聯(lián)系。

在沒有縱向通風(fēng)的情況下，接近豎井下方排煙口的煙氣層在受到來自豎井上方的風(fēng)力與自身的慣性共同作用下，煙氣層會(huì)產(chǎn)生漩渦，從而降低煙氣層的高度。當(dāng)豎井的高度較小時(shí)，隧道外部的冷空氣會(huì)從豎井的上端進(jìn)入豎井內(nèi)部，阻礙煙氣的排出。

豎井的吸穿現(xiàn)象會(huì)隨著豎井高度的增加而增加，適當(dāng)增加縱向通風(fēng)，會(huì)有效降低吸穿現(xiàn)象。吳德興等[26]采用1∶10的縮尺寸模型，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)速小于1.58 m/s時(shí)，冷空氣對(duì)煙氣層的擾動(dòng)較小，當(dāng)風(fēng)速增加到2.75 m/s時(shí)，冷空氣會(huì)使煙氣層發(fā)生紊亂而不利于救援。姜童輝[27]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱向風(fēng)速較大時(shí)，豎井內(nèi)部的邊界層會(huì)因?yàn)橹饾u分離而形成較大的漩渦，同時(shí)豎井頂端的冷空氣被卷吸回流進(jìn)入豎井，與外排的煙氣耦合形成漩渦，阻礙煙氣排放，降低豎井排煙效率?？梢娫黾涌v向通風(fēng)，對(duì)改善高豎井排煙效果并不理想。

4 公路隧道集中排煙影響因素

排煙閥的布置形式和排煙速率是影響集中排煙效率最為主要的因素。對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行研究可以為隧道通風(fēng)排煙的設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。

4.1 排煙閥的布置

排煙閥的布置包括排煙閥的個(gè)數(shù)、開口大小、間距及開啟方式，布置不合理會(huì)引發(fā)吸穿現(xiàn)象從而降低排煙效率，《公路隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D70/2-02—2014)要求“排煙口間距不宜小于60m”[28]。

在排煙閥的間距布置方面，蔡崇慶等[29]建立了1:20的縮尺寸模型，研究發(fā)現(xiàn)排煙口的間距越大，發(fā)生吸穿現(xiàn)象時(shí)的排煙速率越小，并提出了防止發(fā)生吸穿現(xiàn)象的臨界排煙速率和排煙閥最小間距的計(jì)算公式。XU等[30]結(jié)合港珠澳沉管隧道建立了研究模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在火源附近對(duì)稱設(shè)置排煙閥并將其角度分別調(diào)為28.84°、36.84°和44.54°，可以提高排煙效率且降低耗能。排煙口的開啟方式對(duì)煙氣蔓延范圍的影響較其他因素而言更為顯著，在采用集中排煙模式時(shí)排煙口應(yīng)該對(duì)稱于火源分布。因此,為避免吸穿現(xiàn)象的發(fā)生,需選取合適的排煙口間距及開啟方式。

4.2 排煙速率

排煙速率是引起吸穿現(xiàn)象最直接的因素。過小的排煙速率將不能及時(shí)有效地將煙氣排出，加大了救援逃生的難度；過大的排煙速率則會(huì)引起吸穿現(xiàn)象，使得排煙效率降低，不利于救援且浪費(fèi)能源。

姜學(xué)鵬等[31]運(yùn)用FDS進(jìn)行數(shù)值模擬,分析了集中排煙模式下對(duì)稱開啟的6個(gè)排煙口下方的煙氣蔓延規(guī)律、煙氣層溫度和厚度分布規(guī)律。試驗(yàn)證明排煙速率達(dá)到一定程度時(shí)，距離火源越遠(yuǎn)的排煙閥越容易吸穿。排煙效率與排煙效能不呈正相關(guān)，且只有在一定范圍內(nèi)排煙風(fēng)量才會(huì)對(duì)排煙效率造成顯著的影響，排煙速率大到一定程度時(shí)會(huì)導(dǎo)致煙氣層吸穿,使得機(jī)械排煙效率降低。

5 結(jié)論

筆者從縱向通風(fēng)臨界風(fēng)速、煙氣運(yùn)動(dòng)、集中排煙誘導(dǎo)風(fēng)速、排煙閥的布置、排煙速率這5個(gè)方面進(jìn)行了總結(jié)：

(1)確認(rèn)臨界風(fēng)速是隧道縱向通風(fēng)中相當(dāng)重要的一環(huán)，臨界風(fēng)速越大，所需要的縱向風(fēng)力就越大，對(duì)射流風(fēng)機(jī)的功率要求就越高?？v向風(fēng)力小于臨界風(fēng)速，煙氣就會(huì)回流。

(2)在沒有通風(fēng)的情況下煙氣層有明顯的分界，縱向通風(fēng)增加煙氣對(duì)空氣的夾帶，稀釋了隧道頂部煙氣的密度，致使上部煙氣層與下部冷空氣層的界限模糊，煙氣層與冷空氣層發(fā)生混合。

(3)當(dāng)隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的時(shí)候，豎井內(nèi)部與豎井外部之間會(huì)形成一個(gè)溫度差，根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量會(huì)從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳達(dá)。當(dāng)豎井足夠高的時(shí)候，由于壓強(qiáng)差太大，隧道內(nèi)的冷空氣會(huì)穿過煙氣層進(jìn)入豎井，這就是吸穿現(xiàn)象。適當(dāng)增加縱向通風(fēng)，會(huì)有效降低吸穿現(xiàn)象。

(4)縱向誘導(dǎo)風(fēng)速過小將不能控制煙氣的蔓延范圍，從而降低能見度；縱向誘導(dǎo)風(fēng)速過大則會(huì)對(duì)煙氣層造成較大的擾動(dòng)，發(fā)生吸穿現(xiàn)象使排煙效率降低。

(5)排煙閥間距過大會(huì)使得煙氣席卷的冷空氣較多，使得煙氣溫度降低發(fā)生下沉而不利于人員疏散救援。

(6)過大的排煙速率加快了排煙閥下的氣體流速，使得吸穿現(xiàn)象更容易發(fā)生。