曾艷華，李 杰，張先富,3，韓 通，丁茂瑞，張 嵩

（1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心，深圳518040；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司地鐵院土建分院，四川 成都 610031）

近年來(lái)，伴隨著我國(guó)城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)利用和盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，跨江跨海隧道的建設(shè)也取得了矚目成就.跨江跨海隧道除具有連接兩岸經(jīng)濟(jì)、交通作用外，更為重要的是可以節(jié)約寶貴的地面用地，緩解橋梁等設(shè)施的交通壓力[1].但由于跨海隧道交通構(gòu)成復(fù)雜，交通量大，且處于封閉環(huán)境中，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果極其嚴(yán)重.所以，跨海隧道的通風(fēng)排煙技術(shù)研究也顯得尤為重要.

盾構(gòu)法水下隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，一般是依靠拱頂富余空間進(jìn)行重點(diǎn)排煙，排煙口是排煙系統(tǒng)最為重要的組成部分.煙氣控制技術(shù)的目的是將煙氣控制在一定范圍內(nèi)，使得逃生人員免于受其侵害，另外在煙氣控制技術(shù)中需考察的是排煙系統(tǒng)的功效.考慮到排煙口在實(shí)際情況下存在不同的工作狀態(tài)，且不同的排煙口開(kāi)啟狀態(tài)下對(duì)應(yīng)排煙風(fēng)量以及人員疏散的可用疏散時(shí)間（ASET）也不一致，故針對(duì)不同的排煙口開(kāi)啟狀態(tài)，應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行研究.

目前國(guó)內(nèi)部分學(xué)者圍繞排煙口展開(kāi)了排煙方式以及不同排煙風(fēng)量效果等的研究.潘一平等[2]通過(guò)溫度場(chǎng)、行車(chē)道2 m高處能見(jiàn)度以及排煙閥流速等指標(biāo)，研究了隧道集中排煙模式下合理的排煙閥面積、排煙閥結(jié)構(gòu)形狀等設(shè)計(jì)參數(shù)；代言明等[3]通過(guò)對(duì)不同排煙口參數(shù)的比較，研究了排煙開(kāi)口面積、開(kāi)口間距以及寬高比對(duì)煙氣蔓延速度、上方溫度以及煙氣沉降高度的影響；劉琪等[4]基于火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器（FDS）中火災(zāi)燃燒煙氣的質(zhì)量生產(chǎn)速率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著排煙風(fēng)量的增大，機(jī)械排煙效率增大，機(jī)械排煙效能反而降低；張玉春等[5]對(duì)縱向排煙和重點(diǎn)排煙模式下的煙氣特性進(jìn)行了對(duì)比，得到了頂部設(shè)排煙道排煙較縱向通風(fēng)排煙有較好的煙氣控制效果，且排煙口的設(shè)置間距和開(kāi)口大小將影響隧道火災(zāi)時(shí)的排煙特性；陳娟娟等[6]通過(guò)對(duì)雙層隧道側(cè)部排煙的溫度、能見(jiàn)度及排煙口流速等分布的研究，提出了在火災(zāi)功率為20 MW時(shí)排煙口數(shù)量、面積以及間距等參數(shù)最佳值.另外還有學(xué)者研究了當(dāng)排煙口發(fā)生吸穿現(xiàn)象時(shí)煙氣部分指標(biāo)與排煙風(fēng)量的關(guān)系：劉洪義等[7]通過(guò)數(shù)值模擬,獲得不同排煙速率下排煙閥下方的溫度、流速、煙氣層厚度，驗(yàn)證了排煙閥下方煙氣層吸穿現(xiàn)象的存在，為集中排煙模式的優(yōu)化提供參考；姜學(xué)鵬等[8]通過(guò)描述煙氣層厚度、溫度與排煙速率之間的關(guān)系，獲得排煙口下方發(fā)生吸穿現(xiàn)象的排煙速率范圍.

已有研究主要是針對(duì)排煙口參數(shù)以及通風(fēng)排煙方式展開(kāi)的，而對(duì)排煙口實(shí)際的工作狀態(tài)關(guān)注較少，但排煙口開(kāi)啟狀態(tài)卻是實(shí)際影響排煙效果的直接因素[9].故本文基于盾構(gòu)法水下隧道排煙口不同的工作狀態(tài)，結(jié)合人員在火災(zāi)情景下耐受極限以及煙氣蔓延特性，開(kāi)展排煙口在不同開(kāi)啟狀態(tài)下的排煙研究，對(duì)指導(dǎo)水下隧道通風(fēng)排煙設(shè)備的設(shè)計(jì)工作提供參考.

1 火災(zāi)模擬參數(shù)及工況

1.1 依托工程

媽灣跨海隧道為深圳市沿江高速月亮灣大道的組成部分，隧道主要交通組成為大型疏港卡車(chē)，海底隧道部分組成為“兩端明挖 + 中部盾構(gòu)隧道”結(jié)構(gòu)形式，地下道路主線(xiàn)設(shè)計(jì)速度為80 km/h.媽灣跨海盾構(gòu)隧道采用縱向通風(fēng)+重點(diǎn)排煙方式：采用的分兩段設(shè)置的分段縱向式方式通風(fēng)，出口段采用射流風(fēng)機(jī)反吹，污染空氣全部從豎井排出的方案；隧道排煙方案分3段，即分段縱向式 + 重點(diǎn)排煙式 + 分段縱向式，盾構(gòu)段設(shè)置集中排煙風(fēng)道.

本文以中部媽灣水下盾構(gòu)隧道為對(duì)象展開(kāi)排煙特性研究，盾構(gòu)段全長(zhǎng)2 300 m，內(nèi)徑為13.7 m，隧道內(nèi)輪廓面積為86.1 m2，縱向坡度呈“V”字形，全隧最大縱坡3%.隧道橫斷面尺寸如圖1.

圖 1 盾構(gòu)隧道橫斷面尺寸（單位：cm）Fig.1 Shield tunnel cross-sectional dimensions/cm (unit: cm)

1.2 網(wǎng)格的劃分原則

一般說(shuō)來(lái)，火源直徑D1（如式（1））與網(wǎng)格尺寸的比值達(dá)到4～16可以很好地解決模擬當(dāng)中的湍流問(wèn)題.當(dāng)前可靠度較高的網(wǎng)格尺寸設(shè)置方法為：網(wǎng)格尺寸取為0.1D1，另外在火源區(qū)進(jìn)行對(duì)網(wǎng)格加密計(jì)算，此時(shí)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高.

式中：Q為火源熱釋放速率；ρa(bǔ)為環(huán)境密度；cp為空氣比熱容；Ta為環(huán)境溫度；g為重力加速度.

1.3 隧道模型的建立

全隧道按最不利情況考慮[10]統(tǒng)一縱坡為3%，隧道全長(zhǎng)為2 300 m，內(nèi)徑為13.7 m，隧道內(nèi)輪廓面積為86.1 m2；根據(jù)相關(guān)研究[2]，當(dāng)排煙口參數(shù)長(zhǎng)寬比為1∶3，面積大小為6 m2，間距為60 m時(shí)，可以達(dá)到最佳排煙風(fēng)量.結(jié)合網(wǎng)格大小，最終確定排煙口尺寸為1.4 m × 4.0 m，排煙口位置在隧道頂部.因FDS建模采用矩形網(wǎng)格，模型無(wú)法精確建立曲線(xiàn)邊界，故在隧道內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)鋸齒狀邊界，所以設(shè)置語(yǔ)句SAWTOOTH=.FASLSE來(lái)消除鋸齒以改善此處的流動(dòng)狀況.

建立火災(zāi)三維計(jì)算模型如圖2所示，運(yùn)用上文所述的網(wǎng)格劃分原則，設(shè)置網(wǎng)格大小為1.0 m × 0.5 m ×0.5 m，為了提高計(jì)算精度，對(duì)火源及排煙口范圍內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密，采用0.2 m × 0.5 m × 0.5 m的網(wǎng)格.

圖 2 隧道火災(zāi)計(jì)算模型Fig.2 Model of tunnel fire simulation

1.4 模擬參數(shù)的設(shè)定

環(huán)境模擬參數(shù)：隧道內(nèi)溫度20 ℃，空氣密度取1.205 kg/m3，隧道外大氣壓取年平均氣壓101 325 Pa；隧道主洞兩端為自然通風(fēng)邊界，因隧道的半封閉性，壁面為絕熱面.

計(jì)算燃燒參數(shù)：煙塵生成量參數(shù)（soot yield）根據(jù)平原地區(qū)交通事故CO的生成量，模擬值取為0.05[11]，由于依托工程主要交通組成為大型疏散卡車(chē)，故火災(zāi)功率為50 MW.

1.5 火災(zāi)計(jì)算面積

在FDS中有兩種設(shè)置火源的方法：一種是在SURF行上指定一個(gè)單位面積熱釋放速率；另一種是指定一個(gè)單位面積熱釋放速率，連同還要指定MATL行上的其它參數(shù).本文計(jì)算模型選取第一種方法設(shè)定火源，取火源最大熱釋放速率為50 MW，另外設(shè)置火災(zāi)面積大?。ㄩL(zhǎng) × 寬）為 10.5 m × 2.5 m，則單位面積熱釋放速率HRRPUA = 1 905.本模擬以大渦模擬理論來(lái)求解納維-斯托克斯流體動(dòng)量守恒運(yùn)動(dòng)方程，本方程描述熱驅(qū)動(dòng)低速流動(dòng)，選用燃燒模型對(duì)火災(zāi)進(jìn)行模擬計(jì)算.

1.6 計(jì)算工況

當(dāng)排煙口失效而不能正常開(kāi)啟時(shí)，要將煙氣控制在下游范圍，使之不產(chǎn)生回流，此種通風(fēng)方式稱(chēng)之為縱向排煙，此時(shí)的控制風(fēng)速vc即為臨界風(fēng)速，如圖3.

圖 3 臨界風(fēng)速示意Fig.3 Critical velocity diagram

當(dāng)排煙口正常開(kāi)啟時(shí)，一般將煙氣控制在火災(zāi)點(diǎn)上下游排煙口范圍內(nèi)；當(dāng)火災(zāi)下游發(fā)生堵塞時(shí)，只開(kāi)啟下游排煙口而將煙氣控制在下游一定范圍內(nèi)，這兩種通風(fēng)方式稱(chēng)為重點(diǎn)排煙.而開(kāi)啟下游或只開(kāi)啟上下游排煙口時(shí)，又可以按照火災(zāi)點(diǎn)正上方排煙口是否能及時(shí)打開(kāi)而分為兩種情況，分別如圖4、5所示，故以這3種排煙口的不同工作狀態(tài)展開(kāi)研究，火災(zāi)工況如表1所示.

圖 4 同時(shí)開(kāi)啟上下游排煙口時(shí)，排煙口與火災(zāi)點(diǎn)示意Fig.4 The diagram of fire and the fire point when opening the upper and lower smoke exhaust

圖 5 只開(kāi)啟下游6個(gè)排煙口時(shí)，排煙口與火災(zāi)點(diǎn)示意Fig.5 The diagram of fire and the fire point when Only opening the lower smoke exhaust

表 1 媽灣水下盾構(gòu)隧道火災(zāi)工況模擬Tab.1 Simulation conditions of shield tunnel fire

為了更好研究排煙口開(kāi)啟狀態(tài)對(duì)排煙效果的影響，設(shè)計(jì)了以下風(fēng)速工況，火災(zāi)點(diǎn)均在距離洞口1 000 m處：當(dāng)上下游同時(shí)開(kāi)啟排煙口時(shí)，若開(kāi)啟排煙口為6個(gè)，排煙口開(kāi)啟范圍為850～1 150 m，若開(kāi)啟排煙口為7個(gè)，排煙口開(kāi)啟范圍為820～1 180 m；當(dāng)只開(kāi)啟下游排煙口時(shí)，排煙口開(kāi)啟范圍為1 000～1 360 m.

2 排煙技術(shù)

2.1 排煙效率的定義

排煙風(fēng)口的排煙效率等于單位時(shí)間內(nèi)排煙口的煙氣量與火源產(chǎn)生的煙氣量之比，而整個(gè)通風(fēng)排煙系統(tǒng)的排煙效率η則等于各排煙口的排煙效率之和，如式（2）.

式中：ηi為第i個(gè)排煙口的排煙效率；mi為第i個(gè)排煙閥的排煙量；M為產(chǎn)生的煙氣量.

因煙氣流動(dòng)過(guò)程中的卷吸作用及排煙閥抽吸作用，排出氣流包括煙氣及一部分新鮮空氣，所以實(shí)際的排煙量和生成煙量難以測(cè)定[12]，因此，本文以燃燒生成的產(chǎn)物之一CO2作為參考，排煙風(fēng)口的CO2排量通過(guò)FDS監(jiān)測(cè)得到，采用軟件默認(rèn)的丙烷（C3H8）模擬計(jì)算CO2的生成量，見(jiàn)式（3），結(jié)合50 MW的火災(zāi)功率得到為3.135 kg/s.

2.2 縱向通風(fēng)排煙方式

為探究縱向排煙方式不同工況下排煙特性的不同，分別對(duì)煙氣高度、煙氣蔓延長(zhǎng)度等煙氣特性以及人眼高度能見(jiàn)度、CO體積濃度等人體耐受極限展開(kāi)研究.

火災(zāi)后能使火災(zāi)煙流不發(fā)生逆流的風(fēng)速即稱(chēng)為臨界風(fēng)速，臨界風(fēng)速的大小受諸多因素的影響，包括火災(zāi)熱釋放率、隧道的坡率、幾何形狀等.

Heselden[13]提出，臨界風(fēng)速可以根據(jù)式（4）、（5）計(jì)算得出.

式中：Kg為坡度修正系數(shù)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道平坡或上坡段時(shí)Kg= 1.0，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道下坡段時(shí)，Kg= 1 + 0.037 4 × 0.8tanθ；K為常數(shù)，取決于相應(yīng)實(shí)驗(yàn)；H為隧道橫斷面高度； ρ0為環(huán)境溫度下隧道內(nèi)空氣的密度；A為隧道斷面面積；Tp為隧道內(nèi)平均煙氣溫度；T0為環(huán)境溫度.

Oka和 Atkinson[14]采用 1∶10 縮尺的模型,研究水平隧道里的煙氣運(yùn)動(dòng)狀況，提出了用隧道水力直徑作為特征長(zhǎng)度計(jì)算臨界風(fēng)速，如式（6）、（7）.

式中：D為隧道水力直徑；Q2為無(wú)量綱熱釋放速率；v2為無(wú)量綱臨界風(fēng)速；vcr為臨界風(fēng)速.

當(dāng)Q2＜0.20,v2=0.40×0.2?13(Q2)13，當(dāng)Q2≥0.20 ，v2=0.40，0°～10° 傾角下坡隧道的坡度修正系數(shù)為λ= 1 + 0.014θ，隧道坡度為θ時(shí)的臨界風(fēng)速為

采用媽灣跨海隧道的縱坡、火災(zāi)熱釋放率和隧道斷面參數(shù)，式（4）、（5）計(jì)算的臨界風(fēng)速值偏小，故采用式（6）、（7）、（8）計(jì)算得到的臨界風(fēng)速（3.57 m/s），為得到合理的臨界風(fēng)速，采用控制風(fēng)速試算法來(lái)確定.

當(dāng)高洞口的控制風(fēng)速為3.5、4.0、4.5 m/s，保持其余其他條件不變，煙氣蔓延如圖6所示，圖中分別記錄300、600、900、1 200 s時(shí)刻的煙氣蔓延情況.

圖 6 不同控制風(fēng)速下煙氣蔓延情況Fig.6 Smoke spreading in the case of different velocity

從圖6可以看出來(lái)：控制風(fēng)速為3.5 m/s時(shí)煙氣還有部分回流，在600、900 s時(shí)回流長(zhǎng)度分別達(dá)到了30、60 m，在1 200 s時(shí)回流長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定，達(dá)到32 m；對(duì)比控制風(fēng)速4.0 m/s和4.5 m/s發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速為4.0 m/s時(shí)仍有少量煙氣回流，從整個(gè)全時(shí)程來(lái)看，控制風(fēng)速達(dá)到4.5 m/s的煙氣控制效果更好更為可靠，故在火災(zāi)功率50 MW時(shí)，建議4.5 m/s的控制風(fēng)速作為臨界風(fēng)速.即當(dāng)媽灣跨海盾構(gòu)隧道采用分段縱向式排煙時(shí)，開(kāi)啟射流風(fēng)機(jī)保持臨界風(fēng)速，讓新鮮空氣從隧道入口進(jìn)入.

2.3 重點(diǎn)通風(fēng)排煙方式

實(shí)際工程中重點(diǎn)排煙方式的適用性更強(qiáng)，故對(duì)其展開(kāi)重點(diǎn)研究，研究指標(biāo)包括煙氣特性以及排煙口的實(shí)際工作狀態(tài).

當(dāng)隧道中發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生了大量的有毒氣體，這些有毒氣體中危害最大的是CO.煙氣特性中CO體積濃度對(duì)人體的傷害具有累加性，但實(shí)際中CO是隨時(shí)流動(dòng)消散的狀態(tài)，即火災(zāi)發(fā)展到某個(gè)時(shí)刻，隧道中的CO濃度即為火災(zāi)發(fā)展至該時(shí)刻的CO累計(jì)濃度.

根據(jù)模擬結(jié)果[11]：當(dāng)火災(zāi)發(fā)展至100 s時(shí)，火災(zāi)上下游的CO體積濃度均未超出人體耐受極限；當(dāng)火災(zāi)發(fā)展至300 s時(shí)，火災(zāi)點(diǎn)上下游50～250 m范圍內(nèi)的CO體積濃度在人體耐受極限之上；當(dāng)火災(zāi)發(fā)展至600 s時(shí)，火災(zāi)點(diǎn)上下游50～300 m范圍內(nèi)的CO體積濃度均在人體耐受極限之上；當(dāng)火災(zāi)發(fā)展至1 200 s時(shí)，上下游CO濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人體耐受極限，且上游100 m范圍內(nèi)的CO體積濃度顯著升高，最高值達(dá)到3 200 ppm.從上述規(guī)律看到，火災(zāi)發(fā)生到1 200 s時(shí)，火災(zāi)點(diǎn)上下游的CO濃度較高，火災(zāi)發(fā)展較為充分穩(wěn)定，煙氣基本覆蓋了全隧道.

表2給出了人體吸入不同濃度CO的反應(yīng)（危害）情況[15]，綜合人體在CO不同體積濃度的耐受情況適當(dāng)作保守估值，取穩(wěn)定狀態(tài)下1 200 s時(shí)刻下CO體積濃度的耐受紅線(xiàn)值300 ppm作為研究指標(biāo).

2.3.1 正常開(kāi)啟上下游排煙口

開(kāi)啟6個(gè)排煙口與7個(gè)排煙口的煙氣高度情況，如圖7，二者均可以將煙氣有效地控制在排煙閥附近范圍內(nèi).當(dāng)開(kāi)啟6個(gè)排煙口時(shí)，工況6和工況5的排煙風(fēng)量達(dá)到290 m3/s，火源的煙氣高度均有所升高，在火源附近排煙效率得到了提升；對(duì)比開(kāi)啟6個(gè)排煙口的情況當(dāng)開(kāi)啟7個(gè)排煙口時(shí)，上游位置的煙氣高度有部分提升，下游位置的煙氣高度基本保持，這表明了開(kāi)啟7個(gè)排煙口時(shí)，會(huì)使得上游位置附近排煙口的排煙效率得到提升，從煙氣高度來(lái)考慮，開(kāi)啟7個(gè)排煙口的排煙效果要略?xún)?yōu)于開(kāi)啟6個(gè)排煙口.

表 2 CO濃度對(duì)人體健康的影響Tab.2 Effect of CO concentration on human health

圖 7 上下游同時(shí)開(kāi)啟排煙口的煙氣高度Fig.7 The smoke height when opening the upper and lower smoke exhaust

表3為同時(shí)開(kāi)啟上下游排煙口時(shí)煙氣蔓延距離，由表3可知：當(dāng)開(kāi)啟6個(gè)排煙口時(shí)，工況6好于工況4和工況5；另外對(duì)比工況5和工況6，同樣的排煙風(fēng)量下，主洞內(nèi)不同的誘導(dǎo)風(fēng)速會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的排煙效果產(chǎn)生明顯的區(qū)別，基本上工況6將煙氣控制在排煙口2#～5# 范圍內(nèi)，而工況5的煙氣基本在1#～6# 排煙口范圍內(nèi)，但二者總體的控?zé)熜Ч际菨M(mǎn)足要求的；開(kāi)啟7個(gè)排煙口時(shí)，工況7、8和工況9的上游煙氣蔓延基本控制在2# 排煙閥以?xún)?nèi)，這和上文煙氣高度的分析規(guī)律吻合；在下游位置，工況9的下游煙氣蔓延也在6# 排煙口以?xún)?nèi)，表明了煙氣未到達(dá)7# 排煙口，7# 排煙閥并未發(fā)揮功效，說(shuō)明開(kāi)啟火源上方排煙口可以顯著提升煙氣控制效果.

表 3 同時(shí)開(kāi)啟上下游排煙口時(shí)煙氣蔓延距離Tab.3 Smoke spreading distance comparison table of opening the upper and lower smoke exhaust m

圖8為上下游同時(shí)開(kāi)啟排煙口的人眼能見(jiàn)度，由圖8可知：開(kāi)啟6個(gè)排煙口時(shí)，工況6的能見(jiàn)度在火源下游位置有接近100 m范圍的提高，工況5和工況4的能見(jiàn)度分布規(guī)律差別不大；開(kāi)啟7個(gè)排煙口時(shí)，3種不同排煙風(fēng)量的具體差別在于工況9和工況8在火源位置的能見(jiàn)度要高于工況7，提高排煙風(fēng)量主要提高了火源位置的能見(jiàn)度；開(kāi)啟7個(gè)排煙口的能見(jiàn)度都在“10 m能見(jiàn)度紅線(xiàn)”以上，而開(kāi)啟6個(gè)排煙口會(huì)使得火源位置的煙氣能見(jiàn)度得到了提高.

圖 8 上下游同時(shí)開(kāi)啟排煙口的人眼能見(jiàn)度Fig.8 The visibility of human eye height when opening the upper and lower smoke exhaust

圖9為上下游同時(shí)開(kāi)啟排煙口時(shí)人眼高度 CO體積濃度，由圖9可知：開(kāi)啟6個(gè)排煙閥時(shí)，沿縱向位置CO體積濃度呈“M”分布；排煙閥范圍800～1 200 m內(nèi)的CO體積濃度都是高于“人體耐受極限值”，最高數(shù)值達(dá)到了700 ppm，并且提高排煙風(fēng)量對(duì)降低CO體積濃度作用不大，工況4、5、6的CO體積濃度分布規(guī)律基本一致；開(kāi)啟7個(gè)排煙口時(shí)，CO體積濃度處于“人體耐受極限”之上的范圍縮短，幾乎只在火源位置，且數(shù)值最高僅450 ppm，故從人體對(duì)CO的耐受極限角度來(lái)說(shuō)，開(kāi)啟火源正上方的排煙閥對(duì)人員的逃生安全是極為重要的.

圖 9 上下游同時(shí)開(kāi)啟排煙口時(shí)人眼高度CO體積濃度Fig.9 The CO volume concentration of human eye height when opening the upper and lower smoke exhaust

2.3.2 下游發(fā)生堵塞只開(kāi)啟下游排煙口

當(dāng)下游發(fā)生堵塞只開(kāi)啟下游排煙口時(shí)，不同工況下煙氣高度情況，如圖10，當(dāng)排煙風(fēng)量從290 m3/s（工況10）提高到330 m3/s（工況11），煙氣高度變化不大，當(dāng)從 330 m3/s（工況 11）提高到 410 m3/s（工況12）時(shí)，火災(zāi)上游位置的煙氣高度升高，表明了上游的回流煙氣得到了控制，在下游位置煙氣高度略有下沉，即使當(dāng)下游發(fā)生堵塞情況，火災(zāi)附近的煙氣也不會(huì)影響人員逃生.

控制煙氣蔓延長(zhǎng)度情況，如表4，及時(shí)打開(kāi)火災(zāi)點(diǎn)上方排煙口的效果要好于火源上方排煙口不能及時(shí)開(kāi)啟的情況.當(dāng)排煙風(fēng)量為290 m3/s（工況10）和330 m3/s（工況11）時(shí)，均有不同程度的煙氣回流，且下游位置煙氣只能到達(dá)5# 排煙口位置，6# 排煙口未能起到排煙作用，當(dāng)提高排煙風(fēng)量至410 m3/s（工況12）時(shí)，煙氣基本不會(huì)產(chǎn)生回流現(xiàn)象，且當(dāng)火源上方排煙口打開(kāi)時(shí)，下游位置煙氣蔓延至5# 排煙口，當(dāng)不能及時(shí)打開(kāi)上方的排煙口，煙氣蔓延距離增至347 m，基本上到達(dá)了最右端的排煙口.

圖 10 只開(kāi)啟下游排煙口的煙氣高度Fig.10 The smoke height when opening the lower smoke exhaust

表 4 只開(kāi)啟下游排煙口時(shí)煙氣蔓延距離對(duì)比Tab.4 Smoke spreading distance comparison table of opening the lower smoke exhaust m

只開(kāi)啟下游排煙口時(shí)，能見(jiàn)度情況如圖11，提高排煙風(fēng)量后整體能見(jiàn)度變化不大，僅在火災(zāi)位置附近的能見(jiàn)度得到了提高：上游100 m范圍內(nèi)有一定程度的提高，下游200 m范圍內(nèi)的能見(jiàn)度基本處于“能見(jiàn)度紅線(xiàn)”以下，下游200 m范圍正好處于下游開(kāi)啟的排煙口范圍以?xún)?nèi)，故不會(huì)影響下游排煙口以外位置的能見(jiàn)度.

圖 11 只開(kāi)啟下游排煙口的能見(jiàn)度Fig.11 The visibility of human eye height when opening the lower smoke exhaust

CO體積濃度如圖12，只開(kāi)啟下游排煙口會(huì)使得下游300 m范圍內(nèi)的CO體積濃度顯著升高，最高值達(dá)到1 600 ppm，同理，此范圍正好處于下游開(kāi)啟的排煙口范圍以?xún)?nèi)，故不會(huì)危及下游排煙口以外位置人員的安全.

圖 12 只開(kāi)啟下游排煙口的CO體積濃度Fig.12 The CO volume concentration of human eye height when opening the lower smoke exhaust

3 各種開(kāi)啟狀態(tài)下的排煙效率研究

3.1 各開(kāi)啟狀態(tài)下排煙口風(fēng)速大小

為了對(duì)比不同排煙口開(kāi)啟狀態(tài)下各個(gè)排煙閥的排煙效率情況，如圖13，監(jiān)測(cè)得到了各個(gè)排煙口下排煙風(fēng)速大小.當(dāng)同時(shí)開(kāi)啟上下游的排煙口時(shí)，由于工況4～6以及工況7～9的排煙風(fēng)量差別不大，故排煙口下風(fēng)速相差不大，但是對(duì)比開(kāi)啟6個(gè)排煙閥與7個(gè)排煙口來(lái)看，開(kāi)啟火災(zāi)點(diǎn)上方的排煙可以大大提高正上方的排煙口風(fēng)速大小，這可以有效提升單個(gè)排煙口的排煙效率.

當(dāng)只開(kāi)啟下游排煙口時(shí)，排煙口下風(fēng)速如圖14，因工況10～13的排煙風(fēng)量相差較大，故排煙風(fēng)量越大其排煙口下風(fēng)速越大，且2# 和3# 排煙口下風(fēng)速最大，表明2# 和3# 排煙口的排煙閥效率較高.當(dāng)不能及時(shí)打開(kāi)火源正上方的排煙口時(shí)，可以看到此時(shí)排煙口下風(fēng)速最大的是3# 排煙口，但是1#、2# 與3# 排煙口下風(fēng)速相差不大，表明了火源點(diǎn)正上方的排煙口未能及時(shí)打開(kāi)時(shí)，排煙口的排煙效率大于正上方排煙口開(kāi)啟時(shí)的排煙效率.

3.2 排煙效率的研究

統(tǒng)計(jì)工況4～13，不同排煙風(fēng)量各個(gè)排煙口的排煙效率如表5.同時(shí)開(kāi)啟上下游6個(gè)排煙口時(shí)，3#和4# 排煙口的排煙效率占到了整體排煙效率的一半，且隨著排煙風(fēng)量的增大，整體排煙效率在提高，但是整體排煙效率高于開(kāi)啟7個(gè)排煙口時(shí)的；當(dāng)開(kāi)啟7個(gè)排煙口時(shí)，可以看到4# 排煙口的單個(gè)排煙效率達(dá)到了65%以上，雖然火災(zāi)點(diǎn)上方的排煙口打開(kāi)更有利于排煙，從排煙效率來(lái)看，其余排煙口的排煙效率很低，導(dǎo)致了整體排煙口效率低下.綜合前文對(duì)煙氣蔓延特性以及人員耐受極限來(lái)看，開(kāi)啟火災(zāi)點(diǎn)正上方的排煙口更有利于人員疏散逃生，故仍建議開(kāi)啟火災(zāi)點(diǎn)正上方的排煙口進(jìn)行排煙.

圖 13 上下游同時(shí)開(kāi)啟排煙口時(shí)排煙口下風(fēng)速Fig.13 Velocity under the smoke exhaust when opening the upper and lower smoke exhaust

圖 14 只開(kāi)啟下游排煙口時(shí)排煙口下風(fēng)速Fig.14 Velocity under smoke exhaust when opening the lower smoke exhaust

只開(kāi)啟下游的排煙口時(shí)，過(guò)大的排煙風(fēng)量使得煙氣被控制在下游一定范圍內(nèi)，特別是1#～3# 排煙口的排煙效率占了所有排煙口的排煙效率的60%，且此時(shí)整體排煙效率均大于95%，對(duì)比不同的排煙風(fēng)量其整體排煙效率差別不大.

綜合以上可得：當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)采用重點(diǎn)排煙方式，將火災(zāi)點(diǎn)最近的排煙口打開(kāi)，并且沿著火災(zāi)上下游分別開(kāi)啟排煙口，非特殊情況盡量避免只開(kāi)啟火災(zāi)點(diǎn)下游的排煙口.同時(shí)，火災(zāi)下游豎井內(nèi)的軸流排風(fēng)機(jī)開(kāi)啟排煙，依靠射流風(fēng)機(jī)引流從洞口進(jìn)行補(bǔ)風(fēng).火災(zāi)上游豎井內(nèi)的軸流送風(fēng)機(jī)開(kāi)啟向救援通道正壓送風(fēng)，以保證救援通道內(nèi)的人員安全.

表 5 不同排煙口開(kāi)啟狀態(tài)下各排煙口的排煙效率Tab.5 Smoke exhaust efficiency of different smoke exhaust’s opening strategy %

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)媽灣水下盾構(gòu)隧道排煙口不同開(kāi)啟狀態(tài)下煙氣蔓延特性以及司乘人員生理耐受指標(biāo)的研究，并探究了重點(diǎn)排煙方式下的排煙效率、排煙口下風(fēng)速，得到了以下結(jié)論：

（1）得到了縱向通風(fēng)排煙方式的臨界風(fēng)速（4.5 m/s），重點(diǎn)排煙方式下同時(shí)開(kāi)啟上下游排煙口、發(fā)生堵塞只開(kāi)啟下游排煙口的最佳排煙風(fēng)量分別為290、410 m3/s，且主洞不同的誘導(dǎo)風(fēng)速會(huì)引起較為明顯的排煙效果.

（2）從人員逃生指標(biāo)及排煙效率角度來(lái)講，重點(diǎn)排煙方式應(yīng)及時(shí)開(kāi)啟火災(zāi)點(diǎn)正上方的排煙口，同時(shí)開(kāi)啟上下游排煙口時(shí)的具體安全性表現(xiàn)為：火源點(diǎn)正上方的排煙口開(kāi)啟可以保證能見(jiàn)度在人眼能見(jiàn)度紅線(xiàn)之上，CO體積濃度只在火源附近威脅人員安全且最大值僅為450 ppm.

（3）受限于論文篇幅，只針對(duì)排煙方式和排煙效率進(jìn)行了論述，并未對(duì)人員疏散以及逃生條件進(jìn)行更深層次的研究，下一步的研究會(huì)將跨海隧道的排煙技術(shù)與人員疏散更好地聯(lián)系起來(lái).