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        不同排煙口開啟狀態(tài)下媽灣隧道的排煙技術(shù)

        2019-12-16 09:41:00曾艷華張先富丁茂瑞
        西南交通大學(xué)學(xué)報 2019年6期
        關(guān)鍵詞:排煙口火源能見度

        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實驗室,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.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司地鐵院土建分院,四川 成都 610031)

        近年來,伴隨著我國城市地下空間的不斷開發(fā)利用和盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)的不斷進步,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、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,一般是依靠拱頂富余空間進行重點排煙,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.考慮到排煙口在實際情況下存在不同的工作狀態(tài),且不同的排煙口開啟狀態(tài)下對應(yīng)排煙風(fēng)量以及人員疏散的可用疏散時間(ASET)也不一致,故針對不同的排煙口開啟狀態(tài),應(yīng)單獨進行研究.

        目前國內(nèi)部分學(xué)者圍繞排煙口展開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]通過溫度場、行車道2 m高處能見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)計參數(shù);代言明等[3]通過對不同排煙口參數(shù)的比較,研究了排煙開口面積、開口間距以及寬高比對煙氣蔓延速度、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)速率對比發(fā)現(xiàn),隨著排煙風(fēng)量的增大,機械排煙效率增大,機械排煙效能反而降低;張玉春等[5]對縱向排煙和重點排煙模式下的煙氣特性進行了對比,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)置間距和開口大小將影響隧道火災(zāi)時的排煙特性;陳娟娟等[6]通過對雙層隧道側(cè)部排煙的溫度、能見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)象時煙氣部分指標(biāo)與排煙風(fēng)量的關(guān)系:劉洪義等[7]通過數(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排煙口參數(shù)以及通風(fēng)排煙方式展開的,而對排煙口實際的工作狀態(tài)關(guān)注較少,但排煙口開啟狀態(tài)卻是實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,開展排煙口在不同開啟狀態(tài)下的排煙研究,對指導(dǎo)水下隧道通風(fēng)排煙設(shè)備的設(shè)計工作提供參考.

        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,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,地下道路主線設(shè)計速度為80 km/h.媽灣跨海盾構(gòu)隧道采用縱向通風(fēng)+重點排煙方式: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)隧道為對象展開排煙特性研究,盾構(gòu)段全長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

        一般說來,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)進行對網(wǎng)格加密計算,此時模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高.

        式中:Q為火源熱釋放速率;ρa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)長寬比為1∶3,面積大小為6 m2,間距為60 m時,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,模型無法精確建立曲線邊界,故在隧道內(nèi)部會出現(xiàn)鋸齒狀邊界,所以設(shè)置語句SAWTOOTH=.FASLSE來消除鋸齒以改善此處的流動狀況.

        建立火災(zāi)三維計算模型如圖2所示,運用上文所述的網(wǎng)格劃分原則,設(shè)置網(wǎng)格大小為1.0 m × 0.5 m ×0.5 m,為了提高計算精度,對火源及排煙口范圍內(nèi)進行網(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,故火災(zāi)功率為50 MW.

        1.5 火災(zāi)計算面積

        在FDS中有兩種設(shè)置火源的方法:一種是在SURF行上指定一個單位面積熱釋放速率;另一種是指定一個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 × 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求解納維-斯托克斯流體動量守恒運動方程,本方程描述熱驅(qū)動低速流動,選用燃燒模型對火災(zāi)進行模擬計算.

        1.6 計算工況

        當(dāng)排煙口失效而不能正常開啟時,要將煙氣控制在下游范圍,使之不產(chǎn)生回流,此種通風(fēng)方式稱之為縱向排煙,此時的控制風(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)排煙口正常開啟時,一般將煙氣控制在火災(zāi)點上下游排煙口范圍內(nèi);當(dāng)火災(zāi)下游發(fā)生堵塞時,只開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)方式稱為重點排煙.而開啟下游或只開啟上下游排煙口時,又可以按照火災(zāi)點正上方排煙口是否能及時打開而分為兩種情況,分別如圖4、5所示,故以這3種排煙口的不同工作狀態(tài)展開研究,火災(zāi)工況如表1所示.

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

        圖 5 只開啟下游6個排煙口時,排煙口與火災(zāi)點示意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啟狀態(tài)對排煙效果的影響,設(shè)計了以下風(fēng)速工況,火災(zāi)點均在距離洞口1 000 m處:當(dāng)上下游同時開啟排煙口時,若開啟排煙口為6個,排煙口開啟范圍為850~1 150 m,若開啟排煙口為7個,排煙口開啟范圍為820~1 180 m;當(dāng)只開啟下游排煙口時,排煙口開啟范圍為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個排煙口的排煙效率;mi為第i個排煙閥的排煙量;M為產(chǎn)生的煙氣量.

        因煙氣流動過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,所以實際的排煙量和生成煙量難以測定[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FDS監(jiān)測得到,采用軟件默認(rèn)的丙烷(C3H8)模擬計算CO2的生成量,見式(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,分別對煙氣高度、煙氣蔓延長度等煙氣特性以及人眼高度能見度、CO體積濃度等人體耐受極限展開研究.

        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Kg= 1.0,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在隧道下坡段時,Kg= 1 + 0.037 4 × 0.8tanθ;K為常數(shù),取決于相應(yīng)實驗;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動狀況,提出了用隧道水力直徑作為特征長度計算臨界風(fēng)速,如式(6)、(7).

        式中:D為隧道水力直徑;Q2為無量綱熱釋放速率;v2為無量綱臨界風(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)計算的臨界風(fēng)速值偏小,故采用式(6)、(7)、(8)計算得到的臨界風(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:控制風(fēng)速為3.5 m/s時煙氣還有部分回流,在600、900 s時回流長度分別達(dá)到了30、60 m,在1 200 s時回流長度趨于穩(wěn)定,達(dá)到32 m;對比控制風(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時仍有少量煙氣回流,從整個全時程來看,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,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,開啟射流風(fēng)機保持臨界風(fēng)速,讓新鮮空氣從隧道入口進入.

        2.3 重點通風(fēng)排煙方式

        實際工程中重點排煙方式的適用性更強,故對其展開重點研究,研究指標(biāo)包括煙氣特性以及排煙口的實際工作狀態(tài).

        當(dāng)隧道中發(fā)生火災(zāi)時,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體積濃度對人體的傷害具有累加性,但實際中CO是隨時流動消散的狀態(tài),即火災(zāi)發(fā)展到某個時刻,隧道中的CO濃度即為火災(zāi)發(fā)展至該時刻的CO累計濃度.

        根據(jù)模擬結(jié)果[11]:當(dāng)火災(zāi)發(fā)展至100 s時,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,火災(zāi)點上下游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,火災(zāi)點上下游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,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,火災(zāi)點上下游的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時刻下CO體積濃度的耐受紅線值300 ppm作為研究指標(biāo).

        2.3.1 正常開啟上下游排煙口

        開啟6個排煙口與7個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)開啟6個排煙口時,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;對比開啟6個排煙口的情況當(dāng)開啟7個排煙口時,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,這表明了開啟7個排煙口時,會使得上游位置附近排煙口的排煙效率得到提升,從煙氣高度來考慮,開啟7個排煙口的排煙效果要略優(yōu)于開啟6個排煙口.

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

        圖 7 上下游同時開啟排煙口的煙氣高度Fig.7 The smoke height when opening the upper and lower smoke exhaust

        表3為同時開啟上下游排煙口時煙氣蔓延距離,由表3可知:當(dāng)開啟6個排煙口時,工況6好于工況4和工況5;另外對比工況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)速會對隧道內(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足要求的;開啟7個排煙口時,工況7、8和工況9的上游煙氣蔓延基本控制在2# 排煙閥以內(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# 排煙口以內(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,說明開啟火源上方排煙口可以顯著提升煙氣控制效果.

        表 3 同時開啟上下游排煙口時煙氣蔓延距離Tab.3 Smoke spreading distance comparison table of opening the upper and lower smoke exhaust m

        圖8為上下游同時開啟排煙口的人眼能見度,由圖8可知:開啟6個排煙口時,工況6的能見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的能見度分布規(guī)律差別不大;開啟7個排煙口時,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度;開啟7個排煙口的能見度都在“10 m能見度紅線”以上,而開啟6個排煙口會使得火源位置的煙氣能見度得到了提高.

        圖 8 上下游同時開啟排煙口的人眼能見度Fig.8 The visibility of human eye height when opening the upper and lower smoke exhaust

        圖9為上下游同時開啟排煙口時人眼高度 CO體積濃度,由圖9可知:開啟6個排煙閥時,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;開啟7個排煙口時,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CO的耐受極限角度來說,開啟火源正上方的排煙閥對人員的逃生安全是極為重要的.

        圖 9 上下游同時開啟排煙口時人眼高度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)生堵塞只開啟下游排煙口

        當(dāng)下游發(fā)生堵塞只開啟下游排煙口時,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,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)附近的煙氣也不會影響人員逃生.

        控制煙氣蔓延長度情況,如表4,及時打開火災(zāi)點上方排煙口的效果要好于火源上方排煙口不能及時開啟的情況.當(dāng)排煙風(fēng)量為290 m3/s(工況10)和330 m3/s(工況11)時,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,煙氣基本不會產(chǎn)生回流現(xiàn)象,且當(dāng)火源上方排煙口打開時,下游位置煙氣蔓延至5# 排煙口,當(dāng)不能及時打開上方的排煙口,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 只開啟下游排煙口時煙氣蔓延距離對比Tab.4 Smoke spreading distance comparison table of opening the lower smoke exhaust m

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

        圖 11 只開啟下游排煙口的能見度Fig.11 The visibility of human eye height when opening the lower smoke exhaust

        CO體積濃度如圖12,只開啟下游排煙口會使得下游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啟的排煙口范圍以內(nèi),故不會危及下游排煙口以外位置人員的安全.

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

        3 各種開啟狀態(tài)下的排煙效率研究

        3.1 各開啟狀態(tài)下排煙口風(fēng)速大小

        為了對比不同排煙口開啟狀態(tài)下各個排煙閥的排煙效率情況,如圖13,監(jiān)測得到了各個排煙口下排煙風(fēng)速大小.當(dāng)同時開啟上下游的排煙口時,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,但是對比開啟6個排煙閥與7個排煙口來看,開啟火災(zāi)點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排煙口的排煙效率.

        當(dāng)只開啟下游排煙口時,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)不能及時打開火源正上方的排煙口時,可以看到此時排煙口下風(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,表明了火源點正上方的排煙口未能及時打開時,排煙口的排煙效率大于正上方排煙口開啟時的排煙效率.

        3.2 排煙效率的研究

        統(tǒng)計工況4~13,不同排煙風(fēng)量各個排煙口的排煙效率如表5.同時開啟上下游6個排煙口時,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啟7個排煙口時的;當(dāng)開啟7個排煙口時,可以看到4# 排煙口的單個排煙效率達(dá)到了65%以上,雖然火災(zāi)點上方的排煙口打開更有利于排煙,從排煙效率來看,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.綜合前文對煙氣蔓延特性以及人員耐受極限來看,開啟火災(zāi)點正上方的排煙口更有利于人員疏散逃生,故仍建議開啟火災(zāi)點正上方的排煙口進行排煙.

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

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

        只開啟下游的排煙口時,過大的排煙風(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%,且此時整體排煙效率均大于95%,對比不同的排煙風(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,應(yīng)采用重點排煙方式,將火災(zāi)點最近的排煙口打開,并且沿著火災(zāi)上下游分別開啟排煙口,非特殊情況盡量避免只開啟火災(zāi)點下游的排煙口.同時,火災(zāi)下游豎井內(nèi)的軸流排風(fēng)機開啟排煙,依靠射流風(fēng)機引流從洞口進行補風(fēng).火災(zāi)上游豎井內(nèi)的軸流送風(fēng)機開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

        通過對媽灣水下盾構(gòu)隧道排煙口不同開啟狀態(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),重點排煙方式下同時開啟上下游排煙口、發(fā)生堵塞只開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)及排煙效率角度來講,重點排煙方式應(yīng)及時開啟火災(zāi)點正上方的排煙口,同時開啟上下游排煙口時的具體安全性表現(xiàn)為:火源點正上方的排煙口開啟可以保證能見度在人眼能見度紅線之上,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,只針對排煙方式和排煙效率進行了論述,并未對人員疏散以及逃生條件進行更深層次的研究,下一步的研究會將跨海隧道的排煙技術(shù)與人員疏散更好地聯(lián)系起來.

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