張文彬 李樹(shù)超 王同喜 齊楸 劉崑

(應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381)

0 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通建設(shè)快速發(fā)展[1]，隧道火災(zāi)危害最大的是隧道內(nèi)煙氣擴(kuò)散造成的人員傷亡，對(duì)隧道煙氣流動(dòng)的研究已成為軌道交通安全的研究熱點(diǎn)[2-3]。由于隧道地形復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊等特點(diǎn)，目前關(guān)于隧道火災(zāi)方面的研究多集中在縮尺實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬方面[4-9]。2007年，王彥富等[6]以全尺寸隧道為平臺(tái)，對(duì)拱頂附近煙氣最高溫度等進(jìn)行研究，國(guó)內(nèi)外對(duì)H型隧道的熱煙實(shí)驗(yàn)還較少。本文采用以甲醇油盤為火源，輔以發(fā)煙餅為煙氣示蹤標(biāo)記物的熱煙實(shí)驗(yàn),對(duì)H型隧道煙氣流動(dòng)與防排煙性能進(jìn)行研究，為H型隧道防排煙設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 H型隧道熱煙實(shí)驗(yàn)環(huán)境

H型隧道布局如圖1所示，全長(zhǎng)75 m，截面為圓形，直徑2 m。兩條相鄰隧道之間在37.5 m處設(shè)一條交互通道，可任意開(kāi)啟或關(guān)閉。在H型隧道盡頭分別布置4組軸流風(fēng)機(jī)，2#、3#、4#風(fēng)機(jī)向隧道內(nèi)送風(fēng)，1#風(fēng)機(jī)從隧道內(nèi)排煙，風(fēng)機(jī)呈兩排上下布置，如圖2所示。1#隧道內(nèi)在距隧道頂端0.5 m處每隔7.5 m布置一支溫度傳感器，分別為T1～T9。

圖1 H型隧道布局

圖2 隧道盡頭風(fēng)機(jī)組布局

2 H型隧道熱煙實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)1：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進(jìn)行0.7 MW熱煙自由蔓延實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)2：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進(jìn)行0.7 MW熱煙實(shí)驗(yàn)，1 min后開(kāi)啟并調(diào)節(jié)1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.0 m/s。

實(shí)驗(yàn)3：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進(jìn)行0.70 MW熱煙實(shí)驗(yàn)，1 min后開(kāi)啟并調(diào)節(jié)1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.2 m/s。

實(shí)驗(yàn)4：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進(jìn)行0.7 MW熱煙實(shí)驗(yàn)，1 min后開(kāi)啟并調(diào)節(jié)1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.5 m/s。

實(shí)驗(yàn)5：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進(jìn)行0.7 MW熱煙實(shí)驗(yàn)，1 min后同時(shí)開(kāi)啟并調(diào)節(jié)1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)和下排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為2.0 m/s。

實(shí)驗(yàn)6：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進(jìn)行0.7 MW熱煙實(shí)驗(yàn)，1 min后開(kāi)啟并調(diào)節(jié)2#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.2 m/s。

實(shí)驗(yàn)7：在1#隧道內(nèi)距右端40 m處放置火源，進(jìn)行0.7 MW熱煙實(shí)驗(yàn)，1 min后開(kāi)啟并調(diào)節(jié)1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.2 m/s，當(dāng)煙氣蔓延到2#隧道時(shí)，開(kāi)啟3#風(fēng)機(jī)組和4#風(fēng)機(jī)組進(jìn)行對(duì)向加壓送風(fēng)。

各實(shí)驗(yàn)工況情況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)工況

3 H型隧道熱煙實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 排煙風(fēng)速對(duì)煙氣流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1過(guò)程中，熱煙自由蔓延過(guò)程中，隧道內(nèi)逐漸充滿煙氣，煙氣無(wú)明顯分層，如圖3所示，目測(cè)煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖4所示，由圖可得：熱煙自由蔓延實(shí)驗(yàn)初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度達(dá)到穩(wěn)定階段，最后由于油盤中的燃料逐漸耗盡，火災(zāi)功率變小，煙氣溫度隨之下降。環(huán)境溫度隨距火源距離的增加而降低，距火源最近的測(cè)點(diǎn)溫升最高。

圖3 實(shí)驗(yàn)1時(shí)1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖4 實(shí)驗(yàn)1等高度測(cè)點(diǎn)溫度

實(shí)驗(yàn)2過(guò)程中，開(kāi)啟1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使隧道內(nèi)37.5 m處平均排煙風(fēng)速為1.0 m/s后，隧道內(nèi)逐漸充滿煙氣，煙氣無(wú)明顯分層，如圖5所示，目測(cè)煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖6所示，由圖可得：煙氣溫升的趨勢(shì)類似于熱煙自由蔓延實(shí)驗(yàn)，初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度達(dá)到穩(wěn)定階段，最后由于油盤中的燃料逐漸耗盡，火災(zāi)功率變小，煙氣溫度隨之下降。對(duì)比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2：風(fēng)機(jī)與火源之間的T6～T9測(cè)點(diǎn)(以下稱“近風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)”)煙氣溫升與實(shí)驗(yàn)1趨同，距離風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的T1～T5測(cè)點(diǎn)(以下稱“遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)”)溫升比實(shí)驗(yàn)1有降低趨勢(shì)，但在800 s時(shí)溫度出現(xiàn)明顯升高，分析由于排煙風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，部分煙氣向近風(fēng)側(cè)移動(dòng)，導(dǎo)致遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣溫度有所降低，但由于實(shí)驗(yàn)2的風(fēng)機(jī)排煙能力不足，導(dǎo)致后期煙氣產(chǎn)生向遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)回流現(xiàn)象，因此在800 s時(shí)遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)明顯升高。

圖5 實(shí)驗(yàn)2時(shí)1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖6 實(shí)驗(yàn)2等高度測(cè)點(diǎn)溫度

實(shí)驗(yàn)3過(guò)程中，開(kāi)啟1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.2 m/s后，隧道內(nèi)近風(fēng)側(cè)和遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣出現(xiàn)明顯分層[7-9]，如圖7所示，目測(cè)少量煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道9組溫度數(shù)據(jù)，如圖8所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1～3分析可得：實(shí)驗(yàn)3煙氣溫升趨勢(shì)明顯不同于熱煙自由蔓延實(shí)驗(yàn)，初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度呈下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)3的煙溫峰值比實(shí)驗(yàn)2明顯降低，這時(shí)遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)熱煙氣與空氣分層明顯，高溫?zé)煔饧性谒淼郎习氩糠?，遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)隧道下半部分可用于人員逃生。

圖7 實(shí)驗(yàn)3時(shí)1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖8 實(shí)驗(yàn)3等高度測(cè)點(diǎn)溫度

實(shí)驗(yàn)4過(guò)程中，開(kāi)啟1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.5 m/s后，隧道內(nèi)煙氣出現(xiàn)明顯分層，之后遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣逐漸消失，如圖9所示，此時(shí)目測(cè)無(wú)煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖10所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1～4分析可得：實(shí)驗(yàn)4煙氣溫升的趨勢(shì)類似于實(shí)驗(yàn)3，初期煙氣迅速升溫，之后煙氣溫度呈下降趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)4的煙溫峰值比實(shí)驗(yàn)2也明顯降低，但不同于實(shí)驗(yàn)3，遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙溫下降明顯，說(shuō)明遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣已基本排凈。

圖9 實(shí)驗(yàn)4時(shí)1#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖10 實(shí)驗(yàn)4等高度測(cè)點(diǎn)溫度

3.2 排煙位置對(duì)煙氣流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)5過(guò)程中，開(kāi)啟1#風(fēng)機(jī)組上排和下排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為2.0 m/s后，隧道內(nèi)充滿煙氣，遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣逐漸消失，煙氣無(wú)明顯分層，目測(cè)煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道9組溫度數(shù)據(jù)，如圖11所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5分析可得：實(shí)驗(yàn)5初期煙氣迅速升溫，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)后煙氣溫度快速下降，之后溫度回升，最后由于油盤中的燃料逐漸耗盡，煙氣溫度隨之下降，煙溫峰值比實(shí)驗(yàn)4無(wú)明顯降低。與實(shí)驗(yàn)4相比，更高的排煙風(fēng)機(jī)功率可以在開(kāi)啟初期起到更好的排煙效果，但上排風(fēng)機(jī)和下排風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，擾亂了煙氣層和空氣層，排煙效率反而下降[10-11]。但對(duì)于遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)，煙溫下降明顯，說(shuō)明遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣已基本排凈，不受下排風(fēng)機(jī)的影響。

圖11 實(shí)驗(yàn)5等高度測(cè)點(diǎn)溫度

3.3 排煙方式對(duì)煙氣流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)6過(guò)程中，開(kāi)啟2#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.2 m/s后，隧道內(nèi)逐漸充滿煙氣，煙氣無(wú)明顯分層，目測(cè)煙氣蔓延至2#隧道。采集1#隧道9組溫度數(shù)據(jù)，如圖12所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)6分析可得：實(shí)驗(yàn)6初期煙氣迅速升溫，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)后煙溫繼續(xù)緩慢上升，最后由于油盤中燃料逐漸耗盡，煙氣溫度隨之下降，煙溫峰值比實(shí)驗(yàn)3高。與實(shí)驗(yàn)3相比，實(shí)驗(yàn)6風(fēng)機(jī)吹風(fēng)布置不能很好地降低煙氣溫升，只能起到抑制溫升的作用，排煙效率較低。說(shuō)明在其他條件相同的情況下，風(fēng)機(jī)采用抽風(fēng)布置比吹風(fēng)布置的排煙效率更高。

圖12 實(shí)驗(yàn)6等高度測(cè)點(diǎn)溫度

3.4 相鄰隧道加壓送風(fēng)措施對(duì)煙氣流動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)7過(guò)程中，開(kāi)啟1#風(fēng)機(jī)組上排風(fēng)機(jī)，使1#隧道內(nèi)交互通道處平均排煙風(fēng)速為1.2 m/s后，隧道內(nèi)近風(fēng)側(cè)和遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣出現(xiàn)明顯分層，當(dāng)煙氣蔓延到2#隧道時(shí)，開(kāi)啟3#風(fēng)機(jī)組和4#風(fēng)機(jī)組進(jìn)行對(duì)向加壓送風(fēng)，目測(cè)白色煙氣被有效抑制，無(wú)法進(jìn)入2#隧道, 2#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況如圖13所示。采集1#隧道的9組溫度數(shù)據(jù)，如圖14所示，對(duì)比實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)7分析可得出：實(shí)驗(yàn)7初期煙氣迅速升溫，1#風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后煙氣溫度呈短暫下降趨勢(shì)，3#風(fēng)機(jī)和4#風(fēng)機(jī)開(kāi)啟后，1#隧道煙氣溫度明顯回升，遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)煙溫峰值比實(shí)驗(yàn)3高。

圖13 實(shí)驗(yàn)7時(shí)2#隧道內(nèi)煙氣蔓延情況

圖14 實(shí)驗(yàn)7等高度測(cè)點(diǎn)溫度

4 結(jié)論

(1)由實(shí)驗(yàn)1熱煙自由蔓延實(shí)驗(yàn)可知，熱煙自由蔓延時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣將快速通過(guò)交互通道從火災(zāi)隧道蔓延到相鄰隧道，因此交互通道除采用防火措施外，還應(yīng)考慮有效的防煙措施。

(2)由實(shí)驗(yàn)1～5可知，火災(zāi)隧道排煙設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)機(jī)排煙能力最低應(yīng)達(dá)到遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)煙氣集中在隧道的頂部，人員最低疏散高度處煙溫應(yīng)低于人員的最高承受溫度。但排煙風(fēng)機(jī)功率選擇過(guò)大，會(huì)降低近風(fēng)側(cè)的排煙效率，分析認(rèn)為過(guò)大的排煙風(fēng)速會(huì)擾亂煙氣層和空氣層，使排煙風(fēng)機(jī)排出更多的空氣，從而降低排煙效率，但過(guò)大的排煙風(fēng)機(jī)功率不會(huì)對(duì)遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)產(chǎn)生不良影響，因此在工程設(shè)計(jì)中，風(fēng)機(jī)功率選擇應(yīng)考慮一定的冗余量，火災(zāi)時(shí)人員應(yīng)盡量選擇逆風(fēng)疏散，向遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)逃生。

(3)由實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)5可知，上排風(fēng)機(jī)排煙效果明顯優(yōu)于下排風(fēng)機(jī)排煙效果，上排排煙風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，若輔以下排風(fēng)機(jī)同時(shí)排煙，初期會(huì)起到更好的排煙效果，但由于擾亂了煙氣層和空氣層的分層，總體排煙效率反而下降，因此僅采用上排風(fēng)機(jī)排煙為最優(yōu)設(shè)計(jì)。

(4)由實(shí)驗(yàn)3和實(shí)驗(yàn)6可知，在其他條件相同的情況下，風(fēng)機(jī)采用抽風(fēng)布置比吹風(fēng)布置的排煙效率更高。

(5)實(shí)驗(yàn)以2#隧道模擬火災(zāi)時(shí)的相鄰隧道，由實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)4和實(shí)驗(yàn)7可得：交互通道位于火災(zāi)隧道遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)時(shí)，若火災(zāi)隧道自身的排煙能力足以保證火災(zāi)隧道遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)內(nèi)煙氣濃度達(dá)到安全疏散要求，則熱煙氣不會(huì)蔓延到相鄰隧道內(nèi)；若火災(zāi)隧道自身的排煙能力不足以保證火災(zāi)隧道遠(yuǎn)風(fēng)側(cè)內(nèi)煙氣濃度達(dá)到安全疏散要求，相鄰隧道可采用對(duì)向加壓送風(fēng)的方式有效抑制煙氣的蔓延，但對(duì)向加壓送風(fēng)方式會(huì)在火災(zāi)隧道的交互通道處形成擾流，影響火災(zāi)隧道的排煙效率。所以在H型隧道的實(shí)際排煙設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用防排煙復(fù)合系統(tǒng)和智能化邏輯編程方案：首先識(shí)別排煙系統(tǒng)所保護(hù)的隧道是否為火災(zāi)隧道，若為火災(zāi)隧道，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)為排煙模式；若為火災(zāi)隧道的相鄰隧道，則系統(tǒng)轉(zhuǎn)為對(duì)向加壓送風(fēng)模式，但應(yīng)設(shè)置延時(shí)開(kāi)啟措施，以免過(guò)早地影響火災(zāi)隧道風(fēng)機(jī)的排煙效果。