張 宇

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟實力與地下工程技術(shù)的快速發(fā)展，為了緩解交通壓力，提高經(jīng)濟發(fā)展速度，跨湖、跨江、跨海等水下長隧道的需求日益增加。這些水下隧道具有超長、超寬的發(fā)展趨勢，一旦隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，其距離長、斷面大、交通量大的特點對隧道排煙系統(tǒng)的合理性設(shè)計提出了更高的要求，而確定合理的排煙量是超長、超寬水下公路隧道進行排煙系統(tǒng)設(shè)計的前提。

排煙量的研究目前主要集中在公共建筑、民用建筑、地鐵隧道等領(lǐng)域[1-5]，而對于水下公路隧道的研究較少。且公路隧道內(nèi)排煙量的研究主要集中在長度短、截面小的隧道，如2018年王兆陽等[6]借助FDS 對上海某長7.8km，寬10m，高4m 的雙層盾構(gòu)隧道在火災(zāi)工況下，熱釋放率為8MW 的支管重點排煙系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，分析了30、40、50、60m3/s 排煙量下隧道內(nèi)煙氣的擴散范圍、溫度場及能見度的變化規(guī)律，結(jié)果表明：40m3/s 為排煙量的臨界指標。除此之外，排煙系統(tǒng)形式、排煙口的設(shè)置、熱釋放速率的設(shè)定等均對排煙量的合理性存在影響。如姜學(xué)鵬等[7,8]在2012年研究了豎向集中排煙模式下不同排煙量對煙氣控制效果的影響；在2018年采用FDS 火災(zāi)模擬軟件對東湖隧道側(cè)向集中排煙系統(tǒng)下不同排煙量時煙氣蔓延范圍、排煙效率、溫度場、人員疏散微環(huán)境排煙效果等指標進行定量分析，得到在20MW 火災(zāi)時合理排煙量為300m3/s。2020年張新等[9]通過理論分析與FDS 數(shù)值模擬研究了縱向通風(fēng)與側(cè)向集中排煙耦合作用下公路隧道火災(zāi)熱釋放率為20MW 時不同排煙量對煙氣蔓延范圍、2m 高度處能見度、排煙口流速、排煙道流速、排煙效率、排熱效率等6 個關(guān)鍵參數(shù)的影響，最終確定該公路隧道的合理排煙量為120m3/s。本文的研究對象蘇州某水下超長公路隧道因空間結(jié)構(gòu)特點，采取用側(cè)向重點排煙系統(tǒng)，火災(zāi)荷載依據(jù)車型比例和遠期交通量，設(shè)定為50MW[10-13]?，F(xiàn)有公路隧道排煙量的相關(guān)研究無法直接應(yīng)用于本項目，因此需要開展超長、超寬結(jié)構(gòu)特點及側(cè)向重點排煙系統(tǒng)形式下隧道合理排煙量的研究。

本文先用理論公式進行計算，后采用FDS 數(shù)值模擬的方法研究了火災(zāi)荷載為50MW 的側(cè)向重點排煙系統(tǒng)在計算排煙量分別為220m3/s、240m3/s、260m3/s 時的煙氣蔓延范圍、排煙閥處溫度、流速、排煙效率的變化規(guī)律，以期為水下長隧道側(cè)向重點排煙系統(tǒng)的合理排煙量計算提供方案參考。

1 工程概況

蘇州某公路隧道水下段長9km，寬17m，內(nèi)部根據(jù)高度不同，分為淺段、中段、深段三個斷面，其中深段隧道的行車道路面到排煙道頂隔板底面的高度最高，為8.35m。隧道全線采用雙向六車道高速公路標準，隧道設(shè)計速度120km/h。擬在湖中不設(shè)人工島，僅在湖西、湖東岸設(shè)排風(fēng)塔，靠側(cè)向重點排煙系統(tǒng)解決超長水下隧道的排煙需求。

2 理論計算

火源煙氣生成速率是決定機械排煙系統(tǒng)排煙量的關(guān)鍵因素，它由火源上方的煙羽流質(zhì)量流量決定，本文根據(jù)隧道的車型比例和遠期交通量，選取火災(zāi)規(guī)模為50MW[10-13]，考慮到隧道內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生點通常為隧道內(nèi)或墻邊，則煙羽流質(zhì)量流量依據(jù)《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》（DBJ08-88-2006），采取相應(yīng)的軸對稱型煙羽流與墻型煙羽流模型進行分析。

（1）煙羽流模型

軸對稱型煙羽流模型：

墻型羽流模型：

（1）～（5）式中：Qc為熱釋放速率的對流部分，一般取值為Qc=0.7QkW；Z為燃料面到煙層底部的高度，m（取值應(yīng)大于或等于最小清晰高度與燃料面高度之差）；Z1為火焰極限高度，m；Mρ為煙羽流質(zhì)量流量，kg/s。

隧道的排煙量基于煙羽流模型計算結(jié)果，并進一步的根據(jù)以下列式進行計算。

（2）煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差應(yīng)按照下式計算：

式中：△T為煙層平均溫度與環(huán)境溫度的差，K；Cp為空氣的定壓比熱，一般取Cp=1.01kJ/(kg·K)；K為煙氣中對流放熱量因子，取K=1.0。

（3）每個防煙分區(qū)排煙量計算：

式中：V為排煙量，m3/s；ρ0為環(huán)境溫度下的氣體密度，kg/m3，通常T0=293.15K，ρ0=1.2（kg/m3）；T0為環(huán)境的絕對溫度，K；T為煙層平均絕對溫度，K。

如圖1所示，考慮火災(zāi)最不利場景，選取深段隧道進行分析，當(dāng)所產(chǎn)生的煙氣全部被排出時，煙氣層底部即為隧道拱頂下表面，此時Z即為行車道路面到隧道頂部的高度，取Z=8.35m。代入公式（1）～（8），則理論計算排煙量最大為220m3/s。進一步考慮管道漏風(fēng)等不利因素，為提高隧道安全系數(shù)，保證火災(zāi)時煙氣及時排出隧道，根據(jù)《建筑防排煙系統(tǒng)技術(shù)標準》（GB 51251-2017）[11]排煙量按20%的富余量進行設(shè)計，計算結(jié)果如圖2所示，在軸對稱煙羽流模型下，排煙量最大，此時排煙量的設(shè)計值約為260m3/s。

圖1 深段隧道橫斷面圖Fig.1 Cross section of deep tunnel

圖2 不同煙羽流模型下的設(shè)計排煙量Fig.2 Design smoke emission under different plume models

3 數(shù)值模擬

3.1 模型設(shè)置

為了進一步的驗證理論計算結(jié)果的合理性，本文選取了中間一段長度為1km 的深段隧道，利用火災(zāi)煙氣模擬軟件FDS 對火災(zāi)發(fā)生時煙氣蔓延范圍、排煙閥處的溫度、流速、排煙效率的變化規(guī)律進行了分析。如圖3所示，物理模型中隧道的行車道斷面尺寸為1000m（長）×17.5m（寬）×8.35m（高），排煙道斷面尺寸為1000m（長）×5m（寬）×3m（高），排煙閥尺寸為2m×4m，間隔60m 對稱分布?；鹪淳O(shè)置在隧道中心處，在隧道頂棚下方0.5m 處設(shè)置熱電偶，并沿隧道縱向方向間隔10m進行布置,火源面積設(shè)定為10m2，火源功率設(shè)定為50MW，單位面積熱釋放速率為5000kW/m2，火災(zāi)增長方式為1s 達到穩(wěn)定。為測量排煙閥處溫度及流速，在每組排煙閥處布置一組熱電偶及流速測點。通過在FDS 輸入文件中，引入?yún)?shù)MASS FLUX X SPEC_ID=’CARBON DIOXIDE’提取各個排煙口不同時刻排除CO2的質(zhì)量流量，用于計算排煙效率。模型的環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，壓強設(shè)置為101kPa，模擬時長為600s。

圖3 隧道模型圖Fig.3 Tunnel model

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸是影響模擬結(jié)果的精度與效率的關(guān)鍵參數(shù)。本文采用被廣泛應(yīng)用的D*/δx標準，用以估計網(wǎng)格的精度[14]。其中D*為特征長度，δx為網(wǎng)格尺寸，NIST 進行的一系列比較試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格大小在D*/16 和D*/4 之間時，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。計算D*的具體公式如下：

式中：Q為模擬火源熱釋放速率，kW；ρa為環(huán)境空氣密度，kg/m3；cp為環(huán)境空氣比熱容，kJ/(kg·K)；Ta為環(huán)境溫度，K；g為重力加速度，m/s2，取9.8m/s2。

當(dāng)火源熱釋放速率為50MW 時，此時計算出的建議網(wǎng)格尺寸范圍為0.28～1.14m。為驗證網(wǎng)格精度，從0.28～1.14m 的范圍內(nèi)選擇了三個網(wǎng)格尺寸（0.4m，0.5m，1.0m）進行網(wǎng)格獨立性分析，距火源40m 位置時不同網(wǎng)格尺寸的垂直溫度曲線，如圖4所示，當(dāng)網(wǎng)格尺寸位于0.4m 至0.5m 間時，溫度分布曲線之間差異很??；為節(jié)省計算時間的同時獲得良好的模擬效果，試驗選擇尺寸為0.5m 的網(wǎng)格進行模擬。

圖4 不同網(wǎng)格尺寸模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of different grid sizes

3.3 工況設(shè)計

模擬工況下不考慮管道漏風(fēng)等因素，故不同工況下排煙量均指計算排煙量。為了便于分析，提高排煙系統(tǒng)的安全性，在理論計算排煙量220m3/s 基礎(chǔ)上，依次選取了側(cè)向集中排煙量分別為220m3/s、240m3/s、260m3/s 時的火災(zāi)蔓延范圍、排煙閥溫度、排煙閥處流速、排煙閥排煙效率進行對比分析；如表1所示，火災(zāi)時開啟上下游三個相鄰排煙閥。

表1 火災(zāi)荷載50MW 下排煙量數(shù)值模擬工況Table 1 Numerical simulation conditions of smoke emission under fire load of 50MW

4 結(jié)果與討論

4.1 煙氣蔓延范圍

煙氣的蔓延距離是以頂板下0.5m 處的溫度達到60℃為依據(jù)，則不同排煙量下隧道內(nèi)煙氣穩(wěn)定后向火源兩側(cè)的蔓延距離，如表2所示。結(jié)果表明，火源功率為50MW 時，相同排煙口設(shè)置下，隨著排煙量的增大，煙氣整體蔓延范圍減小，排煙量每增加20m3/s，煙氣整體的蔓延范圍減少40m。但由于側(cè)向排煙模式下隧道內(nèi)沒有設(shè)置縱向通風(fēng)，故火源下游煙氣蔓延范圍與上游基本相同。整體而言，排煙量從220m3/s 到260m3/s 的過程，煙氣的整體蔓延范圍無顯著性差異，考慮排煙量增加帶來投資的加大，排煙量宜取值220m3/s。

表2 不同工況煙氣蔓延數(shù)值Table 2 Smoke spread values under different working conditions

4.2 排煙閥流速分布規(guī)律

基于4.1 節(jié)分析結(jié)果，本文選取火源上、下游各200m 的范圍進行分析。如圖5所示，在不同排煙量下，排煙口流速的分布曲線近似成W 型的上下對稱分布，特別是上、下游的第三個排煙閥處的流速會出現(xiàn)突增的現(xiàn)象，其原因在于側(cè)向排煙情況模式下，排煙口對稱開啟時排煙口處的煙氣流速基本成對稱分布，且排煙風(fēng)機設(shè)置在上、下游的端頭，故距離排煙風(fēng)機越近的排煙口，其煙氣流速越大。隨著排煙量的增加，排煙口處的最大流速略大于標準值10m/s，但由于測點布置為排煙口中心處，綜合考慮所有因素，220m3/s～260m3/s 的排煙量下的排煙口內(nèi)氣體流速均值小于10m/s，不會發(fā)生吸穿現(xiàn)象，符合規(guī)范要求。

圖5 排煙閥流速分布Fig.5 Flow velocity distribution of exhaust valve

4.3 排煙閥溫度分布

不同排煙量時排煙閥處的溫度分布，如圖6所示。不同排煙量下，排煙閥處溫度均呈現(xiàn)由火源處向上、下游降低的倒V 字形趨勢，其中上、下游的對稱排煙閥處溫度基本相同。原因在于側(cè)向重點排煙系統(tǒng)下，火源附近排煙閥處的煙氣溫度較高，受煙羽流影響較大，煙羽流在隧道頂部和墻面被冷卻后，密度增加，重力大于浮升力，而出現(xiàn)下沉，向四周擴散，故上、下游排煙閥處溫度會逐漸降低。同時從圖6 中可以看出，排煙閥處溫度均在180℃以下，不會損壞排煙口，故不會影響排煙閥的連續(xù)正常工作。

圖6 排煙閥溫度分布Fig.6 Temperature distribution of exhaust valve

4.4 排煙效率分析

在機械排煙的過程中，排煙口會發(fā)生對新鮮空氣的卷吸現(xiàn)象，導(dǎo)致吸入排煙口的氣體中不止有煙氣，還含有新鮮空氣，但煙氣中成分眾多，故煙氣的生成量與排出量難以準確測量。為了準確測量排煙口的排煙量，本文選取燃燒的主要產(chǎn)出物CO2作為參考依據(jù)，將排煙效率定義為排煙口所排出氣體中所含的CO2量與燃燒產(chǎn)物所產(chǎn)生的CO2量之比[9]。不同排煙量下，排煙閥處排煙效率如表3所示；從中可以看出，不同排煙量下，單個排煙閥的排煙效率整體呈現(xiàn)兩邊高、中間低的趨勢，且最高排煙閥效率約17%，最低約10%。通過分析可知，側(cè)向重點排煙模式下，隨著排煙量的增加，排煙閥的整體排煙效率也隨之增加，同時不同排煙量下的排煙效果均高于70%，但無顯著差異，綜合考慮成本，排煙量宜取值220m3/s。

表3 排煙效率分析Table 3 Smoke extraction efficiency analysis

5 結(jié)論

本文先采用理論公式進行計算，后采用FDS數(shù)值模擬的方法研究了蘇州某超長水下隧道側(cè)向重點排煙系統(tǒng)在火災(zāi)荷載為50MW，排煙量分別為220m3/s、240m3/s、260m3/s 時的火災(zāi)蔓延范圍、排煙閥溫度、排煙閥處流速、排煙閥排煙效率的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）超長水下隧道的合理排煙量宜采用軸對稱煙羽流計算模型；

（2）FDS 模擬指出，220m3/s、240m3/s、260m3/s排煙量下，隨著排煙量的增加，降低了火災(zāi)時煙氣蔓延的范圍，增大了排煙閥的整體排煙效率，但均無顯著差異，且排煙閥處溫度、流速均滿足規(guī)范要求；

（3）理論計算與FDS 火災(zāi)模擬均指出蘇州某超長隧道在火災(zāi)規(guī)模50MW 下的合理排煙量的計算值為220m3/s，設(shè)計值為260m3/s。