隧道侧部排烟口优化方案研究

韩佳睿 张亮亮 姜学鹏 李海滨

摘要：文章针对排烟口下缘距地面1.7m的低位侧部排烟隧道，构建以清晰高度处能见度与排烟效率为约束条件的隧道侧部排烟效果评价模型，并采用全尺寸FDS数值模拟研究低位排烟口的关键设计参数。结果表明：合理的排烟口间距为60m，排烟口面积（形状）宜取S≥3.2m2（4m×0.8m）。

关键词：侧部重点排烟;低位排烟口;评估模型;数值模拟

由于双层隧道直径受限，为保障城市水下隧道人员疏散安全，多设置侧部重点排烟系统[1]。排烟口间距和形状是影响隧道烟控制效果的关键参数。

部分学者针对隧道侧部排烟开展了相关研究，姜学鹏对隧道侧部排烟量进行优化，发现在隧道纵向通风下风机排烟量大于有效控烟所需风量时，风机排烟量越大越有利于抑制火灾发展[2];林鹏通过缩尺寸实验+数值模拟，探究排烟口位置对隧道火灾排烟效率的影响，发现排烟口对称分布于火源两侧时，烟气层呈对称分布，排烟效率最高[3];陈建忠认为用独立排烟口代替排烟组，排烟效率可有效提升[4]。上述研究侧部排烟口位置均高于隧道清晰高度，对排烟口下缘与隧道地面距离小于清晰高度的低位排烟口侧部排烟隧道研究鲜少。

针对某城市隧道排烟口下缘距地面1.7m这一特殊工程条件，采用FDS模拟研究烟气温度场、能见度、排烟效率等，进而选取安全又经济的排烟口间距和形状。

一、模型建立与火灾场景

（一）隧道模型

依托隧道为双层隧道，隧道盾构段横断面如图1所示。采用FDS软件构建长1000m、宽11m、高10.4m的计算模型，排烟道与疏散通道位于隧道两侧，上下层行车道共用排烟道断面积为5.5m2，上层隧道侧部排烟口下缘距离地面1.7m。

（二）参数设计

隧道仅通行小汽车（7座及以下乘用车），共设置6个排烟口轴对称开启。设火灾规模为15MW，火源距隧道端部500m，位于隧道2个排烟口中间，总排烟量为Q=100m3/s，排烟道两端设置排烟竖井，排烟量各为Q/2，向隧道两端水平侧部重点排烟。火源与排烟口相对位置示意图如图2所示。

隧道火源热释放速率为15MW，网格尺寸在0.176m至0.705m之间模拟结果更为可靠。在排烟口与火源附近网格进行了局部加密，网格尺寸为0.5m×0.5m×0.2m。

（三）工况设置

探究不同排烟口间距、形状对烟气温度场、能见度、排烟效率的影响，工况见表1。

二、模拟结果与分析

重点排烟系统应满足如下目标：保障清晰高度处烟气温度、能见度不影响人员疏散并能有效排出烟气。

清晰高度指的是烟层下边缘至室内地面的高度，保守设定清晰高度为2.0m，清晰高度处能见度Vz≥10m，排烟系统总排烟效率η≥95%。

构建隧道烟气控制效果评价模型如下：

（一）排烟口间距对烟控效果的影响

1.能见度

不同排烟口间距下隧道纵向2.0m清晰高度能见度曲线如图3。

如图3所示：各工况在火源处能见度低于10m，其他区域均大于清晰高度处能见度Vz≥10m。其中，各工况在排烟口（L2、L1、R1、R2）处持续下降，至排烟口（L3、R3）达到最低值开始回升，且随着排烟口间距的增大，排烟口（L3、R3）达到的能见度最低值有增大趋势。因此，从能见度角度，排烟口间距取l0 ≥50m。

2.排烟效率

不同排烟口间距时排烟效率η，如表2。

由表3可知：排烟口间距为60m、70m时，满足总排烟效率η≥95%的约束要求。排烟口间距为50m时，总排烟效率η<95%，不符合火灾烟气控制效果评价模型约束条件。

综上所述，通过分析排烟口下缘距地面1.7m条件下排烟口间距变化对隧道能见度及排烟效率的影响，间距宜取l0=60m。

（二）排烟口面积/尺寸对烟控效果的影响

以上述合理排烟口间距60m为基础，探究不同排烟口形状对能见度及排烟效率的影响。

1.能见度

不同排烟口尺寸下隧道中间纵向2.0m清晰高度能见度曲线如图4。

如图4所示：工况A03～A07在以火源为中心上下游90m～125m分布排烟口（L3、L2、R2、R3）能见度出现明显下降，经过排烟口后能见度出现回升;距离火源较近处排烟口（L1、R1）的能见度同样出现明显下降，随后能见度持续下降，未出现回升。可见火灾产生的烟气在火源上方形成顶棚射流，烟气向火源两端运动，使火源附近排烟口处能见度持续减小，随后烟气在隧道内蔓延，卷吸空气形成稳定烟气层，排烟口（L3、L2、R2、R3）可有效排出隧道烟气，使能见度回升。此外，除火源正上方能见度在10m以下，其他位置2.0m高度处能见度稳定在10m以上，满足约束条件能见度Vz≥10m。因此，从能见度角度，工况A03～A07排烟口尺寸均满足人员安全疏散要求。

2.排烟效率

分析不同排烟口尺寸排烟效率η如表3。

如表3所示：隨排烟口面积增大，距离火源较近的排烟口（L2、L1、R1、R2），排烟效率逐渐降低，距离隧道端部较近排烟口（L3、R3）的排烟效率逐渐增大。可见距离隧道端口越近抽吸能力越强，排烟效率最高。根据排烟效率η≥95%的烟气控制有效性判据，工况A03、A06不符合排烟要求。因此，从排烟效率角度，排烟口面积应取S≥3.2m2。

三、结论

文章针对排烟口下缘距离地面1.7m的特殊侧部排烟隧道情况，研究了不同排烟口间距/形状时的烟气控制效果：

（1）构建了含清晰高度处能见度及排烟效率2个约束条件的重点排烟效果评估模型。

（2）确定合理排烟口间距为60m，排烟口面积/形状宜取S≥3.2m2（4m×0.8m）。

参考文献：

[1]陈娟娟，方正，袁建平.侧向排烟口对双层隧道机械排烟的影响[J].消防科学与技术，2015，34（01）：33-37.

[2]姜学鹏，刘婵，于思维，等.侧部重点排烟与水喷淋协同作用下隧道烟气运动研究[J].消防科学与技术，2021，40（02）：175-179.

[3]林鹏，王国元，司有亮，等.隧道火灾排烟口位置对排烟效率的影响[J].西南交通大学学报，2019，54（05）：1055-1062+1112.

[4]陈建忠，曹正卯，张琦.侧壁排烟模式下超宽断面沉管隧道火灾排烟效率研究[J].地下空间与工程学报，2017，13（S1）：393-399.

[5]Australian Building Codes Board. Fire Engineering Guidelines[M].Sydney： Fire Code Reform Center Limited，1996.

[6]姜学鹏，吕彦昕，李超，万娟.侧部点式排烟模式下烟气分层特性研究[J].火灾科学，2021，30（03）：151-159.