基于區段的地下空間環路通風排煙設計方法

王 潔, 趙炳欣, 姜學鵬, *

(1. 武漢科技大學資源與環境工程學院, 湖北 武漢 430081; 2. 武漢科技大學消防安全研究中心,湖北 武漢 430081; 3. 武漢科技大學安全與應急研究院, 湖北 武漢 430081)

0 引言

地下空間環路既能緩解地面交通壓力,又能將商務區各地塊與地面主要道路相連,已成為解決城市商業中心區交通擁堵的重要方式。雖然地下交通環路與常規公路隧道形式相近,但其環形的本體形狀和主線長、多匝道、多連接地塊的結構特點,使其具有更高的火災事故風險和更高的消防安全目標,也使其通風排煙設計比常規直線型公路隧道復雜得多。

康曉龍等[1]在2007年針對地下交通隧道提出性能化防火設計的概念,即應該根據隧道個體條件制定通風排煙方法。目前在地下空間環路主要采用縱向通風和橫向通風排煙。許多學者從煙氣控制、臨界風速、溫度預測等方面對縱向排煙進行了研究[2-7],也有學者對橫向通風排煙模式進行了研究。如華高英等[8]針對北京某城市環隧,從煙氣蔓延以及人員疏散的角度提出煙氣控制方案; Yu等[9]提出橫向通風系統在城市交通連接的熱力和煙霧控制策略; 李彪等[10]運用FDS軟件對地下交通主隧道發生火災進行模擬,研究排煙閥面積、間距以及開啟個數對排煙效果的影響。但相比縱向通風,橫向通風排煙模式尤其是重點排煙模式在地下空間環路的研究較少。如許鵬等[11]對曲線隧道內煙氣擴散特性的研究表明,隧道外側煙氣擴散明顯快于內側; Huang等[12]采用縮比例試驗研究了隧道分岔結構對隧道最高溫度的影響; Guo等[13]運用CFD軟件研究了小曲率半徑對最高溫度的影響,并提出預測數學模型; Guo等[14]通過FDS軟件研究了不同坡度下的火災風險; Liu等[15]提出運用混合通風方式對復雜地下隧道進行通風排煙,但在火災發生時運用此方法需要多種設備配合,這意味著系統故障率會升高,易造成嚴重事故。

由上述研究可知,部分學者通過對隧道分岔口、轉彎時的曲率半徑等進行研究,得出其對煙氣溫度都會產生影響,這些研究對地下環路通風排煙方案有一定的參考價值; 但目前對環路還沒有行之有效的通風排煙方案,且現有法律法規也不能完全滿足環路要求。因此,本文針對地下空間環路隧道長、匝道多、坡度變化多的特點,提出區段式排煙設計方法,并應用于濱江地下環路; 利用數值模擬軟件對典型區段火災進行驗證,最終得到地下空間環路的排煙方案,以期為其他類似工程提供參考。

1 基于區段劃分的排煙設計方法

地下空間環路通風排煙的核心目的是在保證人員安全和財產安全的同時,盡量減少對隧道使用功能的影響和施工難度。要達到這個目的,應根據工程實際、煙氣流動特點和車流方向,確定排煙模和排煙策略。因此,以濱江地下空間環路為例進行分析,制定合理的通風排煙方案。

1.1 頂側部重點排煙相結合

濱江地下空間環路工程主線全長3 km,共有13條進出地面的匝道,且主線隧道內又分為2個小環路,整個環線內部空間復雜多變。從整個隧道的煙氣控制和人員安全的角度考慮,地下環路設置頂部排煙道,采用重點排煙模式,既可將煙氣控制在一段區域內,又不影響其他區域的人員安全,對于多匝道的地下空間環路具有很好的適用性。但該地下空間環路要穿過三陽路過江隧道,建設空間受限,不能設置頂部排煙道,因此,對此區域應采用側部重點排煙的方式,使地下環路滿足排煙需求。頂部排煙道與側部排煙道的轉化設有過渡區域,地下空間環路的排煙道整體貫通?？紤]隧道行車舒適性,也為了降低工程成本,將排煙道與風道合用,選擇全聯通風道半橫向通風方式。

1.2 排煙組織策略

由于地下空間環路與15個地塊連接,若將地塊與地下空間環路視為整體進行火災通風排煙設計,現有規范則不適用; 且該工程跨度大、多匝道、多彎道,通風排煙復雜?；诖?制定通風排煙策略如下:

1)防火分隔。在結構設計階段,地塊與環路通過防火墻、防火門/防火卷簾分隔,防止火源在2個區域相互蔓延?；馂臅r地下空間環路作為獨立區域考慮排煙方案。

2)區段劃分。沿交通流方向進行區段劃分,為人員疏散提供便利。將煙氣控制在可接受的范圍內,不同控煙區段之間不設置固定分隔措施,在隧道主線上均勻布置6個排煙風機房,并以排煙風機房為標志點,沿車行方向將整個環路分隔為8個排煙控制區段,如圖1所示。無論在哪個區段內發生火災,均可開啟區段兩端的風機排風。相較于區段單側排煙,區段兩側排煙效果穩定性更高[16],從“短板效應”角度看更安全。當火源位于排煙分區交界面附近時,除了開啟附近的排煙風機外,還可啟動相鄰分區的排煙風機。

圖1 區段劃分圖

為保障排煙可靠性,設置備用風機。由于本工程風道整體貫通,各個風機房里的風機可互相作為備用風機,降低成本。一旦煙氣沒有被控制住或者風機出現故障,便可開啟鄰近風機房的風機進行煙氣控制。

3)人員疏散。發生火災后,關閉排煙控制區段內車行通道與地塊連通處的防火門?；鹪瓷嫌螀^段(以火源位置為節點,以交通流向為參照,將駛向火源的部分劃分為火源上游,駛離火源的部分劃分為火源下游)車輛停止前進,乘客下車經疏散樓梯至地面逃生; 火源下游區段車輛繼續行駛并通過隧道出口駛離環路。

2 數值模擬

2.1 地下空間環路概況

以武漢某地下空間環路為研究對象,對其進行火災場景模擬。該環路主線為單向3車道(寬10.9 m,高4.2 m),其中均勻布置6處排煙風機房(每個排煙風機房設有火災專用軸流排煙風機1臺)。排煙道每隔30 m設置1處非多葉高密閉型電動排煙口(頂部風道每處1個風閥,尺寸為2 m×2 m; 側部風道每處2個風閥,尺寸為2 m×1 m)。排煙道連為一體,整體貫通,并與6處排煙機房相連。

2.2 模型構建及參數設定

以武漢某地下空間環路為研究對象,采用Fluent軟件建立模型,進行火災場景數值模擬研究。根據火源功率以及《Handbook of Fire Protection Engineering》推薦的軸對稱型羽流模型計算煙氣生成量為58.47 m3/s,考慮到存在的漏風以及實際火災中排煙過程中要卷入大量的空氣等因素,將排煙量設置為90 m3/s,排煙口間距為30 m,排煙口面積為2 m×2 m,火災發生時開啟火源前后若干個排煙口。在2 m高度處每隔1 m布置1個溫度測點(如圖2所示),在每個排煙口處設置CO2質量流量切片。

2.2.1 邊界條件設置

隧道出入口設為壓力出口pressure-outlet,模擬無機械送風情況下煙氣的蔓延情況,溫度定義為295 K,隧道墻壁設為絕熱,火源規模設置為15 MW,質量流量設置為34.7 kg/s。根據丙烷的反應式計算得15 MW火災單位時間CO2的質量流量為0.940 5 kg/s?；鹪丛O置為Mass Flow Rate,湍流模型選擇標準k-ε模型,輻射模擬選用標準DO模型。

圖2 測點布置示意圖(單位: m)

2.2.2 網格劃分

鑒于地下空間環網結構復雜,可采用非結構網格的方法對計算模型進行網格劃分。選取需要著重研究的部分進行局部加密處理,保證模擬的準確性; 即在采用ICEM劃分網格時,對火源及風機附近采用0.5 m的網格,其他部分采用1 m的網格,各種火災區域的劃分及防排煙組織方式均嚴格按照實際情況設置。

2.3 工況設置

基于區段式通風排煙方法,設置4組工況確定通風排煙的排煙口間距和個數,見表1。

表1 工況設置

基于確定的排煙參數,對隧道的直線段、岔道、匝道、聯絡道以及排煙口轉換位置進行火災場景模擬,見表2。

表2 火災場景工況設置

2.4 模擬計算分析

2.4.1 排煙口設置模擬結果分析

2.4.1.1 人員疏散環境

排煙口間距為30 m時,排煙口數量從6個增加到10個。煙氣蔓延長度見表3。由表可知,煙氣蔓延長度逐漸增加,排煙口間距為60 m時,煙氣蔓延長度相較排煙口間距30 m的工況更長。

表3 煙氣蔓延長度

2 m高度處溫度曲線如圖3所示。由圖可知: 2 m高度處煙氣溫度在火源附近最高; 當排煙口間距為30 m、排煙口數量為6個時,排煙口區段外的清晰高度處煙氣溫度高于60 ℃; 當排煙口間距為30 m、排煙口數量為8個或10個以及排煙口間距為60 m、排煙口數量為6個時,排煙口區段外的清晰高度處煙氣溫度均低于60 ℃。

L1、L2、L3為火源上游排煙口; R1、R2、R3為火源下游排煙口。

2.4.1.2 排煙效率η分析

排煙效率見表4。由表可知,隨著排煙口數量增多,排煙效率呈現先增大后減小的趨勢。排煙口數量為8(工況2)時,排煙效率最高。排煙效率η≥90%。

表4 排煙效率

綜上,考慮煙氣蔓延、人員疏散環境、排煙效率等因素,選擇排煙口間距為30 m、排煙口數量為8個的排煙方案。

2.4.2 火災場景模擬結果分析

2.4.2.1 人員疏散環境

1)火災場景1: 火源處于主線直線段中?；馂膱鼍?煙氣蔓延示意如圖4所示。由圖可知,火源趨于穩定狀態時,上游60 ℃煙氣蔓延前鋒超過了最外側排煙口,但未繼續向前蔓延;下游60 ℃煙氣蔓延前鋒稍過R3。從火源上下游分別以0.15、0.8 m/s的速度進行自然補風。煙氣因抽吸作用從排煙口排出,導致隧道內氣壓失衡,新鮮空氣從匝道7、8、9/10、11/12、13分別以1.12、0.04、0.76、0.09、0.87 m/s進入隧道,達到新的氣壓平衡。

圖4 火災場景1煙氣蔓延示意圖

2)火災場景2: 火源處于岔道處?；馂膱鼍?煙氣蔓延示意如圖5所示。由圖可知,火源趨于穩定狀態時,上游60 ℃煙氣蔓延前鋒超過了最外側排煙口,但未繼續向前蔓延。煙氣侵入匝道1,但匝道1屬于出口匝道,車輛可直接駛離地下空間環路,保證人員安全。從火源上下游分別以0.4、0.7 m/s的速度進行自然補風。煙氣因抽吸作用從排煙口排出,導致隧道內氣壓失衡,新鮮空氣從匝道3、4/5分別以0.28、2.83 m/s的速度進入隧道達到新的氣壓平衡。

圖5 火災場景2煙氣蔓延示意圖

3)火災場景3: 火源處于匝道處?；馂膱鼍?煙氣蔓延示意如圖6所示。由圖可知,火源趨于穩定狀態時,上游60 ℃煙氣蔓延前鋒超過了最外側排煙口,但未繼續向前蔓延?；鹪聪掠螣煔獗簧嫌闻艧熆跔恐?導致下游煙氣較少,此火源距匝道口較近,且受火源卷吸作用的影響,導致從匝道1口卷吸的空氣較多。因此,匝道1口的補風風速為0.78 m/s,大于主線補風風速0.35 m/s。

圖6 火災場景3煙氣蔓延示意圖

4)火災場景4: 火源在聯絡道處?；馂膱鼍?煙氣蔓延示意如圖7所示。由圖可知,火源趨于穩定狀態時,上下游60 ℃煙氣蔓延前鋒超過了排煙口L4/R4,但未繼續向前蔓延。由于煙氣在隧道頂部被吸走,導致隧道整體氣壓平衡被打破,空氣從B、C、F、E以及匝道6共5個方向分別以0.56、0.37、0.45、0.39、0.24 m/s的速度向火源方向流動,將煙氣控制在聯絡道內。

圖7 火災場景4煙氣蔓延示意圖

5)火災場景5: 火源處于頂側部交界處?；馂膱鼍?煙氣蔓延示意如圖8所示。由圖可知,火源趨于穩定狀態時,上游60 ℃煙氣蔓延前鋒超過了最外側排煙口,但未繼續向前蔓延。煙氣從排煙口排出,從火源上下游分別以0.3、1.18 m/s的速度補風,聯絡道的斷面風速為0,說明沒有從聯絡道進行自然補風。

圖8 火災場景5煙氣蔓延示意圖

火災產生的煙氣在火源上方形成頂棚射流,而后煙氣在隧道內蔓延,形成穩定煙氣層; 隨著煙氣向外蔓延,溫度也逐漸降低,最終在排煙口的抽吸作用與煙氣熱浮力相互制約下停止蔓延,將煙氣控制在一定范圍內; 排煙口附近由于大量煙氣被吸入排煙道,煙氣層厚度減小,從圖4—8中也可以看到煙氣在排煙道內的蔓延情況。由于排煙道連通,在火源發生時,除火源附近外,其他區域排煙口均要關閉,防止煙氣從其他排煙口再次進入環路。坡度對煙氣蔓延也產生影響,煙氣在上坡段的蔓延速度比下坡段快。

2.4.2.2 排煙效率η分析

依據排煙效率計算模型[17-20],對排煙口的排煙效率進行計算,得到不同火災場景下各排煙口的排煙效率如圖9所示。距離火源越近的排煙口排煙效率越高,反之則排煙效率越低。煙氣層厚度隨著煙氣蔓延逐漸減少、抽吸力增大,導致遠離火源(且靠近排煙風機)的排煙口會吸穿、排煙效率降低。坡度也是影響排煙效率的因素之一,在上坡段排煙口的排煙效率會增加; 反之,在下坡段排煙口的排煙效率會降低,這是因為坡度產生的煙囪效應導致煙氣更多地向上坡段蔓延。

圖9 不同火災場景下的排煙效率

從人員疏散環境、排煙效率2個方面分析,將煙氣控制在一定的范圍內,確保人員疏散環境安全,排煙效率應達到90%。因此可以證明在發生火災時,設置排煙量為90 m3/s、排煙口間距為30 m、排煙口數量為8個是可行的。

2.4.2.3 各排煙口的排煙效能

排煙效能是指風機所提供的抽吸力在經過彎道等結構到達各排煙口附近對煙氣做的有用功。不同場景下各排煙口的排煙效能見表5。

表5 不同場景下各排煙口的排煙效能

火災場景1: 排煙口越靠近風機排煙效能越高,此場景(見圖4)排煙風機D、E分別在火源的兩側,因此排煙效能呈現“兩邊高、中間低”的態勢,且各排煙口造成的局部損失都在20%左右。

火災場景2: 風機A在排煙口R2和R3之間,風機B在L4的右邊(見圖5),因此排煙口L4、R2、R3附近的排煙效能最好,而后依次降低; 排煙口L1附近正處在側部排煙道轉頂部排煙道,導致部分效能流失。

火災場景3: 由2個風機共同作用且都從匝道1與主線連接的排煙道作用(見圖6),因此排煙效能從排煙口L4到R4逐漸降低; 排煙口L1與R2之間經過一個彎道的連接,導致效能損失增大。

火災場景4: 排煙風機在火源兩側(見圖7),因此排煙效能呈現“兩邊高、中間低”的態勢。

火災場景5: 排煙風機在火源兩側(見圖8),因此排煙效能呈現“兩邊高、中間低”的態勢。對比排煙口R4、R3的排煙效能,可以看出風機的抽吸力在排煙口R4處僅損失了5%左右,反映出此處煙氣含量少。

從這5個場景中可以看出,排煙效能在經過彎道后損失會增多,因此在條件允許的情況下,排煙道盡量減少彎轉,減少風機抽吸力做的無用功。

3 結論與討論

1)地下空間環路有隧道長、多匝道、多地塊連接等特點,使得煙氣控制更加困難?；谌藛T疏散安全的前提,提出將地下空間隧道作為獨立的構筑物,以排煙風機房為節點,將隧道劃分為多個區段,進行分區段控制煙氣的通風排煙設計方法。

2)將提出的通風排煙設計方法應用到某地下空間環路工程,并將其劃分為8個區段,分區段進行煙氣控制。采用頂側部結合的重點排煙方式,排煙量為90 m3/s、排煙口間距30 m、開啟8個排煙口進行排煙。

3)利用Fflent軟件對典型火災場景進行數值模擬,討論方案對人員疏散環境、排煙效率、排煙口排煙效能的影響。對典型區段火災進行驗證,在隧道內發生火災,煙氣控制在一定的范圍內,人員疏散環境安全,排煙效率達到90%,證實結論2)中所提方案可行。

本文雖然提出地下環路通風排煙的設計方法,但由于試驗條件以及時間問題,缺少現場試驗驗證,以后可進行現場試驗對設計方法進行優化。