城市环形公路隧道火灾烟气控制方案研究
唐磊
（河南省南阳市消防支队，河南 南阳）
摘要：针对城市环形公路隧道的特点，对其烟气控制进行研究。以某城市环形公路隧道为背景工程，将其划分为8个排烟控制区段，采用防火卷帘进行烟气控制区段划分，提出了利用车道内射流风机及排烟竖井防烟风机相结合的烟控方案，并用FDS软件对典型场景火灾烟气蔓延进行了模拟计算，模拟结果验证了所提出的火灾烟气控制方案的合理性。
关键词：城市环形公路隧道；火灾烟气控制；防火卷帘；FDS
1 引言
城市环形公路隧道是一种新型公路隧道，一般位于城市中心，且连接较多商场及车库，目前广泛应用于大中型城市，例如北京奥林匹克公园城市环形公路隧道、天津泰达城市环形公路隧道、苏州火车站城市环形公路隧道工程等［1］。这些隧道相对封闭，发生火灾时烟气不易排出，极易造成群死群伤，因此，如何有效的对其进行烟气控制成为亟待解决的问题。
国内外关于城市环形公路隧道的研究较少，李磊等［2］采用性能化防火设计方法对北京奥林匹克公园城市环形公路隧道和北京金融街城市环形公路隧道的消防系统进行了评估并提出相应的解决方案；王伟等提出了城市地下交通联系隧道性能化防火设计的研究构想［3，4］，模拟分析北京市CBD城市环形公路隧道不同排烟工况时的烟气蔓延规律，以临界风速和有限的烟气蔓延范围为控制要求，确定了合理烟控方案［5，6］；姜学鹏提出利用区段控制烟气实现烟气合理控制［7］，并利用FDS验证了火灾烟控方案的有效性［8］。
上述研究只对城市环形公路隧道的火灾烟气控制提出了改善措施，但未明确提出完善的烟气控制方案体系，加之现行相关规范中可供参考的设计依据较少或比较笼统，不能完全满足城市环形公路隧道通风排烟设计的实践要求，因此寻求城市环形公路隧道通风排烟设计方法是十分必要的。
2 城市环形公路隧道火灾烟气控制方案
2.1 通风排烟有效性判定准则
为确保隧道内发生火灾时人员能够及时疏散，这里对火灾情况下相应的特性参数进行了如下规定。
（1）火源处隧道顶部温度指标不应超过600℃。
（2）隧道2m高度处烟气温度指标不应超过60℃。
（3）隧道2m高度处能见度指标应大于10m。
（4）隧道2m高处CO浓度指标应小于1400mg/m3。
（5）隧道火源上游通风风速指标应大于或等于临界风速。临界风速采用Wu和Bakar提出的公式［9］计算：
（1）
式中，Vc为临界风速，m/s；g为重力加速度，m/s2；Q为火灾时热释放速率，W；ρ0是环境温度下气体密度，kg/m3；CP是空气的定压比热，J/（kg·K）；
为通道水利高度，m；Q″为无量纲热释放速率。
（6）烟气蔓延范围指标应将烟气控制在一定范围内，大部分区段没有烟气影响。
2.2 城市环形公路隧道火灾烟气控制方案制定方法框图
参照上述所提出的隧道火灾烟气控制有效性判定准则，总结城市环形公路隧道火灾烟气控制方案制定方法如图1所示。
图1 通风排烟设计方法框图
3 工程应用
3.1 某火车站城市环形公路隧道概况
该地下交通联系通道的设计概况如图2。车行地道为环形，全长约2170m。除车库区车行出口外，环形车道与外界共有4个出入口。通道宽7.5m，净高4.3m，四个出入口的坡度均不相同，出口1坡度为7.25％，水平延伸为121.7m，高度差为8.7m；入口1坡度为10％，水平延伸为119m，高度差为11.9m；出口2坡度为11％，水平延伸为32.5m，高度差为3.6m；入口2坡度为8％，水平延伸为29.3m，高度差为2.3m。共装有32台射流风机和12台射流风井，具体参数见表1。
图2 火灾排烟控制区段图
表1 风机参数表
3.2 火灾烟气控制方案设计
依据通道出入口、交叉口、竖井的平面布局，通过设置防火卷帘将整个隧道分隔为8个火灾烟气控制区段，如图2所示。
由于火灾烟气控制区段较多，这里选取火灾发生在区段6作为典型工况进行分析，将Section 4、Section 5和Section 6作为一个整体进行控制，共设四个工况，工况一为正常的烟控方案，在60s时启动车道内防火卷帘6和新增1进行分隔，同时启动轴流风机FJ-5～8到120s全速运行，排烟量为110m3/s，并开启射流风机FJ-19～32进行风压平衡，由出口2进行补风，烟气由1#排烟口排出；为了说明补风对排烟的影响，增加了一个入口进行补风，即工况二：在60s时启动车道内防火卷帘3和6进行分隔，启动轴流风机FJ-5～8到120s全速运行，排烟量为110m3/s，开启射流风机FJ-19～32进行风压平衡，由入口2进行补风，烟气由1#排烟口排出。工况三为发生于Section 6的自由蔓延火灾，工况四为风机启动失效下火灾蔓延情况。
3.3 模型构建与参数设定
因城市环形公路隧道只允许轿车和轿厢式汽车通行，设定其火灾热释放速率为10MW［10］。由于该通道为环形布置，且长度较长，采用FDS建模时若采用一个整体网格来划分将会出现很多不必要计算的网格，针对环形公路隧道火灾模拟，提出采用多重网格划分隧道模型。在网格尺寸设计时，由于隧道总长较大，若采用统一尺寸网格，网格过大造成不精确，网格过小会造成网格过多计算机无法计算，提出网格尺寸分区段设定，涉及到计算区域的采用0.5m×0.5m×0.5m的网格，其余区段采用1m×1m×1m的网格，这样在保证精确计算的同时，又能减少计算时占用计算机内存［11］。
3.4 模拟计算分析
根据提出隧道烟气控制有效性判定准则对该工况下各参数进行了分析，分析结果如下。
3.4.1 烟气蔓延规律分析
图3列出了四种烟控方案下火灾烟气蔓延情况，从中可以看出，自由蔓延状况下，烟气会聚集在隧道内，而且影响区域较大；正常烟控方案下烟气在隧道内蔓延长度为225.6m，占主通道的10.4％，可知大部分通道是安全的；采用两个补风口补风时，导致补风量过大烟气越过排烟口向隧道下游蔓延；在烟控方案实行过程中，若风机失效，导致烟气无法从入口1蔓延出去，烟气影响范围较自由蔓延状况下大。因此应该制定采用防火卷帘及风机组合的烟控方案，且防火卷帘设置位置及开启都很重要。另外要加强设备的维护，若设备失效，造成的火灾会更严重。
图3 四种烟控方案下火灾烟气蔓延规律图
3.4.2 正常通风工况下各项指标分析
（1）火源附近烟气温度分布规律研究
图4为稳定燃烧时通道内火源处纵向切面温度分布图，从图中可以看出：入口2的补风带来了大量的冷空气，对烟气进行了冷却，车道内的温度较低。
图4 稳定燃烧时通道内火源处纵向切面温度分布图
图5为不同时刻顶板温度分布规律图，从图中可以看出，火灾下游大部分区域烟气温度只有60℃左右，上游顶板温度维持不变，下游顶板温度随着火灾时间的发展逐渐上升，火源偏下游处温度最高。随着火源功率的稳定，480s时温度分布基本达到稳定，顶板最高温度在300℃，混凝土能承受的高温为600℃，故对顶板结构不能造成危害。
图5 不同时刻顶板温度分布规律图
（2）隧道2m高处温度分布规律研究
图6和图7分别为稳定燃烧时通道2m高处温度分布图和不同时刻隧道2m高处温度分布规律，从两幅图可以看出，由于补风带来了大量的冷空气，对烟气进行了冷却，车道内的温度较低，上游温度维持在常温不变，下游温度在480s基本达到稳定，大部分区域2m高处温度在60℃左右，靠近火源的位置会高于60℃；因此，从隧道2m高处温度来看，通道人员疏散的可用安全疏散时间不受限制。
图6 稳定燃烧时通道2m高处温度分布图
图7 不同时刻隧道2m高处温度分布规律图
（3）隧道2m高处能见度分布规律
图8和图9为稳定燃烧时通道2m高处能见度分布图和稳定燃烧时通道2m高处能见度分布图。从图可以看出，通道纵向切面能见度低于10m的只出现在火源下游。上游能见度维持在30m不变，下游能见度在480s基本达到稳定，大部分区域2m高处能见度高于10m，只有靠近火源的位置会低于10m；因此，从隧道2m高处能见度来看，通道人员疏散的可用安全疏散时间不受限制。
图8 稳定燃烧时通道2m高处能见度分布图
图9 不同时刻隧道2m高处能见度分布规律图
（4）隧道2m高处CO浓度分布规律
图10和图11分别为稳定燃烧时通道2m高处CO浓度分布图和不同时刻通道内CO浓度分布规律图，从图可以看出：在隧道2m高处，火源下游5m处的CO浓度较高，但隧道2m以下的大部分区域的CO浓度一直维持在较低水平。以隧道2m高处CO浓度小于1400ppm作为判定标准，其CO浓度一直维持在人体可接受水平，从而保证人员的安全疏散环境。从隧道2m高处CO浓度来看，通道人员疏散的可用安全疏散时间不受限制。
图10 稳定燃烧时通道2m高处CO浓度分布图
图11 不同时刻通道内CO浓度分布规律图
（5）隧道内流场分析
本隧道内临界风速根据公式1计算，将以下特性参数带入公式，g=9.8m/s2，H=4.3m，Q=10MW，ρ0=1.22kg/m3，Cp=1020J/（kg·K），A=32.465m2，T0=300K，
。得到该通道临界风速分别为2.498m/s。从流速场分布来看，开启射流风机使得通道内速度场维持在3m/s以上，在此工况下不会发生烟气逆流。
图12 稳定燃烧时通道内切面图及矢量图（矢量图向右为正）
4 结论
（1）基于保证火灾发生时隧道的整体安全和人员疏散安全的前提，结合城市环形公路隧道的双重属性，提出城市环形公路隧道火灾烟气控制方案：①防火分隔。在结构设计时，城市环形公路隧道与地下停车库、商场之间采用防火墙、防火卷帘、甲级防火门进行分隔；②排烟补风竖井。采用排烟补风相结合的烟气控制模式，结合地面城市规划合理设计排烟补风竖井的位置和数量；③排烟控制区段。根据隧道出入口和竖井平面布局，采用防火卷帘对车行通道内部进行防烟隔断，将整个通道分隔为多个排烟控制区段；④射流诱导风机。结合纵向通风方案，在隧道内设置能够逆向开启射流风机，让烟气控制在理想的区段。
（2）该设计方案可指导城市环形公路隧道火灾烟气控制的消防设计，确保通道的火灾排烟安全。研究成果可直接用于城市环形公路隧道通风排烟的设计与评估中，并对类似构筑物具有指导意义。
（3）在城市环形公路隧道烟气控制方案设计时应重点考虑防火卷帘及风机的设置位置及开启方案。另外要加强设备的日常维护，若设备失效，造成的火灾将会更严重。
参考文献
［1］ 姜学鹏，付维纲，袁月明，等.城市地下联系通道火灾通风排烟设计方法.科技导报，2013，31（21）：15-20.
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