双层盾构隧道火灾排烟方式研究

2017-06-01温竹茵

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：风道双层盾构

温竹茵

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

双层盾构隧道火灾排烟方式研究

温竹茵

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

以上海周家嘴路越江隧道为工程依托，对双层长大盾构隧道的火灾排烟方式进行了分析研究。通过对火灾工况条件下隧道内温度场、能见度和一氧化碳浓度的模拟计算，对疏散通道的设置方案和逃生救援对策进行分析。结果表明，对于此类型隧道，在采取了相应的逃生救援措施后，采用纵向通风方式是安全可靠的。

双层盾构隧道；隧道火灾；烟气扩散；纵向通风

0 引言

随着城市地下空间的进一步开发，地下建构筑物日益密集，双层盾构隧道因其占地小、空间利用率高而得到了越来越多的应用。对于长大隧道，当隧道封闭段较长时，通常会在隧道上方设置重点排烟风道来解决火灾排烟问题[1，2],而双层盾构隧道因为受到断面布置的限制，难以布置出符合要求的排烟风道。如何解决这类项目的排烟难题是研究的重点。

本文以上海周家嘴路越江隧道为工程背景，对长大双层盾构隧道的排烟方式进行了分析研究，为今后此类项目建设提供有益经验。

1 工程背景

上海周家嘴路隧道起自浦西周家嘴路-内江路口，迄于浦东东靖路-张杨北路口，自内江路交叉口向东沿周家嘴路连续穿越中环线—理工大学—黄浦江—浦东北路后于莱阳路东西两侧爬出地面。工程全长4.45 km，采用14.5 m外径的盾构法隧道穿越黄浦江，单管双层双向4车道布置，设计车速60 km/h。隧道上层封闭段总长3 056 m，下层封闭段总长3 798 m，其中盾构段长2 572 m，上层引道段总长287 m，下层引导段总长265 m。图1为隧道平纵断面图。

图1 隧道平纵断面图

因为隧道封闭段长度大于3 km，属于特长隧道，根据《道路隧道设计规范》（DG/TJ08-2033-2008）[3]，其烟气控制模式宜采用重点排烟方式。但是隧道受已有盾构机的限制，盾构隧道外径为14.5 m，为上下层布置的大车隧道（车辆净空4.5 m），空间利用率很高，难以按常规设置重点排烟道。因此选择合适的排烟方案，是这条隧道的消防设计重点。

2 双层长大道路隧道火灾排烟方案

适合于周家嘴路隧道的火灾排烟方式主要有纵向通风+重点排烟方式[4]、纵向通风两种模式。

2.1 纵向通风+重点排烟方式

（1）方案一：设顶部重点排烟风道（见图2）

布局方式：上层隧道的重点排烟风道布置在盾构顶部，下层排烟风道设置在侧面。

存在问题：每层有效风道面积约8 m2，满足重点排烟的面积要求，但盾构隧道外径达16 m，超过了目前国内已有的最大盾构隧道外径，可实施性较差。

（2）方案二:设侧面重点排烟风道（见图3）

布局方式：在外径14.5 m盾构隧道一侧布置上下层公用的排烟风道，上层风道排烟口距地面约2.5 m，下层贴顶布置。

图2 方案一横断面布置图（单位：mm）

图3 方案二横断面布置图（单位：mm）

存在问题：

a.排烟风道的布置方式对排烟效果有较大折减，综合折减率约72.5%；侧向排烟方式效率比顶部排烟效率低；上层排烟口设置在风道顶部，离侧墙较近，吸风条件较差，易产生涡流，从而增加局部阻力；上层车道由于排烟口较低，火灾烟气会大量积蓄在车道上部，对人员逃生造成影响。

b.隧道功能有损失

盾构内设置烟道压缩了设备和逃生空间。管线与疏散楼梯同侧，无法设置纵向通长、独立防火分区的管线管廊，增加了火灾的潜在风险。空间压缩后对管线空间布置、今后的运营养护、检修和人员疏散通道的布置均有不利影响。

2.2 纵向通风排烟方式

布置方式：盾构段采用纵向通风排烟方式，排烟区段长2.572 km（见图4）。

图4 纵向通风排烟方案横断面（单位：mm）

特点：充分利用双层隧道上下层隧道在火灾时互为逃生救援通道的有利特征，采用成熟的通风、消防技术，到达良好的防灾效果。

（1）取消重点排烟风道后，盾构段内空间较充裕，管线空间、敷设条件相对较好。在盾构的下层设置了封闭式的管廊，可设置与消防救援有关的重要管线及10 kV高压电缆，有利于隧道安全运营。

（2）纵向通风方式是常用的一种隧道通风方式，在多条隧道中均有先例，单管双层纵向通风的盾构断面型式也是一种较为成熟的布局方式。

（3）通过提高疏散设施的标准，提高隧道火灾发现、监控与救援的综合能力。

周家嘴路隧道最长封闭段长度为3.785 km，但盾构段长度2.572 km，上下层隧道在两个工作井内均设置了排烟机房，在最不利情况下烟气的流经长度不超过3 km。同时根据交通预测需求分析，隧道在正常运行情况下，远期2030年的服务水平处于C级，隧道的通行情况较好，不易发生阻塞。

隧道为双层隧道，上下层车道为两个独立防火分区，每隔一段距离设置一个消防逃生楼梯。当一个车道层发生火灾，人员可通过逃生楼梯撤离至另一个车道层，基本可以解决阻滞工况下的火灾逃生问题。

2.3 方案比选

为了进一步论证纵向通风火灾排烟方式的合理性，下面将采用CFD技术对隧道火灾蔓延和烟气扩散进行模拟计算，并进一步分析研究双层长大隧道的火灾疏散逃生救援策略。表1为两种排烟方案的综合比较表。

表1 两种排烟方式综合比选表

3 隧道火灾蔓延和烟气扩散规律研究

借助CFD技术，采用Smartfire软件全面仿真分析不同纵向风速下隧道内火灾时的烟气流动蔓延及温度传播分布规律，得到火灾时隧道内温度场、隧道内能见度、高温有毒气体浓度等基础数据。

火灾规模定为20 WM，计算了5种工况（见表2、图5）。

表2 计算工况表

图5 工况示意图

根据《道路隧道设计规范》（DG/TJ08-2033-2008），火灾工况时，隧道内乘行人员的安全疏散时间宜小于15 min，因此定义发生火灾时间为0 s，从发生火灾到模拟结束时间为900 s，中间保持纵向通风速度不变，关键时间节点见表3。

表3 关键时间节点

经过模拟计算，计算出各个工况其温度、能见度、一氧化碳浓度分布云图，以工况一为例，其计算结果见图6。

（1）温度场：在火灾发生360 s之后，隧道内的高温区域将迅速扩大，对隧道内人员产生较大威胁。这是由于火灾在早期（320 s之前）处于一个逐渐发展的过程，火灾发生320 s后，HRR达到稳定值20 MW。HRR达到稳定值后保持不变，直到模拟计算时间结束。当火灾达到并维持在20 MW之后，隧道内疏散逃生环境急剧恶化。

（2）能见度：纵向风速为2.5 m/s时，隧道内能见度大范围受到烟气影响而降低发生在240 s之后。对于其他较小风速的工况，能见度大范围降低的时间将会推后。隧道内人员接到火情警报的最迟时间为120 s，如果在120 s之内能够逃生到最近出口即可认为能见度的降低对于逃生疏散的影响较小。

（3）有毒气体CO：一氧化碳浓度在整个模拟过程中并不是决定性因素，一氧化碳浓度超过限值的区域主要在火源附近200 m范围内的上部空间。

4 隧道火灾的疏散逃生救援策略研究

采用buildingEXODUS软件分析火灾发生的位置、人员的密度、逃生通道的通行能力和逃生出口数量等因素对人员疏散的影响。在综合考虑隧道长度、交通量及交通组成、通风模式、消防监控配置以及救援组织的基础上，确定出可能的火灾场景。在此基础上，结合CFD计算得到的火灾时隧道内温度场、烟气流动速度、高温有毒气体浓度分布特性及隧道内能见度等基础数据，作为疏散分析的背景数据进行人员疏散逃生救援分析。

图6 CFD模拟结果

（1）参数选择

车辆的车种比例采用远期预测比例，人员参数根据相关模拟通用的不同年龄层、不同人群的人员比例分配。其中大型车辆均模拟人员从车内行至车门口再进行疏散的情况。火灾发生与人员疏散时间分别按照距离火灾发生的远近取值为60 s、120 s。逃生楼梯设计宽度为0.8 m。逃生楼梯间距分别是80 m、100 m。模型中出口的通行能力为1.33人/s，模拟了交通阻塞工况，火灾发生在最不利点的两种工况。图7为模拟计算场景图。