单洞双向隧道防烟设计初探

2021-12-16陈必宙

福建建筑 2021年11期

陈必宙

(福建省交通规划设计院有限公司福建福州 350004)

0 引言

有关资料显示，汽车大约每行车1000万km平均发生0.5～1.5次火灾。1999年3月24日上午，勃朗峰隧道发生火灾，死亡38人，损失惨重。类似报道层出不穷。仔细分析火灾现场，浓烟影响疏散是死亡率居高不下的关键原因之一。除隧道排烟外，火灾早期如何保证疏散通道安全，防止烟气侵入逃生通道，在隧道防灾设计中至关重要。

我国2014年8月1日颁布实施的《公路隧道通风设计细则》[1]JTG/T D70/2-02-2014(简称《细则》[1])，10.4、10.5章节对隧道防烟设计提出明确要求：①专用避难疏散通道、独立避难所的前室余压值不应小于30 Pa，专用避难疏散通道、独立避难所的余压值不应小于50 Pa。②专用避难疏散通道的防烟设计应根据其长度和净空，选择合理适用的机械加压送风方式。其前室加压送风量和送风口尺寸，应按其入口门洞风速不小于1.2 m/s计算确定。虽然疏散通道的余压及门洞风速的要求和《建筑防烟排烟系统技术标准》[2]GB51251-2017基本一致，但是《细则》[1]并无明确疏散通道防烟设计具体做法和详细要求。《细则》[1]中涉及隧道疏散防烟的要求只有简单一句：“选择合理适用的机械加压送风方式”，使设计人员无从下手。为此，总结出一套行之有效的防烟设计，刻不容缓。

1 隧道疏散通道与建筑防烟楼梯间的比较

《细则》[1]10.4.1～10.4.4-条文说明：参照《建筑设计防火规范》[3]GB50016-2014(2018)。《采暖通风与空气调节设计规范》[4]等提出了独立避难所机械加压送风量、新鲜空气供应时间和排风设置的设计规定。10.5.2条文说明：“隧道附属用房的防烟与排烟设计，主要归属于建筑设计范畴，可参照《建筑设计防火规范》[3]执行”。下文基于《建筑设计防火规范》[3]《建筑防烟排烟系统技术标准》[2]对隧道疏散通道与建筑防烟楼梯间做细节比较。

1.1 共同点

(1)隧道疏散通道(平行导洞)与建筑防烟楼梯间，同样为人员疏散使用。

(2)防火分隔原理一致。从安全疏散角度，平行导洞相当于防烟楼梯间；横通道隔间相当于前室或防火隔间；都是采用防火门或防火卷帘作为防火分隔措施。

(3)通道开启概率一致。火灾时，100 m>高度≥24 m的防烟楼梯间(仅楼梯间送风，前室不送风)按同时开启着火层及上下层共三个前室计算送风量；隧道横通道间距都是250 m以上，从概率及安全角度隧道也可以参考借鉴同时开启三个横通道计算送风量。

(4)防烟原理一致。《建筑防烟排烟系统技术标准》[2]3.4.6条：当楼梯间机械加压送风、只有一个开启门的独立前室不送风时，通向楼梯间疏散门的门洞断面风速不应小于1.0 m/s;隧道平行导洞+横通道可按《细则》[1]取值，平导前室门洞风速不以小于1.2 m/s计算送风量。

1.2 差异点

(1)防烟楼梯间及其前室不能采用防火卷帘门，而隧道疏散工程允许使用。

(2)平行导洞除满足前期人员疏散外，同时应满足后期消防车辆、医护救援车辆、滞留车辆的通行；防烟楼梯间无此要求。

(3)百米高楼火灾时，防烟楼梯间设计为同时开启着火层及其上下层前室。前室每层层高约3 m～5 m，楼层距离短，风口之间阻力差值小，风量易平衡；而隧道横通道间距一般大于300 m，各通道间风量是否平衡，有待计算确认。

(4)单洞双向隧道，由于火灾点上下游都存在车辆滞留，皆需人员疏散，横通道疏散门开启具有更大的不确定性。防烟楼梯间规范明确开启着火层及相邻上下层前室防火门。

(5)防烟楼梯间防烟模型为枝状管网，竖井一端送风，如图1、图2所示。隧道防烟系统为了在两端贯通的平导内形成正压，宜在出入口两端设置2处动力源对吹，成环状管网，如图3、图4所示。环状管网任一送风口有2处及以上动力源，枝装管网只有一个，两者计算完全不同，具体可参《流体输配管网》[5]。

(6)防烟楼梯间送风机为轴流、混流、离心风机，而隧道防烟可利用平时的射流风机。射流风机靠高速射流卷吸带动周围空气向前；轴流风机出口风速低，卷吸不明显。两种风机工作原理及选型计算方法不同。

(7)防烟楼梯间为垂直系统，无需考虑室外自然风作用；隧道为水平系统，隧道洞口间的气压坡度差、隧道内外温度差引起的压差，及洞外季风吹入洞口时产生的“风墙式”压差，在贯通隧洞内能形成自然风，其风速一般按2～3 m/s考虑，下文按2 m/s计算。

1.3 小结

差异点1、2详见下节分析，差异点3-7需要构建模型计算解决，详下文。

图1 防烟楼梯间枝状管网加压送风示意图

图2 防烟楼梯间枝状管网加压送风原理图

图3 单洞双向隧道防烟示意图

图4 隧道疏散通道环状管网加压送风原理图

2 疏散横通道的防火分隔——防火门、防火卷帘门的争议与取舍

2.1 现状

车行横通道兼做人行横洞，作为火灾时的逃生救援通道。其中人行横通道设置两道防火门，构成前室；车行横通道仅中间设置一道防火卷帘作为防火分隔。通常做法如图5所示(双洞单向通过横通道互相借用疏散的隧道类似)。

图5 横通道疏散门(卷帘)的通常做法

完善的防烟系统涉及多个专业。《细则》[1]要求应采用防烟设计，设计要求“逃生入口门洞风速不小于1.2 m/s”，而车行横通道设置防火门或防火卷帘对防烟计算风量及设计影响巨大。同时相关专业规范对此规定不够明确，差别如下。

观点一：应采用防火卷帘。2014年8月1日实施的《公路隧道设计规范第二册—交通工程与附属设施》[6]第10.3.6条“车行横通道应设防火卷帘” 防火卷帘应满足防烟要求。防火门在救援时候，由于平时常闭及自动关闭的特性，需要救援人员下车，用石头或人员手动卡门，不如采用电动或消控中心远程开启的防火卷帘便利。

观点二：应采用防火门。依据2018版《建筑设计防火规范》[3]城市交通隧道第12.1.6条：隧道与车行横通道或车行疏散通道的联通处，应采用防火分隔措施。条文解释：隧道与车行横通道或车行疏散通道的连接处采取防火分隔措施，是为防止火灾向相邻隧道或车行疏散通道蔓延。防火分隔措施可采用耐火极限与相应结构耐火极限一致的防火门，防火门要具有良好的密闭防烟性能。

2.2 车行横通道设置一道卷帘门存在的问题

(1)逃生及救援不及时。依据《建筑设计防火规范》[3]6.4.10强制性条文说明：“在火灾时，建筑内可供人员安全进入楼梯间的时间比较短，一般为几分钟。……火灾时防火门自动关闭起到阻火挡烟的作用”。20 Pa的余压下，卷帘启闭的速度一般为6～9 m/min，规范要求一般是60 s内。也就是说，完全开关一次约2 min。而开启防火门需要的时间，只需要几秒；显然，及时开启疏散门，会大大减少恐慌下逃生人群在幽暗、局部狭小的空间内产生的挤压、混乱、踩踏等二次事故。若着火点在车行横通道附近，逃生人员开启卷帘或平时半开，则火势烟气可能直接蔓延到疏散通道。

(2)《建筑设计防火规范》[3]第6.4.1强制性条文，疏散楼梯间应符合下列规定：封闭楼梯间、防烟楼梯间及其前室，不应设置卷帘。条文解释：虽然防火卷帘在耐火极限上可达到防火要求，但卷帘密闭性不好，防烟效果不理想，加之联动设施、固定槽或卷轴电机等部位如果不能正常发挥作用，防烟楼梯间或封闭楼梯间的防烟措施将形同虚设。此外，卷帘在关闭时也不利于人员逃生。卷帘门启闭困难：由于隧道阴湿环境，及汽车酸性尾气对卷帘门框长期腐蚀；洞内活塞风压对单面的卷帘门反复吸压容易导致门框和门帘变形，锈蚀卡损，脱轨。当车行横通道卷帘门开启(兼作为人员疏散时，基本无人去关闭)，隧道主洞启动风速>2.5 m/S(单洞双向隧道前期为0.5 m/S控烟)纵向排烟模式，上游排烟射流风机的部分风量，将由车行横通道旁通到平行隧道、平行导洞、逃生通道，使主洞无法达到排烟控烟的风速要求。而防火门闭门器有自动关闭性能，完全可以避免以上问题。

(3)前期疏散时防火卷帘门开启，无序混乱的车辆逆行从车行横洞强行疏散，可能导致二次事故。

2.3 小结

一般隧道防灾分疏散和救援(灭火)2个阶段。火灾前期，滞留人员弃车通过人行、车行横洞进入疏散通道逃生，火灾中后期救护、救援、消防车辆受管理中心指挥，从平行导洞、车行横通道参与救援。而前期的逃生自救又比后期的被动救援，在生命存保上具有更积极的意义。前期逃生，防火门与防火卷帘在灵活启闭与质量稳定性上相比有巨大优势；而后期救援时，加强平时管理维护下、采用可以远程开启的卷帘门，也确实更易于操作。

基于目前专业规范之间表达不一致的事实，现提出一种解决各方矛盾，且能满足防烟系统基本功能的横通道新式做法，具体如图6所示。

图6 横通道疏散门新式做法

新做法：人行横通道采用防火门。车行横通道采用两道同时联动启闭的卷帘门+两扇防火门，其中防火门用于前期人员疏散，卷帘门用于后期救援；同时车行横通道的两道卷帘门之间形成防火隔间，有利于加强防火保护、减缓活塞风吸压伤害。

3 隧道防烟模型的建立及计算

根据以上分析，建立防烟模型，如图3～图4所示。对逃生阶段平导两端入口风速V1V2和3个横洞Q1Q2Q3进行推导，以完成加压射流风机升压力计算。为方便计算，图3-单洞双向隧道防烟示意图，简化为图4-环状管网加压计算模型：

这是一个低速稳态湍流模型，流动方向是假设的，水平方向上P2处流速为0(假设中性点)

S1～S6为各管路阻抗

ΔP1、ΔP2为稳态下风机压头。A为截面积

ΔP1=P1+(ρV1)/2+S1(V1A)2

①

②

V1′A+Q1=V1A

③

P1+(ρV1′2)/2=P2+S2(V1′A)2

④

⑤

ΔP2=P3+(ρV2)/2+S4(V2A)2

⑥

⑦

V2A-Q3=V2′A

⑧

P3+(ρV2′2)/2=P2+S3(V2′A)2

⑨

V1A+V2A=Q1+Q2+Q3

⑩

由①～⑤得：

由⑥～⑨得：

简化防烟系统，建立CFD的3D模型具体参图3，详表1。

表1 模型具体参数

单个门洞漏风量=0.827*A*1.25*(17)0.5，A=每个门有效漏风面积

②从以上打阴影的计算数值可以看出，未开启的门洞的门缝漏风量相对来说很小。为简化模型，按忽略不计。

本例采用FLUENT软件求解：预估压力入口，模拟多种典型工况下的出口速度。计算按标准大气压101．325 kPa，基于压力的、绝对速度的稳态求解器；紊流模型采取标准k-epsilon模型，采用压力速度耦合解法方案。

模拟要求：无自然风时压力入口、自然风风速2.0 m形成单边入口压力均能满足：①疏散阶段任意3个逃生横道防火门同时开启；②救援阶段仅一个车行横道防火卷帘开启时。通道门洞风速均大于1.2 m/s的防烟要求。模拟结果如下(通道编号详图3)：

(1)疏散阶段：左右压力入口各2.80 Pa。编号4、5、6三个(1车+2人)横道开启；

出入口inlet1inlet2Outlet4Outlet5Outlet6风速m/s0.1813210.1820791.5040311.2212421.508192

(2)疏散阶段：左右压力入口各2.80 Pa。编号2、3、4三个(1车+2人)横道开启；

出入口inlet1inlet2Outlet2Outlet3Outlet4风速m/s0.2241240.1345831.2096511.5043811.505160

(3)疏散阶段：左右压力入口各2.80 Pa。编号1、5、9三个(1车+2人)横道开启；

出入口inlet1inlet2outlet1Outlet5Outlet9风速m/s0.1867850.1868351.5369641.2399161.535465

(4)疏散阶段：左右压力入口各2.80 Pa。编号1、3、9三个(3人)横道开启；

出入口inlet1inlet2outlet1Outlet3Outlet9风速m/s0.2801360.1088371.5148931.5265621.539272

(5)疏散阶段：左右压力入口各2.80 Pa。编号4、5、8三个(2车+1人)横道开启；

出入口inlet1inlet2Outlet4Outlet5Outlet8风速m/s0.1514030.1871181.5121541.2142741.214053

(6)疏散阶段：左右压力入口各2.80 Pa。编号2、5、8三个(3车)横道开启；

出入口inlet1inlet2Outlet2Outlet5Outlet8风速m/s0.1596430.1591771.2260221.2033861.215953

(7)疏散阶段：自然风风速2.0 m/s形成左边入口压力P=34Pa，右边入口压力为0，编号3、5、7三个(1车+2人)横道开启；

出入口inlet1inlet2Outlet3Outlet5Outlet7风速m/s3.477968-2.8929593.4469531.9669442.058856

同时由图7速度矢量图得出：即使辅洞高自然风风速下，各速度出口依然不存在“虹吸倒流”现象。即出口速度均为正值，并且远超1.2 m/s：

图7 速度矢量图

(8)救援阶段：左右压力入口各2.80 Pa。仅编号5(1车)通道防火卷帘开启

出入口inlet1inlet2Outlet5风速m/s0.6027510.59130381.470417

(9)救援阶段：左右压力入口各2.80 Pa。仅编号2(1车)通道通道防火卷帘开启

出入口inlet1inlet2Outlet2风速m/s0.7856440.45012861.544629

综合以上计算结果，显然左右两端各2.8Pa的入口压力满足隧道防烟门洞风速要求。

按计算值，取压力安全系数为1.2，选型加压射流风机升压力=2.8×1.2=3.36 N/m2

《细则》[1]第7.5.3条规定，射流风机1～6组时可备用1组。本隧道加压送风系统选型：射流风机ΔPj(500,4 KW,24 m/s)：4台，2用2备。

小结：疏散工况，车行横洞的阻力明显比人行横道大。而满足车行横道阻力，其他横道的风速基本也满足。由于疏散大通道(平导)横截面较大，风速太低，沿程阻力很小，相当于民用建筑的空调大静压箱，而横通道就是静压箱上的各个支管。所以各个随机开启的横道，互相之间的间距，对防火门门洞的风速影响不大。显然3个车行横洞防火门同时开启是防烟最不利情况。

考虑纵向排烟的双洞单向的长隧道，在洞口两端一般都有设置多台射流排烟风机，而火灾仅考虑一个隧洞一个着火点，那么，平行非火灾隧道的排烟射流风机就可以兼做横通道疏散的配套防烟风机使用。在具体项目设计选型阶段时，应综合考虑。

4 余压阀设计

人员逃生时，防火门的反复启闭，让逃生通道及横道的压力一直处于瞬态变化中，相当大的概率里防火门同时开启是小于3个的。上例计算结果，“2.8 Pa”是3个横通道同时开启时，系统稳态平衡下的压力；当横通道防火门关闭仅余门缝漏风时，系统阻力大增，动压转化为静压后，产生新的动态平衡，根据风机管路特性曲线，新平衡下射流风机的风压也将大大提高。自然风也是客观存在的(参上模拟结果7，当自然风速3 m/s时，入口压力P=76.5Pa)，这都可能导致逃生通道及横道的风压波动过大，从而影响防火门的开启。所以，当系统余压值超过最大允许压力差时，应采取泄压措施。《细则》[1]规定：疏散通道的前室余压值不应小于30 Pa，疏散通道的余压值不应小于50 Pa。

余压阀可根据F=(Lv-Ly)/(3600×6.41)计算

公式中的Ly是压差法计算的加压风量，Lv是风速法计算的加压风量。余压阀设计均有相关规定，此处不再详述。