同时存在敞开段和封闭段的某...市地下道路排烟设计方案研究_董启伟.pdf
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1、收稿日期:2023-02-02基金项目:北京市自然科学基金项目:坡度多变特长隧道内火灾烟气环境演化规律及有效控制技术研究(8222002)作者简介:董启伟,男,工程师,硕士,主要从事隧道通风排烟与消防给水设计工作。引文格式:董启伟,谢飞,沈铮,等.同时存在敞开段和封闭段的某城市地下道路排烟设计方案研究 J.市政技术,2023,41(5):188-194.(DONG Q W,XIE F,SHEN Z,et al.Study on smoke exhaust design of an urban underground road with open section and closed secti
2、onsimultaneously J.Journal of municipal technology,2023,41(5):188-194.)文章编号:1009-7767(2023)05-0188-07第41卷第5期2023年5月Vol.41,No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.188Journal of Municipal Technology同时存在敞开段和封闭段的某城市地下道路排烟设计方案研究董启伟1*,谢飞1,沈铮1,常默宁1,李俊梅2,刘文博2(1.北京市市政工程设计研究总院有限公司,北京 100082;2.北京工业大学 绿色建筑
3、环境与节能技术北京市重点实验室,北京 100124)摘要:以某同时存在敞开段和封闭段的城市地下道路为依托,探讨了该工程的排烟设计方案。因该隧道封闭段较长,出于安全考虑,在封闭段和敞开段采用了重点排烟和自然排烟的组合排烟方案,并在封闭段和敞开段分界位置设置了挡烟垂壁将其划分为不同的防烟分区。通过对隧道敞开段火灾工况下分别施加无风和有风环境时烟气蔓延情况进行模拟分析,得出隧道敞开段在结构敞口率为 22.5%、隧道顶部罩棚敞口率为 10%及以上时,可满足工程的排烟需求的结论,同时在敞开段还应每小于 120 m设置挡烟垂壁 1 处。该结论可以为其他类似工程提供参考。关键词:顶部敞口;自然排烟;重点排烟
4、;防烟分区中图分类号:U 458.1文献标志码:AStudy on Smoke Exhaust Design of an Urban Underground Road withOpen Section and Closed Section SimultaneouslyDong Qiwei1*,Xie Fei1,Shen Zheng1,Chang Moning1,Li Junmei2,Liu Wenbo2(1.Beijing General Municipal Engineering Design&Research Institute,Beijing 100082,China;2.College
5、 of Architecture and Civil Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)Abstract:Based on an urban underground road with open section and closed section at the same time,this studydiscusses the smoke exhaust design scheme of the project.Due to the long closed section of the tunn
6、el,the projectadopts a combined smoke exhaust scheme of key smoke exhaust and natural smoke exhaust in the closed section andopen section for safety.The smoke retaining vertical walls at the boundary of the closed section and open section ofthe tunnel is set to divide the two sections into different
7、 smoke control zones.The smoke spread was simulated andanalyzed when tunnel open section and the outside under fire conditions of the windless environment and windyenvironment.That the structural opening ratio of the tunnel open section is 22.5%and the opening ratio of the tunnelroof canopy is 10%or
8、 more can meet the smoke exhaust requirements.At the same time,smoke retaining verticalwalls should be set at an interval of less than 120 m in the open sections.The conclusions can provide reference forother similar projects in future.Keywords:top opening;natural smoke exhaust;key smoke exhaust;smo
9、ke control zone第5期近年来,为解决交通拥堵问题,城市道路隧道的建设规模和数量呈逐年递增趋势,我国已成为世界上隧道规模最大、数量最多、技术发展速度最快的国家1。修建长隧道或超长隧道可以最大程度地提高交通运行效率,但隧道过长给隧道火灾工况的防灾救援也带来了难题2。一般情况下,隧道封闭段长度大于500 m时应设置排烟设施。当采用机械排烟方案时不仅增加隧道建设成本,排烟风机的配备还会增加管养成本。因此,为贯彻落实国家发展绿色交通的要求,推进碳达峰、碳中和政策的实施,引导绿色城市地下道路的建设,当前国内设置敞口采用自然通风、自然排烟方案的长大隧道逐渐增多,并在该类隧道顶部每隔一定距离设置
10、通风孔,通过多点分散排放达到隧道内部通风和排烟的要求3-5。例如:南京市白下路隧道、龙蟠中路隧道长度分别为890 m和1 410 m,在半敞开段设置了20多个通风井(这是国内首次在城市隧道的顶部开口);上海市北翟路地道暗埋段长度为1 480 m,在路面设置了8 m宽的中央分隔带,排风口设置在分隔带内,间距为1015m,开孔面积约占地面面积的5%6;成都市武康大道隧道暗埋段长度为1 646 m,全线设置了61个自然排烟口,开孔面积约占地面面积的6%。通过调研发现,目前与隧道相关的规范中对于自然通风、自然排烟的规定较少,尤其是对于排烟口面积和间距的规定更是缺乏依据;民用建筑规范虽然对排烟口面积和间
11、距有所规定,但基于隧道内行驶车辆的火灾规模一般大于建筑内的火灾规模,且隧道具有狭长的特点,因此民用建筑规范中的相关内容不能完全适用于隧道。经过调研还发现,部分敞口隧道还需下穿道路节点,整个隧道同时存在敞开段和封闭段,并且封闭段长度较长,该类隧道排烟方案的选取更是缺乏依据。基于此,笔者以同时存在敞开段和封闭段的某城市地下道路为依托,探讨了相类似的顶部敞口型隧道排烟设计方案,并且在对隧道敞开段进行烟气模拟分析研究时,为了使模拟结果更贴近真实情况,同时考虑了外部无风和有风2种工况,所得结论可为相似工程提供参考。1工程概况某城市地下道路等级为城市主干路,其全长(含U槽)为1.848 km,车道规模为双
12、向4车道,设计时速60 kmh,其中闭合框架段长度约为1 732 m。隧道全线除下穿某道路节点以外约1.23 km范围设置顶部敞口(以下简称“隧道敞开段”,敞开段1长度为456.8 m,敞开段2长度为781 m),排烟口位于道路中央分隔带内,全线共计9处,敞开段2个排烟口之间的最大间距为57.6 m,最小间距为30 m。隧道下穿某道路节点处采用双孔闭合框架结构(以下简称“隧道封闭段”),该段长度为493.5 m,位于3、4号排烟口之间。隧道敞开段、封闭段及排烟口分布见图1。图1隧道敞开段、封闭段及排烟口分布示意图Fig.1 Diagram of the distribution of the
13、open section,closed section and smoke vent of the tunnel隧道敞开段的顶板为梁板结构,中墙位置为柱,柱中心间距为6 m。隧道敞开段横断面图见图2。隧道封闭段中墙为实体墙,其通风横断面布置图见图3。隧道内行驶的车辆类型为小客车和大客车,且远期以新能源汽车为主,根据文献7-8和相关学者9的研究,确定该隧道火源功率为20 MW。隧道主要设计参数是排烟设计的主要依据(见表1)。董启伟等:同时存在敞开段和封闭段的某城市地下道路排烟设计方案研究189Journal of Municipal Technology第41卷2隧道排烟方案的讨论根据文献8的规
14、定,该隧道为二类城市交通隧道,应设置排烟设施,且长度相类似的单洞、单向隧道一般采用纵向排烟方案。1)隧道敞开段上部地面道路中央分隔带位置处设置若干处排烟口,具备自然排烟的条件,因此隧道敞开段优先考虑采用自然排烟方案。经过调研可知,当前规范对隧道自然排烟口大小与间距的设置图2隧道敞开段横断面图Fig.2 Cross-section of open section of tunnel图3隧道通风横断面布置图Fig.3 Layout of tunnel ventilation cross-section项目隧道左线(南向北)隧道右线(北向南)车道数交通方式设计时速/(km/h)远期交通流量/(pcu
15、/h)隧道通风段长度/m标准横截面积/m2最大坡度/%车型比例火源功率/MW2单向60788173261.5(含罩棚以下空间)5.0小客车大客车=0.950.05202单向60788173261.5(含罩棚以下空间)5.0小客车大客车=0.950.0520表1隧道主要设计参数Tab.1 Main design parameters of the tunnel方法没有明确规定,江苏省地方标准DGJ32/TJ 1022010城市隧道竖井型自然通风设计与验收规范10虽涉及隧道自然排烟的内容,但均是针对竖井型自然排烟设计,利用地面道路中央分隔带位置分散设置排烟口进行自然排烟当前依然缺乏设计依据。2)隧
16、道封闭段长度较长,若考虑利用敞开段排烟口进行自然排烟,会导致烟气在隧道内蔓延长度过大,对人员逃生安全造成影响。故出于安全考虑,隧道封闭段采用机械排烟方案。经过分析认为,若封闭段采取纵向排烟方案,由于敞开段中墙位置为柱,火灾发生后,烟气由封闭段吹向敞开段后会蔓延进入另一个洞内,给对面行驶车辆带来巨大的安全隐患,因此隧道封闭段采取重点排烟方案,即:火灾发生后烟气经封闭段顶部设置的排烟道排出隧道,以减少对敞开段的影响。隧道敞开段采用自然排烟方案,自然排烟口参数的合理性主要通过数值模拟来确定。为了使模拟结果更贴近真实情况,此次数值模拟同时考虑了外部无风和有风2种工况。3隧道封闭段排烟设计方案隧道封闭段
17、采取重点排烟方案,当火灾热释放率为20 MW时,根据文献11的规定,排烟量取50 60m3/s,而根据文献12的规定,排烟量取57.76 m3/s,故最终该工程排烟量取60 m3/s。根据文献12的规定,风管的设计风速取20m/s,计算得出风管面积为3 m2。由于隧道顶部存在部分电气设备,单洞仅做1个排烟道会与电气设备发生190第5期冲突,故单洞隧道顶部设置了2个重点排烟道,每个净尺寸为2650mm570mm。由于需要下穿道路节点,建筑限界到隧道顶板空间高度有限,若在排烟道下方设置排烟口会侵入隧道建筑限界,不满足规范要求,所以在每个排烟道的一侧设置排烟口。根据文献11的规定,火灾发生后,应启动
18、火源点附近300m范围的排烟口,该范围内设置了6组排烟口(每组2个),每组间距为60 m,排烟口的风速取10 m/s,计算得到每个排烟口的面积为0.5 m2,排烟口实际尺寸取1 000 mm550 mm(长高)。文献12规定,同一防烟分区应采用同一种排烟设施。隧道敞开段采取自然排烟方案,因此当封闭段采取重点排烟方案时,需在封闭段两侧设置挡烟垂壁,将该段与敞开段划分为不同的防烟分区;同时隧道设备不得侵入建筑限界,因此挡烟垂壁的设置高度为隧道建筑限界到顶板的高度。4隧道敞开段排烟设计方案4.1隧道顶板结构开口设计隧道敞开段设置9处排烟口,中墙柱两侧设置2道纵梁。隧道顶板设置有横梁,横梁沿隧道纵向宽
19、度为1 m,中心间距为6 m,横梁与2道纵梁之间构成若干个敞口区域。因横梁的存在对排烟有影响,因此排烟口实际通风长度应去除横梁折减长度,各排烟口长度、横梁折减长度、实际通风长度见表2。受隧道顶部地面条件的限制以及考虑结构受力等因素,18号排烟口的纵梁间距为7 m,9号排烟口的纵梁间距为5m,各排烟口总面积为4601.86m2。隧道敞开段的地面面积为20 435.25 m2。经计算,由横梁和纵梁所构成的排烟面积约占隧道地面面积的22.5%。4.2隧道罩棚敞口设计考虑隧道防水以及隧道内行车时外部光环境对隧道内部的影响,在隧道外部地面设置罩棚。罩棚结构共有2种方案:一种是采用Y字形钢架骨肋结构,配合
20、PC透明阳光板;另一种是采用T字形钢架骨肋结构(格栅型罩棚)。Y字形罩棚的通风空间为两侧护栏和护栏与罩棚之间的高度空间;T字形罩棚的通风空间为两侧护栏和罩棚自身存在的孔隙。如前文所述,当前关于敞口参数的设置缺乏相关依据,若敞口设置过大,无法满足隧道防水和改善内部光环境的需求;若敞口设置过小,则隧道排烟效果差,防火安全性低。因此,综合考虑隧道防水、隧道内光环境和罩棚对于地面景观的影响等诸多因素,经计算,2种罩棚方案的敞口率最大为10%(敞口率为敞口面积和敞口所覆盖范围的隧道地面面积的比值)。基于此,笔者通过数值模拟的方法评估隧道敞开段采用2种罩棚方案,自然排烟有效开口率为10%时的有效性。模拟采
21、用火灾相关研究专用的FDS(6.0版)软件13。4.2.1物理模型与工况设定取隧道敞开段某一典型段搭建火灾模型,模型尺寸为808.16 m20 m5.9 m(长宽高)。模型中横、纵梁的设置与实际工程一致。2种罩棚敞口隧道的物理模型见图4,罩棚的敞口率均为10%。a)Y字形罩棚b)T字形罩棚图42种罩棚敞口隧道的物理模型Fig.4 Physical models of two types of open canopy表2各排烟口长度、横梁折减长度、实际通风长度Tab.2 The length of each smoke vent,the discounted lengthof the beam,
22、and the actual ventilation lengthm排烟口编号排烟口纵向长度横梁折减长度实际通风长度12345678989.994.066.0118.9104.0106.7110.082.071.318191324232021171471.975.053.094.981.086.789.065.057.3董启伟等:同时存在敞开段和封闭段的某城市地下道路排烟设计方案研究191Journal of Municipal Technology第41卷模拟隧道为双向4车道。考虑隧道的对称性,火源设置在隧道单洞内即可满足普适性。此次模拟共考虑2处火源位置,即:1号火源设置在隧道靠近中墙车道
23、且正好位于自然排烟口下方,距隧道中心线3 m;2号火源设置在隧道靠近外墙车道,纵向位置和1号火源位置平齐,距隧道中心线7m(见图1)。模型中火源功率设定为20 MW,火源尺寸为2 m5 m。依据FDS网格尺寸推荐值14估算方法,模拟中近火源区网格尺寸为0.3 m0.3 m0.3 m,远火源区网格尺寸为0.5 m0.5 m0.5 m。模拟中环境温度取20。隧道两侧与顶部开口分别取2种大气边界,一种是无风边界,另一种是有风边界。经查隧道所在地区的气象参数,有风工况的风速边界设置为2.5 m/s15,考虑隧道走向和所在地区常年环境风向,设置的环境风向垂直于隧道长度方向。模拟工况设定情况见表3。4.2
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