摘 要：对“处方式”设计应用于复杂隧道防火设计中存在的不足进行了总结，以采用平导式火灾通风系统的某单洞双向隧道为例，描述了火灾场景设计方法，数值模拟得到人员疏散时间、危险来临时间和控制风速范围的过程，和通过通风网络解算得到风机布置、节能性控制方案和各通道风速分布情况的过程，概括总结出隧道火灾通风系统性能化设计方法，为解决实际问题提出了可供借鉴的通风性能化设计方法与过程。
关键词：隧道火灾；性能化设计；通风网络解算；控制方案
中图分类号：TU96+7；U458.1 文献标识码：A 文章编号：
0 引 言
随着城镇化脚步加快，城市交通系统拥堵日趋严重，为了缓解这一现象，各城市建造复杂的、大型的地下交通工程，许多大城市更形成了多维的立体交通系统。隧道等地下工程一旦出现火灾，人员伤亡和财产损失无法估量，交通隧道防火安全被提到前所未有的高度，因此我国的隧道消防系统建设也急需进步以适应隧道发展需求。目前我国的隧道消防系统主要按照国家规范要求来设计、施工和审查[1]，交通隧道防火设计方面主要参考的规范有《地铁设计规范》-GB 50157-2013、《汽车库、修车库、停车场设计防火规范》-GB 5006-2014、《建筑设计防火规范》-GB 50016-2014和《公路隧道通风设计细则》-JTG/T D70/2-02-2014，设计人员按照规范给定的技术指标、提供的设计参数和实施方法结合具体的隧道情况和个人实践经验进行“处方式”设计，一般只要符合规范规定，就认为该隧道的防火安全是符合要求的[2]。
“处方式”交通隧道通风系统设计主要存在以下缺点[1] -[4]：
1）具体规定的技术数据与日益复杂化的交通隧道不相适应，如《公路隧道通风设计细则》-JTG/T D70/2-02-2014建议20MW火灾规模纵向排烟临界风速取值范围2～3 m/s，这种设计方法缺乏对隧道形式和隧道内其它安全系统差异的考虑，存在一定的局限性；
2）单独设计缺少对隧道防火安全系统整体的综合考虑，如单独设计安全疏散系统与烟气控制系统，易出现过度保护或保护不当的结果；
3）不利于新技术、新材料或新产品的发展和推广使用，处方式设计的规范对要采用的防火措施、材料等做出了具体规定，限制了设计人员的创新；
4）无法在人员疏散方案中充分体现人的心理因素对整体安全度的影响。
由于“处方式”交通隧道通风系统设计的缺点难以满足日益复杂的交通隧道发展，亟需将性能化防火设计方法应用到超规范或者现行规范无法解决的 “超规”交通隧道的防火设计中来。
1 交通隧道性能化防火设计概述
1.1 性能化防火设计的概念
性能化即为利用消防工程学，根据特定建筑物的结构特点、主要功能和内部可燃物等实际情况，用定量的物理参数来描述设计火灾场景的发生、发展规律，为隧道防火设计提供基本设计参数和性能参数[5]。
性能化防火设计的概念是依据建筑的具体情况来提出消防安全的目标，再根据计算、模拟结果决定隧道要达到的安全性能目标和具体要采取的防火措施，并构成总体防火安全设计方案，最后对设计进行安全分析评估，评价其是否满足规定的防火安全要求，是否满足经济合理的原则，以期得到最优化的防火设计方案和最合理的防火保护[6]。研究隧道通风系统特点、人员疏散状况、火灾发生及其发展规律以便制定出有利于隧道内被困人员安全疏散的火灾通风系统，这是性能化防火设计的重要内容，其中火灾场景设计是性能化防火设计带来的新技术[7]。
1.2 性能化防火设计所需条件
性能化防火设计是一个复杂的系统工程，需要具备以下条件[6] & [8]：
1）隧道防火安全直接关系到人民群众的生命财产安全，要求性能化设计人员需经过专门的严格训练，具有火灾风险分析和决策能力，并具有良好的职业道德[7]；
2）有不同建筑物的火灾大小数据以及大量建筑材料的燃烧特性数据；
3）专门的设计和评估工具。
2 某单洞双向隧道火灾通风系统性能化设计探讨
由于通风组织和人员疏散的需要，单洞双向行车隧道内设置与平导相连接的横通道数量往往较多，这就导致了通风网络系统复杂。现行的《公路隧道通风设计细则》-JTG/T D70/2-02-2014[9]中仅对火灾发生时主隧道内的排烟风速和逃生横通道防烟提出了原则性的要求，并未考虑到平导和多横通道存在的复杂性，因此务必考虑采用性能化设计方法，对各个环节分别进行研究。
2.1 某单洞双向隧道模型描述
某单洞双向行车公路隧道采用平导式火灾通风系统如图1所示，主隧道南侧为一贯通平导，主隧道长3416m，最大坡度为2.4%，平导长3367m，平导最大坡度为3%。主隧道和平导中心线间距为32m，其间连接有2个风道（5#、6#），间隔布置的5个人行横通道（1#、3#、7#、9#、11#）和4个车行横通道（2#、4#、8#、10#）。主隧道的断面分为两种情况：带有紧急停车带的车道面以上断面积为83.4m2，其余段为59.64m2。平导的断面也分为两种情况：带有错车道的
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图1 某单洞双向隧道示意图
车道面以上平导断面积为44.14m2，其余段为28.28m2。车行横通道和通风道的断面面积为28.28m2；人行横通道的断面面积为6.52m2。积为28.28m2；人行横通道的断面面积为6.52m2。
2.2 火灾场景设计
该单洞双向行车公路隧道最大可能车型为大客车，本研究采用大客车着火燃烧，其最大热释放率为20MW。火灾时人员疏散阶段火源设定按照 热释放率从0开始增长到最大；灭火救援阶段假定火源热释放率稳定在20MW。根据火源位于图1每两个相邻横通道之间的主隧道位置的情况，可将火灾工况分为10种，在选择火灾人员疏散场景时，选择各坡度最大疏散距离的场景作为研究对象进行分析。
以中心横通道（7#横通道）为界，当火源位于图1中7#横通道左侧时，往主隧道A端出口排烟；当火源位于7#横通道右侧时，往主隧道B端出口排烟。隧道运营通风拟采用平导送风加射流风机的混合通风方式，在运营通风方案的基础上对火灾阶段应急通风系统进行设计，利用通风解算确定，火灾时5#风道、6#风道关闭以减少系统的复杂性和火灾烟气的控制难度。
2.3 人员安全疏散
隧道内发生火灾时，其内部被困人员安全是否受到威胁取决于两个时间参数的相对大小[10]，其中一个是火灾从发生到对人员安全构成威胁所需的时间，称为危险时间，用表示；另一个是人员疏散到安全区域所需要的时间，称为疏散时间，用表示，则人员能够安全疏散的条件是：
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同时令ts=tf -te ，称ts为充裕时间，则 人员能够安全疏散，反之则不能。本文以隧道内大型客车着火为例，横通道之间的最大间距为410m即1#与2#横通道之间，当火灾发生在2#横通道处人员疏散距离最长为410m，此时1#与2#横通道之间的人员须通过1#横通道疏散，假设1#横通道与主隧道B出口之间（160m）的区间内有一半人员也通过1#横通道疏散，根据研究隧道的基础设计资料给定的车型比例预测和文献[11]各车辆的载客量，取隧道内车辆停车间距为1.5m，计算出570m逃生区域内车辆双向阻塞时的总人数为576人，以该疏散场景为例来对疏散时间和危险时间确定方法进行讨论。
2.3.1 疏散时间确定
数值模拟方法考虑了人员行走速度的差异性、车辆的阻碍、逃生路线等实际因素，比理论计算更合理，采用FDS逃生模拟仿真，按1：1建立疏散模型，根据文献[12]，离火源最近大客车人员的车上时间的模拟值可取150s，其他车上人员的车上时间等于
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图2 -2%坡度410m距离双向阻塞场景人员逃生曲线
觉察反应时间，据大量行为反应统计研究结果可知，其平均值可取为60s[13]。图2给出了-2%坡度410m双向阻塞场景人员逃生曲线的模拟结果，其中纵坐标为危险区域内剩余的待疏散人员的数量，横坐标为疏散所用时间。由图可以看出，在局部的时间段内逃生横通道处发生了人员滞留现象，这会增加部分人员的逃生时间，但不会增加总疏散时间，疏散区域内全部人员通过逃生横通道的时间为543s。
2.3.2 危险时间及控制风速确定
为了从空间上较准确地预测火灾现象，通过三维瞬态数值模拟来研究不同风速下的烟气扩散情况，可得到离火源不同距离处的危险时间。本文采用FDS场模拟对隧道火灾的烟气流动进行三维瞬态数值模拟，火源采用指定单位面积热释放率的方法，燃烧采用混合分数燃烧模型。采用正方体网格，火源所在区域附近网格尺寸为0.2m×0.2m×0.2m，为减少计算量，火源所在区域之外网格划分为1m×1m×1m。墙体设置为热厚性边界，强制通风工况隧道两端分别设定为速度入口和与外界空气相通的边界。
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图3 坡度-2%控制风速0.6m/s工况中心纵断面温度随时间变化云图
本文对选取隧道内火灾危险临近时的临界条件进行综合考虑，认为需同时满足1.5m以上空间的烟气温度不高于180℃，1.5m以下不高于80℃且能见度不低于10m三个条件[11]&[14]，火灾开始发生到隧道某位置不满足任何一个条件时的时间即是该位置的火灾危险时间。
根据图3可得，该场景在0.6m/s的纵向控制风速下，温度条件基本满足；同样由模拟结果可得，火灾后548s能见度条件不满足，危险时间为548s，大于对应的疏散时为543s，人员能够安全疏散，确定疏散阶段的纵向控制风速为0.6m/s以下。灭火救援阶段，综合公路隧道通风设计细则、临界风速理论计算和数值模结果，确定研究隧道安全控制风速的范围是2.6~3.0m/s。
2.4 通风网络解算得到通风控制方案
地铁环境控制计算机模拟软件SES，可应用到公路隧道通风分析中，并经解算可得到合理控制方案，直观的了解复杂隧道中的风量风速分布，既能有效满足通风要求，又尽可能的节约电能。对隧道坡度、沿程阻力、横断面积、周长等参数在计算时根据实际参数分段进行赋值，并设定风机参数进行，如图4是火灾通风网络示意图，图中除平导两端风机房处为轴流风机外，其余风机均为射流风机。
人员疏散阶段易发生车辆阻滞现象，部分人员须弃车通过步行撤离到安全区域，所以，通风排烟速度不宜过大，应避免火源附近烟气从主隧道侵入平导。以火源位于1#横通道与2#横通道之间为例，通风系统风机的控制方案如图5所示，在这种控制方案下，从计算结果可知，烟气由主隧道B端洞口就近排出，主隧道火灾段的风流速度为0.55m/s，小于该段安全疏散控制风速0.6m/s。
同样可得灭火救援阶段的通风方案如图6所示，且在控制方案下，烟气由主隧道B端洞口就近排出，主隧道火灾段的风流速度为2.77m/s，在2.6~3.0m/s范围内，能保证灭火救援人员能够安全接近火源，火源附近上游4个横通道的风流由平导端流向主隧道端。根据示例中的方法，可同样确定出各工况的火灾通风方案。
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3 结 论
“处方式”交通隧道通风系统设计存在诸多缺点，以采用平导式火灾通风系统的某单洞双向隧道为例，本文探讨通风系统性能化设计方法，总结出火灾通风系统性能化设计流程图如图7所示。
首先，通过人员疏散研究得到所需疏散时间（可对比理论计算与数值模拟结果分析选取合理值）；然后假定纵向控制风速，对隧道火灾烟气温度和能见度分布进行三维数值模拟，得到满足人员疏散条件的火灾临近危险时间和疏散阶段控制风速范围，然后改变火源变化规律为恒定，控制风速参考理论临界风速值修改，模拟得出灭火救援阶段的控制风速取值范围；最后，运用通风网络解算方法得到满足控制风速要求的风机布置、启停控制方案和各通道风速分布。针对各环节，本文提出了具体实现方法，可为相关的工程设计提供参考。
最后，值得指出的是，交通隧道性能化防火设计是在用传统“处方式”设计方法设计、制定的方案，在复杂隧道中无法实现预期的目标，或在某些方面无法达到消防规范要求时所采用的[2]，针对的是超规范或者现行规范无法解决的复杂隧道工程，所以即使是性能化防火规范制订出来以后，“处方式”设计方法也有很大的存在价值。
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图7 通风系统性能化设计流程图
参 考 文 献：
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