CN104265348A - 一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可以优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法，在当前顶棚上方设置有竖井的隧道中，竖井与隧道顶棚的连接角度往往为直角，本发明提出通过在竖井下部与隧道顶棚连接的部位(包括隧道上游和下游两个方向)分别增加一个三棱柱空间，将竖井与隧道顶棚的连接角度设置为锐角(20°到70°之间)，可以极大的提高隧道内发生火灾后竖井的自然排烟效果。本发明操作简单，经济投入少，能有效的克服热烟气在竖井内部形成的边界层分离现象给竖井自然排烟过程带来的不利影响。本发明对隧道火灾发生后的自然排烟和日常隧道内部与外界坏境的气流交换(排出汽车尾气和废热以提高隧道内空气质量)都能产生优化的效果，具有广阔的应用前景和重要的实际意义。

Description

一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法

技术领域

本发明属于火灾安全技术领域，具体涉及一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法。

背景技术

当今在全球范围内，由于社会和经济的快速发展，越来越多的隧道在建设中。然而，隧道具有特殊的狭长结构，使其发生火灾后产生的大量烟气不易排出，进而严重影响群众的安全疏散和消防人员对火灾的扑救。据统计，建筑火灾中85％的人员死亡是由毒性烟气造成的。

目前，隧道中的火灾排烟方式主要有自然排烟和机械排烟两种。对于机械排烟，为了安装排烟设备，隧道开挖空间较大，并且在竣工启用后设备维护、电能消耗等方面费用都比较高。而竖井自然排烟方式不设置风机，运行过程中又无需消耗电能，因此节省隧道建设和运营成本，具有明显的经济性，而且特别适用于车流量较小的短隧道。当今在隧道火灾研究领域，机械排烟条件下的临界风速、回流距离以及纵向风作用下顶棚射流最高温度、火源功率等参数研究较多，对于竖井自然排烟条件下的烟气运动情况研究较少。

隧道发生火灾后，火源燃烧产生的烟气撞击顶棚后将沿隧道纵向流动，遇到设置在顶棚上方的竖井后会产生烟囱效应，进而从竖井中排出。竖井排出隧道中的部分烟气后，竖井下游的烟气层温度会降低，同时烟气向下游的扩散速度也会减弱，有利于人员安全疏散。竖井不仅有助于隧道火灾发生后高温烟气的排出，减小其对隧道内设备及衬砌结构的影响，平时也有利于隧道内外气流的交换，提高隧道内部空气质量。

目前，一些学者对隧道火灾中竖井自然排烟下的烟气流动开展了初步研究。Wang等人在某顶部开口的隧道内进行了现场火灾实验，测试了隧道的自然排烟效果，研究了顶棚射流温度、回流距离等参数。Bi等人使用STAR-CD软件模拟了某城市隧道竖井自然排烟的效果，得到了烟气在该隧道内的最大蔓延距离。Yoon对公路隧道排烟竖井内自然排烟压力进行了分析，结果表明竖井产生的自然排烟压力对排烟系统效率有显著影响。

近期，发明人采用小尺寸实验发现了竖井自然排烟过程中发生的边界层分离现象，该现象的出现，使得竖井的有效排烟面积大大降低，严重影响了竖井的排烟效果：

根据流体力学的相应理论，当流体经过扩张通道的壁面或障碍物的后缘时有可能产生分离现象。如果壁面有一个尖锐的拐角，则在拐角处也会产生分离。分离造成的流场结构变化往往会使流动的阻力增加。当隧道顶棚下方的烟气由竖井下方开口流入竖井时，由于竖井与隧道顶棚的直角连接的存在，具有一定水平惯性力的烟气顶棚射流在此处会产生强迫分离，即射流边界层分离现象。在竖井内分离点(即竖井与隧道顶棚的直角连接处)上方会存在一个阻止烟气经过此区域向上流动的逆压梯度。竖井顶部开口上方的空气在该逆压梯度的作用下流入竖井，同时原有的烟气来流中将有少量融入空气流，在逆压区形成回流，该回流区内将产生较大的湍流漩涡，从而限制烟气由该回流区排出竖井。

当前，顶棚上方设置竖井进行自然排烟的隧道普遍使用的竖井为立方体型，即竖井与隧道的连接角度为直角。从流体力学的角度来看，可将出现分离点的部位设计成流线型，以避免边界层分离现象的发生。而对于隧道顶棚上方设置的竖井这种结构，将连接部位设计成流线型，显然是没有必要的。本发明将产生严重边界层分离现象的直角分离点优化成两个钝角分离点，即改变隧道与竖井的连接角度，以减少边界层分离现象中产生的大回流漩涡对竖井自然排烟的不利影响。本发明不但提出了将隧道内自然排烟的直角竖井改为斜角竖井，而且提出了斜角竖井的具体结构，此种竖井结构对于提高排烟效果和隧道内外的气流交换效果都具有非常重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法。

本发明采用的技术方案为：

一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法，该方法在设计竖井与隧道顶棚的连接角度时，该连接角度包括隧道上游和下游两个方向的角度，将该连接角度设计为锐角，该锐角范围为20°到70°之间。

进一步的，在目前实际工程中常用的直角竖井即竖井与隧道的连接角度为直角的基础上，对竖井下部与隧道连接部位的土层进行切削，包括隧道上游和下游两个方向，进而使用混凝土支护，即增加两个三棱柱空间，从而将竖井与隧道的连接角度从直角改为锐角，把直角竖井变为斜角竖井。

进一步的，所述单个三棱柱体积为为原直角竖井体积的2％到7％之间，三棱柱的主体宽度等于竖井宽度，三棱柱底面为直角三角形，三角形竖向边长即竖井高度方向边长为竖井高度的10％到55％之间，三角形纵向边长即隧道长度方向边长为竖井长度的20％到50％之间。

进一步的，当隧道顶棚上方有多个竖井相连设置时，可分别把最靠近隧道上游和下游方向出口的两个竖井设置为斜角竖井，中间的直角竖井保持不变；当隧道顶棚上方的各个竖井按一定距离间隔设置时，可将每个竖井都设置为斜角竖井。

本发明的原理在于：

基于目前实际隧道工程中常用的直角竖井(竖井与隧道的连接角度为直角)，在竖井下部与隧道连接的部位(包括隧道上游和下游两个方向)分别增加一个三棱柱空间，从而将竖井与隧道的连接角度(包括隧道上游和下游两个方向)从直角改为锐角，即直角竖井变为斜角竖井。

顶棚设置有竖井的隧道一般处于地下，竖井是由开挖隧道顶棚上部的土层形成的，则竖井上部开口与地面连通，竖井下部开口与隧道内部连通。所述增加三棱柱空间的方法为将竖井下部与隧道连接处的土层进行切削，进而使用混凝土支护，达到将直角竖井改造为斜角竖井的目的。

从美观和实用的角度，将竖井与隧道的连接角度(包括隧道上游和下游两个方向)调整为锐角，在20°到70°之间。

竖井下部增加的三棱柱体积为原直角竖井体积的2％到7％之间，三棱柱的主体宽度等于竖井宽度，三棱柱底面为直角三角形，三角形竖向边长(竖井高度方向)为竖井高度的10％到55％之间，三角形纵向边长(隧道长度方向)为竖井长度的20％到50％之间。

当隧道顶棚上方有多个竖井相连设置时，可分别把最靠近隧道上游和下游方向出口的两个竖井设置为斜角竖井，中间的直角竖井保持不变；当隧道顶棚上方的各个竖井按一定距离间隔设置时，可将每个竖井都设置为斜角竖井。

结合实际隧道情况，斜角竖井可以设置在隧道顶棚上方的任意位置，包括隧道纵向中心线上方和隧道侧壁上方。

设置斜角竖井的隧道的顶棚可以为平顶或弧顶，隧道在长度方向可以有一定的弯曲度，隧道的底面可以有一定的倾斜角度。

本发明的优点和积极效果为：

(1)在实用性方面，通过改变竖井与隧道顶棚的连接角度来大幅度提高竖井的自然排烟效果，有助于人员疏散与救援；

(2)在安全性和环境友好方面，对竖井结构进行改造不会影响隧道结构安全，不增设动力系统，也不会对隧道环境带来负面影响；

(3)在施工操作和经济成本方面，不论是已建成隧道上方设置的竖井，还是准备修建和修建中的竖井，在原有直角竖井的基础上在竖井下方增加三棱柱空间的花费对总工程预算来说是可以接受的，也不会对原有的主体施工产生明显影响，易于实现。

本发明在原直角竖井的基础上克服了边界层分离现象对竖井自然排烟带来的不利影响，易于实现，对工程造价的负担小，安全可靠性高，运营管理方便。对隧道火灾发生后竖井自然排烟和日常隧道内部与外界环境的气流交换(排出汽车尾气和废热以提高隧道内空气质量)都能产生优化的效果，具有广阔的应用前景和重要的实际意义，同时有利于推动竖井自然排烟方式的发展和应用。

附图说明

图1为顶棚上方设置直角竖井的隧道的结构示意图；

图2为顶棚上方设置斜角竖井的隧道的结构示意图；

图3为图2中A-A剖面位置上纵断面示意图；

图4为直角竖井和斜角竖井排烟时竖井内部流场结构；

图5为直角竖井和斜角竖井排烟时竖井内部烟气浓度场；

图中标号：1-采用竖井自然排烟的隧道主体；2-竖井；3-三棱柱空间；4-竖井与隧道的连接角；5-隧道高度；6-竖井高度；7-竖井长度；8-三棱柱底面高度；9-三棱柱底面长度；10-分离点。

具体实施方式

下面结合附图，以设置有竖井的隧道的纵向某一段结构为例，对本发明作进一步说明：

参见图1，顶棚上方设置直角竖井的隧道包括隧道主体和竖井。隧道主体长度为500米以上，隧道内部高度为5.4米，宽度为12米，竖井高度为2.6米(在实际工程中，竖井高度与隧道上方的土层厚度有关)，竖井横截面尺寸为3米(长度)*3米(宽度)。

参见图2，顶棚上方设置斜角竖井的隧道包括隧道主体、竖井和在竖井下部与隧道连接的部位(包括隧道上游和下游两个方向)增加的两个三棱柱空间。隧道主体长度为500米以上，隧道内部高度为5.4米，宽度为12米，竖井高度设为2.6米，竖井上部开口横截面尺寸为3米(长度)*3米(宽度)。三棱柱的主体宽度等于竖井宽度，三棱柱纵向切面为直角三角形。

参见图3，图3给出了图2中A-A剖面位置上纵断面示意图。三棱柱的三角形切面的竖向边长(竖井高度方向)为1米，纵向边长(隧道长度方向)为1米，竖井与隧道的连接角度为45°。

参见图4，图4给出了直角竖井(左图)和斜角竖井(右图)排烟时竖井内部的流场结构。图4所示的切面为图2中A-A剖面位置上竖井纵断面，借助计算流体动力学模拟程序Fire Dynamics Simulator获得。烟气由竖井下方左侧流入竖井(火源设置在隧道内竖井左侧区域)。在直角竖井的工况下，当烟气运动到竖井下方时，由于本身具有一定的纵向速度，再加上竖向热浮力的作用，将靠近竖井内右侧进入竖井，在竖井内左侧形成回流区，即发生边界层分离现象，分离点为竖井左侧壁面与隧道顶棚连接处。由左图可知，在分离点附近的气体速度几乎为零，竖井外部的空气由逆压梯度区流入竖井，形成了很大的湍流漩涡，该湍流漩涡阻挡了竖井下部烟气经由竖井内左侧排出，烟气只能从竖井内右侧排出。在斜角竖井的工况下，竖井内左侧区域中没有出现会阻碍烟气排出的大回流漩涡。从理论上来说，由于将一个直角分离点改成了两个钝角分离点，并未将连接处设计成流线型，仍然存在一定程度的边界层分离，但分离现象非常微弱。由右图可知，两个钝角分离点附近的区域已经完全被烟气充满，边界层分离现象排烟的不利影响已经基本消除。因此，从建造成本、技术和工程实际方面综合考虑，将直角竖井改为斜角竖井，既经济又简单实用。

参见图5，图5给出了直角竖井(左图)和斜角竖井(右图)排烟时竖井内部的烟气浓度场。此图借助计算流体动力学模拟程序Fire Dynamics Simulator获得。烟气由竖井下方左侧流入竖井(火源设置在隧道内竖井左侧区域)。在直角竖井的工况下，由于只有少量烟气回流至漩涡左侧，竖井内左侧烟气浓度非常低(基本为空气)，稍高于竖井外部环境。由于大回流漩涡的存在，竖井实际用于排烟的体积大大减少，从而严重影响了竖井的排烟效果。在斜角竖井的工况下，可以清晰的发现烟气在竖井内得到了充分的混合，竖井内左右两侧区域中的烟气浓度基本一致，斜角竖井的使用大大改善了竖井的自然排烟效果。此外，斜角竖井的体积相对直角竖井的体积增加了13％，而斜角竖井的排烟量相对直角竖井的排烟量增加了50％，这充分说明了将竖井与隧道顶棚的连接角度改为锐角是非常合理有效的。

Claims (4)

1.一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法，其特征在于：该方法在设计竖井与隧道顶棚的连接角度时，该连接角度包括隧道上游和下游两个方向的角度，将该连接角度设计为锐角，该锐角范围为20°到70°之间。

2.根据权利要求1所述的一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法，其特征在于：在目前实际工程中常用的直角竖井即竖井与隧道的连接角度为直角的基础上，对竖井下部与隧道连接部位的土层进行切削，包括隧道上游和下游两个方向，进而使用混凝土支护，即增加两个三棱柱空间，从而将竖井与隧道的连接角度从直角改为锐角，把直角竖井变为斜角竖井。

3.根据权利要求2所述的一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法，其特征在于：所述单个三棱柱体积为为原直角竖井体积的2％到7％之间，三棱柱的主体宽度等于竖井宽度，三棱柱底面为直角三角形，三角形竖向边长即竖井高度方向边长为竖井高度的10％到55％之间，三角形纵向边长即隧道长度方向边长为竖井长度的20％到50％之间。

4.根据权利要求1所述的一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法，其特征在于：当隧道顶棚上方有多个竖井相连设置时，可分别把最靠近隧道上游和下游方向出口的两个竖井设置为斜角竖井，中间的直角竖井保持不变；当隧道顶棚上方的各个竖井按一定距离间隔设置时，可将每个竖井都设置为斜角竖井。