公路隧道火灾合理排烟量计算分析

张新 李建

（1.中联科锐消防科技有限公司，长沙 410007；2.中国安全生产科学研究院，北京 100012）

0 引言

近年来，中国公路隧道建设进程逐步加快，尤其是长公路隧道和特长公路隧道，根据交通运输部统计数据，截止到2019 年末，中国公路隧道共19 067 处、1 万8 966.6 km，其中特长隧道1 175 处、5 217.5 km，长隧道4 784 处、8 263.1 km[1]。随着公路隧道工程日益增多，特别是隧道内行车速度和密度的加大，由于车辆故障、撞击、自燃等原因造成的隧道火灾事故越发突出。据国外相关机构统计，隧道内火灾发生频率为10 ～17 次/(亿车·km)[2]，虽然隧道火灾发生率相对较低，但其火灾后果相对较为严重，国内外隧道火灾事故屡见不鲜[3]。

火灾烟气控制是公路隧道消防设计中的重难点问题，排烟量是隧道排烟系统的关键设计参数，特别是对于新型隧道和新型通风排烟方式，其排烟量等关键设计参数的合理取值需要探究。目前，关于公路隧道侧向集中排烟的火灾合理排烟量研究较少，本文主要通过比较不同条件下烟气蔓延范围、2 m 高处能见度、排烟道流速、排烟口流速、排烟效率及排热效率等参数，综合确定纵向通风与侧向集中排烟模式下排烟量的合理取值，为公路隧道侧向集中排烟系统设计方案提供参考。

1 排烟量理论计算

火源的烟气生成速率是决定机械排烟系统排烟量的关键因素，它是由火源上方的烟羽流质量流量所决定的。结合某公路隧道工程实际，参考GB 51251-2017《建筑防烟排烟系统技术标准》[4]，隧道排烟量的理论计算值可采用轴对称型烟羽流的烟气生成量：

由此可计算得到该隧道所需的最小排烟量应等于产烟速率86.17 m3/s，实际设计中需要考虑漏风量、沿程阻力损失等因素，设计排烟量应大于计算排烟量。

2 不同排烟量下各关键参数变化规律

为进一步探究排烟量的合理取值，采用火灾动力学模拟软件（Fire Dynamics Simulator，简称FDS）进行数值模拟分析，研究火源功率为20 MW 时不同排烟量对各关键参数的影响。排烟口间距为60 m，排烟口尺寸为6 m×0.5 m，纵向风速为1.5 m/s，模拟分析了总排烟量分别为80 m3/s、100 m3/s、120 m3/s 和140 m3/s 共4 种情况。

火灾发展阶段，各参数随时间变化不断发生变化，不便于分析研究，因此以下各参数研究均为火灾发展稳定阶段的变化规律。

2.1 拱顶下方烟气蔓延范围

根据数值模拟测得的烟气蔓延距离数据，排烟量由80 m3/s 增大至140 m3/s 的过程中，在纵向通风风速1.5 m/s 的情况下，随着排烟量的增大，火源上游烟气蔓延范围基本保持不变，火源下游烟气蔓延范围减小，整体蔓延范围随排烟量的增加而缩小。整体而言，排烟量由80 m3/s 增大至120 m3/s 的过程中，烟气蔓延范围缩小幅度相对较大，再增大排烟量时，烟气蔓延范围缩小幅度较小。从该角度分析排烟量取120 m3/s 为宜。

2.2 隧道2 m 高度处能见度

从隧道2 m 高度处能见度随排烟量变化规律可以看出，能见度（临界值10 m）对人员安全疏散的影响范围随排烟量的增加而减小。当排烟量增大至120 m3/s时，再增大排烟量其影响范围减小幅度很小。从该角度分析排烟量取120 m3/s 较为适宜。

2.3 排烟道流速

排烟道流速均随排烟量的增加而增大，但均未超过规范规定的15 m/s，因此排烟量可在86.17 m3/s ～140 m3/s 间取值。

2.4 排烟口流速

排烟口流速均随排烟量增加而增大，排烟口的流速基本呈“V”字形分布，靠近风机的排烟口流速较大。当排烟量增大至120 m3/s 时，个别排烟口的速度大于规范规定的10 m/s，因此排烟量不宜大于120 m3/s。

2.5 排烟效率

从不同排烟量下的排烟效率变化规律可以看出，隧道总排烟效率均随排烟量的增加而增大。排烟量增大至120 m3/s 时，排烟效率达到98%以上，再增大排烟量时，隧道排烟效率略有降低的趋势。从该角度分析，排烟量取120 m3/s 较为适宜。

2.6 排热效率

从不同排烟量下排热效率的变化规律可知，公路隧道总排热效率随排烟量的增加而增大，从该角度分析，排烟量取140 m3/s 较为适宜。

综上，从拱顶下方烟气蔓延范围、隧道2 m 高度处能见度、排烟口流速、排烟效率4 个关键参数随排烟量的变化规律来看，排烟量取为120 m3/s 较为合理；从排热效率来看，排烟量取为140 m3/s 较为合理；从排烟道流速来看，排烟量在合理范围内取值均可。

3 多目标决策分析

在确定合理排烟量时，需要从多角度、多因素综合分析评价，这增加了决策难度。一方面，各影响因素之间可能存在一定的相悖性，比如在一定范围内，烟气蔓延范围随排烟量的增大而减小，但排热效率随排烟量的增大而增大，这就需要权衡各因素的重要程度。另一方面，各影响因素量纲不具一致性，没有统一度量标准，难以比较，因而需要进行归一化处理。

本文将采用多目标决策理论中的层次分析法，通过构建决策模型并进行数学求解，采用定量分析方式确定择优方案。层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）是20 世纪70 年代由美国学者萨蒂最早提出的一种多目标评价决策方法，它将决策者对复杂系统的评价决策思维过程数学化，保持决策者思维的一致性，是一种先分解后综合的系统思想[5]。层次分析法已广泛应用于安全、医学、工程建设、交通、管理等领域[6-11]。

3.1 构建递阶层次模型

在分析确定合理的排烟量时，从烟气蔓延范围、2 m 高度处能见度、排烟口流速、排烟道流速、排烟效率、排热效率6 个方面进行分析，排烟量考虑了80 m3/s、100 m3/s、120 m3/s、140 m3/s 4 种方案，建立递阶层次模型如图1 所示。

图1 合理排烟量递阶层次模型

3.2 确定判断矩阵

判断矩阵全称为权重解析判断矩阵，是用来求解各元素关于某准则优先权重的矩阵。判断矩阵是表示本层所有因素对上层某准则的相对重要性的比较，在确定各层次因素之间的重要性时，不是把所有因素放在一起比较，而是两两相互比较，同时为尽可能减少性质不同的因素相互比较的困难，采用相对尺度进行比较。

构造判断矩阵的关键，在于设计一种特定的比较判断两元素相对重要程度的标度法则，使得任意两元素相对重要程度有一定的数量标准[12]。

在隧道火灾烟气控制中，首先要将烟气控制在距隧道地面2 m 高度处，以保证隧道内人员疏散安全；其次，需要控制烟气蔓延范围以减小火灾烟气的影响；然后需要排烟设计的相关参数如排烟道流速、排烟口流速等满足相关规范要求；最后要尽可能提高排烟和排热效率。因此，确定排烟量影响因素的重要程度顺序为：2 m 高度处能见度、烟气蔓延范围、排烟道流速、排烟口流速、排烟效率和排热效率。

表1 合理排烟量影响因素两元素相对重要度

根据上述分析，建立合理排烟量分析影响因素两元素相对重要度如表1 所示。

由表1 建立关于合理排烟量判定准则的判断矩阵如下所示：

3.3 判断矩阵的一致性检验

表2 修正值

表2 修正值

n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10images/BZ_95_1320_516_1373_543.png0.00 0.00 0.58 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 1.49

计算结果说明判断矩阵具有一致性，判断矩阵是合理的。

3.4 综合重要度计算

分别以烟气蔓延范围（a）、2m 高度处能见度（b）、排烟口流速（c）、排烟道流速（d）、排烟效率（e）、排热效率（f）为准则建立各自的判断矩阵，如下所示：

计算得到各准则判断矩阵的最大特征值分别为：

最大特征值对应的特征向量分别为：

同理计算得到

以各准则判断矩阵的特征向量为列向量构成矩阵，则

由此可计算得到方案优先程度的排序向量：

计算得到的值越大，说明方案越优。

由此可知，排烟量方案的优先顺序为：

C（120 m3/s）＞D（140 m3/s）＞B（100 m3/s）＞A（80 m3/s）

由此可知，当隧道发生20 MW 的火灾时，合理的排烟量是120 m3/s。

4 结论

1）结合某公路隧道工程实际，采用轴对称型烟羽流计算的烟气生成量，由此可计算得到该隧道所需的最小排烟量应等于产烟速率86.17 m3/s，实际设计中需要考虑漏风量、沿程阻力损失等因素，设计排烟量应大于计算排烟量。

2）通过数值模拟分析，从拱顶下方烟气蔓延范围、隧道2 m 高度处能见度、排烟口流速、排烟效率4 个关键参数随排烟量的变化规律来看，排烟量取为120 m3/s较为合理；从排热效率来看，排烟量取为140 m3/s 较为合理，从排烟道流速来看，排烟量在合理范围内取值均可。

3）采用多目标决策理论最终确定该公路隧道的合理排烟量为120 m3/s。