[发明专利]一种优化隧道火灾中竖井自然排烟效果的设计方法

说明书

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。