江阴靖江长江隧道高效排烟、快速疏散与结构防火一体化技术研究

盾构隧道作为城市轨道交通、越江通道及铁路交通的重要基础设施，其在火灾工况下的安全性能一直受到广泛关注。火灾不仅会导致隧道内部烟气的快速蔓延，威胁人员疏散安全，还会因高温作用引发结构力学性能退化，从而影响隧道的整体稳定性。此外，合理的排烟模式、科学的疏散通道布置及耐火材料的应用，都是保障隧道火灾安全的重要环节。近年来，国内外学者围绕盾构隧道火灾展开了多方面研究，主要涵盖排烟模式优化、结构力学响应分析、人员疏散模拟及材料耐火性能验证等领域，并采用数值模拟（如CFD、FDS、FLAC3D、ANSYS）、现场试验及多软件仿真等技术手段，针对不同类型隧道的关键问题进行了深入探讨。

在排烟模式方面，陈兵等利用CFD 模拟对比了顶部与侧壁排烟的性能，结果显示顶部排烟在控制烟气蔓延速度和排烟效率上更具优势，效率提升约9%。代言明等进一步分析半横向排烟模式下排烟口分布对温度场的影响，指出当排烟口间距约 30 m 时，可有效减缓烟气蔓延。WANG 等的研究表明，对长距离或易拥挤隧道而言，半横向重点排烟相较纵向排烟更为适用。赵家明等针对顶部集中排烟模式，探讨了热释放速率、排烟量及排烟阀参数对烟气层化高度与范围的影响，指出提高排烟量可显著优化烟气控制效果。喻杨健等对超长隧道行车环境影响因素的关键控制指标进行研究，建立安全、舒适及节能的长大隧道环境协同控制体系，为超长隧道未来的长期运行构建长效协同管理机制提供了一定理论基础。在结构力学响应方面，崔铁军等采用FLAC3D 对非均匀温度场下的管片受力状态进行模拟，发现火灾作用可使最大水平压力和竖直压力分别增至初始值的10.5倍和8.9 倍，且危险位置集中在90°±22.5°范围内。沈奕等通过试验比较了钢筋混凝土（RC）与混杂纤维混凝土（HFRC）管片的破坏模式，指出RC 在正弯矩承载力方面更优，而HFRC 在负弯矩下具有更好的变形能力。王明年等、章庭瑞基于FDS和ANSYS 分别研究了大直径铁路隧道及大型盾构隧道的温度荷载与内力变化，强调热膨胀效应在火灾下对结构变形和受力的显著影响。杨文倩等对比在CDP 本构和混凝土高温塑性CHP 本构下盾构隧道结构的变形规律和受力性能，结果表明CHP 模型可用于盾构隧道火灾数值模拟，火灾降温阶段对衬砌混凝土造成的二次损伤较为严重。在人员疏散与安全设计方面，李亚清等结合FDS 与EV-ACNET4 对疏散过程进行了模拟，为疏散通道参数设计提供了依据。WANG 等采用FDS 与MassMontion 软件，研究了不同火源位置对隧道内人员逃生出口选择及疏散效率的影响，并进一步确定了相应工况下的最优出口选择策略。沈卓恒等使用Pathfinder 分析滑梯间距与车道数量对疏散效率的影响，指出滑梯间距是影响疏散效率的主要因素。孙策针对超大断面隧道提出横通道间距250 m、楼梯间距80 m 的布置参数，可满足安全疏散要求。谢宝超等结合试验和模拟研究了大客车乘客的下车时间，发现老人比例与满载系数显著影响整体疏散时间。黄益良等提出了基于等效原则的疏散楼梯间距计算方法。王安民等、王峰等分别对三车道和四车道隧道火灾烟气蔓延规律及人员疏散特性进行了研究，基于可用安全疏散时间（ASET）大于必需安全疏散时间（RSET）这一原则给出了不同响应时间下人行横通道间距的建议值。在材料耐火性能方面，张迪通过1∶1 实体试验验证了钱江隧道植筋牛腿在火灾环境下的安全性，结果表明所用材料能够满足火灾荷载下的结构安全要求。

江阴靖江长江隧道（如图1 所示）是《长江干线过江通道布局规划（2020~2035 年）》中批复的江苏省41 条过江通道之一，是江苏省高速公路网的重要组成部分。其平面、断面和纵断面示意图如图2所示。

图1　江阴靖江长江隧道项目概况

图2　江阴靖江长江隧道平纵横示意图

江阴靖江长江隧道线路跨度大，允许大货车通行，火灾与爆炸的潜在风险较高；其排烟距离较长，人员疏散组织难度大，同时火灾产生的高温烟气极易对隧道结构造成严重威胁。因此亟需针对上述工程技术难点开展深入研究，以确保隧道的安全运营。

1　超长距离盾构隧道火灾排烟研究

1. 1　隧道火灾排烟设计方案

江阴靖江长江隧道长约6.4 km，属于大断面超长隧道，其通风排烟需求相较于常规隧道更为复杂和严格。为科学合理地进行通风排烟系统设计，对国内外同类隧道工程的典型案例进行调研，并总结其在通风排烟方面的设计经验与技术措施。在此基础上，结合江阴靖江长江隧道自身的工程特点，提出适合的通风排烟方案，确保系统安全、高效运行。表1 列举了国内外典型工程所采用的设计火灾规模和排烟模式，从表1 中可以看出，隧道的设计火灾规模一般为20~50 MW 之间，常见的排烟模式有纵向排烟、顶部集中排烟和侧向集中排烟三种模式。

隧道常见火灾排烟模式主要有纵向排烟、顶部集中排烟和侧向集中排烟三种，具体排烟方式的选择与隧道长度、交通流量、行车方式、洞口环保要求、气象环境等多种因素有关。纵向排烟是一种隧道火灾工况时的排烟方式，其原理是利用一组射流风机，在隧道内推动空气沿隧道纵向（即行车方向）形成稳定的气流。发生火灾时，系统控制这股纵向气流，将烟雾导向隧道一端的出口排出，从而在火源的上风向形成一个无烟的疏散通道，其示意图如图3（a）所示，常用于山岭隧道及一些短隧道。顶部集中排烟是一种先进的隧道火灾排烟设计。它在隧道顶部下方设置一条独立的专用排烟道，并沿隧道方向间隔设置可电动开启的排烟口。火灾时将高温有毒烟雾直接从顶部就地、快速地抽吸入排烟道，并通过风井集中排出，其示意图如图3（b）所示，常用于水下盾构隧道。侧向集中排烟指在隧道行车道侧上方设置一条连续的专用排烟道，并通过沿隧道间隔布置的排烟口进行排烟。火灾时烟雾向上转入侧向排烟口，被直接、快速地吸入排烟道并集中排出，其示意图如图3（c）所示。

表1　国内外典型工程通风排烟模式及关键参数设置

图3　不同排烟方式示意图

江阴靖江长江隧道工程隧道段长约6.4 km（盾构段约4.9 km），入口、出口段为明挖暗埋段。鉴于江阴靖江长江隧道特长、大断面的工程特征，单一排烟模式难以兼顾排烟效率与建设运维经济性。为此，提出了纵向排烟与顶部集中排烟协同运行的复合排烟策略，如图4 所示。盾构段火灾时，在交通堵塞情况下，采用顶部排烟道集中排烟模式；在交通正常情况下，可采用纵向通风排烟模式，也可以采用纵向通风和集中排烟组合的排烟模式，这样更能保障安全。火灾发生在明挖暗埋段时，采用纵向通风排烟模式。

江阴靖江长江隧道交通量大，可通行大货车，火灾危险性高，火灾规模确定为50 MW。利用轴对称型烟羽流模型，计算得到隧道产烟速率为178.34 m3/s，排烟量的设计不小于180 m3/s；排烟风机的风量设计不小于180 m3/s。

图4　江阴靖江长江隧道不同区段排烟模式

1. 2　隧道火灾排烟试验及数值模拟研究

1. 2. 1　盾构段顶部集中排烟模式试验研究

试验相似设计基于Froude 数相似原则，即：

Fr = v² /( gL )

鉴于隧道火灾烟气流动属于浮力驱动的湍流流动，确保模型与原型Froude 数相等是复现烟气沉降与蔓延规律的关键。综合考虑试验厅空间限制及减少边界层对主流的影响，确定几何相似比：

λ_L = L_m /L_p = 1/20

式中，L_m 为模型特征长度，L_p 为原型特征长度。

依据相似理论，各物理量的比例关系确定如下：

速度相似比 λ_v = λ^1/2_L ≈ 0.224

时间相似比 λ_t = λ^1/2_L ≈ 0.224

为保证温度场相似（λ_T = 1），火源功率Q（热释放速率）的相似比由能量守恒方程导出：

Q ∝ ρc_p ΔTvL²

故  λ_Q = λ^5/2_L = ( 1/20 )^5/2 ≈ 1/1789

式中，ρ 为流体密度（kg/m³），c _p为定容比热（J/（kg·K）），ΔT 为温差（K），λ _Q 为热量相似比。

据此，原型中50 MW 的设计火灾规模在模型中对应的火源功率设定为27.95 kW，通过控制燃烧器燃料流量精确实现。

利用Froude 准则建立1∶20 的江阴靖江长江盾构隧道模型，如图6 所示，模型隧道由多个分节组合拼装而成，一节长2 m；各分节的顶部设计为可分离式，可根据需要选择隧道有无排烟道及调整排烟阀尺寸和间距，模型示意图如图5 所示。并选取五种排烟阀尺寸进行分析研究，分别是4 m×1.25 m、5 m×1.2m、4 m×2.0 m、2.5 m×1.6 m 和5 m×2.0 m。在此基础上研究合理排烟口间距和不同坡度（− 3%、0% 和3%）下排烟口开启方式的排烟效果。

图5　模型隧道三维图

图6　模型隧道火灾现场试验图

1. 2. 2　明挖暗埋段纵向排烟数值模拟研究

火灾发生后，高温烟气在浮力驱动下撞击顶棚形成射流并向两侧蔓延。临界风速定义为有效抑制烟气逆流所需的最小纵向风速。本研究基于Froude数守恒，通过数值模拟确定了50 MW 火灾规模下，能够克服顶棚射流、控制烟气不向火源上游蔓延的临界风速。

为消除网格尺寸对模拟结果的影响，采用火源特征直径D^∗作为网格划分依据。D^∗的公式为：

D^* =[ Q/( ρ_∞ c_pT_∞ √￣g ) ]^2/5

式中，Q 为热释放速率，单位为kW，Q 取50000 kW；ρ_∞取1.2 kg/m³；c_p 取1.0 kJ/（kg·K）；T_∞取293 K。计算得50 MW 火灾下的特征直径D^∗ ≈4.6 m。根据FDS 用户手册建议，网格尺寸δx 应处于D^∗ /16~D^∗/4之间。计算得到网格尺寸范围为0.29~1.15 m，最后考虑到数值模拟精度和计算时长，综合选择网格尺寸为0.5 m。

1. 3　火灾排烟系统关键技术参数

综合缩尺模型试验与数值模拟分析，确定排烟系统最优关键参数如下：排烟阀采用双阀并列布置（单阀尺寸2.5 m×1.6 m），组内净距控制在1.6 m 以内，沿程布置间距优化为60 m。在交通正常工况下，应对50 MW 设计火灾所需的最小纵向风速应维持在3.5 m/s 以上；在交通阻塞工况下，暗埋段需等待人员疏散完成后再进行纵向排烟，盾构段采用顶部集中排烟模式，排烟量充分考虑烟气卷吸、隧道漏风以及设计冗余系数，综合确定为180 m³/s。不同坡度下的通风排烟方式如表2 所示。

表2　盾构段交通堵塞火灾烟气控制方案

2　超长盾构隧道防灾疏散研究

2. 1　隧道防灾疏散方案

根据国内外公路隧道的基本形式，疏散通道的设置（如图7 所示）可分为横向疏散通道（即人行横通道）和竖向疏散通道（疏散楼梯、疏散滑梯等）。

隧道防灾疏散核心设施主要包括连接平行隧道的人行横通道，以及用于垂直撤离的疏散楼梯和疏散滑梯。这些设施在实际工程中常根据隧道具体条件组合设置。为直观展示其应用，国内部分典型隧道的疏散方式汇总如表3 所示。

图7　隧道内不同疏散设施

表3　国内典型隧道疏散方式

2. 2　隧道人员疏散数值模拟及试验研究

2. 2. 1　人员疏散试验研究

基于江阴靖江长江隧道防灾疏散方案，设计针对性人员疏散试验，研究从发出火灾逃生警报开始至人员疏散到安全区域时为止的整个疏散过程，考察现有防灾疏散方案与疏散辅助设施的可靠性，疏散试验主要包含疏散方案试验验证、疏散楼梯通行能力试验研究两部分，考虑最不利情况，交通阻塞时，80 m 范围内预计堵塞31 辆车，人员荷载为187 人，其中成年男士103 人、成年女士65 人、老年人19 人。在三个疏散区间内进行人员疏散，如图8 所示。

2. 2. 2　人员疏散数值模拟研究

采用FDS 模拟软件，对江阴靖江长江隧道不同坡度的火灾情况进行模拟计算，结合隧道内人员安全疏散判据定准则，得出不同坡度处的可用安全疏散时间。采用Pathfinder 人员疏散模拟软件，对不同疏散方式及疏散口间距的疏散工况进行模拟分析，如图9 所示。结合人员安全疏散目标及准则，将采用Pathfinder 模拟软件得到的不同疏散工况下的必需安全疏散时间与FDS 模拟得到的可用安全疏散时间作比较，以此来判断人员疏散的安全性。

火灾过程中产生的高温烟气会显著降低能见度，同时释放有毒气体，对人员生命安全构成严重威胁。结合SFPE《消防工程手册》的相关规定，本文采用的影响人员安全的性能参数的极限值如表4 所示。

图8　疏散场景设置

表4　影响人员安全的性能参数的极限值

隧道的使用者撤离到安全地带所花的时间（TRSET）小于火势发展到超出人体耐受极限的时间（TASET）时，表明达到人员生命安全的要求。

图9　人员疏散数值模型

即保证安全疏散的判定准则为：

式中，TRSET 指必需安全疏散时间，即隧道中人员从火灾发生至全部人员疏散到安全区域所需要的时间。必需安全疏散时间包括人员响应时间和报警时间，本研究中，人员响应时间设置为120 s，报警时间设置为60 s

2. 3　人员疏散关键技术参数及疏散安全性评估

由人员疏散数值模拟和现场实体试验，确定了江阴靖江长江隧道盾构段在纵向疏散模式下，疏散楼梯间距为80 m，宽度为0.9 m；明挖暗埋段采用横通道疏散，江北设3 处横通道，江南设4 处横通道，设置间距为100 m；在自由疏散场景中，疏散楼梯疏散速率为32 人/min，引导疏散场景中，疏散速率为38人/min；成年女士开启盖板的平均时间为12.6 s，成年男士开启盖板的平均时间为7.5 s。

根据2.2.2 节中的人员安全性判定准则，要求可用安全疏散时间需大于必需安全疏散时间，由此判定最不利工况下（交通拥堵）不同疏散楼梯间距的人员疏散安全性，其疏散安全评估结果如表5 所示。

根据表5 的结果可以看出，随着疏散楼梯布置间距的增大，可用安全疏散时间从761 s 增大至964 s，在最不利交通拥堵工况，80 m 的疏散楼梯布设间距下，人员可在761 s（13 min）内完成快速疏散。

表5　最不利工况下不同疏散楼梯间距的疏散安全性评估

3　盾构隧道结构防火一体化技术研究

3. 1　隧道结构抗火总体防火保护策略

隧道结构防火设计主要依据设防温度、耐火极限要求及其判定标准。江阴靖江长江隧道行车道盾构管片采用RABT 火灾温升曲线作为设防温度，耐火极限不低于2 h，判定标准为：当混凝土内部距底面25 mm 处的钢筋温度超过300 ℃，或混凝土表面温度超过380 ℃。烟道层盾构管片则采用基于CFD模拟的升温曲线，耐火极限及判定标准同车道层。烟道板受火面采用RABT 火灾升温曲线，背火面采用基于CFD 模拟的升温曲线，耐火极限不低于2 h，其判定依据《建筑构件耐火试验方法 第1 部分：通用要求》（GB／T 9978.1—2008），以极限弯曲变形量和弯曲变形速率为判定依据。

从工程整体设计的角度出发，防火保护方案应统筹隧道工程的各个专业、系统及建设阶段，兼顾安全可靠性、经济合理性、技术先进性和环境协调性，确定最优方案。表6 列出了国内设有集中排烟的典型盾构隧道防火保护案例。

表6　国内典型隧道防火保护案例

上述案例的防火方案并不完全适用于江阴靖江长江隧道。车道层管片在火灾中直接接触高温烟气，必须设置防火保护。根据现有技术及类似工程经验，可采用混凝土保护层、防火板或防火涂料等方式。具体方案应结合管线布置、建筑限界、光线反射、声学性能及维护条件等因素，经综合比选确定。烟道层拱顶管片在火灾中因烟道板的遮挡，通常不直接接触火焰，仅排烟口上部管片可能受到火焰的直接冲击，因此，需对排烟口及其周边一定范围内的管片实施防火保护。烟道板依据前述设防标准进行耐火极限验算，根据验算结果判断是否需采取防火措施。如需保护，应优先选用增加钢筋保护层厚度以控制钢筋温度、掺入纤维增强混凝土抗爆裂性能等方法，以实现免维护、无污染、不影响行车安全及设备布置的目标。

3. 2　隧道结构抗火数值模拟及试验研究

3. 2. 1　结构抗火数值模拟研究

采用ABAQUS 有限元软件对隧道结构在火灾下的传热过程进行数值模拟，钢筋、混凝土的热工参数采用欧洲规范提供的数值。各部位火灾模拟条件如表7 所示，受火2 h 隧道截面温度分布与管片受火表面温度变化规律分别如图10、11 所示。侧墙表面直接接触火焰，温度较高，在有侧墙保护的区段，盾构管片表面温度低于380 ℃，满足2 h 耐火极限要求；而未经侧墙保护的管片在火灾初期表面温度便快速升高，并超过380 ℃，无法达到耐火标准，因此需采取防火措施。车道层下部管片由于受到箱涵及空气层的保护作用，同样具备足够的耐火能力，无需增设防火保护。

表7　各部件火灾模拟条件

防火保护层的效果主要由其厚度与导热性能共同决定，二者可综合表征为“等效热阻”，即保护层厚度与材料导热系数的比值。等效热阻越大，防火性能越好。如图11 所示，当管片防火层的等效热阻不低于0.1 （℃·m2）/W 时，即可满足2 h 耐火极限要求。对于烟道层拱顶管片，保护范围建议为排烟口纵向两侧各16 m（如图12 所示），等效热阻在排烟口处不小于0.1（ ℃·m2）/W，随距排烟口距离的增大逐渐减小。

图10　受火2 h 隧道截面温度分布

图11　管片受火表面温度变化规律

图12　建议拱顶管片施加防火保护的范围

在RABT 火灾升温条件下，无防火保护的烟道板在2 h 内最大跨中位移为110 mm（如图13 所示），未超过规范限值，结构未丧失承载力。因此，烟道板可不额外采用防火涂料或防火板，建议通过掺加PP纤维或钢纤维等方式，在无需后期维护的前提下增强其抗火性能。

图13　高温下烟道板形变规律

3. 2. 2　结构抗火试验研究

采用全尺管片及烟道板试件进行耐火极限测试。试验采用国际隧道协会（ITA）推荐的RABT 升温曲线，该曲线要求在5 min 内升温至1200 ℃并维持110 min，能真实模拟封闭隧道空间内碳氢燃料火灾的极速升温特征。

通过对混凝土、防火板及搪瓷钢板等不同防火措施开展对比试验（如图14 所示），验证了相关技术参数，为确定最优防火方案提供了依据。结果表明，依据等效热阻不低于0.1 （℃·m2）/W 所确定的80mm 厚防火混凝土，可满足2 h 耐火极限要求，防火效果良好。同样，市场上经过耐火测试的25 mm 厚纤维增强硅酸钙板也具备良好的防火性能，满足2 h耐火要求。而搪瓷钢板在受火时钢面板升温迅速、变形显著，火灾中易脱落导致防火功能丧失，因此不宜作为防火材料使用，仅适用于装饰用途。

图14　试件防火保护措施（从左至右依次为搪瓷钢板、混凝土、防火板）

针对PP 纤维混凝土、钢纤维混凝土及双掺纤维混凝土烟道板进行抗火性能研究（如图15 所示），结合数值模拟与模型试验结果发现，不施加额外防火层的各类烟道板（包括双掺纤维、PP 纤维、钢纤维及普通钢筋混凝土）均能满足2 h 耐火极限要求，其中双掺纤维混凝土烟道板的防火性能最优。

图15　各烟道板试件试验后的掉皮剥落情况对比

3. 3　隧道结构抗火关键技术参数

车道层侧墙覆盖区管片利用侧墙结构自身作为热障，无需额外防护。对于暴露管片，推荐采用非封闭式混凝土内衬结构进行防护。该方案不仅施工便捷，且耐久性优异，可满足隧道全寿命周期内的免维护运营需求。其厚度需满足RABT 升温曲线下2 h耐火极限要求，或保证防火层等效热阻不小于0.1（℃·m2）/W。烟道层拱顶管片推荐采用喷射混凝土进行防火处理，保护范围宜为排烟口两侧各16 m 区间，混凝土层厚度可取70 mm 等厚度布置，或随距排烟口距离的增加而逐渐减小。车道层下部管片因受现浇箱涵、中间箱涵及空气隔层的有效保护，且保护层厚度充足，无需另行采取防火措施。烟道板构件在不施加额外防火保护情况下已具备2 h 以上耐火能力。采用双掺纤维、钢纤维或PP 纤维混凝土可进一步提升其抗火性能，其中双掺纤维混凝土烟道板防火性能优异。

4　结束语

（1）江阴靖江长江隧道盾构段在火灾工况下，顶部集中排烟效率显著优于单纵向通风，交通正常时可采用纵向通风与集中排烟组合模式。排烟阀优化设计间距为60 m，面积为2.5 m × 1.6 m，个数为2，设计排烟量不小于 180 m3/s。纵向临界风速为 3.5m/s，在交通堵塞工况下需先疏散后纵向排烟。

（2）盾构段采用纵向疏散模式，楼梯间距宜取80 m，宽度 0.9 m，明挖暗埋段采用横通道疏散，横通道间距 100 m。自由疏散场景下，疏散速率为32 人/min，引导疏散场景为 38 人/min，引导措施可将效率提升约 19%。疏散设计方案满足人员逃生安全需求。

（3）基于等效热阻确定防火保护层厚度：车道层侧墙管片保护层等效热阻应不低于0.1（ ℃·m²）/W，采用非封闭式内衬防护结构可实现免维护；烟道层拱顶管片在排烟口处的热阻需满足同一标准，并可随距离增大而递减，至16 m 处减为零；烟道板无需额外保护，通过掺加PP 纤维或钢纤维即可提升耐火性能。

（4）本研究提出的排烟-疏散-防火一体化技术体系，虽然依托于江阴靖江长江隧道工程，但对于长距离、大直径、高水压环境下的水下盾构隧道具有普适性参考意义。特别是对于无法设置常规横通道，需利用下层空间进行疏散及排烟的盾构隧道，本文确定的排烟量取值逻辑及防火保护层等效热阻设计方法具有直接的推广应用价值。