引言隧道由于其建设需求的特殊性，其工程结构埋置于地下或山体中。这种构造易产生通风不良的现象，一旦发生火灾，烟气蔓延过程受到隧道壁面的阻碍作用，导致烟气积聚，隧道内的温度可在短时间内迅速升高，燃烧产生的高温和烟气会对隧道内人员的安全造成威胁。因此如何及时地将隧道内的烟气排出隧道成为隧道工程的研究重点。隧道的排烟工程又被称为火灾排烟技术。通过全尺寸实验、等比例缩小实验、计算机软件数值模拟计算等方法进行了相关研究，研究结果可为实际的隧道排烟工程提供参考方向和理论依据。1主要的隧道排烟方式根据《公路隧道设计规范—2014》指出，长度大于1 000 m的高速公路和一级公路隧道、长度大于2 000 m的二至四级隧道应布置机械排烟系统[1]。截至2019年底，《2019年交通运输行业发展统计公报》指出我国公路隧道总里程达1 896.66万m，其中特长隧道521.75万m，长隧道826.31万m。目前，针对公路隧道的排烟方式，按驱动力的不同可分为自然排烟和机械排烟；按烟气的流动方向的不同可分为纵向排烟和横向排烟，横向排烟又可分为全横向排烟和半横向排烟。文中将主要针对机械排烟系统进行介绍。1.1纵向排烟本着安全和经济性的原则，通常将日常运营通风系统与防排烟系统组合成兼用系统，因此公路隧道选用的防排烟系统与日常运营通风的方式密切相关。国际知名隧道通风咨询运行公司HBI Haerter Ltd Consulting对其所管理运营的隧道进行统计，采取纵向通风方式占据了日常运营通风的半数以上，因此纵向排烟方式为国内常见的排烟方式。纵向排烟是指将射流风机置于隧道拱顶或隧道侧壁面位置，通过射流风机驱使形成的烟气沿着隧道纵向进行流动的排烟方式。空气从隧道一侧进入，驱动烟气从隧道另一侧排出。采取纵向排烟时，人员的疏散方向与排烟方向相反。隧道纵向排烟的示意图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.005.F001图1纵向排烟示意图纵向排烟的优点是可以将隧道运营通风和排烟兼顾，不需要修建单独的通风管道，省去了通风机房所占位置及投资、实际运营费用，初始投资低。但由于烟气的单向流动，烟气会不断卷吸周围的空气，使得烟气量不断增加，导致排烟方向的能见度降低。该方法适用于单向通行或单洞双向隧道、同行车辆不多且隧道长度不宜太长的隧道，多数布置于长度小于3 000 m的隧道，长大隧道不宜采用纵向排烟的方式。1.2全横向排烟横向排烟是指在隧道内设置风道同时进行均匀的排风、均匀的补风形成沿隧道横截面上流动的气流形式通风。采用该方法可以减少烟气纵向流动的距离，减少烟气在隧道内停留的时间，并防止火灾蔓延，减少烟气对隧道内人员的危害。隧道全横向通风排烟的示意图如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.005.F002图2全横向排烟示意图全横向排烟为理论上最合理的隧道排烟模式，在满足排烟要求的同时，还可为隧道内被困人员、救援人员提供新鲜的空气，形成良好的空气循环，为逃生提供了条件。但该排烟模式施工难度高，施工成本及后期运营费用高，故适用于双向交通、车流量较大且易发生堵塞的隧道。1.3半横向排烟由于全横向通风初始投资过高而发展出半横向通风排烟的方式。英国在1934年首次在隧道内采用半横向通风并取得了良好的效果。该方法是介于纵向通风和全横向通风之间的一种折中通风排烟方式。横向通风可分为送风形和排烟形两种。半横向通风的送风形式与全横向通风形式基本相同，只是没有隧道顶部的排烟风道，烟气在隧道内与空气进行混合、稀释，并在隧道内纵向流动最终利用隧道两端的出口与入口排出。半横向通风的排烟形与全横向通风方式少了底部的送风风道，空气经过隧道两端的出入口进入隧道，在隧道内与烟气混合，通过隧道拱顶的排烟竖井排出隧道。半横向通风的示意图分别如图3及图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.005.F003图3送风形半横向通风10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.005.F004图4排烟形半横向通风半横向通风排烟方式是选取纵向排烟和横向排烟进行综合，克服单一排烟方式的弊端，其排烟效果与安全性也在二者之间。半横向通风适用于一些长大且重要的隧道中，但是由于采用全横向通风方式造价过高而选取折中方案。1.4其他随着隧道排烟研究的不断深入，发展利用空气幕或水幕将烟气进行控制的柔性防烟方式，将该系统与机械排烟系统进行组合，形成了一种新的排烟方式。通过喷嘴喷出的高速气流或水流，既可以有效阻止烟气的蔓延，又不妨碍火场内人员的通行。同时可通过气流或水流的隔热作用降低被保护区域的温度，或利用气流（水流）与烟气中的颗粒物进行接触，利用沉降作用降低烟气的毒害性。该系统形式示意图如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.005.F005图5空气幕/水幕与机械排烟系统结合示意图2我国纵向排烟研究现状沈奕[2]利用CFD软件对城市公路隧道在不同规模和风速下的能见度进行了研究，提出特殊火灾情况发生时，可完全采用纵向通风的排烟方式，并发现纵向排烟模式能够控制烟气的蔓延，使位于隧道上部的烟气层保持稳定，提高隧道的能见度有利于疏散逃生以及消防救援。吕金金[3]利用小尺寸实验以及FDS软件研究了在纵向通风情况下出现的烟气分叉现象，认为烟气分叉主要是纵向风的水平纵向力以及烟羽流形成的热浮升力共同作用的结果，并总结了临界风速与火源热释放率之间的函数关系。章庭瑞[4]等利用FDS软件针对隧道发生火灾时纵向排烟风速对隧道内部救援环境的影响进行了研究，研究结果表明，提高纵向风速可以改善火灾下游的疏散环境；但在一定时间后会产生不利的影响。张众杰[5]利用盐水实验和FDS软件模拟的方法研究了纵向排烟和自然通风相结合的排烟方式，认为相较于普通的单一的排烟方式，火源上游采取纵向通风，火源下游采取自然排烟的排烟方式具有较高的排烟效率的结论。通过FDS软件对纵向排烟的风速和自然排烟的排烟井尺寸进行了优化，为采用该排烟方式的实际工程的设计选取合理的参数提供了参考。李俊梅[6]等对城市地下道路纵向纵排排烟系统的排烟效果进行了仿真分析，得到了在不同火势下排烟风机的最佳运行方案。对于城市隧道来说，当火灾发生时，所有的排风机都不必运行以达到设计的临界风速，排风机位于火源下游时反向运行可以提高纵向排烟效率。实验为城市隧道排烟风机的运行提供了一种新的方案。3纵向排烟性能研究影响纵向排烟的主要因素为纵向气流的速度值，纵向气流的速度值一定要高于临界风速值。临界风速是满足烟气不产生逆流现象的气流速度。纵向排烟主要的驱动形式为利用射流风机提供驱动力，使烟气沿着隧道纵向方向流动直至排出隧道。因此纵向排烟的效果与射流风机本身的性能和风机布置方案有着密不可分的联系，影响射流风机性能的主要参数为射流风机纵向间距、横向间距、距拱顶的高度等。3.1纵向间距的影响胡康[7]等利用CFD模拟软件研究了射流风机纵向间距对隧道内风环境的影响，研究认为射流风机间的纵向距离不应小于150 m，且靠近出入口的射流风机应布置在隧道出入口的100 m至200 m范围内。当气流离开喷嘴后不断卷吸周围的空气，进行质量交换和动量交换，射流流量与喷射断面随着喷射距离的增加不断增加。达到一定距离后，不同喷嘴喷射的气流基本融为一体，随着喷射距离的增加，气流受到重力作用不断向地面下降，直至气流断面与隧道断面基本一致，射流现象消失，此时的纵向距离为射流风机布置的最大纵向距离。减小射流风机纵向间距可以提高隧道内的整体风速场，提高空气的品质，选取适当的纵向间距，可以充分利用射流风机的最大性能。本着经济型运营和节能的原则，射流风机间的纵向距离不宜过小。3.2横向间距的影响代言明[8]等对广乐高速路段上的梯子岭隧道射流风机横向间的距离进行了数值模拟研究。当风机并联使用时，运行效果随着风机间横向距离的增加而增强，并在净距离为射流风机直径的2.4倍时达到峰值。范建国[9]等利用CFD软件对射流风机横向净距离对风机运行效果进行了研究，得出最佳净距离为2倍射流风机直径的结论。由于随着横向距离的增加，隧道壁面摩擦力对风机喷射出的气流影响逐渐增强，使气流在远处无法较好的汇聚为一体，导致气流在发展过程无法形成足够的升压力。但当横向距离过小时，并联的射流风机喷射的气流在距离风机很近的距离即开始相互干扰，导致气流能量损失在横向竞争上造成射流速度骤降，而不是沿着纵向距离进行气流组织发展上，导致浮升力不理想，降低射流风机综合性能。3.3距拱顶距离的影响赵黎[10]等利用CFD软件对射流风机在距隧道拱顶布置的距离进行了数值模拟研究，得出射流风机应布置在距拱顶15 cm～30 cm高度范围。任悦[11]等利用三维仿真模拟研究了射流风机布置高度对海底隧道通风效果的影响。试验结果表明，在同一动力驱动下，气流发展至稳定的距离随着安装高度的降低而增加。对比不同安装高度的升压力发现，随着距拱顶距离的减小，风机提供的升压力越小。其原因在于气流从喷嘴喷出后，气流没有足够的竖向空间进行气流发展便与隧道壁面发生了碰撞。气流与隧道壁面发生碰撞后，高速的气流受到壁面摩擦力的影响，导致能量和动量的损失，使气流的射流作用减小。因此选取适当的安装高度对射流风机的运行效果会起到重要的影响。4结语高速公路隧道内发生火灾虽为偶发性事件，但一旦发生将造成严重的后果，不仅对隧道结构造成不可逆的伤害，造成严重的经济损失，对隧道内人员的人身安全产生了极大的威胁。随着全社会消防意识的不断增强，对隧道防排烟问题的重视程度也在不断增强。对隧道采取的排烟方式及国内外研究现状进行了介绍，便于给隧道选取最优的排烟方式提供一定参考。