竖井自然排烟方式因其经济、环保、实用的特性在不少城市浅埋隧道里得到广泛应用。采用竖井自然排烟的城市浅埋隧道,其排烟效果受竖井横截面积、竖井间距、竖井纵向长度、竖井数量以及竖井成组情况等影响较大。以武汉东湖隧道为物理原型,分竖井组、双竖井和单竖井,建立全尺寸的隧道模型结构,探究自然排烟竖井布置对烟气蔓延特性的影响,主要的研究工作及成果如下:(1)确立了竖井组内竖井合理个数、长度及间距。通过数值模拟研究竖井组纵向布置对竖井自然排烟特性的影响。在竖井组总的横截面积和竖井组总长度一定时,分析竖井纵向长度、竖井间距等纵向布置参数对隧道自然排烟特性的影响。结果表明:当竖井长度与竖井组长度之比l_s/l_g>1/6时组内竖井会发生吸穿,当l_s/l_g>1/3时组内竖井会发生边界层分离。将单个大面积的竖井分割成小面积多个竖井形成竖井组,这样具有较好的排烟效果;且当竖井组内竖井数量3个,单个竖井长度2m、组内竖井间距6m时,竖井自然排烟效果最好。(2)确定了烟气沉降点与隧道高度的关系,得到了烟气蔓延距离最短时竖井的临界间距。分析烟气层距地面高度,研究自然排烟隧道内烟气自由蔓延时烟气沉降点问题,得到烟气沉降位置与隧道高度的关系式,并在此基础上改变竖井间距。发现随着竖井间距的增大,隧道内超出竖井部分烟气逆流长度先减小后增大;在烟气自由蔓延的沉降点处加设竖井,此竖井间距下烟气逆流长度最短,从而得到竖井临界间距。(3)建立了竖井自然排烟隧道火源上游无量纲烟气逆流长度的预测模型。采用量纲分析法构建竖井排烟隧道内火源上游烟气逆流长度无因次表达式,量化分析了火源热释放速率、纵向送风风速、竖井与火源距离、竖井宽高对火源上游烟气逆流的影响。结果表明:上游烟气逆流长度随火源热释放速率、竖井与火源距离增长而增大,但当超过一定值时(无量纲火源热释放速率超过0.15或者无量纲竖井与火源间距超过13.2),烟气逆流长度均趋于稳定;上游烟气逆流长度随着隧道纵向风速和竖井宽度的增加而减小;上游烟气的逆流长度不受竖井高度变化的影响。