地鐵單面坡隧道列車火災通風模式研究*

鐘茂華，劉 暢，楊宇軒，胡家鵬，田向亮，龍 增

(1.清華大學 工程物理系 公共安全研究院，北京 100084；2.東北大學 資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819；3.北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京 100068)

0 引言

在國內(nèi)地鐵工程發(fā)展過程中，部分城市受地質(zhì)條件的影響，設計并建設了具有長大連續(xù)下坡特點的單面坡線路，例如烏魯木齊地鐵1號線、重慶地鐵1號線和貴陽地鐵1號線等[1]，此類線路的大部分區(qū)段為下坡結(jié)構(gòu)，起點和終點高差達數(shù)百米，區(qū)間隧道發(fā)生列車火災時，相比于普通地鐵隧道，需考慮火風壓的影響，合理確定通風系統(tǒng)運行模式。

相關學者針對傾斜隧道中列車阻塞時的火災通風控制開展了一系列實驗和數(shù)值模擬研究。Yu等[2]在含坡度的公路隧道內(nèi)開展了全尺寸火災實驗，采用橫向通風方式對不同補風量、排煙量和火源位置條件下的煙氣擴散過程進行了分析；Zhong等[3]在長大傾斜拐彎隧道內(nèi)開展了一系列全尺寸火災實驗，提出了隧道外部自然風壓和火風壓共同作用下的煙氣擴散模式；Ji等[4]采用數(shù)值模擬對傾斜隧道自然通風條件下火災煙氣溫度進行研究，提出了不同坡度下的頂棚無量綱溫度預測模型；Guo等[5]對南京地鐵10號線水下隧道的火災通風模式開展了數(shù)值模擬研究，重點討論了不同坡度區(qū)段的煙氣溫度、CO濃度、能見度和煙氣層高度等危險性參數(shù)；Hu等[6]采用縮尺寸實驗對隧道縱向坡度0%、3%和5%條件下的火災最高溫度及縱向衰減規(guī)律進行研究，建立了考慮坡度和縱向通風風速的煙氣溫度預測模型；張少剛[7]開展了縮尺寸實驗，對列車阻塞和縱向通風條件下地鐵隧道內(nèi)火災煙氣逆流長度進行研究，根據(jù)煙氣溫度分布和火災動力學理論構(gòu)建了考慮列車長度的煙氣逆流長度預測模型。

本文通過開展國內(nèi)某城市單面坡地鐵隧道的火災數(shù)值模擬，對多區(qū)段連續(xù)下坡隧道發(fā)生火災時2端車站的通風系統(tǒng)運行模式進行分析，并考慮列車起火位置和隧道斷面形式等因素，研究結(jié)果可為地鐵單面坡隧道的防排煙設計和火災通風模式的選取提供技術(shù)參考。

1 工程概況

本文以國內(nèi)某城市地鐵線路為研究對象，圖1為線路縱向斷面，S#1S#21為車站位置分布，該線路全長27.06 km，全線由南向北為單面下坡，最大縱向坡度為28‰，不同區(qū)段的隧道斷面結(jié)構(gòu)主要采用了圓形、馬蹄形和矩形斷面。區(qū)間隧道通風系統(tǒng)包括隧道風機和射流風機，車站2端各設置1座風機房，每個風機房配置2臺隧道風機(TVF)，通過風閥可控制1臺或2臺風機作用于同1條單線隧道。列車起火并失去動力無法運行至前方車站時，通風排煙系統(tǒng)的運行模式主要包括3個方面：列車頭部起火時，前方車站開啟隧道風機進行排煙，后方車站進行送風，乘客向后方車站或聯(lián)絡通道進行疏散； 列車尾部起火時，后方車站開啟隧道風機進行排煙，前方車站送風，乘客向前方車站或聯(lián)絡通道進行疏散；列車中部起火時，距離列車較近的車站進行送風，遠端車站進行排煙，乘客向較近端車站或聯(lián)絡通道進行疏散。

圖1 線路縱向斷面示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal section in subway line

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

采用Fire Dynamic Simulator 6.3.2構(gòu)建總長度為6 km的計算模型，包括3個長度為1.5 km的區(qū)間隧道和2端長度為0.75 km的延長隧道，圖2為隧道計算模型縱向形式，區(qū)間隧道的縱坡度均采用28‰。車輛型式采用6節(jié)編組的A型車，在計算模型中的簡化尺寸為140 m×3 m×2.8 m(長×寬×高)，起火列車位于車站A和車站B的區(qū)間隧道內(nèi)。在實際工程中，不同區(qū)段的橫斷面形式包括單洞單線和單洞雙線，斷面結(jié)構(gòu)采用了圓形、馬蹄形和矩形，由于FDS采用立方體網(wǎng)格進行計算，因此在計算模型中采用矩形斷面，圖3為單洞單線和單洞雙線隧道矩形斷面尺寸，計算模型中分別簡化為5 m×5 m(寬×高)和10 m×5.5 m(寬×高)。地鐵隧道內(nèi)列車起火時，乘客將通過側(cè)門處的疏散平臺進行撤離，因此在疏散平臺上方2 m高處沿縱向設置一系列測點，對煙氣溫度、氣體濃度進行測量[5]。

2.2 參數(shù)設置及模擬工況

火災場景設置為列車單節(jié)車廂火災，熱釋放速率采用t2增長模型，參考Roh[8]在地鐵火災模擬中對列車火災功率的設定，車廂內(nèi)的座椅起火后熱釋放速率可達到35 MW，且考慮較為危險的情況，可采用超快速增長火進行計算[5]，圖4為本文中采用的熱釋放速率曲線，其中火災增長系數(shù)為0.178 kW/s2[9], 在443 s時達到熱釋放速率峰值。

圖2 計算模型示意Fig.2 Schematic diagram of calculation model

圖3 計算模型選用的隧道斷面尺寸Fig.3 Section size of tunnel selected in calculation model

FDS User Guide[10]中采用無量綱量D*/δx對網(wǎng)格大小進行求解，其中D*代表火源特征直徑，由式(1)計算得出，δx代表網(wǎng)格尺寸；Q為火源熱釋放速率；ρa，Cp和Ta分別為空氣密度、定壓熱容和溫度；g為重力加速度。在模擬設置中，D*/δx的合理范圍為4～16[10], 35 MW火源功率相應的δx取值范圍為0.25～0.99 m。為確保模擬精度和節(jié)省計算時間，一般采用逐步增加網(wǎng)格數(shù)量，直至進一步減小網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果無明顯影響的方法確定網(wǎng)格大小。表1為相關隧道火災研究中的網(wǎng)格設置[11-13]，隨著火源功率的增加，選用的網(wǎng)格尺寸相應增大，但D*/δx的取值基本維持在0.1左右，此外，Zhao[11]指出采用0.1D*網(wǎng)格尺寸的數(shù)值計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)較為一致。因此在本文的研究中，起火區(qū)域采用0.1D*的網(wǎng)格尺寸(0.4 m×0.4 m×0.4 m)，根據(jù)Gao[14]采用實驗數(shù)據(jù)對數(shù)值計算模型的驗證結(jié)果，遠離火源區(qū)域的網(wǎng)格尺寸可設置為火源區(qū)域的2倍, 因此在起火隧道的列車2側(cè)區(qū)域、相鄰區(qū)間隧道和2端延長隧道均采用0.8 m×0.4 m×0.4 m的網(wǎng)格尺寸。

(1)

圖4 列車火災熱釋放速率曲線Fig.4 Curve of heat release rate for train fire

在隧道模型中的初始溫度和氣壓分別為20℃和101 kPa，隧道壁面采用混凝土材料，2端開口設置為開放邊界條件，車站2端的隧道風機采用“Supply”和“Exhaust”邊界條件實現(xiàn)送風和排煙功能，單臺風機風量為60 m3/s。利用HVAC命令組實現(xiàn)射流風機的增壓送風功能，單臺射流風機風量為30 m3/s。

模擬火災場景主要考慮單面坡隧道中列車起火部位、斷面形式、隧道風機和射流風機運行模式，其中列車起火部位主要采用地鐵隧道防排煙設計中常用的車中、車尾和車頭3個位置，斷面形式采用矩形單洞單線和單洞雙線，根據(jù)起火位置分別設置隧道風機和射流風機的運行模式。由于單洞單線隧道斷面尺寸較小，射流風機主要用于單洞雙線隧道中的車站2端，每端分別設置1組(2臺)進行局部氣流控制。表2為數(shù)值計算工況，其中工況1工況6為單洞單線斷面隧道；工況7工況24為單洞雙線斷面隧道；車站B為列車運行前方車站，車站A為后方車站，車頭或車尾起火時，在單洞單線隧道內(nèi)，列車前方或后方車站開啟隧道風機排煙，另一端車站進行送風，在單洞雙線隧道內(nèi)，除開啟隧道風機外，也可開啟射流風機輔助控制煙氣流動。計算模型中，車站A的標高位置較高，由車站A至車站B為下坡結(jié)構(gòu)，在列車中部發(fā)生火災時，根據(jù)列車停靠位置，存在車站A排煙、車站B送風和車站A送風、車站B排煙2種情況，由于煙囪效應有助于煙氣由車站B向車站A運動，因此車中火災時主要考慮較為不利的排煙模式，即車站A送風、車站B排煙，乘客向車站A或前方聯(lián)絡通道疏散，如工況3工況4和工況13工況18所示。

表1 相關研究中采用的網(wǎng)格尺寸Table 1 Grid size adopted in related research

表2 數(shù)值模擬工況Table 2 Numerical simulation conditions

2.3 模擬驗證

采用單面坡隧道火災模型實驗對數(shù)值計算結(jié)果進行驗證分析，圖5為模型實驗隧道及火源位置示意圖，實驗隧道的相似比為1∶20，長度為11.5 m，斷面直徑0.3 m，對應單洞單線圓形斷面的實體隧道結(jié)構(gòu)。隧道側(cè)面以一定間隔設置若干個玻璃窗便于觀察，通過隧道外置框架的滑輪可靈活調(diào)節(jié)縱向坡度。圖6為該模型隧道在28‰坡度時的實物圖，隧道頂棚下方20 mm 處沿縱向安裝了一系列熱電偶以測量煙氣溫度和擴散范圍，2端入口向內(nèi)1.5 m位置處在隧道中心部位各安裝1個風速測量探頭，用來測量縱向通風風速，在隧道2端均可安裝變頻軸流風機進行通風。根據(jù)單洞單線隧道數(shù)值模擬結(jié)果，2端車站各開啟1臺和2臺隧道風機時，隧道內(nèi)縱向風速約為0.6 m/s和2.2 m/s，在模型實驗中按相似比例分別采用0.15 m/s和0.5 m/s左右的風速，實驗火源采用燃燒面積為100 mm×100 mm的甲醇池火，燃料質(zhì)量通過支撐架置于外置電子天平進行實時測量。圖7為實驗火災場景，由質(zhì)量損失速率換算的全尺寸火災功率約為8.5 MW。

圖5 模型實驗隧道及火源示意Fig.5 Schematic diagram of model experimental tunnel and fire source

圖6 實驗模型Fig. 6 Experimental model

圖7 實驗火災場景Fig.7 Experimental fire scene

按照2.2中的參數(shù)設置構(gòu)建與實驗條件一致的數(shù)值計算模型，根據(jù)燃料質(zhì)量損失速率獲取熱釋放速率曲線并導入FDS中進行計算，圖8為穩(wěn)定燃燒階段隧道內(nèi)頂棚溫度分布，可以看出由實驗和數(shù)值模擬得到的溫度數(shù)值雖然有所差別，但2者縱向分布趨勢較為一致，且均隨著縱向風速的增大，火源上風向溫度降低，下風向溫度升高，因此本文構(gòu)建的數(shù)值計算模型和相應的參數(shù)設置具有一定的可靠性。

圖8 單洞單線隧道不同通風模式下的實驗與數(shù)值模擬結(jié)果Fig.8 Experimental and numerical simulation results of single-hole and single-track tunnel under different ventilation modes

3 結(jié)果與分析

3.1 煙氣擴散現(xiàn)象

列車起火并失去動力無法行駛至前方車站時，通風排煙系統(tǒng)應確保煙氣向遠離人員疏散的方向擴散。圖9為起火15 min時單洞單線隧道內(nèi)的煙氣擴散情況，2端車站各開啟1臺隧道風機時，車尾火災的煙氣均向下風向擴散，車頭火災出現(xiàn)了煙氣逆流，這是由于工況1中乘客須向車站A方向疏散，車站A和B分別執(zhí)行送風和排煙模式，此時煙氣在煙囪效應作用下克服縱向通風的風壓向上風向擴散，而工況5中，車站A和B分別執(zhí)行排煙和送風模式，煙氣在煙囪效應作用下的運動方向與縱向通風方向一致，有利于煙氣向下風向擴散；針對車中火災，由于煙氣擴散至無列車阻塞的區(qū)域后，斷面面積擴大，縱向風速降低，因此相比于工況1，工況3出現(xiàn)了更長范圍的煙氣逆流。2端車站各開啟2臺隧道風機時，縱向風速增加，工況2，4和6中均未出現(xiàn)煙氣逆流，起火車廂上風向的乘客處于較安全的疏散環(huán)境中，然而工況4中擴散至下風向的煙氣對該區(qū)域的乘客帶來了較大的威脅。

圖9 單洞單線隧道內(nèi)列車起火15 min時煙氣擴散現(xiàn)象Fig.9 Phenomenon of smoke diffusion after 15 min of train fire in single-hole and single-track tunnel

與單洞單線隧道相比，單洞雙線隧道的斷面面積有所增加，需要開啟較多數(shù)量的風機形成充足的縱向風速進行煙氣控制。圖10為單洞雙線隧道列車中部起火時的煙氣擴散現(xiàn)象，車站A和車站B均開啟1臺或2臺風機時，如工況13和工況15所示，其上風向煙氣逆流長度明顯大于單洞單線隧道內(nèi)工況3，開啟射流風機后，起火列車所在區(qū)間隧道的縱向風速增加，工況14和工況16中的煙氣逆流長度有所減小，但仍對上風向區(qū)域的人員疏散威脅較大。2端車站均開啟4臺隧道風機時，煙氣控制效果顯著提高，開啟射流風機后，如工況18所示，完全將煙氣控制在下風向區(qū)域。圖11為單洞雙線隧道內(nèi)列車尾部起火后的煙氣運動模式，雖然煙囪效應有利于煙氣向下風向擴散，最終不向上風向產(chǎn)生煙氣逆流，但起火初期由于煙氣溫度較低，煙囪效應帶來的壓差較低，煙氣在與空氣密度差作用下克服縱向通風風壓向上風向擴散，起火7 min后，隨著煙氣溫度的上升，隧道內(nèi)火風壓升高，在縱向通風風壓作用下逐漸將煙氣控制在下風向區(qū)域。

圖10 單洞雙線隧道內(nèi)列車中部起火15 min時煙氣擴散現(xiàn)象Fig.10 Phenomenon of smoke diffusion after 15 min of fire at middle of train in single-hole and double-track tunnel

3.2 煙氣溫度

在單洞單線隧道內(nèi)，列車起火后疏散平臺2 m高度處的煙氣溫度分布如圖12所示，與煙氣擴散情況相一致，2端車站均開啟1臺風機時，車頭和車中火災情況下均有逆流產(chǎn)生，圖12(a)和圖12(b)中上風向區(qū)域的溫度有所升高，各開啟2臺風機后，煙氣被控制在下風向區(qū)域，上風向區(qū)域保持為環(huán)境溫度，圖12(c)表明受煙囪效應有利條件的影響，2端車站各開啟1臺風機即可有效控制煙氣逆流，因此車頭和車尾起火時，乘客能夠向上風向區(qū)域進行疏散，高溫煙氣不會對該區(qū)域造成威脅。然而，在車中火災情況下，如圖12(b)所示，雖然2端車站各開啟2臺隧道風機后能夠有效控制上風向的煙氣逆流，但下風向區(qū)域的煙氣溫度有所升高，在起火車廂下風向200 m范圍內(nèi)的煙氣溫度均高于100℃，對該區(qū)域人員安全疏散的威脅較大。

圖11 單洞雙線隧道內(nèi)列車尾部起火時煙氣擴散模式(工況19)Fig.11 Smoke spread pattern in the single-hole double-track tunnel in tail carriage fire (case 19)

圖13為單洞雙線隧道內(nèi)列車起火后疏散平臺上方2 m高度的溫度分布，由于斷面面積增加，煙氣在壁面的對流熱損失、卷吸新鮮空氣的熱損失和輻射熱損失有所增加，相比于單洞單線隧道，煙氣溫度總體有所下降。圖13(a)和圖13(b)表明車頭和車中起火時，隨著2端車站開啟風機數(shù)量的增加，起火部位上風向溫度降低，下風向溫度逐漸升高，2端車站開啟射流風機和4臺隧道風機可有效控制煙氣逆流，上風向區(qū)域保持為環(huán)境溫度，該區(qū)域人員疏散過程不會受到高溫煙氣的影響，而車中起火時下風向區(qū)域的危險性較大，如圖13(b)中工況18所示，列車下風向車廂側(cè)面疏散平臺2 m高處的溫度均高于100℃。圖13(c)表明車尾火災時煙囪效應帶來的火風壓有助于煙氣向下風向擴散，因此在不同通風模式下上風向區(qū)域未受到高溫影響。

圖12 單洞單線隧道列車火災時疏散平臺上方2 m高度溫度分布Fig.12 Temperature distribution at 2 m height above evacuation platform for train fire in single-hole and single-track tunnel

圖13 單洞雙線隧道列車火災時疏散平臺上方2 m高度溫度分布Fig.13 Temperature distribution at 2 m height above evacuation platform for train fire in single-hole and double-track tunnel

3.3 氣體濃度

在火災環(huán)境中，CO和較低氧氣濃度將會造成人體組織缺氧，CO2容易加快呼吸速率進而導致人體吸入大量的毒性氣體。SFPE[9]中指出，當火場中CO濃度在1 400～1 700 ppm，氧氣濃度低于12%或CO2濃度為6%～7%時，人體將在30 min內(nèi)失去行動能力；當CO濃度在2 500～4 000 ppm，氧氣濃度為6%～7%或CO2濃度大于9%時，人體將在30 min內(nèi)死亡。車頭或車尾火災時，可采用相應的通風模式將煙氣控制在下風向區(qū)域，乘客均可通過上風向區(qū)域進行疏散，而車中起火時，縱向通風的下風向區(qū)域難以避免受到火災煙氣的威脅。圖14為單洞單線隧道車中火災下風向的氣體濃度分布，圖14(a)(c)表明隨著與火源距離的增加，同一通風模式下的CO和CO2濃度逐漸降低，氧氣濃度逐漸升高；由工況3和工況4的比對可見，隨著風機開啟數(shù)量的增加，縱向通風風速增大，煙氣卷吸的新鮮空氣量不斷增加，有效地降低了CO和CO2濃度并提高了氧氣濃度。

圖14 單洞單線隧道車中火災下風向疏散平臺上方2 m處氣體濃度Fig.14 Gas concentration at 2 m height above evacuation platform in downwind direction of fire at middle of train in single-hole and single-track tunnel

在單洞雙線隧道內(nèi)，斷面面積較大，煙氣卷吸的空氣量較多，與單洞單線隧道相比，CO濃度有所降低。圖15為單洞雙線隧道車中火災不同通風模式下的CO濃度，在上風向150 m處，隨著2端車站開啟風機數(shù)量的增加，如圖15(a)中的工況13、工況15和工況17所示，CO濃度開始升高的時間逐漸延遲，且濃度有所降低，開啟射流風機后工況14和工況16的CO濃度進一步降低，工況18的煙氣控制效果較好，CO未擴散至該位置。在起火部位，開啟射流風機能夠有效地降低CO濃度，如圖15(b)中的工況14、工況16和工況18所示，且隨著2端車站開啟風機數(shù)量的增加，該位置處CO濃度逐漸降低。在起火車廂的下風向區(qū)域，如圖15(c)所示，工況13中隨著煙氣溫度的升高，火風壓逐漸增加，與圖11中的煙氣擴散模式類似，煙氣向上風向區(qū)域擴散導致下風向CO濃度逐漸降低，同時工況18帶來的縱向通風風速較大，在該位置處的CO濃度相對較低。

圖15 單洞雙線隧道車中火災疏散平臺上方2 m處CO濃度Fig.15 CO concentration at 2 m height above evacuation platform in fire at middle of train in single-hole and double-track tunnel

圖16為單洞雙線隧道車中火災疏散平臺上方2 m處的氧氣濃度，擴散至上風向150 m處的煙氣逆流以及起火部位氧氣濃度均高于12%，圖16(a)和圖16 (b)中的工況14和工況16表明開啟射流風機后起火區(qū)間隧道內(nèi)補風量增加，氧氣濃度升高，工況18相比于其他工況的縱向通風風量較大，能夠有效控制煙氣逆流并確保起火區(qū)域附近的氧氣濃度處于較高水平。在下風向區(qū)域，如圖16(c)所示，工況13的縱向通風風壓較小，火風壓隨著熱釋放速率的增加逐漸升高，起火約7 min后下風向煙氣逐漸向上風向擴散，氧氣濃度逐漸升高，這與圖15(c)中工況13的CO濃度變化特點相一致，工況18中較大的補風量使得該區(qū)域的氧氣濃度高于其他工況，且與單洞單線隧道相比，單洞雙線隧道內(nèi)各工況的氧氣濃度均相對較高。

圖16 單洞雙線隧道車中火災疏散平臺上方2 m處氧氣濃度Fig.16 Oxygen concentration at 2 m height above evacuation platform in fire at middle of train in single-hole and double-track tunnel

4 結(jié)論

1)在縱向坡度為28‰的單面坡隧道內(nèi)發(fā)生列車火災時，針對單洞單線隧道，2端車站應至少各開啟2臺隧道風機，針對單洞雙線隧道，除開啟射流風機之外，2端車站應各開啟4臺隧道風機以形成充足的縱向通風風速進行煙氣控制，確保上風向疏散路徑的安全性。

2)單洞雙線隧道的斷面面積較大，相比于單洞單線隧道，火災煙氣在擴散過程中的熱量散失和空氣卷吸量較多，其煙氣溫度、CO和CO2濃度均相對較低，在單洞雙線隧道內(nèi)火災疏散的危險性低于單洞單線隧道。

3)列車中部發(fā)生火災時，雖然開啟一定數(shù)量的隧道風機和射流風機能夠有效控制煙氣逆流，但下風向區(qū)域仍面臨較大的火災危險性，執(zhí)行現(xiàn)場應急響應模式過程中，應在起火初期迅速采取措施將下風向車廂內(nèi)的人員疏散至上風向區(qū)域。