地鐵山嶺隧道事故排煙方案效果的對比分析

路偉鵬

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地鐵山嶺隧道事故排煙方案效果的對比分析

路偉鵬

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司 天津 300308）

借助火災(zāi)模擬軟件Pyrosim，建立了全尺寸的隧道和列車模型，研究了車廂內(nèi)尾部發(fā)生火災(zāi)工況下縱向排煙和半橫向排煙方案的排煙效果：至火災(zāi)發(fā)生900s時，縱向排煙方案下人員疏散至隧道內(nèi)車頭位置后便處于安全區(qū)域，半橫向排煙方案下人員疏散至火源左側(cè)第一個排煙口或車頭范圍以外便處于安全區(qū)域；縱向排煙方案人員完全疏散出車廂可用安全疏散時間比半橫向排煙方案多約370s，人員疏散至安全區(qū)域可用安全疏散時間比半橫向排煙方案多約640s。

地鐵；山嶺隧道；縱向排煙；半橫向排煙；排煙效果；可用安全疏散時間

0 引言

隨著城市經(jīng)濟的快速增長，中國的地鐵規(guī)模不斷擴大，城市周邊區(qū)域不斷延伸，山嶺隧道不斷涌現(xiàn)。由于地鐵客流量大、人員集中，同時山嶺隧道內(nèi)空間相對封閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，若不能及時排除煙氣，極易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，研究地鐵山嶺隧道火災(zāi)工況下有效的排煙和疏散方案極為重要。

地鐵隧道設(shè)計和研究中普遍采用的排煙方式為縱向排煙和半橫向排煙。朱常琳[1]通過數(shù)值模擬與實驗的方法研究了半橫向排煙方式中排煙風速、排煙口間距及排煙口面積對排煙效果的影響。易亮[2]對火災(zāi)半橫向排煙的煙氣流動進行了理論分析，并建立實驗室模型進行火災(zāi)試驗得出排煙閥的設(shè)置原則。周孝清[3]對采用縱向排煙方式下，隧道內(nèi)煙氣溫度和CO濃度的分布情況進行了數(shù)值模擬。朱偉[4]建立了縱向排煙實驗臺，研究了火源功率和縱向排煙風速對隧道內(nèi)溫度分布的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對地鐵隧道縱向排煙和半橫向排煙均做了大量研究，但對于縱向排煙與半橫向排煙效果的對比分析較少。本文通過建立數(shù)值模型，對兩種排煙方案下車廂內(nèi)及隧道內(nèi)煙氣發(fā)展規(guī)律進行研究分析和對比，以期為制定更為有效的排煙和疏散方案提供參考。

1 人員安全疏散的評判標準

火災(zāi)時產(chǎn)生的高溫有毒煙氣是影響人員安全的主要因素，特征值主要表現(xiàn)為煙氣的溫度、CO濃度及能見度。本文參照NFPA130、《中國消防手冊》及相關(guān)研究文獻[5]，制定人員安全疏散的評判標準為：人眼特征高度處的最高溫度不超過60℃；人眼特征高度處的CO濃度不超過250ppm；人眼特征高度處的能見度不小于10m。人眼特征高度取疏散平臺以上2.0m。

2 火源參數(shù)設(shè)置

列車車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)主要是由乘客攜帶的行李等移動載荷引起的，根據(jù)楊昀[6]的建議確定火源熱量釋放速率為5MW?；馂?zāi)選為2火災(zāi)，火災(zāi)增長系數(shù)=0.047（kW/s2），經(jīng)計算火源達到穩(wěn)定燃燒的時間為386s。

3 模型建立

根據(jù)《地鐵設(shè)計防火標準》的要求，長度大于一列列車長度的地下區(qū)間和全封閉車道應(yīng)設(shè)置排煙設(shè)施，同時考慮到縮短模擬時間，本文確定研究的隧道長度為400m。本文采用Pyrosim軟件建立了全尺寸的隧道和列車模型。隧道凈寬度為4.6m，凈高度為6.6m。列車長度為140m，共6節(jié)車廂，每節(jié)車廂設(shè)置5個1.4m×1.86m的車門。橫向排煙方案的隧道模型內(nèi)部設(shè)置排煙道，排煙道內(nèi)凈高度為1.4m，排煙道底板上間隔30m設(shè)置1m×2m的排煙口，火災(zāi)時排煙口全部開啟?；鹪丛O(shè)置于車廂內(nèi)尾部，位于隧道中心里程處。車廂內(nèi)火源上方人眼特征高度處設(shè)置溫度、CO濃度及能見度探測點，由車尾向車頭方向間隔10m設(shè)置對應(yīng)的測點；隧道內(nèi)疏散平臺上方人眼特征高度處設(shè)置溫度、CO濃度及能見度探測點，向隧道兩端間隔10m設(shè)置對應(yīng)的測點。

3.1 通風設(shè)備參數(shù)確定

縱向通風時為避免火災(zāi)時煙氣順著下游方向擴散，隧道內(nèi)最小風速應(yīng)大于臨界風速。臨界風速的理論計算公式通常采用Heselden&Kennedy[7]公式。針對不同的隧道界面尺寸，Ris[8]對上述公式進行了修正，公式如下：

經(jīng)計算臨界風速V=1.98m/s。同時，根據(jù)《地鐵設(shè)計防火標準》的要求，采用縱向通風時，區(qū)間斷面的排煙風速不應(yīng)小于2m/s，不得大于11m/s。因此，本文取斷面排煙風速2m/s，計算排煙量為60.7m3/s，風機選型排煙量為72.8m3/s。本文在模型中隧道兩端（隧道內(nèi)距口部50m處）各設(shè)置兩臺風機，單臺風機風量為36.4m3/s，形成隧道內(nèi)從車頭至車尾方向的縱向氣流。

半橫向排煙時隧道兩端各設(shè)置兩臺風量為36.4m3/s的風機，風機出風口方向相反，共同對隧道進行排煙。

3.2 網(wǎng)格劃分及模擬時間

有研究表明，模擬中采用0.1*的網(wǎng)格尺寸較符合實際情況[9,10]。*為火災(zāi)特征直徑，根據(jù)FDS指導(dǎo)手冊中的公式進行計算，公式如下：

式中，為火源熱量釋放速率，5000kW；∞為空氣密度，1.2kg/m3；C為空氣定壓比熱，1.005kJ/kg·K；∞為周圍空氣溫度，300K；=9.81m/s2。經(jīng)計算*約為2m，因此本文網(wǎng)格尺寸定為0.2m×0.2m×0.2m。

本文模擬時間取900s；火災(zāi)發(fā)生30s時，風機啟動。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 煙氣蔓延情況對比與分析

縱向排煙方案煙氣蔓延情況如圖1所示?；馂?zāi)發(fā)生36s時，車廂內(nèi)的煙氣開始蔓延至隧道內(nèi)；567s時，煙氣蔓延至充滿整個車廂。

半橫向排煙方案煙氣蔓延情況如圖2所示。火災(zāi)發(fā)生55s時，車廂內(nèi)的煙氣開始蔓延至隧道內(nèi)；198s時，煙氣蔓延至充滿整個車廂。

從兩種方案的對比來看，縱向排煙方案煙氣進入隧道的時間較早，但煙氣蔓延至充滿整個車廂的時間較晚。

圖1 縱向排煙方案煙氣蔓延情況

圖2 半橫向排煙方案煙氣蔓延情況

圖3為不同排煙方案下車廂內(nèi)風速分布圖?？v向排煙方案下，車廂內(nèi)大部分區(qū)域形成了3m/s的氣流半橫向排煙方案下，車廂內(nèi)大部分區(qū)域的風速在0.3m/s左右。

圖3 不同排煙方案下車廂內(nèi)風速分布圖（60s）

筆者認為縱向排煙方案時隧道內(nèi)的縱向氣流通過開啟的車門在車廂內(nèi)形成一定程度的縱向風速。因此，火災(zāi)初期，車廂內(nèi)的縱向氣流在較短的時間內(nèi)便將煙氣吹至室外；同時，由于縱向氣流的存在，抑制了車廂內(nèi)煙氣向車頭方向的快速蔓延。半橫向排煙時，由于車廂內(nèi)不存在有規(guī)模的氣流擾動，且車門與車廂頂部存在一定高度的車體，這部分車體形成一道擋煙垂壁，煙氣更易于在車廂內(nèi)部蔓延，車廂頂部煙氣厚度大于擋煙垂壁高度時，煙氣才蔓延至隧道內(nèi)。

圖4為900s時不同排煙方案下疏散平臺上方人眼特征高度處縱向溫度、CO濃度、可見度分布?；鹪次挥谲噹膊浚囶^方向距火源距離為正值，其中距火源距離-10～130m為車體在隧道內(nèi)的位置?？v向排煙工況下，距火源距離大于130m時，人眼特征高度處溫度、CO濃度和可見度均不超過限定值，可以認為人員疏散至車頭位置處后便處于安全區(qū)域。半橫向排煙工況下，-30m~130m范圍內(nèi)人眼特征高度處溫度、CO濃度和可見度會有超過限值的情況，其中-30m處為火源左側(cè)第一個排煙口的位置，可以認為人員疏散至火源左側(cè)第一個排煙口或車頭范圍以外便處于安全區(qū)域。

半橫向排煙方案下，隧道內(nèi)車廂尾部在火災(zāi)發(fā)生55s時便出現(xiàn)煙氣，人員在55s后向車尾方向疏散，將存在安全問題。因此，本文著重研究兩種排煙方案下車廂內(nèi)車頭位置處和隧道內(nèi)車頭位置處煙氣溫度、CO濃度、能見度達到限值的時間，以得出人員完全疏散出車廂和疏散至安全區(qū)域的可用安全疏散時間。

4.2 人員完全疏散出車廂可用安全疏散時間分析

圖5為不同排煙方案下車廂頭部溫度隨時間變化情況?？v向排煙時，由于隧道內(nèi)較低溫度的空氣通過車廂頭部開啟的車門進入車廂，溫度穩(wěn)定在20～24℃范圍內(nèi)；半橫向排煙時，車廂頭部溫度從200s左右開始上升，并在720s時溫度超過60℃。

圖6 不同排煙方案下車廂頭部CO濃度隨時間變化情況

圖6為不同排煙方案下車廂頭部CO濃度隨時間變化情況?？v向排煙時，CO濃度處在0～80ppm范圍內(nèi)；半橫向排煙時，CO濃度從200s左右開始上升，并在270s時超過250ppm。

圖7 不同排煙方案下車廂頭部可見度隨時間變化情況

圖7為不同排煙方案下車廂頭部可見度隨時間變化情況。縱向排煙時，可見度在570s左右降低至10m以下，由于從車門處進入的氣流擾動作用，在隨后的130s內(nèi)可見度有所回升，但隨著煙氣的增加，可見度持續(xù)下降；半橫向排煙時，可見度從200s左右快速下降，并維持在0.5m以內(nèi)。

綜合車廂頭部人眼特征高度處煙氣溫度、CO濃度、可見度情況可知：縱向排煙工況下，溫度和CO濃度始終未超過限值，但在570s時可見度達到10m以下；半橫向排煙工況下，200s時可見度率先達到限值。因此，縱向排煙方案人員完全疏散出車廂可用安全疏散時間較半橫向排煙方案長約370s。

4.3 人員疏散至安全區(qū)域可用安全疏散時間分析

圖8 不同排煙方案下車頭位置疏散平臺上方CO濃度隨時間變化情況

由圖4可知，不同排煙方案下，900s時隧道內(nèi)車頭位置（130m處）的溫度均未超過60℃。因此本文僅對車頭位置疏散平臺上方人眼特征高度處的CO濃度和可見度進行研究。

圖8為不同排煙方案下車頭位置疏散平臺上方CO濃度隨時間變化情況?？v向排煙時，CO濃度始終保持在較低的濃度；半橫向排煙時，CO濃度從200s左右開始上升，并在270s時超過250ppm。

圖9為不同排煙方案下車頭位置疏散平臺上方可見度隨時間變化情況?？v向排煙時，可見度在700s左右開始下降，并在840s左右降至10m以下。半橫向排煙時，可見度從200s左右快速下降，并維持在0.5m以內(nèi)。

圖9 不同排煙方案下車頭位置疏散平臺上方可見度隨時間變化情況

綜合車頭位置疏散平臺上方人眼特征高度處CO濃度、可見度情況可知：縱向排煙工況下，CO濃度始終未超過限定值，但在840s時可見度達到10m以下；半橫向排煙工況下，CO濃度在300s時超過250ppm，200s時可見度低于10m，與車廂內(nèi)失去安全疏散條件的時間基本相同。因此，縱向排煙方案人員疏散至安全區(qū)域可用安全疏散時間較半橫向排煙方案長約640s。

5 結(jié)論

在本文的研究工況下，通過對縱向排煙和半橫向排煙方案下的煙氣蔓延情況、人員完全疏散出車廂可用安全疏散時間和人員疏散至安全區(qū)域可用安全疏散時間進行對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）縱向排煙方案下，人員疏散超過隧道內(nèi)車頭位置處后處于安全區(qū)域；半橫向排煙方案下，人員疏散至火源左側(cè)第一個排煙口或車頭范圍以外處于安全區(qū)域。縱向排煙和半橫向排煙方案均能將煙氣控制在一定區(qū)域內(nèi)，但縱向排煙方案效果更好，有利于人員疏散。

（2）縱向排煙方案人員疏散至安全區(qū)域可用的安全疏散時間比半橫向排煙方案多約640s。因此，地鐵軌道交通山嶺隧道建議優(yōu)先考慮采用縱向排煙方案。

[1] 朱常琳,李昂,王立軍.地鐵區(qū)間隧道半橫向通風排煙方式對排煙效果的影響[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2016,16(6): 121-125.

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Comparative and Analysis of Smoke Exhaust Effects on Mountain Tunnel of Railway

Lu Weipeng

(China Railway Liuyuan Group Co., Ltd, Tianjin, 300308)

With the fire simulation software Pyrosim, a full-size tunnel and train model was established, and the smoke exhaust effect of longitudinal ventilation and semi-transverse ventilation schemes when fire broke out in the tail of the carriage were studied: When the fire occurred for 900 seconds, people evacuate to the front of the train in the tunnel will be safe under longitudinal ventilation scheme, and evacuate to the first exhaust outlet on the left of the fire or outside of the front will be safe under semi-transverse scheme. The available safety egress time for people to evacuate out of the carriage and evacuate to safety area under longitudinal ventilation is respectively 370 seconds and 640 seconds longer than the semi-transverse scheme.

railway; mountain tunnel; longitudinal ventilation; semi-transverse ventilation; smoke exhaust effect; available safety egress time

U231+.5

A

1671-6612（2019）02-172-06

路偉鵬（1986.11-），男，工程師，E-mail：365528954@qq.com

2019-03-10