地鐵正線隧道分岔段火災(zāi)煙氣通風(fēng)控制研究

范登鑫 何 磊 雷 波 鄧保順 郭永楨

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院 成都 610031；2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 西安 710043）

0 引言

隨著軌道交通的發(fā)展，地鐵線路逐漸增多并連線成網(wǎng)，線網(wǎng)中隧道結(jié)構(gòu)、連接形式的多樣化和復(fù)雜化給隧道火災(zāi)煙氣控制帶來了新的問題。當(dāng)線路相互連通后，隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)，開啟隧道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)排煙時，一方面要求發(fā)生火災(zāi)的正線隧道進(jìn)行通風(fēng)控制煙氣逆流，另一方面又不允許煙氣通過聯(lián)絡(luò)線隧道蔓延到未發(fā)生火災(zāi)的線路。正線隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道的結(jié)合部位是線路間火災(zāi)煙氣產(chǎn)生相互影響的關(guān)鍵位置，本文稱之為“正線隧道分岔段”，該位置發(fā)生火災(zāi)時的煙氣控制需要特別關(guān)注。

隧道縱向通風(fēng)煙氣控制方法的基礎(chǔ)是臨界風(fēng)速理論。Thomas[1]認(rèn)為驅(qū)動熱煙向前的浮力與流動阻力相等時，煙氣便停止向前，并提出了臨界風(fēng)速的預(yù)測模型。Oka 和Atkinson[2]研究了不同燃燒位置及燃燒器阻塞對臨界風(fēng)速的影響。Wu 和Bakar[3]選用隧道水力直徑作為特征尺寸，進(jìn)一步優(yōu)化了臨界風(fēng)速計算公式。李穎臻[4]從臨界Froude 數(shù)理論出發(fā)建立了計算聯(lián)絡(luò)通道臨界風(fēng)速的模型。姜學(xué)鵬[5]根據(jù)π定理和相似理論，對影響橫通道臨界風(fēng)速的相關(guān)因素進(jìn)行了量綱分析。Chang Liu[6]研究了聯(lián)絡(luò)線隧道坡度及正線隧道通風(fēng)風(fēng)速對聯(lián)絡(luò)線隧道煙氣逆流長度的影響，并建立了地鐵聯(lián)絡(luò)線隧道臨界風(fēng)速預(yù)測模型。上述研究工作都是針對火災(zāi)發(fā)生在正線隧道或聯(lián)絡(luò)隧道，目前尚未見到有關(guān)列車火災(zāi)發(fā)生在正線隧道分岔段的煙氣通風(fēng)控制研究。

本文研究列車火災(zāi)發(fā)生在地鐵正線隧道分岔段的煙氣通風(fēng)控制方法，采用火災(zāi)動力學(xué)軟件FDS（Fire Dynamic Simulation）建立典型地鐵隧道三維模型，計算得到將煙氣擴散控制在臨界狀態(tài)下正線隧道與聯(lián)絡(luò)線隧道所需提供的通風(fēng)風(fēng)速。

1 分岔段煙氣控制方法

自然通風(fēng)下，火災(zāi)發(fā)生在正線隧道分岔段時，在浮升力的作用下煙氣將分別向正線隧道上、下游及聯(lián)絡(luò)線隧道蔓延一定距離，如圖1 所示。為了給人員提供安全的疏散通道，需要采取通風(fēng)措施對煙氣蔓延的狀態(tài)進(jìn)行控制。

圖1 自然通風(fēng)下火災(zāi)煙氣蔓延圖Fig.1 Smoke spread under natural ventilation

地鐵區(qū)間隧道煙氣控制通常采用縱向通風(fēng)的方式。為控制火災(zāi)煙氣蔓延狀態(tài)，正線和聯(lián)絡(luò)線隧道都需要進(jìn)行縱向通風(fēng)。根據(jù)列車著火部位的不同，存在向正線隧道下游排煙和向正線隧道上游排煙兩種情況，正線隧道分岔段煙氣控制方法如圖2所示。列車從正線隧道上游向正線隧道下游行駛，列車前部著火時，向正線隧道下游排煙，如圖2（a）；列車中部著火時，可以向正線隧道上游排煙或者向正線隧道下游排煙，如圖2（b）；列車尾部著火時，向正線隧道上游排煙，如圖2（c）。

圖2 煙氣控制方法示意圖Fig.2 Method to control smoke spread

1.1 向正線隧道下游排煙

向正線隧道下游排煙時，在正線隧道上游與聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)氣流的共同作用，控制煙氣向正線隧道上游及聯(lián)絡(luò)線隧道蔓延。正線隧道分岔段應(yīng)保證無煙氣逆流，而聯(lián)絡(luò)線隧道的煙氣控制，根據(jù)人員疏散的不同要求，可能有煙氣不流入聯(lián)絡(luò)線與煙氣不流入另一條非火災(zāi)線路兩種臨界控制狀態(tài)。正線隧道上游通風(fēng)風(fēng)速較小時，煙氣將逆風(fēng)流動，當(dāng)煙氣前鋒的驅(qū)動力與正線隧道通風(fēng)氣流作用力相等時，煙氣前鋒不再向前運動，該位置與火源的距離稱為“正線隧道煙氣逆流長度”；聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速較小時，煙氣逆風(fēng)流入聯(lián)絡(luò)線隧道，當(dāng)煙氣前鋒的驅(qū)動力與聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)作用力相等時，煙氣前鋒不再向前運動，該位置與聯(lián)絡(luò)線隧道入口的距離稱為“聯(lián)絡(luò)線隧道煙氣逆流長度”。

正線隧道斷面積與正線隧道分岔段斷面積不相同，如果已知正線隧道的臨界風(fēng)速，可以通過公式（1）計算火災(zāi)斷面臨界風(fēng)速：

式中，V4c表示火災(zāi)斷面臨界風(fēng)速，m/s；A4表示火災(zāi)斷面空氣流通面積，m2；V1c表示正線隧道上游臨界風(fēng)速，m/s；A1表示正線隧道上游斷面積，m2。

在正線隧道無煙氣逆流的條件下，采用數(shù)值計算方法，分別計算得到煙氣不流入聯(lián)絡(luò)線和不流入另一條非火災(zāi)線路兩種臨界控制狀態(tài)下聯(lián)絡(luò)線隧道所需提供的最小通風(fēng)風(fēng)速。

1.2 向正線隧道上游排煙

向正線隧道上游排煙時，正線隧道下游與聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)氣流在分岔段匯合后，形成的合流用于控制煙氣在分岔段的蔓延。只要分岔段無煙氣逆流，煙氣就不會流入到聯(lián)絡(luò)線隧道，因此，向正線隧道上游排煙時，只存在一種煙氣臨界控制狀態(tài)，即正線隧道無煙氣逆流。

正線隧道分岔段無煙氣逆流時，根據(jù)質(zhì)量守恒關(guān)系得到：

式中，V2表示聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速，m/s；A2表示聯(lián)絡(luò)線隧道斷面積，m2；V3表示正線隧道下游通風(fēng)風(fēng)速，m/s；A3表示正線隧道下游斷面積，m2。

公式（2）表明，在已知火災(zāi)斷面臨界風(fēng)速V4c和正線隧道下游通風(fēng)風(fēng)速V3后，可計算出需要的聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速V2。

2 CFD 模擬

2.1 數(shù)值模型及相關(guān)參數(shù)

以某一典型地鐵隧道為模型，其正線隧道直徑5.5m，隧道斷面積21.3m2，周長16.8m；聯(lián)絡(luò)線隧道4.5m（寬）×4.6m（高），隧道斷面積20.7m2，周長18.2m，聯(lián)絡(luò)線隧道長度為320m，聯(lián)絡(luò)線坡度4%；正線隧道模擬總長為275m，隧道模型如圖3 所示。

圖3 隧道物理模型Fig.3 Physical model of tunnel

列車為B 型列車，尺寸為19m（長）×2.8m（寬）×3.8m（高），6 輛B 型車為一個編組。

列車火災(zāi)發(fā)生在正線隧道分岔段中間，火災(zāi)斷面空氣流通面積為23m2，火災(zāi)熱釋放速率為7.5MW。

環(huán)境溫度為26.7℃，土壤層溫度為15℃；隧道壁面材料為混凝土，列車表面為絕熱條件；正線隧道通風(fēng)入口與聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)入口設(shè)置為速度邊界，正線隧道通風(fēng)出口設(shè)置為大氣壓力邊界。

2.2 網(wǎng)格尺寸

數(shù)值模擬中網(wǎng)格尺寸越小，計算結(jié)果越精準(zhǔn)，但耗時長。為準(zhǔn)確模擬隧道火災(zāi)并節(jié)約機時，必須選擇合理的網(wǎng)格尺寸，其與火源特征直徑D*有關(guān)，計算公式如下：

式中，Q為火災(zāi)熱釋放率，kW；D*為火災(zāi)特征直徑，m；ρ0表示環(huán)境密度，kg/m3；T0表示環(huán)境溫度，K；cp為定壓比熱，kJ/(kg·K)；g為重力加速度，m2/s。

FDS 軟件使用手冊指出，網(wǎng)格尺寸在0.06～0.25D*之間時數(shù)值模擬計算結(jié)果較好。胡隆華[7]研究表明，網(wǎng)格尺寸在0.1～0.12D*之間，火源附近網(wǎng)格加密一倍時，數(shù)值模擬結(jié)果與全尺寸火災(zāi)試驗結(jié)果能很好地吻合。

本文隧道模型在自然通風(fēng)下不同網(wǎng)格尺寸的正線隧道頂部煙氣縱向溫度分布如圖4 所示，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為0.075D*和0.1D*時，隧道頂部煙氣縱向溫度差別較小。為了保證計算準(zhǔn)確度和減少計算量，本文采用0.1D*網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為0.2m，網(wǎng)格總數(shù)為287 萬。

圖4 正線隧道頂部煙氣縱向溫度分布Fig.4 Longitudinal temperature distribution of smoke below the top of main tunnel

2.3 數(shù)值方法驗證

為驗證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性，對某小尺寸分岔隧道實驗[6]中的Test2～5 工況進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬值與實驗值的差別如圖5 所示，模擬值與實驗值對照情況較好，說明采用FDS 軟件可以很好地模擬隧道火災(zāi)煙氣逆流長度與隧道縱向通風(fēng)風(fēng)速的關(guān)系。

圖5 模擬值與實驗值對比圖Fig.5 Comparison of simulated value and experimental value

3 計算結(jié)果及分析

3.1 向正線隧道下游排煙

計算得到正線隧道上游通風(fēng)風(fēng)速與正線隧道煙氣逆流長度的關(guān)系如圖6 所示。正線隧道煙氣逆流長度為0 時，正線隧道上游臨界風(fēng)速V1c為3.0m/s，按公式（1）計算得到火災(zāi)斷面臨界風(fēng)速V4c為2.7m/s。

圖6 正線隧道煙氣逆流長度Fig.6 Back-layering length in main tunnel

在正線隧道上游臨界風(fēng)速3.0m/s 下，改變聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速，計算得到列車前部、中部著火時聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速與聯(lián)絡(luò)線隧道煙氣逆流長度的關(guān)系基本相同，擬合得到聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速與聯(lián)絡(luò)線隧道煙氣逆流長度的關(guān)系曲線如圖7 所示，將曲線外推，分別得到聯(lián)絡(luò)線隧道煙氣逆流長度為0 時，聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速為2.1m/s；聯(lián)絡(luò)線隧道煙氣逆流長度為320m 時，聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s。

圖7 聯(lián)絡(luò)線隧道煙氣逆流長度Fig.7 Back-layering length in connecting tunnel

以列車中部火災(zāi)為例，在不同聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速下，正線隧道頂部煙氣溫度如圖8 所示，可以看到，增大聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速對火源及火源下游的正線隧道頂部煙氣溫度影響較大，而對火源上游的正線隧道頂部煙氣溫度分布基本無影響，因此可以不考慮聯(lián)絡(luò)線隧道縱向通風(fēng)的變化對正線隧道煙氣逆流的影響。

圖8 正線隧道頂部煙氣溫度Fig.8 Smoke temperature below the top of main tunnel

綜上所述，向正線隧道下游排煙時，正線隧道上游通風(fēng)風(fēng)速為3m/s，正線隧道無煙氣逆流；聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速2.1m/s，聯(lián)絡(luò)線無煙氣流入；聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s，煙氣不會流入另一條非火災(zāi)線路。

3.2 向正線隧道上游排煙

《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》[8]中要求區(qū)間隧道縱向通風(fēng)風(fēng)速不小于2.0m/s，因此，向正線隧道上游排煙時，正線隧道下游通風(fēng)風(fēng)速設(shè)為2.0m/s，由公式（2）計算出對應(yīng)的聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速為1.0m/s。在正線隧道下游通風(fēng)風(fēng)速2.0m/s、聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速1.0m/s 協(xié)同通風(fēng)控制下，列車中部、尾部火災(zāi)的煙氣蔓延如圖9 所示，結(jié)果表明，此通風(fēng)條件下正線隧道無煙氣逆流。當(dāng)正線隧道、聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速都按規(guī)范要求的最小通風(fēng)風(fēng)速2.0m/s 設(shè)計時，顯然，此通風(fēng)條件下正線隧道也無煙氣逆流產(chǎn)生。

圖9 煙氣蔓延正視圖Fig.9 Front view of smoke spread

與向正線隧道下游排煙相比，列車火災(zāi)向正線隧道上游排煙時提供較小的正線隧道和聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速就能使正線隧道無煙氣逆流、聯(lián)絡(luò)線隧道無煙氣流入。

4 結(jié)論

本文分析了正線隧道分岔段的火災(zāi)煙氣控制方法，并對某一典型地鐵隧道的分岔段火災(zāi)煙氣控制進(jìn)行了數(shù)值計算，得到以下結(jié)論：

（1）向正線隧道下游排煙時，正線隧道上游通風(fēng)風(fēng)速為3.0m/s，正線隧道無煙氣逆流；聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速2.1m/s，聯(lián)絡(luò)線無煙氣流入；聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速為0.3m/s，煙氣不流入另一條非火災(zāi)線路。

（2）向正線隧道上游排煙時，在正線隧道下游通風(fēng)風(fēng)速2.0m/s、聯(lián)絡(luò)線隧道通風(fēng)風(fēng)速1.0m/s的通風(fēng)條件下正線隧道無煙氣逆流、聯(lián)絡(luò)線隧道無煙氣流入。