地鐵出入段線防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

夏三縣，王 艷，孟 鑫，張曉偉，胡 璠，夏雁玲

（1. 鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，鄭州 450047；2. 中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450007；3. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037；4. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

1 研究背景

2 數(shù)值模擬

地鐵隧道排煙系統(tǒng)，是控制列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙氣流動(dòng)、保證運(yùn)營(yíng)安全的重要技術(shù)措施。地鐵地下線路在進(jìn)入地面車輛段時(shí)，如果在其出入段線部位發(fā)生火災(zāi)，通常的排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用車站事故風(fēng)機(jī)，同時(shí)在隧道洞口處設(shè)置若干組射流風(fēng)機(jī)輔助排煙。對(duì)于長(zhǎng)度大于1 km的地鐵出入段線，射流風(fēng)機(jī)的配電線纜需引自鄰近車站或車輛段的變電所，電纜的敷設(shè)長(zhǎng)度超千米，部分工程中甚至為射流風(fēng)機(jī)配電設(shè)置跟隨式變電所，這些都大大地增加了工程初期投資和后期維護(hù)成本?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》管理組《關(guān)于非載客運(yùn)營(yíng)地下區(qū)間隧道排煙風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)疑問(wèn)的函》的回復(fù)中指出：“列車載客和非載客區(qū)間隧道的消防設(shè)計(jì)要求有所不同，為確保乘客安全，載客區(qū)間隧道要求更高，而出入場(chǎng)線、出入段線等非載客區(qū)間隧道列車上僅有司機(jī)，有條件采取其他保護(hù)措施進(jìn)行快速疏散，因此設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可以有所降低。鑒于規(guī)范中沒(méi)有給出具體的針對(duì)性標(biāo)準(zhǔn)，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位自行根據(jù)工程情況靈活掌握?！币虼?，降低出入段線防排煙系統(tǒng)投資，有針對(duì)性地優(yōu)化出入段線排煙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，成為地鐵設(shè)計(jì)中亟待解決的問(wèn)題。

地鐵列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的工況一直都是隧道防排煙領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1-4]。Yu等試驗(yàn)研究了地鐵聯(lián)絡(luò)隧道橫向通風(fēng)系統(tǒng)的煙氣控制效果[5]，Wang 等數(shù)值模擬研究了地鐵地下車站混合通風(fēng)系統(tǒng)的煙氣控制效果[6]，侯團(tuán)增試驗(yàn)測(cè)試了火災(zāi)模式下地鐵區(qū)間隧道的排煙風(fēng)速[7]，朱祝龍等數(shù)值模擬研究了地鐵長(zhǎng)大過(guò)海區(qū)間隧道通風(fēng)排煙方案[8]。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)可知，多數(shù)研究著眼于地鐵正線隧道的火災(zāi)規(guī)律，針對(duì)地鐵出入段線排煙系統(tǒng)的研究較少；目前地鐵隧道排煙系統(tǒng)的研究主要采用理論分析法、實(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)值模擬法。其中，數(shù)值模擬法由于預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高和研究成本低，成為地鐵排煙系統(tǒng)研究最常用的方法。

針對(duì)地鐵出入段線排煙系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)時(shí)存在的問(wèn)題，筆者結(jié)合實(shí)際的地鐵出入段線工程，開(kāi)展了地鐵出入段線排煙系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)方案的FDS數(shù)值模擬研究，并對(duì)各設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，優(yōu)選了技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的出入段線防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

2.1 工程概況

鄭州地鐵10號(hào)線出入段線隧道全長(zhǎng)2 503 m，為單洞單線隧道，左右線間距13 m，3處曲線半徑分別為250、400和250 m，全段坡度走勢(shì)呈V字形，如圖1所示。同時(shí)，經(jīng)過(guò)與行車及信號(hào)專業(yè)落實(shí)，保證該出入段線運(yùn)營(yíng)時(shí)只存在一列車。

圖1 出入段線隧道三維數(shù)值模型Figure 1 Schematic of the subway access tunnels

2.2 數(shù)值模型

本研究采用火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬軟件FDS，這是由NIST開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)場(chǎng)模擬軟件。FDS以火災(zāi)中流體運(yùn)動(dòng)為主要模擬對(duì)象，采用湍流燃燒模型，研究地鐵火災(zāi)引起的煙氣和熱傳輸規(guī)律。在FDS中，建立地鐵出入段線隧道等尺寸三維數(shù)值模型(見(jiàn)圖1)。隧道一端與車站連接(含車站對(duì)應(yīng)的4座活塞/事故風(fēng)井)，每個(gè)活塞/事故風(fēng)道內(nèi)各設(shè)置1臺(tái)事故風(fēng)機(jī)。車站僅事故風(fēng)井參與隧道通風(fēng)，且車站采用全封閉站臺(tái)門系統(tǒng)，活塞/事故風(fēng)道、風(fēng)井以外的車站部分不參與數(shù)值模擬計(jì)算。車站明挖段隧道斷面尺寸不同于盾構(gòu)區(qū)間段，已按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模。車站另一側(cè)連接一段與10 km地鐵隧道具有相同阻力的高阻力水平隧道，而隧道的另一端設(shè)置為OPEN，用于模擬室外大氣環(huán)境。外界大氣環(huán)境溫度為–5℃，外界環(huán)境大氣壓力為101.325 kPa。隧道側(cè)壁、頂棚和地板的材料設(shè)定為混凝土，其比熱容為1.04 kJ/(kg·K)，密度為2 280 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.8 W/(m·K)?；鹪礋後尫潘俾试O(shè)置為7.5 MW。地鐵列車尺寸為長(zhǎng)140 m×寬2.8 m×高3 m，火源尺寸為長(zhǎng)1 m×寬1 m×高0.2 m。根據(jù)單元格敏感性分析情況，本研究采用0.25 m單元格尺寸進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.3 模擬工況

本研究考慮了5種地鐵出入段線隧道防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)方案、火源位置不同，共設(shè)置10個(gè)數(shù)值模擬工況，如表1所示。

圖2 出入段線排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案Figure 2 Five smoke control strategies for subway access tunnels

表1 數(shù)值模擬工況Table 1 Numerical simulation conditions

在數(shù)值模型中，事故風(fēng)機(jī)風(fēng)量為60 m3/s，風(fēng)井內(nèi)空氣溫度采用實(shí)測(cè)的溫度。射流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為37.5 m3/s，推力為1 100 N，功率為30 kW。司機(jī)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)上報(bào)控制中心，控制中心經(jīng)過(guò)判斷后下達(dá)指令給車站，執(zhí)行排煙模式，用時(shí)設(shè)定為60 s；風(fēng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換至排煙工頻狀態(tài)，用時(shí)設(shè)定為30 s。

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照實(shí)際熱釋放速率進(jìn)行火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，可能會(huì)破壞地鐵隧道及其設(shè)備設(shè)施，所以國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用縮尺模型實(shí)驗(yàn)或小熱釋放速率火源火災(zāi)實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證數(shù)值模型及邊界條件的正確性[9-10]。利用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)值模型，通過(guò)改變邊界條件，可開(kāi)展大熱釋放速率火源時(shí)地鐵隧道火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律的模擬研究。為保證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性，本研究在真實(shí)的地鐵隧道內(nèi)開(kāi)展了小熱釋放速率火源的熱煙驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 熱煙實(shí)驗(yàn)的火源裝置Figure 3 Fire-source device in the smoke experiment

將室外實(shí)測(cè)風(fēng)溫作為數(shù)值模擬的隧道入口風(fēng)溫，火源的熱釋放速率設(shè)置為23.1 kW(人工火源的實(shí)測(cè)熱釋放速率)，隧道內(nèi)縱向風(fēng)速設(shè)置為0.49 m/s(自然通風(fēng)時(shí)的實(shí)測(cè)風(fēng)速)。圖4給出了火源下風(fēng)側(cè)0.5、1.5和2.5 m處隧道斷面距地面高度1 m處的預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)空氣溫度，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的最大溫差小于1.1℃，溫差與空間場(chǎng)最大溫差之比為13%。圖5給出了4臺(tái)事故風(fēng)機(jī)時(shí)火源下風(fēng)側(cè)0.5 m處隧道斷面預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)風(fēng)速的平均值，預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)風(fēng)速平均值之間的最大偏差為0.17 m/s，誤差率約為10%。溫度驗(yàn)證和風(fēng)速驗(yàn)證的結(jié)果表明，數(shù)值模擬的結(jié)果準(zhǔn)確性較高，可用于分析和研究隧道煙氣控制方法。

3 結(jié)果分析

3.1 火源位于V形隧道最低點(diǎn)處的模擬結(jié)果

火源位于V形坡度隧道最低點(diǎn)處時(shí)，首先模擬了此時(shí)5種設(shè)計(jì)方案的排煙效果和隧道風(fēng)速情況。由模擬結(jié)果可知，這5種設(shè)計(jì)方案均能夠排除隧道內(nèi)的火災(zāi)煙氣。工況1～5火災(zāi)煙氣流出隧道所需的時(shí)間分別為655、631、614、598和566 s。圖6 給出了火源下風(fēng)側(cè)100 m處隧道截面速度云圖，由此可知，數(shù)值模擬工況1～5火源下風(fēng)層100 m處隧道內(nèi)的平均速度分別為1.54、1.63、1.78、1.76和1.91 m/s。

圖6 火源下風(fēng)側(cè)100 m處隧道截面速度云圖Figure 6 Velocity contours of tunnel section at a distance of 100 m downstream of the side of the fire source

由模擬結(jié)果可知，受隧道斷面尺寸限制、火災(zāi)上報(bào)及確認(rèn)所需時(shí)間的影響，在排煙設(shè)備啟動(dòng)前，煙氣在隧道內(nèi)存在一定程度的自然蔓延過(guò)程；當(dāng)排煙設(shè)備達(dá)到工頻狀態(tài)后，煙氣能夠有組織地由洞口排出室外，說(shuō)明本研究所設(shè)置的5種設(shè)計(jì)方案安全有效。

圖7給出了距離隧道出口30 m處隧道截面速度云圖，數(shù)值模擬工況1～5隧道出口30 m處隧道的平均速度分別為1.47、1.55、1.69、1.67和1.88 m/s。

圖 4 火源下風(fēng)側(cè)實(shí)測(cè)氣溫與預(yù)測(cè)氣溫對(duì)比Figure 4 Comparisons between the predicted and measured air temperatures at the downstream side of the fire source

圖 5 火源下風(fēng)側(cè)實(shí)測(cè)氣溫與預(yù)測(cè)平均風(fēng)速對(duì)比Figure 5 Comparisons between the predicted and measured average ventilation velocity at the downstream side of the fire source

圖7 隧道出口30 m處隧道截面速度云圖Figure 7 Velocity contours of tunnel section at a distance of 30 m from the tunnel’s exit

3.2 火源位于車站側(cè)隧道斷面的模擬結(jié)果

本研究從出入段線火災(zāi)時(shí)最不利工況的角度出發(fā)，模擬了火源距車站30 m時(shí)不同設(shè)計(jì)方案的排煙效果和隧道風(fēng)速情況，工況6～10火災(zāi)煙氣流出隧道所需時(shí)間分別為1 833、1 806、1 625、1 612和1 568 s。圖8給出了火源下風(fēng)側(cè)100 m處隧道斷面的速度云圖。工況6～10火源下風(fēng)層100 m處隧道平均速度分別為1.45、1.57、1.75、1.68和1.89 m/s；射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在靠近車站處的工況(方案d)，與設(shè)置在靠近洞口處的工況(方案b)相比，隧道內(nèi)的平均風(fēng)速更高；洞口處設(shè)置兩組射流風(fēng)機(jī)的工況(方案c)，與靠近車站處設(shè)置一組射流風(fēng)機(jī)的工況(方案d)相比，隧道內(nèi)的平均風(fēng)速?zèng)]有顯著差異；同時(shí)，這3種工況的隧道內(nèi)平均風(fēng)速均高于僅設(shè)置4臺(tái)車站事故風(fēng)機(jī)的工況(方案a)。由上述模擬結(jié)果可知，僅開(kāi)啟4臺(tái)TVF的設(shè)計(jì)方案能夠滿足排除煙氣的要求；若增設(shè)射流風(fēng)機(jī)，則風(fēng)機(jī)位于靠近車站處和位于洞口處，對(duì)排煙效果的增強(qiáng)作用程度基本相同。

圖8 火源下風(fēng)側(cè)100 m處隧道截面速度云圖Figure 8 Velocity contours of tunnel section at a distance of 100 m downstream of the side of the fire source

圖9給出了隧道內(nèi)距離出口30 m處隧道斷面的速度云圖。工況6～10距隧道出口30 m處隧道的平均速度分別為1.49、1.61、1.75、1.68和1.9 m/s。

圖9 隧道出口30 m處隧道截面速度云圖Figure 9 Velocity contours of tunnel section at a distance of 30 m from the tunnel exit

火源位于靠近車站的隧道內(nèi)時(shí)，由于上報(bào)火情到下達(dá)指令需一定的反應(yīng)時(shí)間，在排煙設(shè)備啟動(dòng)前，煙氣存在一定程度的自然蔓延過(guò)程。若車站兩側(cè)事故風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，車站隧道兩側(cè)風(fēng)壓大小基本相同，導(dǎo)致軌行區(qū)內(nèi)的風(fēng)速較小。若靠近出入段線側(cè)的風(fēng)機(jī)比遠(yuǎn)離出入段線側(cè)的風(fēng)機(jī)延遲30 s啟動(dòng)、向隧道中送風(fēng)，則能夠更好地控制并排除煙氣。圖10給出了以上兩種風(fēng)機(jī)啟動(dòng)策略所對(duì)應(yīng)的隧道煙氣情況，可以看出事故風(fēng)機(jī)3、4延遲30 s啟動(dòng)時(shí)，車站軌行區(qū)內(nèi)基本沒(méi)有煙氣滯留。

圖10 風(fēng)機(jī)延遲啟動(dòng)90和120 s時(shí)車站隧道內(nèi)煙氣情況Figure 10 Smoke situation in station tunnel for delayed operational fan onsets equal to 90 and 120 s

3.3 出入段線隧道防排煙設(shè)計(jì)方案比選

數(shù)值模擬結(jié)果表明，出入段線防排煙設(shè)計(jì)方案a～e(方案編號(hào)及設(shè)備配置見(jiàn)圖2)均能將火災(zāi)煙氣排出隧道，防止火災(zāi)煙氣威脅車站運(yùn)營(yíng)安全。方案a采用出入段線所接車站原有的事故風(fēng)機(jī)，無(wú)新增設(shè)備費(fèi)用。對(duì)5種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，與設(shè)計(jì)方案a相比，b～e方案的新增設(shè)備材料費(fèi)用分別為1 206萬(wàn)、1 675萬(wàn)、36.8萬(wàn)和1 975萬(wàn)元，設(shè)備費(fèi)用包括射流風(fēng)機(jī)、配電電纜、隧道斷面拓寬費(fèi)等。方案a的建設(shè)成本最低，經(jīng)濟(jì)性最好；方案e的建設(shè)成本最高，經(jīng)濟(jì)性最差。綜合考慮排煙系統(tǒng)建設(shè)成本、隧道風(fēng)速和煙氣控制效果等因素，方案a是經(jīng)濟(jì)最合理、技術(shù)可行性較高的防排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；同時(shí)，在土建條件允許的情況下，可以采用設(shè)計(jì)方案d，車站設(shè)置4臺(tái)60 m3/s事故風(fēng)機(jī)，出入段線靠近車站側(cè)安裝一組37.5 m3/s射流風(fēng)機(jī)，以增強(qiáng)排煙效果，提高安全水平。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者利用經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的三維等比例FDS模型，根據(jù)長(zhǎng)2 503 m的地鐵出入段線V形坡度隧道的5種排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案得出了相應(yīng)的排煙風(fēng)速和排煙效果，研究了火源在隧道靠近車站側(cè)和V形坡隧道最低點(diǎn)這兩個(gè)位置時(shí)對(duì)排煙效果的影響，并對(duì)各方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，優(yōu)選了技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的出入段線通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1) 研究結(jié)果表明，該地鐵出入段線作為非載客區(qū)間，僅開(kāi)啟所連接車站的4臺(tái)事故風(fēng)機(jī)(單臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量為60 m3/s)，可以將隧道內(nèi)的煙氣順利排至室外，防止火災(zāi)煙氣威脅車站運(yùn)營(yíng)安全。此時(shí)，隧道內(nèi)的平均風(fēng)速約為1.5 m/s。

2) 射流風(fēng)機(jī)設(shè)置在靠近洞口處的設(shè)計(jì)方案，與設(shè)置在靠近車站處的設(shè)計(jì)方案相比，隧道內(nèi)的平均風(fēng)速并未顯著增加。綜合考慮設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性與排煙效果，在條件允許的情況下，可以在出入段線隧道靠近車站側(cè)設(shè)置一組射流風(fēng)機(jī)，用于增強(qiáng)排煙效果，提高運(yùn)營(yíng)安全水平。

3) 當(dāng)火源位置靠近車站時(shí)，由于火情上報(bào)、控制中心下達(dá)指令及風(fēng)機(jī)啟動(dòng)達(dá)工頻狀態(tài)均需一定的時(shí)間，車站軌行區(qū)會(huì)出現(xiàn)局部煙氣滯留、不易排出的情況，建議靠近出入段線側(cè)的兩臺(tái)事故風(fēng)機(jī)比其余事故風(fēng)機(jī)和射流風(fēng)機(jī)延遲30 s啟動(dòng)，以便有效解決軌行區(qū)內(nèi)煙氣滯留的問(wèn)題。