地铁长大区间隧道火灾排烟模式有效性研究

仇培云高级工程师 史聪灵教授级高工 汪良旗教授级高工 李 建工程师 陈嘉诚工程师

(1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510000；2.中国安全生产科学研究院，北京 100012)

0 引言

地铁作为现代化的城市轨道交通工具，承担着越来越重要的大客流运输任务。从城市化、能源紧张、效率与环境问题等方面考虑，地铁具有运量大、速度高、低污染、少占资源、低能耗、乘坐方便、舒适等特点，符合可持续发展的原则，特别适用于大中城市。截至2017年末，中国内地共计34个城市开通城市轨道交通并投入运营，开通城市轨道交通线路165条，运营线路长度达到5 033km。其中，地铁3 884km，占比77.2%[1]。

随着我国轨道交通建设工作的推进，不少城市轨道交通线路开始由中心城区向城郊延伸，由于城郊人口密度低，站间距较大，导致地铁长大区间隧道日益涌现。长大区间隧道基本处于地下空间，环境封闭，而运行的列车内人员密集，一旦发生火灾，其排烟模式的有效性关乎大量人员的生命安全[2]。

研究区间隧道火灾通风排烟主要有全尺寸实验、模型实验、理论分析和数值模拟等。史聪灵等[3]采用全尺寸火灾实验的方式，研究区间隧道火灾烟气纵向蔓延速度、烟气竖直温度分布和水平温度变化，分析了烟气火焰倾斜角，顶棚烟气温升的纵向指数变化特征；Ingason等[4-5]采用缩尺寸试验和理论分析，研究了纵向通风情况下隧道内烟流控制、临界风速和烟气逆流长度。

Weng 等[6]则采用量纲分析法，研究了纵向通风情况下隧道内烟流控制临界风速和烟气逆流长度; 张之启[7]针对地铁的长大过江区间隧道，从通风系统形式、气流组织等方面详细研究了长大区间隧道的通风、排烟系统设计方案，对于同时存在多列车同向运行的长大区间隧道，当区间隧道采用大洞方案时，设置顶部风道、风口来组织隧道内的通风排烟，当区间隧道采用小洞方案时，在区间隧道上设置中间风井，利用中间风井进行通风排烟；袁中原[8]采用理论分析、模型试验和三维数值模拟结合的方法，研究了顶部开孔地铁区间隧道的火灾烟气特性和烟气控制方法。

吴萍[9]采用数值模拟，以带独立排烟道的长大单洞双向地铁区间隧道为研究对象，研究了单点点式排烟和双点点式排烟2种模式下的烟气流动特性，并分别研究了随着火源热释放率、火源竖向位置、排烟风口横向尺寸、排烟风口纵向尺寸、火源与风口间距和排烟风量等因素影响烟气流动特性的变化规律；苏晶[10]使用地铁环控计算软件SES 对最终隧道通风方案进行火灾工况下的模拟分析研究。

本文将采用数值模拟方式，以国内某一在建地铁长大区间为研究实例，针对长大区间内列车不同起火位置设计相应排烟模式，研究各工况下的排烟效果，以期获得各对应有效排烟模式，为地铁工程设计和运营提供参考。

1 长大区间隧道火灾烟气计算模拟

本研究选取国内某在建长大区间进行火灾计算模拟和论证。该区间隧道长5 687m，区间两端车站分别为A站和B站，区间内设置了10个联络通道和2个中间风井(1#中间风井和2#中间风井)，1#中间风井靠近A站，2#中间风井靠近B站区间隧道断面直径为5.4m，如图1。两条单线区间隧道之间的联络通道的截面尺寸为3 m(宽)×2.5 m(高)。联络通道两端均设向疏散方向开启的甲级防火门，防火门高2m，宽1.2m。

图1 车站、区间隧道及联络通道示意图

1.1 火源功率设定

四川消防研究所[11]对地铁火灾进行了模拟研究，给出了一节车厢最大的热释放速率为5MW左右。本文列车火灾模拟功率按每节车厢5MW，一次列车火灾规模按每小时烧毁1.5节车厢计算[12]，因此计算的火灾规模约为7.5MW，着火列车长度范围约为36m。根据t平方火灾增长模型，火灾曲线升温曲线可按约10min达到峰值考虑。

1.2 网格设置分析

在FDS数值模拟中，网格质量与计算机配置、耗费时间和模拟结果的准确性直接相关，为达到节省时间和保证精确度的目的，合理设置网格大小至关重要。在隧道火灾模拟分析中，火灾特征直径D*与网格尺寸dx大小关系密切，D*/dx值为4～16认为对火灾模拟的网格设置是合理的[13]。

式中：

D*—火源特征直径，m；

Q—火源热释放速率，kW；

ρ∞—环境空气密度，kg/m3；

C∞—环境空气比热，kJ/(kg·K)；

T∞—环境空气温度，K；

g—重力加速度，m/s2。

根据上式，网格设置取值范围为0.13～0.52m。因此本文设置网格尺寸为0.2m×0.2m×0.2m，采用全尺寸建模，长大区间隧道模型总网格数约为1 600万。由于FDS只能构建矩形网格，因此隧道断面需借助圆角处理功能来实现，采用圆角处理后，可消除矩形边界对气流运动的影响。

2 计算火灾场景

由于该区间设置了2座中间风井，因此需考虑列车停靠在车站与中间风井之间、2个中间风井之间的情况，通过模拟计算验证现有典型区间通风排烟系统设计是否满足规范要求，设置3种火灾场景，如图2。

(1)工况1：列车位于A站和1#中间风井之间。

起火隧道内，距列车头部较近端的1#中间风井隧道风机(风量60m3/s)排烟，距列车尾部较近端A站的隧道风机(风量60m3/s)送风。另外未起火隧道内，A站和1#中间风井的各1台隧道风机(风量均为60m3/s)向未起火区间内送风，保持未起火区间的正压性；车站的隧道排热风机系统关闭；A站的站台门关闭，1#联络通道(X1=1 035m)打开，供乘客疏散使用。

图2 各火灾场景示意图

(2)工况2：列车位于1#中间风井和2#中间风井之间。

起火隧道内，距列车头部较近端的2#中间风井隧道风机(风量60m3/s)排烟，距列车尾部较近端1#中间风井的隧道风机(风量60m3/s)送风。另外未起火隧道内，1#中间风井和2#中间风井的各1台隧道风机(风量均为60m3/s)向未起火区间内送风，保持未起火区间的正压性；车站的排热风机关闭；6#联络通道(X2=1156m)打开，供乘客疏散使用。

(3)工况3：列车位于2#风井和B站之间。

起火隧道内，距列车头部较近端的B站隧道风机(风量60m3/s)排烟，距列车尾部较近端2#风井的隧道风机(风量60m3/s)送风。另外未起火隧道内，B站和2#中间风井的各1台隧道风机(风量均为60m3/s)向未起火区间内送风，保持未起火区间的正压性；B站的排热风机关闭；B站的站台门关闭，9#联络通道(X3=285m)打开，供乘客疏散使用。

3 结果与讨论

按照工况一场景设置的中间风井设置方案和区间排烟送风模式，烟气将被诱导沿着区间隧道向1#中间风井蔓延。从图3(b)可以看出，X1=1 300m位置的上风向温度无变化，说明热烟气并未向上风向蔓延；下风向顶棚最高温度出现在X1=1 350m位置，说明烟气羽流由于纵向风速的影响，向右侧产生了倾斜隧道顶棚稳定温度纵向分布情况，如图3(a)，1#中间风井的中心位置X1=2 325m及其右侧温度保持为环境温度，说明烟气向右并未蔓延出中间风井位置。

按照工况二场景设置的中间风井设置方案和区间排烟送风模式，烟气将被诱导沿着区间隧道向2#中间风井蔓延。从图4(b)可以看出，X2=1 300m位置的上风向温度无变化，说明热烟气并未向上风向蔓延；下风向顶棚最高温度出现在X2=1 400m位置，说明烟气羽流由于纵向风速的影响，向起火列车右侧倾斜；隧道顶棚稳定温度纵向分布情况，如图4(b)，2#中间风井的下风向位置X2=2 400m温度保持为环境温度，说明烟气向右并未蔓延出中间风井位置。

按照工况三场景设置的中间风井设置方案和区间排烟送风模式，烟气将被诱导沿着区间隧道向B站隧道风井蔓延。从图5(b)可以看出，X3=550m位置的上风向温度无变化，说明热烟气并未向上风向蔓延；下风向顶棚最高温度为135℃；隧道顶棚稳定温度纵向分布情况，如图5(b)，B站隧道风井的下风向位置X3=1 000m温度保持为环境温度，说明烟气向右并未蔓延至B站。

图3 工况一起火隧道内坐标X1=1300-2000m顶棚温度情况

图4 工况二起火隧道内坐标X2=1200-2000m顶棚温度情况

图5 工况三起火隧道内坐标X3=590-940m顶棚温度情况

由于风机启动后压力波在长大区间传播需要一定时间，因此流场在0～500s处于震荡状态。直到500s左右才稳定下来。稳定后，工况一起火列车中心线周围的流量为40kg/s，流速约为3.1m/s，1#联络通道到起火列车之间的区间隧道流速略高于2m/s；工况二起火列车中心线周围的流量为40kg/s，流速为3.5m/s，起火列车到6#联络通道之间的区间隧道流速略高于2m/s；工况三起火列车中心线周围的流量为55kg/s，流速为2.5m/s，起火列车到9#联络通道之间的区间隧道流速为2.2～2.8m/s，根据《地铁设计规范》要求，单区间隧道排烟流速不应小于2m/s，且不得大于11m/s，各工况均满足规范要求。

如图6所示，通过在模拟过程中对联络通道内的流场进行监测发现，各工况下，用于人员疏散的联络通道内流场方向均为未起火隧道至起火隧道，可有效阻止烟气进入另一侧隧道，确保未起火隧道无烟气进入，有利于人员安全疏散。

图6 各工况下联络通道截面流量和中心流速

4 结论

(1)本文针对不同的工况，分别采取相应的区间排烟送风模式，各工况烟气能够快速的蔓延至风井位置处，并通过风井处的排烟风机排除。

(2)在三种不同工况下，采取相应排烟模式，均满足起火隧道流速大于未起火隧道流速，使联络通道内的流场方向为未起火隧道至起火隧道，能有效的阻止烟气进入另一侧隧道，确保未起火隧道无烟气进入。

(3)在三种不同工况下，采取相应排烟模式，烟气不会扩散出中间风井位置，能保证烟气在着火区段内的顺利排出，减少对其余区段和车站的影响。