地鐵長大區間隧道火災風機啟動方案數值模擬研究*

李　建

(中國安全生產科學研究院 地鐵火災與客流疏運安全北京市重點實驗室，北京 100012)

0　引言

近年來，我國城市軌道交通正處于蓬勃發展階段。截止2016年底，我國開通城市軌道交通運營的城市達到30個，運營里程達3 727 km。預計2020年底，全國開通城市軌道交通的城市將達到55個，運營里程將突破6 000 km。伴隨著我國軌道交通建設的步伐，不少城市軌道交通建設逐漸從中心城區向城郊擴展，由于城郊人口密度低，站間距較大，因而地鐵長大區間隧道日益涌現。長大區間隧道基本處于地下空間，環境封閉，而運行的列車內人員密集，一旦發生火災，其排煙模式的有效性關乎大量人員的生命安全[1]。

研究區間隧道火災通風排煙主要有全尺寸實驗、模型實驗、理論分析和數值模擬等。史聰靈等[2]采用全尺寸火災實驗的方式，研究區間隧道火災煙氣縱向蔓延速度、煙氣豎直溫度分布和水平溫度變化，分析了煙氣火焰傾斜角，頂棚煙氣溫升的縱向指數變化特征；徐琳[3]根據密度修正弗諾德準則Fr設計熱態火災實驗，搭建1/14幾何縮尺、1/8溫差縮尺、0.145速度縮尺的復合排煙實驗臺，針對20 MW火災強度，并考慮上游無風、臨界風速送風、4種煙道排風量、2種行車空間高度變化等情況，總共完成16組對比實驗工況，獲得了1#、3#風口間隧道內熱煙氣擴散規律，并進一步完成CFD模擬的實驗驗證；Ingason等[4-5]采用縮尺寸試驗和理論分析，研究了縱向通風請下隧道內煙流控制臨界風速和煙氣逆流長度。

Weng等[6]則采用量綱分析法，研究了縱向通風情況下隧道內煙流控制臨界風速和煙氣逆流長度；張之啟[7]針對地鐵的長大過江區間隧道，從通風系統形式、氣流組織等方面詳細研究了長大區間隧道的通風、排煙系統設計方案，對于同時存在多列車同向運行的長大區間隧道，當區間隧道采用大洞方案時，設置頂部風道、風口來組織隧道內的通風排煙，當區間隧道采用小洞方案時，在區間隧道上設置中間風井，利用中間風井進行通風排煙；袁中原[8]采用理論分析、模型試驗和三維數值模擬結合的方法，研究了頂部開孔地鐵區間隧道的火災煙氣特性和煙氣控制方法。

圖3　長大區間隧道聯絡通道和防火門尺寸(mm)Fig.3　Dimension of connecting bypass and firep roof door of the studied long-large interval tunnel

吳萍[9]采用數值模擬，以帶獨立排煙道的長大單洞雙向地鐵區間隧道為研究對象，研究了單點點式排煙和雙點點式排煙2種模式下的煙氣流動特性，并分別研究了隨著火源熱釋放率、火源豎向位置、排煙風口橫向尺寸、排煙風口縱向尺寸、火源與風口間距和排煙風量等因素的影響煙氣流動特性的變化規律；朱祝龍等[10]針對地鐵長大過海區間隧道通風排煙問題，結合青島地鐵1號線瓦貴區間工程，采用理論及對比分析、數值解算等方法，分析過海區間隧道區間風井設置、火災工況氣流組織等問題；Zhou等[11]研究了運行中列車著火后煙氣運動模式；蘇晶[12]使用地鐵環控計算軟件SES對最終隧道通風方案進行火災工況下的模擬分析研究。

長大區間隧道火災，由于需要中間風井通風排煙系統、車站隧道通風排煙系統及車站端頭的區間隧道通風排煙系統協作排煙，相比普通區間隧道火災排煙模式更加復雜，風機組合模式更多，排煙效果也更加不確定。本文將采用數值模擬方式，以國內某一在建地鐵長大區間為工程依托，選擇不利起火點(列車發生火災，無法行駛到車站，停在兩中間風井之間)，研究不同送排煙模式下的排煙效果，以期獲得最佳排煙模式，為地鐵工程設計和運營提供參考。

1　模擬地鐵長大區間介紹

本文所研究長大區間為國內某一在建地鐵長大區間隧道，隧道全長5 687 m，區間內設置了10個聯絡通道和2個中間風井，聯絡通道和中間風井位置如圖1所示。隧道內徑為5.4 m，隧道壁厚0.61 m。本線車輛采用6A編組，列車長約為140 m，寬約3 m，高約3.8 m(不含車頂空調和受電弓)。隧道尺寸和車輛尺寸如圖2所示。

圖1　地鐵長大區間隧道聯絡通道和中間風井位置示意Fig.1　Connecting bypass and air shaft locations of the studied railway long-large internal tunnel

圖2　長大區間隧道斷面尺寸和列車尺寸(mm)Fig.2　Cross-section dimension and train size of the studied long-large interval tunnel

2條單線區間隧道之間的聯絡通道的截面尺寸為3 m(寬)×2.5 m(高)。聯絡通道兩端均設向疏散方向開啟的甲級防火門，防火門高2 m，寬1.2 m。聯絡通道和防火門尺寸如圖3。

2　模擬工況及測點測面設置

火源功率設置為國內地鐵設計中普遍采用的7.5 MW，其火災曲線升溫曲線可按約10 min達到峰值考慮。

利用FDS計算方法模擬火災的燃燒問題，網格尺寸必須小于一定的尺寸才能使得計算結果可信。參考FDS給出的火災模擬最大長度尺寸為火災特征直徑0.1D*[13]。

(1)

式中：D*為火源特征直徑，m；Q為火源熱釋放速率，kW；ρ∞為環境空氣密度，kg/m3；cp為環境空氣比熱，kJ/(kg·K)；T∞為環境空氣溫度，K；g為重力加速度，m/s2。

根據式(1)，網格尺寸最大不超過0.21 m，因此本文設置網格尺寸為0.2 m×0.2 m×0.2 m。調用FDS中MPI (Message Passing Interface)功能，將模擬隧道劃分為32個計算區域，采用多核并行計算方式加快計算。

一般而言，隧道排煙模式有自然排煙、縱向排煙，橫向排煙、半橫向排煙和混和排煙等[14]。由于工程造價低、設備費用少、施工方便、節省能源，目前國內地鐵區間隧道普遍采用縱向排煙。

針對本文上一節給出的國內某在建地鐵長大區間，選擇不利起火點(列車發生火災，無法行駛到車站，停在兩中間風井之間)，研究7種不同風機啟動模式下的排煙效果，風機啟動模式如表1和圖4所示。每臺風機風量為60 m3/s，考慮火災報警時間和風機啟動過程，本研究中設定風機1 min啟動完成。

表1　模擬工況設置

圖4　7種不同風機啟動模式示意Fig.4　Schematic diagram for seven different start modes

3　結果分析

采用大渦模擬軟件FDS[15]，根據前文給出的區間隧道尺寸、火源設置、工況設置等，模擬列車在隧道兩中間風井之間起火并停車情況下(最不利情況之一)7種風機不同啟動方案時煙氣蔓延情況。

圖5是火源附近頂棚溫度縱向分布。從圖中看到，不同風機啟動方案下，火源附近頂棚最高溫度存在較大差別，具體表現為：風機啟動方案5中，火源下風向最高溫度約為196℃，其次為風機啟動方案7，火源下風向最高溫度約為169℃，風機啟動方案3和風機啟動方案1下風向最高溫度接近，約為140℃，啟動方案4，6和2中火源下風向最高溫度最低，低于120℃。

圖5　火源附近頂棚溫度縱向分布Fig.5　Ceiling temperature distribution around fire source

圖6　疏散平臺人員高度溫度縱向分布Fig.6　Gas temperature at person height on evacuation platform along longitudinal direction

圖6則給出了疏散平臺人員高度溫度縱向分布。與火源附近頂棚溫度縱向分布類似，風機啟動方案5中疏散平臺人員高度溫度最高，約為171℃，方案7次之，約為129℃。方案1，4，3，2，6依次越來越低。

圖7中疏散平臺人員高度CO濃度縱向分布也獲得以上類似結果：方案5中CO濃度最高(最高約為0.058 3%，火源與風井#2之間大部分區域約為0.04%)；方案7疏散平臺人員高度CO濃度次之，最高約為0.041%，平均約為0.035%；方案6疏散平臺人員高度CO濃度最低，最高約為0.028 5%。

圖7　疏散平臺人員高度CO濃度縱向分布Fig.7　CO concentration at person height on evacuation platform along longitudinal direction

與疏散平臺人員高度溫度和CO濃度不同，不同方案情況下，疏散平臺人員高度可見度差別不大(見圖8)。這是因為機械送風和排煙作用下，火源下風向一段距離之后，隧道內煙氣將不再分層，而是以煙氣柱的形式向下風向蔓延，因而人員高度處可見度很低，不具備人員疏散的條件。

圖8　疏散平臺人員高度可見度縱向分布Fig.8　Visibility at person height on evacuation platform along longitudinal direction

綜合以上結果，可以認為風機啟動方案6排煙效果最好，風機啟動方案7較差，方案5最差。從圖4中看到，方案5僅開啟2臺送風風機和1臺排煙風機，相對于其他方案，風機啟動臺數較少，因而排煙效果最差不難理解。

方案7和方案6開啟送風風機一致，排煙風機臺數相同但是位置不一致，排煙效果卻差別很大。方案6開啟的2臺排煙風機距離火源較近，能夠及時排除大量煙氣，而方案7中，開啟的其中1臺排煙風機距離火源較遠，能夠起到的作用相對于火源附件的排煙風機差別較大，即使風量一致。

比較方案2和方案4，無論是頂棚最高溫度，還是疏散平臺人員高度最高溫度和CO濃度，方案2和方案4差別不大，而根據圖4，方案2與方案4的區別在于方案2多開啟1臺車站1區間風機送風；同樣地，比較方案1和方案3，排煙效果差別不大，而方案1與方案3的區別在于方案3多開啟1臺車站1區間風機送風。根據以上，本文認為當開啟了火源附近足夠數量的送風風機后，額外增加送風風量并不會顯著改善排煙效率。

4　結論

1)無論是比較方案2和方案4還是比較方案1和方案3，雖然方案2和方案3分別多開啟一臺車站端的區間隧道風機送風，但是排煙效果與方案4和方案1區別不大。本文認為當開啟了火源附近足夠數量的送風風機后，額外增加距離火源較遠的送風風機并不會顯著改善排煙效率。

2)即使開啟風機臺數一致，開啟火源所在區段兩端的風機效果明顯好于開啟其他風機。

3)由于機械送風和排煙，火源下風向煙氣基本不分層，呈現煙氣柱的分布方式，且不同風機啟動方案情況下，人員高度處可見度差距不大，都非常低，無法滿足人員疏散要求。

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