防護門處風速對鐵路隧道緊急救援站火災煙氣的影響

蔣 堯 周遠龍 胡 煒 譚信榮 畢海權

(1. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031； 2. 西南交通大學， 成都 610031)

隨著我國鐵路技術的不斷發展，特長鐵路隧道的數量不斷增加，截止2018年底，長度超過20 km的隧道，已經運營9座，在建6座，規劃33座[1]。根據TB 10020-2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》，長度20 km及以上的隧道或隧道群應設置緊急救援站，當列車在隧道內發生火災事故時，優先選擇將列車駛出隧道進行疏散救援，當不能駛出隧道時，應停靠在緊急救援站內進行疏散救援。緊急救援站內設置列車火災防排煙通風系統，控制煙氣流動，保證人員安全疏散時間，減少人員傷亡和財產損失[2]。

特長鐵路隧道緊急救援站防排煙通風系統可分為縱向通風方式和半橫向通風方式。曾滿元等人[3]對石太客運專線太行山特長隧道緊急救援站防排煙通風方案進行了研究，丁祥等人[4]對包蘭鐵路青天寺特長隧道緊急救援站防排煙通風方案進行了研究，均認為采用縱向通風方式時除非火災發生在車頭、車尾位置，總有部分車廂處于煙流之中，影響這些車廂人員的疏散逃生，只有采用半橫向通風方式才能徹底解決這個問題，故建議在救援站范圍內采用半橫向通風方式；秦寧然等人[5-7]對某單洞雙線特長隧道緊急救援站采用半橫向通風方案時的排煙通風量、排煙口尺寸及間距、橫通道內射流風機安裝位置等設計參數進行了研究；羅欣宇等人[8]對成蘭鐵路平安特長隧道(雙洞單線)緊急救援站采用半橫向通風方案時的射流風機布置方式進行了研究，認為應將射流風機布置在正洞內。

綜上可知，雖然關于特長隧道緊急救援站防排煙通風的研究較多，但未見關于防護門處風速對火災煙氣蔓延控制以及人員疏散影響的研究。本文通過分析防護門處不同風速下救援站內煙氣蔓延的特征，研究防護門處風速對煙氣控制的影響，以期優化緊急救援站防排煙通風方案，為類似工程建設提供參考。

1 緊急救援站概況

某設計速度200 km/h客貨共線鐵路的特長隧道，全長28.4 km，采用雙線分修方案，線間距30 m。為解決隧道內列車火災事故的疏散救援問題，采用加密橫通道的方式，在隧道中部設置緊急救援站1座，平面布置如圖1所示。救援站全長550 m，共設置11條橫通道，橫通道間距50 m，橫通道兩端各設置1扇防護門，防護門尺寸3.4 m×2.0 m(寬×高)，如圖2所示。沿線路方向，在隧道頂部每間隔100 m設置1處排煙豎井，左右線隧道各設置5處，排煙豎井直徑為5.0 m，排煙豎井通過縱向連絡煙道與排煙斜井相連，如圖3所示。

圖1 緊急救援站平面圖

圖2 疏散橫通道聯絡圖(cm)

圖3 豎井式聯絡煙道截面圖

本緊急救援站采用半橫向通風排煙方式，在左、右線隧道兩端均安裝有1組射流風機，排煙斜井內安裝有軸流風機。當著火列車停靠在救援站進行疏散救援時，開啟排煙斜井內的軸流風機排煙，同時開啟安全隧道內的射流風機向緊急救援站加壓送風，使橫通道內保持正壓，防護門處風速不小于2.0 m/s，防止煙氣進入橫通道影響人員逃生，如圖4所示。

圖4 救援站防通風排煙方案示意圖

2 救援站火災煙氣蔓延計算模型

2.1 計算模型

以左線隧道發生列車火災事故停車疏散救援為例，建立救援站火災煙氣蔓延計算模型。為減少計算量，只建立事故隧道、橫通道和排煙豎井模型，平面示意如圖5所示。計算列車模型采用CRH2型動車組，3車編組，總長85 m。忽略列車受電弓、風擋、轉向架等結構。

圖5 救援站計算模型平面示意圖

2.2 計算工況

(1)火災規模

本線路為客貨混行，參考TB 10020-2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》，計算時火災熱釋放速率取20 MW。

(2)火災車廂位置

根據列車火災事故預案，當某節車廂內發生火災并失去控制時，先疏散乘客至相鄰車廂，并關閉火災車廂兩端具有一定防護能力的端門，然后將列車行駛至隧道外或緊急救援站進行疏散救援，故研究僅考慮1節車廂著火的情況。

火災車廂處于救援站內位置不同煙氣蔓延情況也不同，為研究防護門處風速對火災煙氣蔓延的影響，需考慮火災車廂與排煙豎井、橫通道相對位置的影響。選取2種位置進行研究(如圖6所示)，位置A在3號排煙豎井正下方，5號與6號橫通道之間；位置B在3號與4號排煙豎井之間，7號橫通道正前方。

圖6 火災車廂位置示意圖

(3)防護門風速

選取防護門處風速分別為0.7 m/s、1.2 m/s和2.0 m/s進行研究，計算工況如表1所示。

表1 計算工況匯總表

2.3 煙氣控制標準

隧道內發生列車火災事故時，影響人員疏散逃生的火災煙氣參數主要有接觸溫度、熱輻射量、CO濃度和能見度[9]。

人員在隧道內逃生時不可避免地會接觸到煙氣，煙氣溫度過高會灼傷人體，影響人員疏散，美國標準 NFPA 130-2014《Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems》規定：建筑物內發生火災時，在 6 min的逃生時間內，火源30 m外逃生路徑上人員接觸到的煙氣溫度不得高于70 ℃[10]。

熱輻射是火災主要的傳熱方式之一。研究表明，人在幾分鐘內能忍受的輻射熱量極限為2～2.5 kw/m2。當輻射熱量為2.5 kw/m2時，高6 m、寬8 m的隧道內對應最高煙氣溫度為180 ℃。

煙氣的消光作用使火災現場的能見度下降，將對人員的安全疏散造成嚴重影響。TB 10020-2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》規定：隧道內特征高度2.0 m處，可見度不小于10 m。

為確保火災時高速鐵路隧道救援站人員的安全疏散，制定救援站火災煙氣控制標準。在著火列車停靠救援站后的6 min內，距火源30 m外的區域：

(1)特征高度2.0 m處，煙氣溫度不超過70 ℃；

(2)特征高度2.0 m處，煙氣能見度不低于10 m；

(3)最高煙氣溫度不超過180 ℃。

3 防護門風速對最高煙氣溫度的影響

火災車廂停靠在位置A時，防護門處不同風速條件下救援站內最高溫度計算結果如圖7所示。從圖7可以看出，當著火車廂位于排煙豎井正下方、兩橫通道之間時，隨著防護門處風速的增加，救援站內最高煙氣溫度變化不大，火源30 m外區域的最高煙氣溫度低于180 ℃，滿足控制標準。

圖7 位置A時最高煙氣溫度分布圖

火災車廂停靠在位置B時，防護門處不同風速條件下救援站內最高煙氣溫度計算結果如圖8所示。從圖8可以看出，當火災車廂位于兩排煙豎井之間、橫通道正前方時，隨著防護門處風速的增大，最高煙氣溫度幾乎無變化，但火源30 m外部分區域的最高煙氣溫度超過了180 ℃，不滿足控制標準。

圖8 位置B時最高煙氣溫度分布圖

對比火災車廂停靠在位置A和位置B的計算結果，防護門處相同風速條件下，停靠在位置B時救援站內最高煙氣溫度更高，且火源30 m外部分區域的最高煙氣溫度高于180 ℃，說明火災車廂停靠在位置B對控制最高煙氣溫度更為不利。

4 防護門風速對特征高度處溫度的影響

火災車廂停靠在位置A時，防護門處不同風速條件下疏散站臺特征高度2.0 m處的溫度計算結果如圖9所示。從圖9可以看出，當火災車廂位于排煙豎井正下方、兩橫通道之間時，防護門處不同風速條件下，人員疏散路徑2.0 m高度處的溫度均低于70 ℃，滿足控制標準[11]。但隨著防護門處風速的增大，特征高度2.0 m處的溫度逐漸升高，這可能是因為防護門處風速的增大，加大了對高溫煙氣層的擾動，從而使高溫煙氣下沉導致的。

圖9 位置A時特征高度2 m處溫度分布圖

火災車廂停靠在位置B時，防護門處不同風速條件下特征高度2.0 m處的溫度計算結果如圖10所示。從圖10中可以看出，當停靠在兩排煙豎井之間、橫通道正前方時，防護門處不同風速條件下，人員疏散路徑 2.0 m高度處的溫度均低于70 ℃，滿足控制標準。但隨著防護門處風速的增大，特征高度2.0 m處的溫度逐漸升高，這可能是因為防護門處風速的增大，加大了對高溫煙氣層的擾動，從而使高溫煙氣下沉導致的。

圖10 位置B時特征高度2 m處溫度分布圖

對比火災車廂停靠在位置A和位置B的計算結果，防護門處風速對人員疏散路徑上 2.0 m高度處溫度的影響相同。

5 防護門風速對特征高度處能見度的影響

火災車廂停靠在位置A和位置B時，特征高度2.0 m處的能見度計算結果如圖11、圖12所示。為便于觀察，圖中僅示出了能見度0～50 m區域的計算結果。

圖11 位置A時特征高度2 m處的能見度圖

圖12 位置B時特征高度2 m處的能見度分布圖

從圖11可以看出，火災車廂停靠在排煙豎井正下方、兩橫通道之間時，隨著防護門風速的增大， 特征高度2.0 m處的能見度逐漸降低；當防護門處風速為2.0 m/s時，特征高度2 m處的能見度小于10 m，不滿足控制標準。

從圖12可以看出，在火源左側，隨著防護門處風速的增大，特征高度2.0 m處的能見度逐漸降低，當防護門處風速為2.0 m/s時，特征高度2 m處的能見度小于10 m，不滿足控制標準；在火源右側，不同防護門風速下均有部分區域的能見度低于10 m。

對比火災車廂停靠在位置A和位置B的計算結果，停靠在位置B時，特征高度2.0 m處的能見度更差，說明火災車廂停靠在位置B時，能見度更難控制。

6 結論

本文通過建立救援站火災煙氣蔓延三維數值仿真模型，研究不同火源位置、防護門處風速條件下的火災煙氣蔓延特性，得出以下主要結論：

(1)雙洞單線特長鐵路隧道內緊急救援站采用半橫向排煙通風方式時，增大防護門處風速對降低隧道頂部最高煙氣溫度的作用有限，反而加大了對高溫煙氣的擾動，使得人員疏散路徑上特征高度2.0 m處的溫度升高，能見度下降。從煙氣控制的角度考慮，防護門處風速不是越大越好，建議采用防止煙氣進入橫通道的臨界風速即可。

(2)火災車廂與排煙豎井、橫通道的相對位置不同，煙氣控制的難度也不同。火災車廂位于排煙豎井正下方、兩橫通道之間對控制煙氣蔓延較為有利；火災車廂位于兩排煙豎井之間、橫通道正前方對控制煙氣蔓延較為不利。建議增加排煙豎井數量，盡量使火災車廂位于排煙豎井下方。