鐵路隧道救援站通風優化設計研究

黃超，余朝陽

（川藏鐵路有限公司，四川 成都610045）

0 引言

我國鐵路尤其是高速鐵路正在快速發展，鐵路建設過程中長大隧道的規模與數量也大幅度增加。眾所周知，隧道內空間狹小且密閉，列車內更是人員密集地，而動車組的窗戶基本無法快速直接打開，一旦發生火災危險性更大［1-3］。隧道內發生火災后急需進行通風，目前隧道的通風設計計算多采用二維通風網絡計算，僅考慮了線性問題，未考慮風流過程中空間在橫斷面上對風速形成的影響。因此，以某單洞雙線隧道救援站為例，探討通過利用二維通風網絡計算結果以及三維數值模擬計算對二維通風網絡線性結果進行驗證，為隧道結構通風優化設計提供建議。

1 工程概況

某隧道為單洞雙線隧道，全長約23 km，根據規范要求隧道內設計了救援站。為實現防災救援，在該段隧道左右兩側各設置1條輔助導坑，同時設置橫通道用于連接正洞和輔助導坑，左右兩側各設置11條，間隔50 m。救援站左側救援通道直接與通向隧道外的輔助導坑相連，右側救援通道利用新建下穿正洞的聯絡通道與輔助導坑相連。救援站范圍隧道正洞拱部上方設置排煙平導，排煙平導通過正洞拱頂的豎井與正洞相接，豎井間距約為100 m，共設置6個，最終排煙平導通過約500 m長的排煙斜井接出洞外。救援站布置見圖1。

圖1 救援站布置示意圖

2 模擬計算

假設右線行駛的列車在隧道內發生火災，并停靠在救援站右側，根據《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規范》［4］要求，在隧道救援站內發生火災后根據列車行進方向開啟對應一側的救援疏散通道，同時對隧道內進行通風排煙，并保證每道防護門風速不低于2 m/s。

2.1 二維通風網絡計算

為滿足要求，利用二維通風網絡程序經過多次試算得出隧道主洞、橫洞的需風量與排煙斜井的排風量（試算時未考慮自然風），計算結果所得邊界條件見圖2［5］：隧道進口方向送風風速為0.17 m/s、出口方向送風風速為0.18 m/s、橫洞送風風速為8.24 m/s、排煙斜井抽風風速為6.29 m/s。

圖2 通風網絡程序計算所需風速

2.2 三維數值模擬計算

2.2.1 三維數值模擬條件

三維數值計算利用火災數值模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulation）對隧道火災進行動態模擬。FDS中默認的燃燒模型為混合分數（mixture fraction）燃燒模式；FDS對于輻射換熱過程，使用類似于有限體積的方法求解非散射灰體輻射換熱方程［3］。

NIST開展了系統實驗來驗證FDS的火災模擬預測能力。所有全尺寸試驗結果均表明FDS在一定程度上能相對完美地進行火災模擬。

通過對國內外相關火災熱釋放速率及有關列車的實體火災試驗統計數據調研［6-13］以及Helbing等［14-16］研究結果分析，設定發生火災時的最大熱釋放速率為15 MW［17］。

計算中做以下假定［3］：

（1）隧道火災前，隧道內風流和溫度處于相對均勻的狀態；

（2）機械通風引起的風流以及燃燒產生的煙氣均視為理想氣體；

（3）煙氣產生后不產生二次化學反應；

（4）隧道襯砌干燥、無滲透；

（5）忽略小型阻礙物、壁面設施和人員運動對風流的影響作用；

（6）忽略燃燒過程中隧道內氧含量對火源的熱釋放速率以及產煙量的影響。

假定圍護結構材料為鋼筋混凝土，實體邊界定為熱厚邊界條件，并且假定實體外面溫度與設定的環境溫度相同，設定為20℃，并保持恒定不變，進入計算區域的新風溫度也保持20℃。

利用火災動力學模擬軟件FDS按照全尺寸建立模型（見圖3），由于在右線發生火災時，左線橫通道全部處于關閉狀態，故在建立模型時只建立了風流流經的部分（正洞、右線橫通道、右線2號救援平導、排煙豎井以及排煙斜井）。計算模型從列車發生火災并停靠在救援站內時開始計算，同時開啟風機和橫通道門。邊界條件根據前文計算結果進行設定。

圖3 FDS三維建模模型圖

2.2.2 原方案模擬

根據FDS計算結果得出：在作為主進風口的2號救援平導聯絡通道側的5#橫通道門處風速相當不穩定，而且在模擬計算25 min過程中大部分時間風速達不到2 m/s；同時6#橫通道門處風速遠遠不能達到要求，模擬過程中各處橫通道防護門處風速見圖4。

圖4 各橫通道門處風速圖

5#和6#橫通道中線對應平導內風速分布云圖見圖5和圖6。

利用FDS軟件查看平導內風速分布云圖，可以看到5#、6#橫通道中線對應平導內斷面上風速分布相當不均勻，在橫通道門側風速很小，而在遠離橫通道側墻壁附近風速可達8 m/s。這種分布造成分風中風流很難進入5#和6#橫通道，故需調整原方案。

圖5 5#橫通道中線對應平導內風速分布云圖

圖6 6#橫通道中線對應平導內風速分布云圖

2.2.3 調整方案模擬

調整方案首先考慮將橫通道間距加大，布置在風速分布相對均勻的地方。規范規定橫通道間距最大為60 m，故將5#橫通道向隧道進口方向移動5 m，6#橫通道向隧道出口方向移動5 m，5#橫通道和6#橫通道間調整為60 m。計算結果顯示5#、6#橫通道中線對應平導內斷面上風速分布相較移動之前分布差距有所縮小，但仍不均勻，在橫通道門側風速很小，而在遠離橫通道側墻壁附近風速可達6 m/s。移動之后5#橫通道和6#橫通道風速依然達不到要求，甚至影響到7#橫通道處風速，使其降低很多。

繼續考慮將橫通道間距加大，布置在風速分布相對均勻的地方，同時將進風口與平導連接段至5#橫通道和6#橫通道之間的斜坡部分擴大斷面形成喇叭口向平導內送風。修改方案后局部平面圖和模型圖見圖7。

計算結果顯示在調整方案修改為喇叭形進風口后，在5#橫通道和6#橫通道中線對應平導內風速分布相對比較均勻，有利于風流向橫通道內（見圖8和圖9）。

雖然6#橫通道門處風速最小，但整個模擬過程中其平均風速約為2.3 m/s，各橫通道們風速達到規范要求的2 m/s以上。整個模擬過程中5#橫通道門處平均風速約為2.6 m/s，模擬過程中各處橫通道防護門處風速見圖10。

圖7 修改方案后局部平面圖和模型圖

圖8 方案調整后5#橫通道中線對應平導內風速分布云圖

圖9 方案調整后6#橫通道中線對應平導內風速分布云圖

通過二維和三維計算結果可見：風流具有空間各向異性，在一定情況下不能簡單地將其簡化為二維空間進行計算。風流具有各向異性，在橫斷面上分布不一定是均勻的，計算中不能單純地取其平均值作為斷面風速。

3 結論與建議

（1）建議將該隧道救援站的5#和6#橫通道間距加大為60 m，并且在聯絡通道與5#和6#橫通道之間加寬斷面，以實現喇叭形進風口向平導內送風，使得風流在2號輔助導坑橫斷面上較均勻分布。

圖10 方案調整后各橫通道門處風速圖

（2）二維通風網絡計算僅考慮了線性問題，認為節點上的風速是均勻分布的，未考慮空間性對風速在橫斷面上分布造成的影響；在隧道通風計算中，特定情況下不能簡單將其簡化為二維空間進行計算。

（3）建議實際工程中在利用二維通風網絡計算出結果后，應通過三維數值模擬進行驗證，以便對結構進行優化。