火災(zāi)工況下區(qū)間隧道疏散平臺的加壓送風(fēng)防煙模式研究

中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 魚晟睿 鄧保順 郭永楨

西安建筑科技大學(xué) 高 然

0 引言

軌道交通工程具有運(yùn)量大、發(fā)車密度高、環(huán)境封閉等特點(diǎn)，一旦地鐵列車在地下區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)，人員疏散困難、火災(zāi)不易撲滅[1]。地鐵隧道通風(fēng)系統(tǒng)是保障軌道交通工程地下區(qū)間正常通風(fēng)、防災(zāi)的重要系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計方案一直是重點(diǎn)和難點(diǎn)所在，目前國內(nèi)軌道交通工程中的隧道通風(fēng)系統(tǒng)，大多采用縱向通風(fēng)的系統(tǒng)形式。

當(dāng)列車在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時，存在3種可能性，即車頭火災(zāi)、車尾火災(zāi)和車中火災(zāi)。采用縱向通風(fēng)的隧道通風(fēng)系統(tǒng)形式，能夠較好地應(yīng)對車頭及車尾火災(zāi)(見圖1)，在火災(zāi)發(fā)生時，根據(jù)控制中心確定的地下區(qū)間乘客疏散方向，自動控制區(qū)間兩端的事故風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)入火災(zāi)工況，實(shí)現(xiàn)煙氣的控制并保障人員疏散安全[2]。

圖1 車頭、車尾火災(zāi)縱向通風(fēng)模式示意圖

國內(nèi)外有記錄的列車火災(zāi)事故，大多為車中火災(zāi)，且多為人為因素造成，例如2020年3月紐約地鐵火災(zāi)、2003年2月韓國大邱地鐵火災(zāi)等。當(dāng)列車中部發(fā)生火災(zāi)時，若車中起火點(diǎn)將疏散路徑切斷，乘客只能向兩端逃生；由于縱向通風(fēng)控?zé)熉窂降膯我恍裕谒淼劳L(fēng)系統(tǒng)啟動縱向排煙后，部分乘客不得不順著排煙的方向疏散，在煙氣的包圍中尋找聯(lián)絡(luò)通道或者單渡線進(jìn)入對側(cè)區(qū)間進(jìn)行逃生，見圖2。因此，傳統(tǒng)的縱向排煙模式存在缺陷，順著排煙方向逃生的乘客不得不面對火災(zāi)煙氣的消光性、高溫性、毒性，極大影響了此部分乘客的疏散安全。

圖2 車中火災(zāi)縱向通風(fēng)模式示意圖

當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)停滯于區(qū)間隧道時，人員用于逃生的隧道空間主要是以隧道下部的疏散平臺為主，而不是整個隧道空間。因此，若能采取措施，保障疏散平臺區(qū)域的防煙、清潔效果，結(jié)合傳統(tǒng)縱向通風(fēng)方案，就能夠保障所有乘客的疏散安全。

本文基于保障區(qū)間疏散平臺防煙效果這一理念，在忽略土建因素制約的情況下，探究區(qū)間隧道防災(zāi)氣流組織的新模式，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證，給出區(qū)間防排煙方案的優(yōu)化思路。

1 理論分析及概念提出

為達(dá)到疏散平臺區(qū)域的防煙與清潔效果，采用加壓送風(fēng)系統(tǒng)是最為直接和有效的途徑。但在區(qū)間隧道內(nèi)，新增一套就地加壓送風(fēng)系統(tǒng)十分困難，因此考慮利用隧道風(fēng)機(jī)，在區(qū)間火災(zāi)工況下，送風(fēng)端隧道風(fēng)機(jī)風(fēng)量通過風(fēng)閥調(diào)節(jié)，分流進(jìn)入疏散平臺加壓送風(fēng)道，通過合理設(shè)置加壓風(fēng)口，達(dá)到疏散平臺的防煙效果，原理圖見圖3。

圖3 利用隧道風(fēng)機(jī)進(jìn)行疏散平臺加壓送風(fēng)系統(tǒng)原理

疏散平臺的加壓風(fēng)道接至車站端頭的活塞/機(jī)械風(fēng)道中，接口處設(shè)置電動調(diào)節(jié)風(fēng)閥。火災(zāi)工況下，疏散平臺加壓送風(fēng)系統(tǒng)的控制理念如下：地鐵正常運(yùn)行時，區(qū)間隧道的活塞風(fēng)閥全開，疏散平臺加壓風(fēng)閥關(guān)閉，滿足列車正常運(yùn)行時的活塞通風(fēng)需求；當(dāng)區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，隧道風(fēng)機(jī)啟動縱向通風(fēng)模式，送風(fēng)端的區(qū)間隧道機(jī)械風(fēng)閥與疏散平臺加壓風(fēng)閥按照預(yù)先設(shè)定的葉片角度開啟，分流一部分風(fēng)量進(jìn)入疏散平臺的加壓送風(fēng)道內(nèi)，形成疏散平臺的加壓送風(fēng)系統(tǒng)；排煙端的風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥正常開啟，排煙端的疏散平臺加壓風(fēng)閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

具體區(qū)間隧道疏散平臺處加壓送風(fēng)口設(shè)置及單洞單線隧道方案實(shí)施示意圖見圖4，方案具有以下特點(diǎn)：

圖4 疏散平臺加壓送風(fēng)方案實(shí)施示意圖

1) 通過上部加壓送風(fēng)口向逃生乘客送風(fēng)，確保逃生人員的新風(fēng)需求，減少因煙氣侵蝕、氧氣不足而造成的窒息危害。

2) 通過下部加壓送風(fēng)口在疏散平臺區(qū)域形成正壓，防止煙氣進(jìn)入疏散平臺區(qū)域。由于煙氣的流速是隨機(jī)的、脈動的，2個加壓送風(fēng)口的耦合效應(yīng)還能起到將偶然進(jìn)入的煙氣帶出疏散平臺的作用。

3) 通過水平擋煙板阻擋煙氣的反浮力射流。在具體隧道實(shí)施過程中，可利用上層土建風(fēng)道形成擋煙效應(yīng),阻隔煙氣，減少因加壓送風(fēng)形成的卷吸擾動，使煙氣再次進(jìn)入疏散平臺區(qū)域。

2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

2.1 三維模型及邊界條件設(shè)置

為驗(yàn)證在車中火災(zāi)的情況下，區(qū)間疏散平臺潔凈區(qū)的加壓送風(fēng)防煙模式的效果，對一典型地下區(qū)間隧道段進(jìn)行建模研究，具體模型見圖5。模型簡化為矩形隧道，尺寸為200 m×6 m×5.5 m(長×寬×高)，在隧道模型中設(shè)置縱向排煙邊界條件及橫向排煙的邊界條件，以便于比對不同防排煙方案下的實(shí)施效果。

圖5 區(qū)間隧道火災(zāi)模型示意圖

共模擬了4種工況下的排煙效果，具體邊界條件如表1所示。

表1 各種模擬工況下邊界條件

系統(tǒng)參數(shù)：區(qū)間隧道兩端各設(shè)置2臺隧道風(fēng)機(jī)(TVF風(fēng)機(jī))，共4臺，每臺風(fēng)量70 m3/s，風(fēng)機(jī)全壓按1 000 Pa，區(qū)間隧道總長度按1 km進(jìn)行建模；疏散平臺側(cè)的加壓風(fēng)口在區(qū)間隧道內(nèi)沿列車運(yùn)行方向每隔1 m設(shè)置一組，每組頂部設(shè)置200 mm×500 mm的條形送風(fēng)口，底部設(shè)置200 mm×200 mm的條形送風(fēng)口。

工況1：縱向排煙+疏散平臺加壓送風(fēng)工況。開啟送風(fēng)端疏散平臺加壓送風(fēng)風(fēng)閥，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量按照疏散平臺側(cè)加壓風(fēng)道與區(qū)間隧道送風(fēng)量1∶1比例進(jìn)行分配，即送風(fēng)端加壓送風(fēng)道內(nèi)送風(fēng)量70 m3/s，區(qū)間隧道內(nèi)送風(fēng)量70 m3/s。排煙端開啟2臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙，區(qū)間隧道內(nèi)總排煙量為140 m3/s。疏散平臺側(cè)，頂部送風(fēng)道與底部送風(fēng)道按照7∶3 進(jìn)行風(fēng)量分配。按此比例計算，頂部加壓風(fēng)口風(fēng)速約為0.7 m/s，底部加壓風(fēng)口風(fēng)速約為0.3 m/s。排煙端關(guān)閉加壓送風(fēng)風(fēng)閥，正常開啟區(qū)間機(jī)械風(fēng)閥進(jìn)行排煙。

工況2：縱向排煙工況。關(guān)閉送風(fēng)端、排煙端的平臺加壓送風(fēng)風(fēng)閥，正常開啟隧道風(fēng)機(jī)及機(jī)械風(fēng)閥進(jìn)行縱向排煙，即送風(fēng)端開啟2臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，總風(fēng)量為140 m3/s；排煙端開啟2臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙，總排煙量為140 m3/s。

工況3：橫向排煙工況。排煙口每隔25 m設(shè)置一處，每處排煙口按照1 m2設(shè)置。根據(jù)同系統(tǒng)規(guī)模風(fēng)機(jī)風(fēng)量(4臺，每臺風(fēng)量70 m3/s的風(fēng)機(jī))進(jìn)行計算，4臺風(fēng)機(jī)同時作用于排煙，每個排煙口排煙氣流速度為7 m/s，按此進(jìn)行數(shù)值模擬。

工況4：無排煙工況。關(guān)閉所有防排煙設(shè)施。

上述4種工況中，風(fēng)機(jī)風(fēng)量保持一致；區(qū)間隧道火災(zāi)火源強(qiáng)度的設(shè)置，按照傳統(tǒng)6B編組車型，取7.5 MW進(jìn)行數(shù)值模擬[2]。

2.2 模擬方法及模擬驗(yàn)證

采用Fire Dynamics Simulator軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。湍流模型采用大渦模擬(LES)；其中常數(shù)Cs采用0.18；普朗特數(shù)Pr和施密特數(shù)Sc分別取0.2和0.5時，燃燒模型是基于混合分?jǐn)?shù)的燃燒模型；輻射傳熱模型在選取有限體積法(FVM)下引入輻射傳熱來求解輻射傳遞方程(RTE)；數(shù)值解的收斂性應(yīng)用了Courant-Friedrich-Lewy(CFL)條件進(jìn)行判定。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性，將沿隧道方向的火災(zāi)煙氣溫度、沿隧道方向的CO體積分?jǐn)?shù)及逐時頂棚煙氣溫度與文獻(xiàn)[3-5]的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，結(jié)果見圖6～8。對比發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬計算的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

圖8 頂棚煙氣溫度對比(模擬值與文獻(xiàn)[5]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù))

2.3 模擬結(jié)果分析

火災(zāi)煙氣對人體的危害主要體現(xiàn)在3個方面，分別為消光性、高溫性、毒性，其中消光性影響人員的正常疏散，高溫性和毒性會直接對人體造成損害[6]。火災(zāi)煙氣中，主要組成成分為懸浮顆粒、CO及CO2等，其中毒性最大的為CO，因此CO的體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)最能代表煙氣形成毒性、高溫性及消光性的情況。本文通過數(shù)值模擬，分析不同工況下的區(qū)間隧道內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值模擬結(jié)果。以火源為0點(diǎn)，取距離火源5 m處剖面圖進(jìn)行分析，具體如圖9～12所示。

圖9 工況1隧道剖面的CO體積分?jǐn)?shù)等值線圖

圖10 工況2隧道剖面的CO體積分?jǐn)?shù)等值線圖

圖11 工況3隧道剖面的CO體積分?jǐn)?shù)等值線圖

圖12 工況4隧道剖面的CO體積分?jǐn)?shù)等值線圖

從圖9可以看出，在工況1縱向排煙與疏散平臺加壓送風(fēng)的共同作用下，煙氣被控制在了隧道中上部。在縱向排煙上游區(qū)域，隧道空氣保持潔凈,在下游區(qū)域，隧道下部疏散平臺處形成了一個逃生潔凈區(qū)，CO體積分?jǐn)?shù)低于5×10-6，這是得益于加壓送風(fēng)系統(tǒng)形成的正壓效應(yīng)，保障了乘客在火災(zāi)工況下的疏散要求。從圖10可以看出：在工況2縱向排煙方案下，在火災(zāi)上游區(qū)域，隧道空氣保持潔凈；而在火災(zāi)下游區(qū)域，煙氣隨著縱向排煙進(jìn)行擴(kuò)散，在人員行走區(qū)域出現(xiàn)CO體積分?jǐn)?shù)超標(biāo)的情況。相比之下，工況1與工況2能夠有效控制縱向送風(fēng)方向的煙氣，工況3對煙氣的控制效果一般。而工況1相比于工況2，在設(shè)置了加壓送風(fēng)系統(tǒng)后，能夠在隧道疏散平臺這一關(guān)鍵區(qū)域形成一個相對潔凈的環(huán)境，保證乘客的正常疏散。

3 結(jié)論

通過理論分析，給出了一種基于火災(zāi)工況下區(qū)間疏散平臺潔凈區(qū)的加壓送風(fēng)防煙模式，并通過三維建模，模擬了區(qū)間隧道列車車中火災(zāi)工況下，不同隧道通風(fēng)方案的煙氣控制效果。結(jié)論如下：

1) 本文提出的疏散平臺加壓送風(fēng)方案，能夠有效控制隧道下半部、疏散平臺等人員疏散區(qū)域的煙氣，保障乘客的疏散安全。

2) 當(dāng)列車在地下區(qū)間發(fā)生車中火災(zāi)時，傳統(tǒng)的縱向通風(fēng)方案無法保障與煙氣排出同向的疏散乘客的安全。而采用縱向通風(fēng)+疏散平臺加壓送風(fēng)相結(jié)合的系統(tǒng)方案，不但能夠保障縱向通風(fēng)上游的空氣潔凈，還能夠強(qiáng)化疏散平臺的煙氣控制，保障乘客疏散安全。

3) 國內(nèi)軌道交通項(xiàng)目中，大多為單洞單線、單洞雙線的區(qū)間隧道形式，隧道斷面緊湊，各類管線繁多，加壓送風(fēng)土建風(fēng)道的設(shè)置方案仍需進(jìn)一步研究。