列車阻塞效應對地鐵隧道臨界風速的影響

夏三縣 張曉偉 胡璠 王海濤

1 鄭州地鐵集團有限公司

2 北京城建設計發展集團有限公司

3 河南工業大學土木工程學院

當地鐵隧道發生火災時，地鐵列車通常需要停在火災的上游位置。當車輛擁堵在火源的上游位置時，地鐵列車阻塞效應會改變隧道的流速和流場分布，因此，列車堵塞會對臨界風速造成影響。火災臨界風速是地鐵隧道煙氣控制的關鍵參數，隧道風速大于臨界風速可以防止火災煙氣逆風流傳播，可以給乘客撤離提供無煙安全撤離路線[1]。因此，研究列車阻塞效應對地鐵隧道臨界風速的影響具有重要意義。

2000 年開始隧道阻塞對臨界風速的影響得到學者們的關注和重視[2-4]，但大部分學者著重研究公路隧道阻塞比對火災臨界風速的影響，鮮有地鐵隧道的相關研究[5]。Li 等[6]研究了汽車阻塞效應對公路隧道臨界風速的影響。Lee 等[7]研究了火源在阻塞車輛的上下游位置對公路隧道臨界風速的影響。江荷等[8]開展了排煙口對地鐵隧道火災機械排煙效果影響的FDS 數值模擬研究。Kang[9]試驗研究了車輛火災對公路隧道臨界風道的影響。王君[10]開展了地鐵長區間隧道火災工況風速的實測試驗和研究分析。地鐵隧道與公路隧道的截面形狀、截面尺寸和隧道材料均不相同，因此本文開展了地鐵列車阻塞效應對地鐵隧道火災臨界風速的影響，給出考慮地鐵列車阻塞效應的地鐵隧道火災臨界風速計算公式。

1 數值模擬和熱煙驗證試驗

1.1 地鐵隧道三維數值模型

本研究在FDS 軟件中建立了水平地鐵隧道三維物理模型。地鐵隧道截面形狀為矩形，隧道尺寸長寬高為100 m×4.8 m×5.3 m。隧道地板、墻壁和頂板為鋼筋混凝土。火源尺寸長寬高為1 m×1 m×0.5 m，火源熱釋放速率設為5 MW。火源設置在隧道70 m 處地板中心位置，列車尺寸長寬高為40 m×2.8 m×3.8 m，列車位于隧道入口30 m 處。隧道外風速設置為0 m/s，隧道外空氣溫度設置為20 ℃。

1.2 單元格尺寸敏感性分析

數值模擬的單元格尺寸可以根據火源特征直徑計算確定。單元格尺寸取火源特征直徑的1/12～1/4 比較合適。式（1）給出了火源特征直徑的計算公式。

式中：D*是火源特征直徑，m；Q 是火源熱釋放速率，kW；ρ0室外空氣密度，kg/m3；cp是空氣的定壓比熱，kJ(kg·K)；g 是重力加速度，g/s2；T0是空氣溫度，K。

圖1 給出了不同單元格尺寸的隧道內的溫度分布情況。單元格尺寸小于0.3 m 時，溫度的變化已經趨于穩定，因此本文采用0.2 m 單元格尺寸。

圖1 火源下風側5 m 垂直方向的溫度分布圖

1.3 熱煙驗證試驗

本研究在真實地鐵隧道內開展了熱煙試驗，用于驗證FDS 模擬結果的正確性。試驗時熱源的熱釋放速率為23.03 kW。隧道內風速0.25 m/s。圖2 比較熱源下風側0.5 m 處隧道斷面距地面高度1 m 處空氣溫度預測值和實測值，兩者的最大偏差小于0.8 ℃，誤差率小于5%，表明FDS 模型的模擬準確性很高。

圖2 數值模擬預測溫度和實測溫度對比

2 數值模擬結果和分析

2.1 列車阻塞長度對隧道臨界風速的影響

通過改變列車的長度，研究了不同阻塞長度對火災煙氣返流長度的影響。阻塞長度是指發生火災時地鐵列車長度。火源位于隧道送風入口端70 m 處，列車位于火源上游側且緊鄰火源。隧道與大氣連通的一個端口設置為“SUPPLY”，用于產生1.4 m/s 的縱向風速。隧道的另一個端口設置為“OPEN”，用于模擬室外大氣環境。圖3 和圖4 分別給出了不同阻塞長度的火災煙氣返流長度情況和溫度云圖。

圖3 不同阻塞長度的煙氣返流長度

圖4 不同阻塞長度的溫度云圖

由圖3 和圖4 可知，阻塞長度對隧道火災臨界風速影響不明顯，阻塞長度10、20、30 和40 m 的火災煙氣返流長度基本相同。地鐵列車的車廂較長，車廂長度均超過10 m。由此，可以認為阻塞長度對地鐵出入線隧道火災臨界風速基本沒有影響。

2.2 列車阻塞比對地鐵隧道火災臨界風速的影響

在隧道長度100 m、火源熱釋放速率7.5 MW 模擬條件下，通過改變列車的高度研究了地鐵列車阻塞比對地鐵隧道臨界風速的影響。隧道縱向風速為1.6 m/s，列車距離隧道入口30 m，地鐵列車長度為40 m。圖5 和圖6 分別給了阻塞比10.46%、20.92%、31.38%和41.84%時地鐵隧道的煙氣返流長度情況和溫度場云圖。

圖5 不同阻塞比的煙氣返流長度

圖6 不同阻塞比的溫度云圖

由圖5 和圖6 可知，阻塞比對地鐵隧道火災煙氣返流長度影響較大，阻塞比10.46%的火災煙氣返流長度最長，阻塞比41.84%的火災煙氣返流長度最短。隨著隧道阻塞比逐漸增大，火災煙氣返流長度逐漸變短。究其原因是列車會使隧道截面積變小，進而會增加隧道內的縱向風速，使隧道煙氣返流長度和臨界風速變小。隧道阻塞區域和隧道無阻塞區域的隧道風速之間存在以下關系時：

式中：ρ1和ρ2是分別是阻塞區和非阻塞區域的空氣密度；Ab是隧道阻塞區域的隧道截面積；A 是隧道非阻塞區域的隧道截面積；φ 是隧道的阻塞比。

3 地鐵隧道火災臨界風速模型修正

現有研究表明隧道火災臨界風速與火災熱釋放速率、空氣密度、隧道外部環境空氣溫度、空氣比熱、重力加速度和隧道幾何尺寸密切相關。隧道臨界風速可以表示為以上幾個影響因素的函數。

通過無量綱分析，式（3）可以用以下公式表示：

式中：H 是隧道水力直徑；Vc是隧道臨界風速；V*是無量綱隧道風速；Q*是無量綱火源熱釋放速率。

式（4）的系數需要根據隧道具體情況確定，Tang等人[11]開展了公路隧道火災臨界風速的熱煙試驗，并根據試驗數據給出了公路隧道的臨界風速預測模型。

本文采用直接觀測法確定數值模擬研究的地鐵隧道火災臨界風速。直接觀測法通過改變地鐵隧道送風風速，直至肉眼觀察煙氣恰好不發送隧道火災煙氣返流現象，此時的隧道風速即為地鐵隧道火災臨界風速。利用經過驗證的FDS 數值模型模擬研究了0%、10.46%、20.92%、31.38%和41.84%阻塞比時的地鐵隧道火災臨界風速，并根據不同阻塞比時的地鐵隧道臨界風速的數值模擬數據，采用非線性回歸方法擬合給出了考慮地鐵列車阻塞時的地鐵隧道臨界風速預測公式：

式中：φ 是地鐵隧道阻塞比。

隨著地鐵隧道阻塞比的增加，地鐵隧道火災臨界風速逐漸變小。地鐵隧道阻塞比的增大率與臨界風速的減小率之間呈線性關系。比較式(7)和式(8)可知，水平地鐵隧道火災臨界風速小于Tang 等人[11]給出的水平公路隧道火災臨界風速。這是因為地鐵隧道的幾何尺寸和斷面形狀與Tang 模型不同，導致Tang 模型預測值大于地鐵隧道火災臨界風速。

4 結論

1)列車阻塞會改變隧道內縱向風速和風壓分布情況，因此地鐵列車阻塞效應會影響地鐵隧道火災臨界風速。地鐵列車長度變化對地鐵隧道臨界風速的影響很小。

2）隨著地鐵隧道阻塞比的增加，地鐵隧道臨界風速逐漸變小，反之亦然。地鐵隧道阻塞比的增大率與臨界風速的減小率之間呈線性關系。