鐵路盾構隧道火災煙氣控制數值模擬研究

資 誼

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

鐵路盾構隧道火災煙氣控制數值模擬研究

資 誼

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

提出人員危害耐受度、襯砌結構的危害溫度、車窗玻璃破碎溫度3個煙氣流動控制有效性的判據。以獅子洋水下盾構鐵路隧道為研究對象，采用FDS4.0對-3%坡度隧道列車頭部15 MW火災時，煙氣在1、2、3 m/s和4 m/s等縱向風速下的控制效果進行模擬計算。對比分析不同風速下隧道內火災煙氣的溫度、能見度、CO濃度等分布情況。模擬分析表明，在3 m/s的通風速度下火災煙氣流動得到了有效控制。其結果可為獅子洋隧道通風排煙系統設計提供參考。

鐵路盾構隧道;火災煙氣控制;數值模擬

1 概述

獅子洋隧道位于廣深港客運專線東涌站至虎門站之間，是我國第一條鐵路水下盾構隧道。隧道全長10 800 m，為雙洞單向設計。盾構隧道外徑10.8 m，內徑9.8 m，斷面凈空有效面積約65 m2。隧道通行CRH1型動車，8輛車編組的尺寸為213 m×3.3 m×4.0 m。火災防災通風采用縱向通風排煙模式，事故通風風速取3 m/s。車頭/車中部火災時通風方向與行車方向相同，車尾/車中部火災時通風方向與行車方向相反。隧道內沿橫通道側設有高出道床面0.7 m、寬1.5 m的縱向疏散救援走道。全隧道共設置左右線之間的聯絡橫通道25處，其中盾構段21處(含人行橫通道19處、通信基站橫通道2處)。火災時人員逆風經救援走道通過聯絡橫通道進入非事故隧道進行逃生。圖1為本隧道縱坡示意，圖2為隧道及動車尺寸參數。

圖1 隧道縱坡示意

圖2 隧道及動車尺寸參數(單位:m)

由于本隧道長大化結構形式及高密度和高速度的行車特點，增大了高速客運列車發生火災的可能性。一旦列車發生火災并停在隧道內，若事先沒有合理的火災應急通風設計，易導致人員的傷亡和襯砌結構損壞，并危及隧道的使用安全。為保障隧道運營安全，以列車發生火災并迫停為例，模擬隧道內煙氣的溫度、能見度和C0濃度分布情況，并據此評價火災通風排煙控制效果。

2 煙氣流動控制有效性判據

隧道火災通風排煙系統設計是否合理的判定條件是:火災煙氣控制應滿足人員安全疏散的需要，并盡量減小對隧道結構的危害。

2.1 人員危害耐受度

乘客疏散過程中受到火災中溫度、能見度及毒氣等危害因子的影響，乘客于火場中對于熱、能見度、煙層高度及毒氣等危害因子，在工程上性能安全設計的臨界值［1-3］可歸納如表1所示。

表1 消防安全設計耐受臨界值

2.2 襯砌結構的危害溫度

隧道內的火災往往持續時間較長，長時間的高溫作用將影響隧道拱頂結構的承載力產生隧道結構劣化，進而影響整體結構穩定性。研究表明，一般混凝土表面在150～200℃時開始爆裂，盾構式的圓形隧道雖采用等級為高強度混凝土環襯，但若未施以防火處理，在火災中爆裂的可能性和深度都較高。混凝土發生爆裂后，不僅直接威脅救援與逃生，還會使增強鋼筋直接暴露在火災中，減少承載結構的橫截面面積。當環境溫度超過500℃時，混凝土結構強度衰減超過一半［4］。

同時，通過研究發現構建隧道的鋼筋、混凝土雖然是不燃體，但其耐火性較差。美國國家標準和測試協會(NIST)指出，高強混凝土(HSC)在溫度達到380℃時，強度開始下降;在450℃時，抗壓強度損失達到40%;當溫度達到600℃時，抗壓強度損失約為75%。Ali［5］研究表明，鋼筋表面的溫度超過250℃時，鋼筋的強度開始下降。隧道結構防火保護的目的，就是采取一定措施使隧道的鋼筋混凝土結構在火災發生時保持完整性與穩定性。本文取380℃為襯砌結構的危害溫度。

2.3 車窗玻璃破碎(失效)溫度

CHR1車窗為鋼化玻璃。鋼化玻璃理論上可以承受200℃的溫差，不損壞。夾層玻璃最高可以130℃時不出現氣泡。但在200℃時，夾層玻璃內部有可能出現膠片模糊、失效等現象。另外，中空玻璃的密封膠推薦使用的最高溫度為90℃。照此，最高可在90℃下，該窗戶是沒問題的。本文取90℃為玻璃破碎(失效)溫度。

3 火災仿真模型的建立

3.1 模型原理及邊界條件

采用FDS對縱向通風排煙效果進行模擬。模擬過程中，假設隧道兩端為開口邊界條件，隧道內的初始風速為0 m/s，初始溫度為20℃。

3.2 幾何模型與網格劃分

獅子洋隧道橫通道間距平均為500 m，CHR1動車組全長約213 m，因此取長600 m的-3%區段進行模擬，計算區域為600 m×9.8 m×8.6 m。數值建模時采用許多小的長方體進行堆砌的方法來模擬實際隧道。同時，為了消除由于長方體堆砌形成的鋸齒狀對氣流的影響，以達到仿真的精確性、可靠性，在輸入文件的建模語句中加入“SAWTOOTH=.FALSE./”。

為了減少網格的數量，節約計算時間，采用FDS4.0中的多重網格技術，將模擬的區域按照離火源的遠近，沿隧道軸線劃分為若干個區域，每個區域采用不同的網格尺寸。火源附近用較精細的網格:隧道寬度方向的網格為0.3 m，高度方向的網格為0.3 m，隧道軸線方向的網格為0.1 m;在離火源較遠處采用較粗的網格;共計劃分了99.84萬個。

3.3 火災場景與模擬工況

(1)火災位置

列車在隧道內發生火災具有不確定性和不可預測性的特點，基于“可信最不利”原則，并考慮坡度對煙氣流動可能產生的影響［6］，假定列車在上行隧道行駛時，突然發生火災，被迫停靠在隧道的-3%坡度區段內。本文設定火災位于列車頭部(以運行方向判別)第二節車廂中央位置附近的車輛底板下方。當采用8輛列車編組時，列車頭部著火可表示第一節和第二節車廂發生火災(圖3)。

(2)通風方式

獅子洋隧道在左右兩線每洞進、出口明挖段各設置1組可逆轉風機，每組風機布置6臺(股道左右側各3臺)。通風方式和人員疏散方案應根據列車的位置和火災的部位采取，當列車前端部發生火災時，應能背著乘客疏散方向排煙，迎著乘客方向送新風，即應立即啟動隧道火災運行方案—隧道進口端風機啟動送風，隧道出口端風機啟動排煙。為客觀表達縱向通風對火災煙氣流動影響，對1、2、3 m/s和4 m/s四種工況下的煙氣控制情況進行模擬分析。

圖3 列車端部火災通風疏散示意(單位:m)

(3)疏散方式

CRH1型動車外殼材質為不銹鋼材料，內裝車廂底板構造則達相關耐火測試標準，車廂底板可隔離火焰至少45 min，故在車廂玻璃未被燒爆、煙氣未侵入車內的情況下，在列車工作人員的指揮下，著火車廂及其前方車廂內人員經車廂內走道快速疏散到著火車廂的后方車廂，然后從列車的上下門逃離列車，沿著救援走道迎著新鮮空氣，逃出火災現場到達橫通道。

(4)火災功率

由于客運列車起火位置(車廂內或車廂外)、旅運設計目的(長途或城際)、以及列車材質不同等，各國對列車火災規模設計并無統一標準。一般針對列車外部起火燃燒，其火災規模多設定于10～20 MW。本文設定最大火災規模為15 MW，失火面積為13.312 m2。因本文重點是研究煙氣的流動控制效果，所以火災發展模式設為穩態定常火源。

4 數值模擬結果分析

4.1 溫度縱向分布

-3%坡度工況下不同縱向通風速率下的火災煙氣溫度分布情況如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 拱頂下方煙氣溫度分布

從圖4、圖5和圖6中可以得到。

圖5 救援走道上方2 m處煙氣溫度分布

圖6 360s時隧道內溫度分布

(1)火源附近拱頂處煙氣溫度均隨著通風速率的增加下降明顯，且沿拱頂向下游流動過程中不斷摻混冷空氣和受圍護結構的冷卻而降低。當縱向通風風速為1 m/s時，火源附近拱頂處煙氣最高溫度僅為325℃，風速為2 m/s時，溫度為225℃左右，風速為3 m/s時，溫度降到140℃左右，風速為4 m/s時，溫度降到124℃左右。這表明:隨著風速增大火源附近拱頂處的煙氣溫度得到了很好的控制，高溫煙氣對拱頂結構的損害較小。

(2)在不同風速下火源下游車廂車窗玻璃處(救援走道上方2 m高度處)的溫度全部處于90℃以下，煙氣溫度不會造成車窗玻璃破碎(失效)，故煙氣不會侵入車廂影響人員疏散。

(3)縱向通風有效抑制了高溫煙氣向火源上游的蔓延。當縱向通風風速為1 m/s時，煙氣逆風流動長度為261 m，風速為2 m/s時，煙氣逆風流動長度為81 m，風速為3 m/s時，煙氣逆風流動長度僅8 m，當風速達到4 m/s時，完全沒有煙氣逆流現象發生，火源上游溫度保持在常溫，可以保障疏散人員免受高溫煙氣的危害。

4.2 能見度分布

-3%坡度工況下不同通風速率下的救援走道上方2 m高度處煙氣能見度沿隧道縱向的分布情況，如圖7、圖8所示。

圖7 救援走道上方2 m處能見度分布

圖8 360s時隧道內能見度分布

從火源功率為15 MW，坡度為-3%的各個數值模擬情況可以看出:縱向風速為1 m/s時，火源上游125 m的范圍內救援走道上方2 m高處能見度均小于10 m，而下游能見度則全部處于10 m以下，超過人員可忍受范圍不利于人員疏散;縱向風速為2 m/s和3 m/s時，火源上游沒有受到高溫煙氣的影響，救援走道上方2 m高處的能見度較高為30 m，利于人員的逆風疏散，而下游救援走道上方2 m高處的能見度則分別在6 m和10 m處波動，不利于人員逃生;在4 m/s的縱向風速下，火源上游能見度保持在30 m，火源下游的煙氣被吹散，救援走道上方2 m高處的能見度均大于10 m，可為人員疏散提供一個可忍受的環境條件。

4.3 CO濃度分布

圖9所示為-3%坡度工況下不同通風速率下的救援走道上方2 m高處火災煙氣一氧化碳(CO)沿隧道縱向的分布情況。

從圖9可以看出:CO的高濃度區域集中在火源周圍，且高濃度區域較小。在火源上游，縱向通風大大減少了CO的濃度，當風速大于2 m/s則使上風側人員免受有毒氣體的影響，可為人員提供一個安全的疏散環境。在火源下游，縱向通風加速了煙氣向下游蔓延，但也使得煙氣濃度減小，并隨著縱向通風風速的增大，救援走道上方2 m高處的CO濃度有明顯降低的趨勢，當風速3 m/s時下游救援走道上方2 m高處的CO濃度均在15×10-6以下，處于人員可以忍受的范圍。

圖9 救援走道上方2 m處CO濃度分布

綜上，通過對1、2、3 m/s和4 m/s四種工況下的煙氣控制情況的模擬結果及分析表明:在3 m/s的通風風速下，拱頂處煙氣最高溫度約140℃，此溫度對于隧道襯砌強度不會造成較大破壞，不影響隧道結構安全;火源下游車廂車窗玻璃處(救援走道上方2 m高度處)的溫度不超過55℃，此溫度不會造成車窗玻璃破碎，不會導致煙氣侵入車廂;煙氣向火源上游流動長度僅8 m，有效抑制了煙氣逆流現象，為人員疏散提供了一個可忍受的環境;火源上游救援走道上方2 m高處能見度為30 m、CO濃度為0，利于人員的逆風疏散。即在3 m/s的通風模式下，火災煙氣流動得到了有效控制，也證明獅子洋隧道采用3 m/s進行通風排煙系統設計的合理性。

5 結論

(1)通過對列車頭部車廂底板發生火災并迫停于隧道-3%坡度區段的多風速模擬，分析了隧道內火災煙氣的溫度、能見度和CO濃度分布情況，并據此評價火災通風排煙控制效果。研究結果表明:采用與車行方向一致的3 m/s應急通風策略，可為乘客提供一個可忍受的疏散環境，且不會造成隧道襯砌結構損傷。因此，獅子洋隧道采用3 m/s的火災通風模式合理，人員疏散方案正確。

(2)由于列車車廂內外部起火、列車縱向上著火部位和列車迫停位置的不確定性，隧道火災通風策略應依據乘客疏散方式有效控制煙霧流向以及提供逃生人員新風需要進行設計。

(3)由于列車長度較長，著火后有可能向兩端蔓延，為減少損失，著火列車所在隧道的通風以控制火勢蔓延和排煙為主，通風速度設計應考慮煙囪效應對火災煙氣流動的影響，從而可以更好的指導工程實踐。

［1］ Ir.Evert Worm.，“Human behaviour influencing tunnel safety”，Dutch Ministry of Transport，Public Works and Water Management.Tunnelling Department.Head of Centre for Tunnel Safety.Member of the PIARC C5 Committee.Member of the PIARC C5 working group 3:Human factors of road tunnel safety.

［2］ 73 BSI Standards，Draft British Standard Code of Practice for the Application of Fire Safety Engineering Principles to Fire Safety in Buildings，Panel FSM/-/5 and Technical Committee FSM/24，Fire Safety Engineering，London，UK，1994.

［3］ A.H.Buchanan，Fire Engineering Design Guide，Centre for Advanced Engineering，University of Canterbury，New Zealand，1994.

［4］ Holger de Vries，“Mining for Answers”，University of Wuppertal，Germany， http://firechief. com/mag/firefighting _ mining _answers/.，2002.

［5］ Ali F.A.，Connolly R.，Sullivan PJE.Spalling of high strength concrete at elevated temperatures［J］.Journal of Applied Fire Science，1997，6(1):3-14.

［6］ Riess I，Bettelini M，Brandt R.Smoke extraction in tunnels with considerable slope［C］.4th international conference safety in road and rail tunnels，Madrid，2001:503-512.

Numerical Simulation Study on Fire Smoke Controlling in Railway Shield Tunnel

ZI Yi
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Three criterions of fire smoke flow control were proposed here，including the damage tolerance of human，harmful temperature of lining structure，the breaking temparature of window glass.Taking Shiziyang underwater shield tunnel as the research object，a numerical calculation on fire smoke flow control effects was conducted by using FDS4.0，for the fire hazard of 15MW at train head in tunnel with-3%slope repectively with 1，2，3 m/s and 4 m/s longitudinal wind speeds.And then contrast analysis was performed about the fire smoke flow temparature，visibility，CO concentration distribution in the tunnel under different wind speeds.Simulation analysis shows that，the fire smoke flow can be effectively controled on the condition of 3m/s ventilation speed.The results can serve as reference for the design of ventilation and smoke exhaust system in Shiziyang Tunnel.

railway shield tunnel;fire smoke controlling;numerical simulation

U453.5

A

1004-2954(2013)09-0082-04

2013-05-09

鐵道部科技研究開發計劃項目(2006G007-C)

資 誼(1970—)，男，高級工程師。

book=86,ebook=429