淺埋地鐵區間隧道火災自然排煙模擬研究

蔡崇慶

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

淺埋地鐵區間隧道火災自然排煙模擬研究

蔡崇慶

中鐵第四勘察設計院集團有限公司

結合淺埋地鐵區間隧道的特點，提出了淺埋地鐵區間隧道頂部開孔的自然通風方案。以單洞單線隧道為例，采用FDS對淺埋區間隧道列車火災時自然通風口的設置間距、尺寸進行模擬分析，根據火災排煙效果確定自然通風口的設置方案。

淺埋地鐵區間隧道 自然通風 火災排煙 數值模擬

0 引言

目前修建的地鐵線路中，有一些區間隧道采用了淺埋設置方式，隧道埋深多在2～10m之間。對于淺埋區間而言，如果采用機械通風，勢必會增加系統的運行費用，并且需在車站內設置隧道風機房，增加了相應的土建費用和配電系統費用。由于淺埋地鐵區間多位于城市郊區，且隧道頂部設置有綠化帶，周邊自然環境較好，可以考慮采用自然通風的方式，系統的可靠性得到提高且運行維護費用可大大降低。

清華大學的李亮等人[1]以溫度作為人員疏散的安全控制指標采用PHOENICS場模擬軟件對單洞雙線地鐵隧道火災自然排煙開展了數值模擬計算，研究了通風豎井間距、隧道區間隔墻等因素對自然通風排煙效果的影響。西南交通大學陳鵬云[2]以能見度作為人員疏散的安全控制指標采用FDS對單洞雙線地鐵隧道火災自然排煙進行了模擬研究，得出了滿足防災要求的通風豎井開孔條件。但上述文獻僅針對單洞雙線隧道，只考慮了一種控制指標且在開孔方式上未考慮開孔寬度對火災排煙的影響，所得結果具有一定局限性，不能推廣到單洞單線隧道。相對單洞雙線隧道而言，單洞單線隧道空間更加狹小，隧道容煙能力更差，其自然排煙特性也不同，因此本文針對單洞單線明挖區間隧道，通過FDS研究確定自然通風口的設置方案，以滿足火災時的通風要求。

1 物理模型

采用三維火災數值模擬計算軟件FDS對自然通風隧道火災進行數值模擬。FDS的湍流計算有直接模擬（DNS）和大渦模型（LES）兩種數值計算方法，本文選用大渦湍流模型。采用大渦模擬方法進行隧道火災數值模擬時，需要確定三個常數，分別為Smagorinsky常數Cs、Prandtl數Pr以及Schmidt數Sc，本文分別取此三個常數的值為：0.18、0.2和0.5[3、4]。由于實際隧道區間內部結構較為復雜，為簡化計算，對模型作如下簡化：

1）區間隧道簡化為長方體，區間隧道無坡度與彎曲，頂部開孔無彎曲；

2）列車簡化為長方體；

3）忽略自然風的影響；

4）選擇一段理想區間隧道，在其上方開設通風豎井，按照最不利工況計算，假設發生火災后制動停車，且火災車廂恰位于兩通風豎井中間。

模型示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 通風豎井剖面圖

圖2 自然通風地鐵隧道列車火災時模型示意圖

考慮隧道墻體由混凝土和土壤組成，其中混凝土0.6m厚，土壤3.4m厚。隧道墻體外面土壤溫度邊界取19.2℃（武漢地區土壤恒溫層溫度）。隧道壁面與煙氣之間的傳熱量由FDS內部程序根據該處的溫差和煙氣流速計算得出，壁面溫度也由FDS內部計算得出。混凝土內部為導熱模型。模擬時采用t2快速火，火災發展系數為0.04689 kW/s2、火災強度取7.5MW。環境溫度設32為℃，大氣壓101351.5Pa。

2 火災時環境控制指標

參考NFPA130[5]、PIARC[6]及《中國消防手冊》[7]推薦的判定指標，考慮一定安全系數，火源30m外的隧道段內的人員疏散環境控制指標：人員高度處（疏散平臺2m高度處）最高溫度<66℃；人員高度處能見度＞10m；人員高度處CO濃度<250 ppm；火源30m外煙氣溫度<180℃。

3 自然通風區間隧道煙氣擴散特性及火災時主要環境控制指標分析

3.1 煙氣擴散特性分析

定義通風豎井間距為D，通風豎井高度為H，通風豎井長度為L，通風豎井寬度為W。如圖3所示。定義火源附近30m為火源段，火源30m外為非火源段。以孔高4.8m，孔寬4.4m，孔間距80m，孔長度3.6m為例對隧道內煙氣擴散特性進行分析。

圖3 區間隧道自然排煙示意圖

圖4 煙氣層厚度

圖4給出了該工況下距離火源不同位置不同時刻的煙氣層厚度變化曲線。從圖中可以看到，不同時刻火源段的煙氣層厚度在隧道縱向方向上變化不大，這說明煙氣在火源段的擴散過程中對隧道底部冷空氣的卷吸量較小。當隧道煙氣擴散到孔口（距離火源40m處）附近時，由于孔口的排煙作用，煙氣層厚度急劇減小，圖中顯示，隨著火災的持續，孔口正下方的煙氣層厚度逐漸減小，直至接近為0。孔口后方，繞過孔口的煙氣繼續向前擴散，孔口附近煙氣層厚度迅速增大。從圖中可以看出，與火源段的煙氣層厚度特性不同，非火源段的煙氣層厚度經歷了先增大后減小的過程，并在距離火源一定距離后的區域迅速減小，直至煙氣層厚度為0，這說明，煙氣在非火源段的擴散過程中，當煙氣剛繞過孔口時，煙氣的溫度較高，此時煙氣對冷空氣的卷吸作用占主導地位，造成隧道頂部的煙氣在擴散過程中不斷卷吸隧道底部的冷空氣，導致煙氣層厚度在這個區域內逐漸增大；而擴散過程中煙氣溫度不斷降低，當煙氣溫度降低到一定程度時，隧道來流的冷空氣慣性力將在隧道氣流運動中占主導地位，造成隧道頂部的煙氣不斷被來流冷空氣帶走，導致煙氣層厚度在這個區域內逐漸減小；最終在煙氣擴散過程中，火災煙氣的浮升力與來流冷空氣的慣性力達到平衡，此時煙氣無法繼續向前擴散，導致此處煙氣層厚度急劇減小，而在隧道內煙氣無法擴散到的區域，煙氣層厚度為0。

3.2 火災時主要環境控制指標分析

以孔高4.8m，孔寬4.4m，孔間距80m為例，從四個環境控制指標對人員安全疏散的影響做分析研究。圖5給出了該開孔方式下不同孔長時隧道頂壁煙氣溫度縱向分布曲線圖。從圖中可以看出，火源附近的隧道頂壁煙氣溫度極高，最高溫度接近500℃。各種工況下30m以外的隧道頂壁煙氣溫度在180℃以下，滿足人員的安全疏散要求。圖6為孔長3.6m時人員高度處的CO濃度分布規律。30m以外的隧道人員高度處的CO濃度遠低于250ppm，滿足人員的疏散要求。圖7給出了該開孔方式下不同孔長時人員高度處煙氣最高溫度曲線圖。當孔長8m以上時，距火源30m以外人員高度處煙氣最高溫度不超過66℃，對人員的安全疏散沒有影響；當孔長8m以下時，距火源30m以外人員高度處煙氣最高溫度超過66℃，對人員的安全疏散構成威脅。圖8給出了該開孔方式下不同孔長時人員高度處煙氣能見度曲線圖。當孔長8m以上時，距火源30m以外人員高度處能見度高于10m，對人員的安全疏散沒有影響；當孔長8m以下時，距火源30m以外人員高度處能見度低于10m，對人員的安全疏散構成威脅。

圖5 隧道頂壁最高煙氣溫度分布

圖6 人員高度處的CO濃度分布規律

圖7 人員高度處最高煙氣溫度分布

圖8 人員高度處的能見度分布規律

通過以上分析，可以看出在四種環境控制參數中隧道人員高度處的能見度及溫度起控制作用，即當隧道內人員高度處的能見度和溫度滿足隧道火災的逃生要求時，其他兩個參數均滿足要求。經過對本文其他所有計算工況進行分析也證明了四種環境控制參數中隧道人員高度處的能見度及溫度起控制作用。因此，本文在以后的分析中選取隧道內人員高度處的能見度與溫度作為判斷依據，即隧道發生火災時，隧道內人員高度處的能見度必須大于10m且人員高度處的溫度必須小于66℃。

4 自然通風區間隧道火災時通風豎井最小長度研究

4.1 模擬工況計算

對開孔寬度為2.4m與4.4m，開孔高度為2.4m與4.8m，開孔間距分別為60m，70m，80m，90m，100m的所有組合工況進行模擬分析，以人員高度處最低能見度10m和最高溫度66℃為判定指標，分析每種工況下的最短開孔長度。

限于篇幅，本文以孔高4.8m，孔寬4.4m，孔間距80m為例。對最短開孔長度進行分析，其他組合工況分析略。經過大量FDS模擬計算得到孔高為4.8m，孔寬4.4m，孔間距80m情況下不同孔長下人員高度處能見度和溫度的值，見圖9。通過插值可以得到滿足能見度要求的最小孔長為7.2m，滿足溫度要求的最小孔長為7.7m。因此，最小孔長為7.7m可滿足人員安全疏散要求。利用上述方法，可以得到各個工況下的最小開孔長度，見表1～表3。

圖9 D=80m、H=4.8m、W=4.4m人員高度處最低能見度、最高溫度與孔長曲線圖

表1 不同孔間距下的最小開孔長度（孔高4.8m，孔寬2.4m）

表2 不同孔間距下的最小開孔長度（孔高4.8m，孔寬4.4m）

表3 不同孔間距下的最小開孔長度（孔高2.4m，孔寬4.4m）

4.2 不同開孔方式下最小開孔長度對比分析

圖10給出了不同開孔方式下最小開孔長度隨開孔間距變化曲線。由圖中可以看出，在開孔寬度為4.4m時，開孔高度越高，相同開孔間距開孔長度越短。這是因為，開孔高度越高，熱壓作用越明顯，煙囪效應越強烈，排煙效果越好。在開孔高度固定時，開孔寬度越大，所需的開孔長度越短。這是因為，當選擇全開孔方式時，自然排煙時阻力變小，排煙效果也要較好。圖11給出了不同開孔方式下豎井內邊緣間距。通風豎井內邊緣間距為相鄰自然通風豎井內邊緣間距，該間距可視為隧道內有效排煙段。圖12表明隨著開孔間距的增加，通風豎井內邊緣間距先增大再逐漸減小。從圖中可以看出，隨著孔間距的增加，孔高4.8m、孔寬4.4m時通風豎井內邊緣間距先增大再逐漸減小，當開孔間距≤90m時，通風豎井內邊緣間距隨著開孔間距的增大而增大，增加趨勢逐漸趨于緩慢。當開孔間距為100m時，通風豎井內邊緣間距比開孔間距為90m時的還要小，這意味著，在開孔間距超過90m時，再增加開孔間距已無意義。因此對于孔高4.8m的全開孔方式，開孔間距不宜超過90m。同樣可得：對于孔高2.4m、孔寬4.4m，開孔間距不宜超過80m；對于孔高4.8m、孔寬2.4m，開孔間距不宜超過90m。圖12為最小開孔面積隨孔間距變化曲線圖。三種工況都是隨著開孔間距增加，開孔面積增加。且在開孔間距大于80m后，增加趨勢較陡。對比W=4.4m、H=4.8m與W=4.4m、H=2.4m兩種工況不難發現，任一開孔間距下，開孔高度較小的開孔方式所需開孔面積都比開孔高度較高的開孔方式大。而對比W=4.4m、H=4.8m與W=2.4m、H=4.8m的開孔方式發現，在開孔間距70～80m之間，兩種開孔方式存在一個開孔面積相等的開孔間距。說明當開孔間距大于一定程度后，在相同開孔高度前提下，開孔面積的增加對區間隧道人員安全疏散環境的改善作用已不明顯。

圖10 不同開孔方式下最小開孔長度

圖11 豎井內邊緣間距隨開孔間距變化

4.3 推薦自然通風開孔方式

通過以上分析，不同開孔方式都存在著一個最適宜的最大開孔間距，開孔間距大到一定程度，再增加開孔間距已無實際意義。當開孔寬度為2.4m，開孔高度為4.8m時，開孔間距為60m、70m下的最小開孔率小于5%，低于《地鐵設計規范GB 50157-2013》及《地鐵設計防火規范》（報批稿）規定的5%[8]，其他工況下開孔率均大于5%。因此本文建議，在實際工程應用中，開孔間距為60m時，開孔長度可取3m，開孔間距為70m時，開孔長度可取3.5m，以滿足文獻[8]的規定。根據以上分析，推薦不同開孔方式的開孔間距及開孔長度如表4所示。

圖12 最小開孔面積隨孔間距變化曲線

表4 推薦的不同開孔方式的開孔間距及開孔長度

5 結論

本文采用FDS對t2火、7.5MW火災強度下的不同開孔條件下地鐵隧道自然排煙進行了模擬研究，得到了以下主要結論：

1）高溫煙氣在隧道中沿火源上下游向兩側洞口擴散，且在高度方向存在溫度和能見度分層，火源點兩側最近的通風豎井承擔主要的排煙任務，火災煙氣擴散距離較短。

2）四個環境控制參數中，人員高度處能見度及溫度其控制作用，即隧道內發生火災時，為保證隧道內人員安全，火源30m以外區域，人員高度能見度必須大于10m且人員高度處溫度必須低于66℃。

3）研究確定了不同開孔方式下通風豎井的最小孔長度及不同開孔方式下的最長開孔間距，孔高4.8m、孔寬4.4m開孔間距不宜超過90m；孔高2.4m、孔寬4.4m開孔間距不宜超過80m；孔高4.8m、孔寬2.4m開孔間距不宜超過90m。并推薦了不同開孔方式的開孔間距及開孔長度。

[1]李亮,李曉峰.地鐵隧道火災自然排煙模式數值模擬研究[J].暖通空調,2005,35(12):6-9

[2]陳鵬云.地鐵隧道自然通風火災試驗及模擬計算分析研究[D].成都:西南交通大學,2010

[3]Zhang W,Hamer A,Klassen M,et al.Turbulence statistics in a fire room model by large eddy simulation[J].Fire Safety Journal, 2002,37:721-752

[4]Ran Gao,Angui Li.Fire-induced smoke control via hybrid ventilation in a huge transit terminal subway station[J].Energy and Bui -ldings,2012,45:280-289

[5]NFPA.Standard for Fixed Guide Way Transit and Passenger Rail Systems(NFPA 130)[S].2010

[6]PIARC.Road Tunnels:Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation[S].2004

[7]中華人民共和國公安部消防局.中國消防手冊[M].上海:上海科學技術出版社,2007

[8]中華人民共和國住房和城鄉建設部.地鐵設計規范(GB 50157-2013)[S].北京:中國建筑工業出版社,2014

Sim ula tion Study of Na tura l Sm oke Eva c ua tion Mode for Sha llow Me tro Tunne l Fire

CAI Chong-qing
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

The natural ventilation programs have been proposed for shallow metro tunnel in this paper combined with characteristics of this tunnel.The distance and size of natural vents for one-tunnel one-track subway have been studied by FDS software.The natural ventilation programs have been identified through fire smoke evacuation effect.

shallow metro tunnel,natural ventilation,fire smoke evacuation,numerical Simulation

1003-0344（2015）02-049-5

2014-2-10

蔡崇慶（1978～），男，高工；武漢市武昌區和平大道745號中鐵第四勘察設計院集團有限公司城地院暖通所（430063）；027-51155146；E-mail:e_cai0636@sina.com