鐵路隧道救援站通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

黃超，余朝陽(yáng)

（川藏鐵路有限公司，四川 成都610045）

0 引言

我國(guó)鐵路尤其是高速鐵路正在快速發(fā)展，鐵路建設(shè)過(guò)程中長(zhǎng)大隧道的規(guī)模與數(shù)量也大幅度增加。眾所周知，隧道內(nèi)空間狹小且密閉，列車內(nèi)更是人員密集地，而動(dòng)車組的窗戶基本無(wú)法快速直接打開(kāi)，一旦發(fā)生火災(zāi)危險(xiǎn)性更大［1-3］。隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后急需進(jìn)行通風(fēng)，目前隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算多采用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，僅考慮了線性問(wèn)題，未考慮風(fēng)流過(guò)程中空間在橫斷面上對(duì)風(fēng)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(guò)利用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果以及三維數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)線性結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為隧道結(jié)構(gòu)通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供建議。

1 工程概況

某隧道為單洞雙線隧道，全長(zhǎng)約23 km，根據(jù)規(guī)范要求隧道內(nèi)設(shè)計(jì)了救援站。為實(shí)現(xiàn)防災(zāi)救援，在該段隧道左右兩側(cè)各設(shè)置1條輔助導(dǎo)坑，同時(shí)設(shè)置橫通道用于連接正洞和輔助導(dǎo)坑，左右兩側(cè)各設(shè)置11條，間隔50 m。救援站左側(cè)救援通道直接與通向隧道外的輔助導(dǎo)坑相連，右側(cè)救援通道利用新建下穿正洞的聯(lián)絡(luò)通道與輔助導(dǎo)坑相連。救援站范圍隧道正洞拱部上方設(shè)置排煙平導(dǎo)，排煙平導(dǎo)通過(guò)正洞拱頂?shù)呢Q井與正洞相接，豎井間距約為100 m，共設(shè)置6個(gè)，最終排煙平導(dǎo)通過(guò)約500 m長(zhǎng)的排煙斜井接出洞外。救援站布置見(jiàn)圖1。

圖1 救援站布置示意圖

2 模擬計(jì)算

假設(shè)右線行駛的列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，并停靠在救援站右側(cè)，根據(jù)《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］要求，在隧道救援站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后根據(jù)列車行進(jìn)方向開(kāi)啟對(duì)應(yīng)一側(cè)的救援疏散通道，同時(shí)對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)排煙，并保證每道防護(hù)門風(fēng)速不低于2 m/s。

2.1 二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算

為滿足要求，利用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)程序經(jīng)過(guò)多次試算得出隧道主洞、橫洞的需風(fēng)量與排煙斜井的排風(fēng)量（試算時(shí)未考慮自然風(fēng)），計(jì)算結(jié)果所得邊界條件見(jiàn)圖2［5］：隧道進(jìn)口方向送風(fēng)風(fēng)速為0.17 m/s、出口方向送風(fēng)風(fēng)速為0.18 m/s、橫洞送風(fēng)風(fēng)速為8.24 m/s、排煙斜井抽風(fēng)風(fēng)速為6.29 m/s。

圖2 通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)程序計(jì)算所需風(fēng)速

2.2 三維數(shù)值模擬計(jì)算

2.2.1 三維數(shù)值模擬條件

三維數(shù)值計(jì)算利用火災(zāi)數(shù)值模擬軟件FDS（Fire Dynamics Simulation）對(duì)隧道火災(zāi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。FDS中默認(rèn)的燃燒模型為混合分?jǐn)?shù)（mixture fraction）燃燒模式；FDS對(duì)于輻射換熱過(guò)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(kāi)展了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證FDS的火災(zāi)模擬預(yù)測(cè)能力。所有全尺寸試驗(yàn)結(jié)果均表明FDS在一定程度上能相對(duì)完美地進(jìn)行火災(zāi)模擬。

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)火災(zāi)熱釋放速率及有關(guān)列車的實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)研［6-13］以及Helbing等［14-16］研究結(jié)果分析，設(shè)定發(fā)生火災(zāi)時(shí)的最大熱釋放速率為15 MW［17］。

計(jì)算中做以下假定［3］：

（1）隧道火災(zāi)前，隧道內(nèi)風(fēng)流和溫度處于相對(duì)均勻的狀態(tài)；

（2）機(jī)械通風(fēng)引起的風(fēng)流以及燃燒產(chǎn)生的煙氣均視為理想氣體；

（3）煙氣產(chǎn)生后不產(chǎn)生二次化學(xué)反應(yīng)；

（4）隧道襯砌干燥、無(wú)滲透；

（5）忽略小型阻礙物、壁面設(shè)施和人員運(yùn)動(dòng)對(duì)風(fēng)流的影響作用；

（6）忽略燃燒過(guò)程中隧道內(nèi)氧含量對(duì)火源的熱釋放速率以及產(chǎn)煙量的影響。

假定圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料為鋼筋混凝土，實(shí)體邊界定為熱厚邊界條件，并且假定實(shí)體外面溫度與設(shè)定的環(huán)境溫度相同，設(shè)定為20℃，并保持恒定不變，進(jìn)入計(jì)算區(qū)域的新風(fēng)溫度也保持20℃。

利用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS按照全尺寸建立模型（見(jiàn)圖3），由于在右線發(fā)生火災(zāi)時(shí)，左線橫通道全部處于關(guān)閉狀態(tài)，故在建立模型時(shí)只建立了風(fēng)流流經(jīng)的部分（正洞、右線橫通道、右線2號(hào)救援平導(dǎo)、排煙豎井以及排煙斜井）。計(jì)算模型從列車發(fā)生火災(zāi)并停靠在救援站內(nèi)時(shí)開(kāi)始計(jì)算，同時(shí)開(kāi)啟風(fēng)機(jī)和橫通道門。邊界條件根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。

圖3 FDS三維建模模型圖

2.2.2 原方案模擬

根據(jù)FDS計(jì)算結(jié)果得出：在作為主進(jìn)風(fēng)口的2號(hào)救援平導(dǎo)聯(lián)絡(luò)通道側(cè)的5#橫通道門處風(fēng)速相當(dāng)不穩(wěn)定，而且在模擬計(jì)算25 min過(guò)程中大部分時(shí)間風(fēng)速達(dá)不到2 m/s；同時(shí)6#橫通道門處風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求，模擬過(guò)程中各處橫通道防護(hù)門處風(fēng)速見(jiàn)圖4。

圖4 各橫通道門處風(fēng)速圖

5#和6#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖見(jiàn)圖5和圖6。

利用FDS軟件查看平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖，可以看到5#、6#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)斷面上風(fēng)速分布相當(dāng)不均勻，在橫通道門側(cè)風(fēng)速很小，而在遠(yuǎn)離橫通道側(cè)墻壁附近風(fēng)速可達(dá)8 m/s。這種分布造成分風(fēng)中風(fēng)流很難進(jìn)入5#和6#橫通道，故需調(diào)整原方案。

圖5 5#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖

圖6 6#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖

2.2.3 調(diào)整方案模擬

調(diào)整方案首先考慮將橫通道間距加大，布置在風(fēng)速分布相對(duì)均勻的地方。規(guī)范規(guī)定橫通道間距最大為60 m，故將5#橫通道向隧道進(jìn)口方向移動(dòng)5 m，6#橫通道向隧道出口方向移動(dòng)5 m，5#橫通道和6#橫通道間調(diào)整為60 m。計(jì)算結(jié)果顯示5#、6#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)斷面上風(fēng)速分布相較移動(dòng)之前分布差距有所縮小，但仍不均勻，在橫通道門側(cè)風(fēng)速很小，而在遠(yuǎn)離橫通道側(cè)墻壁附近風(fēng)速可達(dá)6 m/s。移動(dòng)之后5#橫通道和6#橫通道風(fēng)速依然達(dá)不到要求，甚至影響到7#橫通道處風(fēng)速，使其降低很多。

繼續(xù)考慮將橫通道間距加大，布置在風(fēng)速分布相對(duì)均勻的地方，同時(shí)將進(jìn)風(fēng)口與平導(dǎo)連接段至5#橫通道和6#橫通道之間的斜坡部分?jǐn)U大斷面形成喇叭口向平導(dǎo)內(nèi)送風(fēng)。修改方案后局部平面圖和模型圖見(jiàn)圖7。

計(jì)算結(jié)果顯示在調(diào)整方案修改為喇叭形進(jìn)風(fēng)口后，在5#橫通道和6#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布相對(duì)比較均勻，有利于風(fēng)流向橫通道內(nèi)（見(jiàn)圖8和圖9）。

雖然6#橫通道門處風(fēng)速最小，但整個(gè)模擬過(guò)程中其平均風(fēng)速約為2.3 m/s，各橫通道們風(fēng)速達(dá)到規(guī)范要求的2 m/s以上。整個(gè)模擬過(guò)程中5#橫通道門處平均風(fēng)速約為2.6 m/s，模擬過(guò)程中各處橫通道防護(hù)門處風(fēng)速見(jiàn)圖10。

圖7 修改方案后局部平面圖和模型圖

圖8 方案調(diào)整后5#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖

圖9 方案調(diào)整后6#橫通道中線對(duì)應(yīng)平導(dǎo)內(nèi)風(fēng)速分布云圖

通過(guò)二維和三維計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)：風(fēng)流具有空間各向異性，在一定情況下不能簡(jiǎn)單地將其簡(jiǎn)化為二維空間進(jìn)行計(jì)算。風(fēng)流具有各向異性，在橫斷面上分布不一定是均勻的，計(jì)算中不能單純地取其平均值作為斷面風(fēng)速。

3 結(jié)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(lián)絡(luò)通道與5#和6#橫通道之間加寬斷面，以實(shí)現(xiàn)喇叭形進(jìn)風(fēng)口向平導(dǎo)內(nèi)送風(fēng)，使得風(fēng)流在2號(hào)輔助導(dǎo)坑橫斷面上較均勻分布。

圖10 方案調(diào)整后各橫通道門處風(fēng)速圖

（2）二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算僅考慮了線性問(wèn)題，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)上的風(fēng)速是均勻分布的，未考慮空間性對(duì)風(fēng)速在橫斷面上分布造成的影響；在隧道通風(fēng)計(jì)算中，特定情況下不能簡(jiǎn)單將其簡(jiǎn)化為二維空間進(jìn)行計(jì)算。

（3）建議實(shí)際工程中在利用二維通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出結(jié)果后，應(yīng)通過(guò)三維數(shù)值模擬進(jìn)行驗(yàn)證，以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。