地鐵正線隧道分岔段火災煙氣通風控制研究

范登鑫 何 磊 雷 波 鄧保順 郭永楨

（1.西南交通大學機械工程學院 成都 610031；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 西安 710043）

0 引言

隨著軌道交通的發展，地鐵線路逐漸增多并連線成網，線網中隧道結構、連接形式的多樣化和復雜化給隧道火災煙氣控制帶來了新的問題。當線路相互連通后，隧道內列車發生火災，開啟隧道通風系統進行通風排煙時，一方面要求發生火災的正線隧道進行通風控制煙氣逆流，另一方面又不允許煙氣通過聯絡線隧道蔓延到未發生火災的線路。正線隧道與聯絡線隧道的結合部位是線路間火災煙氣產生相互影響的關鍵位置，本文稱之為“正線隧道分岔段”，該位置發生火災時的煙氣控制需要特別關注。

隧道縱向通風煙氣控制方法的基礎是臨界風速理論。Thomas[1]認為驅動熱煙向前的浮力與流動阻力相等時，煙氣便停止向前，并提出了臨界風速的預測模型。Oka 和Atkinson[2]研究了不同燃燒位置及燃燒器阻塞對臨界風速的影響。Wu 和Bakar[3]選用隧道水力直徑作為特征尺寸，進一步優化了臨界風速計算公式。李穎臻[4]從臨界Froude 數理論出發建立了計算聯絡通道臨界風速的模型。姜學鵬[5]根據π定理和相似理論，對影響橫通道臨界風速的相關因素進行了量綱分析。Chang Liu[6]研究了聯絡線隧道坡度及正線隧道通風風速對聯絡線隧道煙氣逆流長度的影響，并建立了地鐵聯絡線隧道臨界風速預測模型。上述研究工作都是針對火災發生在正線隧道或聯絡隧道，目前尚未見到有關列車火災發生在正線隧道分岔段的煙氣通風控制研究。

本文研究列車火災發生在地鐵正線隧道分岔段的煙氣通風控制方法，采用火災動力學軟件FDS（Fire Dynamic Simulation）建立典型地鐵隧道三維模型，計算得到將煙氣擴散控制在臨界狀態下正線隧道與聯絡線隧道所需提供的通風風速。

1 分岔段煙氣控制方法

自然通風下，火災發生在正線隧道分岔段時，在浮升力的作用下煙氣將分別向正線隧道上、下游及聯絡線隧道蔓延一定距離，如圖1 所示。為了給人員提供安全的疏散通道，需要采取通風措施對煙氣蔓延的狀態進行控制。

圖1 自然通風下火災煙氣蔓延圖Fig.1 Smoke spread under natural ventilation

地鐵區間隧道煙氣控制通常采用縱向通風的方式。為控制火災煙氣蔓延狀態，正線和聯絡線隧道都需要進行縱向通風。根據列車著火部位的不同，存在向正線隧道下游排煙和向正線隧道上游排煙兩種情況，正線隧道分岔段煙氣控制方法如圖2所示。列車從正線隧道上游向正線隧道下游行駛，列車前部著火時，向正線隧道下游排煙，如圖2（a）；列車中部著火時，可以向正線隧道上游排煙或者向正線隧道下游排煙，如圖2（b）；列車尾部著火時，向正線隧道上游排煙，如圖2（c）。

圖2 煙氣控制方法示意圖Fig.2 Method to control smoke spread

1.1 向正線隧道下游排煙

向正線隧道下游排煙時，在正線隧道上游與聯絡線隧道通風氣流的共同作用，控制煙氣向正線隧道上游及聯絡線隧道蔓延。正線隧道分岔段應保證無煙氣逆流，而聯絡線隧道的煙氣控制，根據人員疏散的不同要求，可能有煙氣不流入聯絡線與煙氣不流入另一條非火災線路兩種臨界控制狀態。正線隧道上游通風風速較小時，煙氣將逆風流動，當煙氣前鋒的驅動力與正線隧道通風氣流作用力相等時，煙氣前鋒不再向前運動，該位置與火源的距離稱為“正線隧道煙氣逆流長度”；聯絡線隧道通風風速較小時，煙氣逆風流入聯絡線隧道，當煙氣前鋒的驅動力與聯絡線隧道通風作用力相等時，煙氣前鋒不再向前運動，該位置與聯絡線隧道入口的距離稱為“聯絡線隧道煙氣逆流長度”。

正線隧道斷面積與正線隧道分岔段斷面積不相同，如果已知正線隧道的臨界風速，可以通過公式（1）計算火災斷面臨界風速：

式中，V4c表示火災斷面臨界風速，m/s；A4表示火災斷面空氣流通面積，m2；V1c表示正線隧道上游臨界風速，m/s；A1表示正線隧道上游斷面積，m2。

在正線隧道無煙氣逆流的條件下，采用數值計算方法，分別計算得到煙氣不流入聯絡線和不流入另一條非火災線路兩種臨界控制狀態下聯絡線隧道所需提供的最小通風風速。

1.2 向正線隧道上游排煙

向正線隧道上游排煙時，正線隧道下游與聯絡線隧道通風氣流在分岔段匯合后，形成的合流用于控制煙氣在分岔段的蔓延。只要分岔段無煙氣逆流，煙氣就不會流入到聯絡線隧道，因此，向正線隧道上游排煙時，只存在一種煙氣臨界控制狀態，即正線隧道無煙氣逆流。

正線隧道分岔段無煙氣逆流時，根據質量守恒關系得到：

式中，V2表示聯絡線隧道通風風速，m/s；A2表示聯絡線隧道斷面積，m2；V3表示正線隧道下游通風風速，m/s；A3表示正線隧道下游斷面積，m2。

公式（2）表明，在已知火災斷面臨界風速V4c和正線隧道下游通風風速V3后，可計算出需要的聯絡線隧道通風風速V2。

2 CFD 模擬

2.1 數值模型及相關參數

以某一典型地鐵隧道為模型，其正線隧道直徑5.5m，隧道斷面積21.3m2，周長16.8m；聯絡線隧道4.5m（寬）×4.6m（高），隧道斷面積20.7m2，周長18.2m，聯絡線隧道長度為320m，聯絡線坡度4%；正線隧道模擬總長為275m，隧道模型如圖3 所示。

圖3 隧道物理模型Fig.3 Physical model of tunnel

列車為B 型列車，尺寸為19m（長）×2.8m（寬）×3.8m（高），6 輛B 型車為一個編組。

列車火災發生在正線隧道分岔段中間，火災斷面空氣流通面積為23m2，火災熱釋放速率為7.5MW。

環境溫度為26.7℃，土壤層溫度為15℃；隧道壁面材料為混凝土，列車表面為絕熱條件；正線隧道通風入口與聯絡線隧道通風入口設置為速度邊界，正線隧道通風出口設置為大氣壓力邊界。

2.2 網格尺寸

數值模擬中網格尺寸越小，計算結果越精準，但耗時長。為準確模擬隧道火災并節約機時，必須選擇合理的網格尺寸，其與火源特征直徑D*有關，計算公式如下：

式中，Q為火災熱釋放率，kW；D*為火災特征直徑，m；ρ0表示環境密度，kg/m3；T0表示環境溫度，K；cp為定壓比熱，kJ/(kg·K)；g為重力加速度，m2/s。

FDS 軟件使用手冊指出，網格尺寸在0.06～0.25D*之間時數值模擬計算結果較好。胡隆華[7]研究表明，網格尺寸在0.1～0.12D*之間，火源附近網格加密一倍時，數值模擬結果與全尺寸火災試驗結果能很好地吻合。

本文隧道模型在自然通風下不同網格尺寸的正線隧道頂部煙氣縱向溫度分布如圖4 所示，當網格尺寸為0.075D*和0.1D*時，隧道頂部煙氣縱向溫度差別較小。為了保證計算準確度和減少計算量，本文采用0.1D*網格，網格尺寸為0.2m，網格總數為287 萬。

圖4 正線隧道頂部煙氣縱向溫度分布Fig.4 Longitudinal temperature distribution of smoke below the top of main tunnel

2.3 數值方法驗證

為驗證數值模擬方法的準確性，對某小尺寸分岔隧道實驗[6]中的Test2～5 工況進行數值模擬。模擬值與實驗值的差別如圖5 所示，模擬值與實驗值對照情況較好，說明采用FDS 軟件可以很好地模擬隧道火災煙氣逆流長度與隧道縱向通風風速的關系。

圖5 模擬值與實驗值對比圖Fig.5 Comparison of simulated value and experimental value

3 計算結果及分析

3.1 向正線隧道下游排煙

計算得到正線隧道上游通風風速與正線隧道煙氣逆流長度的關系如圖6 所示。正線隧道煙氣逆流長度為0 時，正線隧道上游臨界風速V1c為3.0m/s，按公式（1）計算得到火災斷面臨界風速V4c為2.7m/s。

圖6 正線隧道煙氣逆流長度Fig.6 Back-layering length in main tunnel

在正線隧道上游臨界風速3.0m/s 下，改變聯絡線隧道通風風速，計算得到列車前部、中部著火時聯絡線隧道通風風速與聯絡線隧道煙氣逆流長度的關系基本相同，擬合得到聯絡線隧道通風風速與聯絡線隧道煙氣逆流長度的關系曲線如圖7 所示，將曲線外推，分別得到聯絡線隧道煙氣逆流長度為0 時，聯絡線隧道通風風速為2.1m/s；聯絡線隧道煙氣逆流長度為320m 時，聯絡線隧道通風風速為0.3m/s。

圖7 聯絡線隧道煙氣逆流長度Fig.7 Back-layering length in connecting tunnel

以列車中部火災為例，在不同聯絡線隧道通風風速下，正線隧道頂部煙氣溫度如圖8 所示，可以看到，增大聯絡線隧道通風風速對火源及火源下游的正線隧道頂部煙氣溫度影響較大，而對火源上游的正線隧道頂部煙氣溫度分布基本無影響，因此可以不考慮聯絡線隧道縱向通風的變化對正線隧道煙氣逆流的影響。

圖8 正線隧道頂部煙氣溫度Fig.8 Smoke temperature below the top of main tunnel

綜上所述，向正線隧道下游排煙時，正線隧道上游通風風速為3m/s，正線隧道無煙氣逆流；聯絡線隧道通風風速2.1m/s，聯絡線無煙氣流入；聯絡線隧道通風風速為0.3m/s，煙氣不會流入另一條非火災線路。

3.2 向正線隧道上游排煙

《地鐵設計防火標準》[8]中要求區間隧道縱向通風風速不小于2.0m/s，因此，向正線隧道上游排煙時，正線隧道下游通風風速設為2.0m/s，由公式（2）計算出對應的聯絡線隧道通風風速為1.0m/s。在正線隧道下游通風風速2.0m/s、聯絡線隧道通風風速1.0m/s 協同通風控制下，列車中部、尾部火災的煙氣蔓延如圖9 所示，結果表明，此通風條件下正線隧道無煙氣逆流。當正線隧道、聯絡線隧道通風風速都按規范要求的最小通風風速2.0m/s 設計時，顯然，此通風條件下正線隧道也無煙氣逆流產生。

圖9 煙氣蔓延正視圖Fig.9 Front view of smoke spread

與向正線隧道下游排煙相比，列車火災向正線隧道上游排煙時提供較小的正線隧道和聯絡線隧道通風風速就能使正線隧道無煙氣逆流、聯絡線隧道無煙氣流入。

4 結論

本文分析了正線隧道分岔段的火災煙氣控制方法，并對某一典型地鐵隧道的分岔段火災煙氣控制進行了數值計算，得到以下結論：

（1）向正線隧道下游排煙時，正線隧道上游通風風速為3.0m/s，正線隧道無煙氣逆流；聯絡線隧道通風風速2.1m/s，聯絡線無煙氣流入；聯絡線隧道通風風速為0.3m/s，煙氣不流入另一條非火災線路。

（2）向正線隧道上游排煙時，在正線隧道下游通風風速2.0m/s、聯絡線隧道通風風速1.0m/s的通風條件下正線隧道無煙氣逆流、聯絡線隧道無煙氣流入。