仇培云高級工程師 史聰靈教授級高工 汪良旗教授級高工 李 建工程師 陳嘉誠工程師

(1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000；2.中國安全生產(chǎn)科學研究院，北京 100012)

0 引言

地鐵作為現(xiàn)代化的城市軌道交通工具，承擔著越來越重要的大客流運輸任務(wù)。從城市化、能源緊張、效率與環(huán)境問題等方面考慮，地鐵具有運量大、速度高、低污染、少占資源、低能耗、乘坐方便、舒適等特點，符合可持續(xù)發(fā)展的原則，特別適用于大中城市。截至2017年末，中國內(nèi)地共計34個城市開通城市軌道交通并投入運營，開通城市軌道交通線路165條，運營線路長度達到5 033km。其中，地鐵3 884km，占比77.2%[1]。

隨著我國軌道交通建設(shè)工作的推進，不少城市軌道交通線路開始由中心城區(qū)向城郊延伸，由于城郊人口密度低，站間距較大，導致地鐵長大區(qū)間隧道日益涌現(xiàn)。長大區(qū)間隧道基本處于地下空間，環(huán)境封閉，而運行的列車內(nèi)人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，其排煙模式的有效性關(guān)乎大量人員的生命安全[2]。

研究區(qū)間隧道火災(zāi)通風排煙主要有全尺寸實驗、模型實驗、理論分析和數(shù)值模擬等。史聰靈等[3]采用全尺寸火災(zāi)實驗的方式，研究區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣縱向蔓延速度、煙氣豎直溫度分布和水平溫度變化，分析了煙氣火焰傾斜角，頂棚煙氣溫升的縱向指數(shù)變化特征；Ingason等[4-5]采用縮尺寸試驗和理論分析，研究了縱向通風情況下隧道內(nèi)煙流控制、臨界風速和煙氣逆流長度。

Weng 等[6]則采用量綱分析法，研究了縱向通風情況下隧道內(nèi)煙流控制臨界風速和煙氣逆流長度; 張之啟[7]針對地鐵的長大過江區(qū)間隧道，從通風系統(tǒng)形式、氣流組織等方面詳細研究了長大區(qū)間隧道的通風、排煙系統(tǒng)設(shè)計方案，對于同時存在多列車同向運行的長大區(qū)間隧道，當區(qū)間隧道采用大洞方案時，設(shè)置頂部風道、風口來組織隧道內(nèi)的通風排煙，當區(qū)間隧道采用小洞方案時，在區(qū)間隧道上設(shè)置中間風井，利用中間風井進行通風排煙；袁中原[8]采用理論分析、模型試驗和三維數(shù)值模擬結(jié)合的方法，研究了頂部開孔地鐵區(qū)間隧道的火災(zāi)煙氣特性和煙氣控制方法。

吳萍[9]采用數(shù)值模擬，以帶獨立排煙道的長大單洞雙向地鐵區(qū)間隧道為研究對象，研究了單點點式排煙和雙點點式排煙2種模式下的煙氣流動特性，并分別研究了隨著火源熱釋放率、火源豎向位置、排煙風口橫向尺寸、排煙風口縱向尺寸、火源與風口間距和排煙風量等因素影響煙氣流動特性的變化規(guī)律；蘇晶[10]使用地鐵環(huán)控計算軟件SES 對最終隧道通風方案進行火災(zāi)工況下的模擬分析研究。

本文將采用數(shù)值模擬方式，以國內(nèi)某一在建地鐵長大區(qū)間為研究實例，針對長大區(qū)間內(nèi)列車不同起火位置設(shè)計相應(yīng)排煙模式，研究各工況下的排煙效果，以期獲得各對應(yīng)有效排煙模式，為地鐵工程設(shè)計和運營提供參考。

1 長大區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣計算模擬

本研究選取國內(nèi)某在建長大區(qū)間進行火災(zāi)計算模擬和論證。該區(qū)間隧道長5 687m，區(qū)間兩端車站分別為A站和B站，區(qū)間內(nèi)設(shè)置了10個聯(lián)絡(luò)通道和2個中間風井(1#中間風井和2#中間風井)，1#中間風井靠近A站，2#中間風井靠近B站區(qū)間隧道斷面直徑為5.4m，如圖1。兩條單線區(qū)間隧道之間的聯(lián)絡(luò)通道的截面尺寸為3 m(寬)×2.5 m(高)。聯(lián)絡(luò)通道兩端均設(shè)向疏散方向開啟的甲級防火門，防火門高2m，寬1.2m。

圖1 車站、區(qū)間隧道及聯(lián)絡(luò)通道示意圖

1.1 火源功率設(shè)定

四川消防研究所[11]對地鐵火災(zāi)進行了模擬研究，給出了一節(jié)車廂最大的熱釋放速率為5MW左右。本文列車火災(zāi)模擬功率按每節(jié)車廂5MW，一次列車火災(zāi)規(guī)模按每小時燒毀1.5節(jié)車廂計算[12]，因此計算的火災(zāi)規(guī)模約為7.5MW，著火列車長度范圍約為36m。根據(jù)t平方火災(zāi)增長模型，火災(zāi)曲線升溫曲線可按約10min達到峰值考慮。

1.2 網(wǎng)格設(shè)置分析

在FDS數(shù)值模擬中，網(wǎng)格質(zhì)量與計算機配置、耗費時間和模擬結(jié)果的準確性直接相關(guān)，為達到節(jié)省時間和保證精確度的目的，合理設(shè)置網(wǎng)格大小至關(guān)重要。在隧道火災(zāi)模擬分析中，火災(zāi)特征直徑D*與網(wǎng)格尺寸dx大小關(guān)系密切，D*/dx值為4～16認為對火災(zāi)模擬的網(wǎng)格設(shè)置是合理的[13]。

式中：

D*—火源特征直徑，m；

Q—火源熱釋放速率，kW；

ρ∞—環(huán)境空氣密度，kg/m3；

C∞—環(huán)境空氣比熱，kJ/(kg·K)；

T∞—環(huán)境空氣溫度，K；

g—重力加速度，m/s2。

根據(jù)上式，網(wǎng)格設(shè)置取值范圍為0.13～0.52m。因此本文設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.2m×0.2m×0.2m，采用全尺寸建模，長大區(qū)間隧道模型總網(wǎng)格數(shù)約為1 600萬。由于FDS只能構(gòu)建矩形網(wǎng)格，因此隧道斷面需借助圓角處理功能來實現(xiàn)，采用圓角處理后，可消除矩形邊界對氣流運動的影響。

2 計算火災(zāi)場景

由于該區(qū)間設(shè)置了2座中間風井，因此需考慮列車停靠在車站與中間風井之間、2個中間風井之間的情況，通過模擬計算驗證現(xiàn)有典型區(qū)間通風排煙系統(tǒng)設(shè)計是否滿足規(guī)范要求，設(shè)置3種火災(zāi)場景，如圖2。

(1)工況1：列車位于A站和1#中間風井之間。

起火隧道內(nèi)，距列車頭部較近端的1#中間風井隧道風機(風量60m3/s)排煙，距列車尾部較近端A站的隧道風機(風量60m3/s)送風。另外未起火隧道內(nèi)，A站和1#中間風井的各1臺隧道風機(風量均為60m3/s)向未起火區(qū)間內(nèi)送風，保持未起火區(qū)間的正壓性；車站的隧道排熱風機系統(tǒng)關(guān)閉；A站的站臺門關(guān)閉，1#聯(lián)絡(luò)通道(X1=1 035m)打開，供乘客疏散使用。

圖2 各火災(zāi)場景示意圖

(2)工況2：列車位于1#中間風井和2#中間風井之間。

起火隧道內(nèi)，距列車頭部較近端的2#中間風井隧道風機(風量60m3/s)排煙，距列車尾部較近端1#中間風井的隧道風機(風量60m3/s)送風。另外未起火隧道內(nèi)，1#中間風井和2#中間風井的各1臺隧道風機(風量均為60m3/s)向未起火區(qū)間內(nèi)送風，保持未起火區(qū)間的正壓性；車站的排熱風機關(guān)閉；6#聯(lián)絡(luò)通道(X2=1156m)打開，供乘客疏散使用。

(3)工況3：列車位于2#風井和B站之間。

起火隧道內(nèi)，距列車頭部較近端的B站隧道風機(風量60m3/s)排煙，距列車尾部較近端2#風井的隧道風機(風量60m3/s)送風。另外未起火隧道內(nèi)，B站和2#中間風井的各1臺隧道風機(風量均為60m3/s)向未起火區(qū)間內(nèi)送風，保持未起火區(qū)間的正壓性；B站的排熱風機關(guān)閉；B站的站臺門關(guān)閉，9#聯(lián)絡(luò)通道(X3=285m)打開，供乘客疏散使用。

3 結(jié)果與討論

按照工況一場景設(shè)置的中間風井設(shè)置方案和區(qū)間排煙送風模式，煙氣將被誘導沿著區(qū)間隧道向1#中間風井蔓延。從圖3(b)可以看出，X1=1 300m位置的上風向溫度無變化，說明熱煙氣并未向上風向蔓延；下風向頂棚最高溫度出現(xiàn)在X1=1 350m位置，說明煙氣羽流由于縱向風速的影響，向右側(cè)產(chǎn)生了傾斜隧道頂棚穩(wěn)定溫度縱向分布情況，如圖3(a)，1#中間風井的中心位置X1=2 325m及其右側(cè)溫度保持為環(huán)境溫度，說明煙氣向右并未蔓延出中間風井位置。

按照工況二場景設(shè)置的中間風井設(shè)置方案和區(qū)間排煙送風模式，煙氣將被誘導沿著區(qū)間隧道向2#中間風井蔓延。從圖4(b)可以看出，X2=1 300m位置的上風向溫度無變化，說明熱煙氣并未向上風向蔓延；下風向頂棚最高溫度出現(xiàn)在X2=1 400m位置，說明煙氣羽流由于縱向風速的影響，向起火列車右側(cè)傾斜；隧道頂棚穩(wěn)定溫度縱向分布情況，如圖4(b)，2#中間風井的下風向位置X2=2 400m溫度保持為環(huán)境溫度，說明煙氣向右并未蔓延出中間風井位置。

按照工況三場景設(shè)置的中間風井設(shè)置方案和區(qū)間排煙送風模式，煙氣將被誘導沿著區(qū)間隧道向B站隧道風井蔓延。從圖5(b)可以看出，X3=550m位置的上風向溫度無變化，說明熱煙氣并未向上風向蔓延；下風向頂棚最高溫度為135℃；隧道頂棚穩(wěn)定溫度縱向分布情況，如圖5(b)，B站隧道風井的下風向位置X3=1 000m溫度保持為環(huán)境溫度，說明煙氣向右并未蔓延至B站。

圖3 工況一起火隧道內(nèi)坐標X1=1300-2000m頂棚溫度情況

圖4 工況二起火隧道內(nèi)坐標X2=1200-2000m頂棚溫度情況

圖5 工況三起火隧道內(nèi)坐標X3=590-940m頂棚溫度情況

由于風機啟動后壓力波在長大區(qū)間傳播需要一定時間，因此流場在0～500s處于震蕩狀態(tài)。直到500s左右才穩(wěn)定下來。穩(wěn)定后，工況一起火列車中心線周圍的流量為40kg/s，流速約為3.1m/s，1#聯(lián)絡(luò)通道到起火列車之間的區(qū)間隧道流速略高于2m/s；工況二起火列車中心線周圍的流量為40kg/s，流速為3.5m/s，起火列車到6#聯(lián)絡(luò)通道之間的區(qū)間隧道流速略高于2m/s；工況三起火列車中心線周圍的流量為55kg/s，流速為2.5m/s，起火列車到9#聯(lián)絡(luò)通道之間的區(qū)間隧道流速為2.2～2.8m/s，根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》要求，單區(qū)間隧道排煙流速不應(yīng)小于2m/s，且不得大于11m/s，各工況均滿足規(guī)范要求。

如圖6所示，通過在模擬過程中對聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的流場進行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，各工況下，用于人員疏散的聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)流場方向均為未起火隧道至起火隧道，可有效阻止煙氣進入另一側(cè)隧道，確保未起火隧道無煙氣進入，有利于人員安全疏散。

圖6 各工況下聯(lián)絡(luò)通道截面流量和中心流速

4 結(jié)論

(1)本文針對不同的工況，分別采取相應(yīng)的區(qū)間排煙送風模式，各工況煙氣能夠快速的蔓延至風井位置處，并通過風井處的排煙風機排除。

(2)在三種不同工況下，采取相應(yīng)排煙模式，均滿足起火隧道流速大于未起火隧道流速，使聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的流場方向為未起火隧道至起火隧道，能有效的阻止煙氣進入另一側(cè)隧道，確保未起火隧道無煙氣進入。

(3)在三種不同工況下，采取相應(yīng)排煙模式，煙氣不會擴散出中間風井位置，能保證煙氣在著火區(qū)段內(nèi)的順利排出，減少對其余區(qū)段和車站的影響。