類矩形盾構(gòu)隧道火災(zāi)通風(fēng)控?zé)熽P(guān)鍵參數(shù)研究*

黃文昕 路世昌 姜學(xué)鵬 苗妤 肖倪琪

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司 浙江寧波 315101； 2.應(yīng)急管理部天津消防研究所 天津 300381； 3.武漢科技大學(xué) 武漢 430081)

0 引言

類矩形隧道較常規(guī)盾構(gòu)隧道節(jié)約了35%的地下空間，故在地鐵隧道建設(shè)中陸續(xù)得到應(yīng)用[1]。為保障隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和減少雙線列車運行間的干擾，會在隧道中間設(shè)立中隔墻。但由于類矩形隧道特殊空間構(gòu)造，導(dǎo)致中隔墻上的聯(lián)絡(luò)通道孔洞處無法設(shè)置實體防火門，即中隔墻上只能存在無防火門的孔洞。顯然，在通風(fēng)控?zé)熯^程中會有氣流經(jīng)孔洞處進(jìn)入非事故隧道，最終作用于火源處有效風(fēng)量可能無法有效地控制煙氣逆流。因此，確定無防火門的聯(lián)絡(luò)通道對通風(fēng)控?zé)熡绊懀约巴L(fēng)方案的有效性就顯得尤為重要。

針對地鐵隧道控?zé)焼栴}，ZHU K等[2]從試驗和數(shù)值模擬兩個方面研究分析了地鐵區(qū)間堵塞時縱向通風(fēng)排煙的煙氣運動；BLANCHARD E等[3]通過1∶3的壓縮尺寸隧道模型試驗，分析了縱向風(fēng)速對熱釋放速率、煙氣流動和能量守恒的影響，研究結(jié)果表明：縱向風(fēng)速的加大有利于下游煙氣層的融合，從而減少表面的熱損失；WU Y等[4]通過小尺寸火災(zāi)試驗和數(shù)值模擬兩個方面研究了矩形隧道縱向風(fēng)流對煙氣逆流影響，并得出隧道臨界風(fēng)速計算公式?？梢?，地鐵隧道的通風(fēng)控?zé)焼栴}引起了國內(nèi)外一些學(xué)者的關(guān)注，但目前對于聯(lián)絡(luò)通道無防火門情況下的通風(fēng)控?zé)熝芯?，尚未有學(xué)者進(jìn)行深入分析。

依托寧波市軌道交通4號線工程，通過分析事故隧道縱向能見度分布、溫度分布等參數(shù)變化，得到不同斷面流速下火災(zāi)煙氣控制效果，來研究不同疏散孔洞設(shè)置方式對通風(fēng)控?zé)煹挠绊懀云诖_定可有效控制煙氣蔓延與滿足人員安全疏散煙氣控制方案。

1 火災(zāi)計算模型的建立

1.1 火災(zāi)計算模型

(1)建模參數(shù)。寧波4號線工程類矩形盾構(gòu)隧道典型區(qū)間段長762 m，凈寬為10.25 m，凈高為6 m，隧道斷面示意圖如圖1所示。聯(lián)絡(luò)通道口處疏散孔洞有一口單洞、一口雙洞兩種設(shè)置形式。

采用FDS 6.7.1[5]建立類矩形地鐵隧道模型，模擬列車車頭火災(zāi)，火源設(shè)置在列車模型的第二節(jié)車廂的第二個車廂門處，火源尺寸為長5 m×寬2 m。隧道墻壁材料設(shè)置為“CONCRETE”，列車材料設(shè)置為“STEEL”。隧道內(nèi)環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，氣壓設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325 kPa。區(qū)間隧道示意圖如圖2所示。

圖1 隧道斷面示意圖

圖2 區(qū)間隧道示意圖

(2)網(wǎng)格敏感性分析。NIST實驗驗證，當(dāng)網(wǎng)格尺寸d≤0.1D*時[5]，F(xiàn)DS模擬結(jié)果與實驗結(jié)果非常吻合。由式(1)得到Q=10 MW時，網(wǎng)格尺寸小于0.24 m較合適，考慮到火源附近相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)變化較大，火源附近(±20 m范圍)網(wǎng)格尺寸越小，模擬結(jié)果越精確，取δx=0.05 m，0.1 m，0.15 m，0.2 m這4種網(wǎng)格尺寸進(jìn)行敏感性分析，距火源200 m隧道拱頂處溫度分布計算結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明：近火源區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.1 m時，其計算結(jié)果與0.05 m幾乎一致，考慮計算精度及耗時，將近火源區(qū)域網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.1 m，火源遠(yuǎn)端網(wǎng)格尺寸設(shè)為0.2 m。

D*為火災(zāi)特征直徑，計算公式[5]如下：

(1)

式中，D*為火災(zāi)特征直徑，m；Q為火源功率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，取為1.204 kg/m3；Cp為環(huán)境空氣比熱，取為1.005 kJ/(kg·K)；T∞為環(huán)境空氣溫度，取為293 K；g為重力加速度，取為9.81 m/s2。

圖3 不同網(wǎng)格尺寸下距火源200 m處的頂板溫度分布

1.2 隧道通風(fēng)控?zé)煼桨?/h3>

當(dāng)列車車頭(第二節(jié)車廂)發(fā)生火災(zāi)并停靠在區(qū)間隧道內(nèi)時，事故隧道啟動縱向通風(fēng)控?zé)熛到y(tǒng)向行車方向送風(fēng)(車尾方向射流風(fēng)機(jī)啟動送風(fēng)，車頭方向射流風(fēng)機(jī)啟動抽風(fēng))；非事故區(qū)間隧道自然通風(fēng)。隧道煙氣控制策略如圖4所示。

圖4 隧道煙氣控制策略示意圖

1.3 模擬工況設(shè)計

由《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51298—2018)第8.2.4條規(guī)定：“國內(nèi)地鐵列車的設(shè)計火災(zāi)規(guī)模通常取用7.5 MW～10.5 MW”，確定列車火災(zāi)熱釋放速率為10 MW(快速增長火：火災(zāi)增長速率0.046 89 kW/s2)。

依據(jù)Wu & Bakar臨界風(fēng)速公式[3]，計算得到火源功率Q=10 MW時臨界風(fēng)速為Vt=2.48 m/s，由此共設(shè)計16組工況，詳見下表1。

(2)

2 模型計算結(jié)果與分析

2.1 有效通風(fēng)控?zé)燂L(fēng)速判定條件

將疏散平臺上方2 m設(shè)定為特征高度，將事故隧道火源上游區(qū)域特征高度處溫度不超過60 ℃、能見度不低于10 m、CO體積分?jǐn)?shù)不高于500×10-6作為有效通風(fēng)控?zé)燂L(fēng)速的判定條件，分析不同通風(fēng)控?zé)燂L(fēng)速下煙氣控制效果。若事故隧道火源上游區(qū)域特征高度處溫度、能見度、CO體積分?jǐn)?shù)同時滿足判定條件，說明通風(fēng)控?zé)煼桨改軌蛴行Э刂茻煔饴硬⒈ＷC人員疏散過程安全。

2.2 火源位置的影響分析

當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置類型為一口單洞時，不同火源位置下的溫度、能見度和CO分布情況如圖5和圖6所示。

(a)溫度

(b)能見度

(c)CO體積分?jǐn)?shù)濃度

由圖5與圖6可知，事故隧道斷面風(fēng)速為2.1～2.4 m/s時，火源位于聯(lián)絡(luò)通道上游的溫度、能見度和CO體積分?jǐn)?shù)都要小于火源位于聯(lián)絡(luò)通道的情況，溫度差、能見度差和CO體積分?jǐn)?shù)差基本在10 %以內(nèi)。溫度差隨著事故隧道斷面風(fēng)速的增大而增加，能見度差和CO體積分?jǐn)?shù)差隨著事故隧道斷面風(fēng)速的增大而減小。

(a)溫度

(b)能見度

(c)CO體積分?jǐn)?shù)濃度

當(dāng)火源越靠近聯(lián)絡(luò)通道處時，聯(lián)絡(luò)通道處的火風(fēng)壓越大，進(jìn)而促使事故隧道的縱向通風(fēng)通過無防火門的聯(lián)絡(luò)通道分流至非事故隧道。導(dǎo)致用于煙氣控制的縱向通風(fēng)風(fēng)速低于事故隧道端口送出的風(fēng)流速度。因此火源位于聯(lián)絡(luò)通道處需要的控?zé)燂L(fēng)速需大于火源位于聯(lián)絡(luò)通道口至上游出口間的控?zé)燂L(fēng)速。

2.3 疏散孔洞數(shù)量影響分析

當(dāng)火源位于聯(lián)絡(luò)通道處時，圖7和圖8分別為不同聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置類型下的溫度、能見度和CO分布情況。

(a)溫度

(b)能見度

(c)CO體積分?jǐn)?shù)

由圖7與圖8可知，事故隧道斷面風(fēng)速為2.1～2.4 m/s時，聯(lián)絡(luò)通道為一口單洞的溫度、能見度和CO體積分?jǐn)?shù)都要小于聯(lián)絡(luò)通道為一口雙洞的情況，溫度差、能見度差和CO體積分?jǐn)?shù)差基本在9.2 %以內(nèi)。溫度差、能見度差和CO體積分?jǐn)?shù)差隨著事故隧道斷面風(fēng)速的增大而增加。

類矩形隧道內(nèi)的聯(lián)絡(luò)通道采用一口雙洞時，開口面積比一口單洞多了100%，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生以后，事故隧道開啟風(fēng)機(jī)進(jìn)行送風(fēng)，較大的開口面積意味著更多的事故隧道通風(fēng)通過聯(lián)絡(luò)通道分流至非事故隧道，導(dǎo)致用于煙氣控制的縱向通風(fēng)風(fēng)速低于事故隧道端口送出的風(fēng)流速度。因此一口雙洞式聯(lián)絡(luò)通道需要的控?zé)燂L(fēng)速需大于一口單洞式聯(lián)絡(luò)通道的控?zé)燂L(fēng)速，火源處的疏散指標(biāo)也高于一口單洞式聯(lián)絡(luò)通道的疏散指標(biāo)。

(a)溫度

(b)能見度

(c)CO體積分?jǐn)?shù)

2.4 有效控?zé)燂L(fēng)速確定

通過對不同火源位置和不同聯(lián)絡(luò)通道設(shè)置方式進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)煙氣向上游蔓延情況以及不同事故隧道斷面風(fēng)速下煙氣控制效果，確定了當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，能達(dá)到煙氣控制效果的所需事故隧道斷面風(fēng)速。風(fēng)速如下表2所示。

表2 事故隧道斷面風(fēng)速

當(dāng)事故隧道斷面流速為2.40 m/s時，900 s時事故隧道縱向流速分布如圖9所示。由圖9可知，900 s時火源前方和后方的氣流速度基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，隧道內(nèi)風(fēng)速不低于2.1 m/s，列車段風(fēng)速多為3.5～5.0 m/s。

《地鐵設(shè)計規(guī)范》(GB 50157—2013)28.3.12要求“單洞區(qū)間隧道斷面的排煙流速不小于2 m/s且高于該火災(zāi)場景下的臨界風(fēng)速，但排煙流速不得大于11 m/s”，且依據(jù)Wu & Bakar公式[3]，計算得到的臨界風(fēng)速為2.48 m/s。綜合上述分析，在不同火災(zāi)工況下，當(dāng)事故隧道斷面送風(fēng)風(fēng)速為2.40 m/s時，可有效控制火災(zāi)煙氣蔓延，并與規(guī)范要求一致。

圖9 900 s時刻事故隧道縱向流速分布

3 結(jié)論

(1)當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道的開口面積不變時，隨著火源與聯(lián)絡(luò)通道距離的增加，事故隧道所需的控?zé)燂L(fēng)速越小。

(2)當(dāng)火源與聯(lián)絡(luò)通道的距離不變時，隨著聯(lián)絡(luò)通道開口面積的增大，事故隧道所需的控?zé)燂L(fēng)速越大。

(3)類矩形地鐵隧道長度為762 m的情況下，當(dāng)事故隧道斷面送風(fēng)風(fēng)速為2.40 m/s，可有效控制煙氣蔓延。