防護門處風(fēng)速對鐵路隧道緊急救援站火災(zāi)煙氣的影響

蔣 堯 周遠龍 胡 煒 譚信榮 畢海權(quán)

(1. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031； 2. 西南交通大學(xué)， 成都 610031)

隨著我國鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，特長鐵路隧道的數(shù)量不斷增加，截止2018年底，長度超過20 km的隧道，已經(jīng)運營9座，在建6座，規(guī)劃33座[1]。根據(jù)TB 10020-2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計規(guī)范》，長度20 km及以上的隧道或隧道群應(yīng)設(shè)置緊急救援站，當列車在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故時，優(yōu)先選擇將列車駛出隧道進行疏散救援，當不能駛出隧道時，應(yīng)停靠在緊急救援站內(nèi)進行疏散救援。緊急救援站內(nèi)設(shè)置列車火災(zāi)防排煙通風(fēng)系統(tǒng)，控制煙氣流動，保證人員安全疏散時間，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失[2]。

特長鐵路隧道緊急救援站防排煙通風(fēng)系統(tǒng)可分為縱向通風(fēng)方式和半橫向通風(fēng)方式。曾滿元等人[3]對石太客運專線太行山特長隧道緊急救援站防排煙通風(fēng)方案進行了研究，丁祥等人[4]對包蘭鐵路青天寺特長隧道緊急救援站防排煙通風(fēng)方案進行了研究，均認為采用縱向通風(fēng)方式時除非火災(zāi)發(fā)生在車頭、車尾位置，總有部分車廂處于煙流之中，影響這些車廂人員的疏散逃生，只有采用半橫向通風(fēng)方式才能徹底解決這個問題，故建議在救援站范圍內(nèi)采用半橫向通風(fēng)方式；秦寧然等人[5-7]對某單洞雙線特長隧道緊急救援站采用半橫向通風(fēng)方案時的排煙通風(fēng)量、排煙口尺寸及間距、橫通道內(nèi)射流風(fēng)機安裝位置等設(shè)計參數(shù)進行了研究；羅欣宇等人[8]對成蘭鐵路平安特長隧道(雙洞單線)緊急救援站采用半橫向通風(fēng)方案時的射流風(fēng)機布置方式進行了研究，認為應(yīng)將射流風(fēng)機布置在正洞內(nèi)。

綜上可知，雖然關(guān)于特長隧道緊急救援站防排煙通風(fēng)的研究較多，但未見關(guān)于防護門處風(fēng)速對火災(zāi)煙氣蔓延控制以及人員疏散影響的研究。本文通過分析防護門處不同風(fēng)速下救援站內(nèi)煙氣蔓延的特征，研究防護門處風(fēng)速對煙氣控制的影響，以期優(yōu)化緊急救援站防排煙通風(fēng)方案，為類似工程建設(shè)提供參考。

1 緊急救援站概況

某設(shè)計速度200 km/h客貨共線鐵路的特長隧道，全長28.4 km，采用雙線分修方案，線間距30 m。為解決隧道內(nèi)列車火災(zāi)事故的疏散救援問題，采用加密橫通道的方式，在隧道中部設(shè)置緊急救援站1座，平面布置如圖1所示。救援站全長550 m，共設(shè)置11條橫通道，橫通道間距50 m，橫通道兩端各設(shè)置1扇防護門，防護門尺寸3.4 m×2.0 m(寬×高)，如圖2所示。沿線路方向，在隧道頂部每間隔100 m設(shè)置1處排煙豎井，左右線隧道各設(shè)置5處，排煙豎井直徑為5.0 m，排煙豎井通過縱向連絡(luò)煙道與排煙斜井相連，如圖3所示。

圖1 緊急救援站平面圖

圖2 疏散橫通道聯(lián)絡(luò)圖(cm)

圖3 豎井式聯(lián)絡(luò)煙道截面圖

本緊急救援站采用半橫向通風(fēng)排煙方式，在左、右線隧道兩端均安裝有1組射流風(fēng)機，排煙斜井內(nèi)安裝有軸流風(fēng)機。當著火列車?？吭诰仍具M行疏散救援時，開啟排煙斜井內(nèi)的軸流風(fēng)機排煙，同時開啟安全隧道內(nèi)的射流風(fēng)機向緊急救援站加壓送風(fēng)，使橫通道內(nèi)保持正壓，防護門處風(fēng)速不小于2.0 m/s，防止煙氣進入橫通道影響人員逃生，如圖4所示。

圖4 救援站防通風(fēng)排煙方案示意圖

2 救援站火災(zāi)煙氣蔓延計算模型

2.1 計算模型

以左線隧道發(fā)生列車火災(zāi)事故停車疏散救援為例，建立救援站火災(zāi)煙氣蔓延計算模型。為減少計算量，只建立事故隧道、橫通道和排煙豎井模型，平面示意如圖5所示。計算列車模型采用CRH2型動車組，3車編組，總長85 m。忽略列車受電弓、風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)。

圖5 救援站計算模型平面示意圖

2.2 計算工況

(1)火災(zāi)規(guī)模

本線路為客貨混行，參考TB 10020-2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計規(guī)范》，計算時火災(zāi)熱釋放速率取20 MW。

(2)火災(zāi)車廂位置

根據(jù)列車火災(zāi)事故預(yù)案，當某節(jié)車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)并失去控制時，先疏散乘客至相鄰車廂，并關(guān)閉火災(zāi)車廂兩端具有一定防護能力的端門，然后將列車行駛至隧道外或緊急救援站進行疏散救援，故研究僅考慮1節(jié)車廂著火的情況。

火災(zāi)車廂處于救援站內(nèi)位置不同煙氣蔓延情況也不同，為研究防護門處風(fēng)速對火災(zāi)煙氣蔓延的影響，需考慮火災(zāi)車廂與排煙豎井、橫通道相對位置的影響。選取2種位置進行研究(如圖6所示)，位置A在3號排煙豎井正下方，5號與6號橫通道之間；位置B在3號與4號排煙豎井之間，7號橫通道正前方。

圖6 火災(zāi)車廂位置示意圖

(3)防護門風(fēng)速

選取防護門處風(fēng)速分別為0.7 m/s、1.2 m/s和2.0 m/s進行研究，計算工況如表1所示。

表1 計算工況匯總表

2.3 煙氣控制標準

隧道內(nèi)發(fā)生列車火災(zāi)事故時，影響人員疏散逃生的火災(zāi)煙氣參數(shù)主要有接觸溫度、熱輻射量、CO濃度和能見度[9]。

人員在隧道內(nèi)逃生時不可避免地會接觸到煙氣，煙氣溫度過高會灼傷人體，影響人員疏散，美國標準 NFPA 130-2014《Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems》規(guī)定：建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時，在 6 min的逃生時間內(nèi)，火源30 m外逃生路徑上人員接觸到的煙氣溫度不得高于70 ℃[10]。

熱輻射是火災(zāi)主要的傳熱方式之一。研究表明，人在幾分鐘內(nèi)能忍受的輻射熱量極限為2～2.5 kw/m2。當輻射熱量為2.5 kw/m2時，高6 m、寬8 m的隧道內(nèi)對應(yīng)最高煙氣溫度為180 ℃。

煙氣的消光作用使火災(zāi)現(xiàn)場的能見度下降，將對人員的安全疏散造成嚴重影響。TB 10020-2017《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：隧道內(nèi)特征高度2.0 m處，可見度不小于10 m。

為確保火災(zāi)時高速鐵路隧道救援站人員的安全疏散，制定救援站火災(zāi)煙氣控制標準。在著火列車?？烤仍竞蟮? min內(nèi)，距火源30 m外的區(qū)域：

(1)特征高度2.0 m處，煙氣溫度不超過70 ℃；

(2)特征高度2.0 m處，煙氣能見度不低于10 m；

(3)最高煙氣溫度不超過180 ℃。

3 防護門風(fēng)速對最高煙氣溫度的影響

火災(zāi)車廂?？吭谖恢肁時，防護門處不同風(fēng)速條件下救援站內(nèi)最高溫度計算結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，當著火車廂位于排煙豎井正下方、兩橫通道之間時，隨著防護門處風(fēng)速的增加，救援站內(nèi)最高煙氣溫度變化不大，火源30 m外區(qū)域的最高煙氣溫度低于180 ℃，滿足控制標準。

圖7 位置A時最高煙氣溫度分布圖

火災(zāi)車廂?？吭谖恢肂時，防護門處不同風(fēng)速條件下救援站內(nèi)最高煙氣溫度計算結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，當火災(zāi)車廂位于兩排煙豎井之間、橫通道正前方時，隨著防護門處風(fēng)速的增大，最高煙氣溫度幾乎無變化，但火源30 m外部分區(qū)域的最高煙氣溫度超過了180 ℃，不滿足控制標準。

圖8 位置B時最高煙氣溫度分布圖

對比火災(zāi)車廂停靠在位置A和位置B的計算結(jié)果，防護門處相同風(fēng)速條件下，?？吭谖恢肂時救援站內(nèi)最高煙氣溫度更高，且火源30 m外部分區(qū)域的最高煙氣溫度高于180 ℃，說明火災(zāi)車廂?？吭谖恢肂對控制最高煙氣溫度更為不利。

4 防護門風(fēng)速對特征高度處溫度的影響

火災(zāi)車廂?？吭谖恢肁時，防護門處不同風(fēng)速條件下疏散站臺特征高度2.0 m處的溫度計算結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，當火災(zāi)車廂位于排煙豎井正下方、兩橫通道之間時，防護門處不同風(fēng)速條件下，人員疏散路徑2.0 m高度處的溫度均低于70 ℃，滿足控制標準[11]。但隨著防護門處風(fēng)速的增大，特征高度2.0 m處的溫度逐漸升高，這可能是因為防護門處風(fēng)速的增大，加大了對高溫?zé)煔鈱拥臄_動，從而使高溫?zé)煔庀鲁翆?dǎo)致的。

圖9 位置A時特征高度2 m處溫度分布圖

火災(zāi)車廂停靠在位置B時，防護門處不同風(fēng)速條件下特征高度2.0 m處的溫度計算結(jié)果如圖10所示。從圖10中可以看出，當?？吭趦膳艧熦Q井之間、橫通道正前方時，防護門處不同風(fēng)速條件下，人員疏散路徑 2.0 m高度處的溫度均低于70 ℃，滿足控制標準。但隨著防護門處風(fēng)速的增大，特征高度2.0 m處的溫度逐漸升高，這可能是因為防護門處風(fēng)速的增大，加大了對高溫?zé)煔鈱拥臄_動，從而使高溫?zé)煔庀鲁翆?dǎo)致的。

圖10 位置B時特征高度2 m處溫度分布圖

對比火災(zāi)車廂停靠在位置A和位置B的計算結(jié)果，防護門處風(fēng)速對人員疏散路徑上 2.0 m高度處溫度的影響相同。

5 防護門風(fēng)速對特征高度處能見度的影響

火災(zāi)車廂?？吭谖恢肁和位置B時，特征高度2.0 m處的能見度計算結(jié)果如圖11、圖12所示。為便于觀察，圖中僅示出了能見度0～50 m區(qū)域的計算結(jié)果。

圖11 位置A時特征高度2 m處的能見度圖

圖12 位置B時特征高度2 m處的能見度分布圖

從圖11可以看出，火災(zāi)車廂?？吭谂艧熦Q井正下方、兩橫通道之間時，隨著防護門風(fēng)速的增大， 特征高度2.0 m處的能見度逐漸降低；當防護門處風(fēng)速為2.0 m/s時，特征高度2 m處的能見度小于10 m，不滿足控制標準。

從圖12可以看出，在火源左側(cè)，隨著防護門處風(fēng)速的增大，特征高度2.0 m處的能見度逐漸降低，當防護門處風(fēng)速為2.0 m/s時，特征高度2 m處的能見度小于10 m，不滿足控制標準；在火源右側(cè)，不同防護門風(fēng)速下均有部分區(qū)域的能見度低于10 m。

對比火災(zāi)車廂?？吭谖恢肁和位置B的計算結(jié)果，?？吭谖恢肂時，特征高度2.0 m處的能見度更差，說明火災(zāi)車廂?？吭谖恢肂時，能見度更難控制。

6 結(jié)論

本文通過建立救援站火災(zāi)煙氣蔓延三維數(shù)值仿真模型，研究不同火源位置、防護門處風(fēng)速條件下的火災(zāi)煙氣蔓延特性，得出以下主要結(jié)論：

(1)雙洞單線特長鐵路隧道內(nèi)緊急救援站采用半橫向排煙通風(fēng)方式時，增大防護門處風(fēng)速對降低隧道頂部最高煙氣溫度的作用有限，反而加大了對高溫?zé)煔獾臄_動，使得人員疏散路徑上特征高度2.0 m處的溫度升高，能見度下降。從煙氣控制的角度考慮，防護門處風(fēng)速不是越大越好，建議采用防止煙氣進入橫通道的臨界風(fēng)速即可。

(2)火災(zāi)車廂與排煙豎井、橫通道的相對位置不同，煙氣控制的難度也不同?；馂?zāi)車廂位于排煙豎井正下方、兩橫通道之間對控制煙氣蔓延較為有利；火災(zāi)車廂位于兩排煙豎井之間、橫通道正前方對控制煙氣蔓延較為不利。建議增加排煙豎井數(shù)量，盡量使火災(zāi)車廂位于排煙豎井下方。