某單洞雙向隧道列車火災(zāi)的煙氣蔓延特性及防控研究

張曉林 謝永亮 任 浩

（1.西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院 成都 100191；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 西安 710043）

0 引言

伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速鐵路成為新時(shí)代寵兒。高速鐵路作為新興的運(yùn)輸手段，可以滿足人們對(duì)交通工具快速便捷高效環(huán)保的要求。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)高速鐵路建設(shè)日新月異，呈現(xiàn)井噴之勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)鐵路隧道建設(shè)向著高海拔、超深地下空間發(fā)展，單洞雙線隧道以工程造價(jià)低、占用地下空間小的優(yōu)勢(shì)，在城際地下空間、水下空間、山嶺中獲得了一定的建設(shè)規(guī)模。但由于隧道救援通道及安全空間容易受到隧道內(nèi)輪廓空間的影響，兩條線路通常不設(shè)置隔墻，隧道內(nèi)若發(fā)生火災(zāi)將直接對(duì)相鄰線路列車造成威脅，人員無(wú)法速疏散，增加了火災(zāi)條件下的疏散難度，對(duì)火災(zāi)排煙設(shè)計(jì)安全性提出了更高的要求。

目前，針對(duì)隧道的排煙方式，按驅(qū)動(dòng)力的不同可分為自然排煙和機(jī)械排煙；按煙氣的流動(dòng)方向的不同可分為縱向排煙和橫向排煙。此外，目前還研究了幾種新的通風(fēng)方式，如吊頂機(jī)械排煙和縱向排煙相結(jié)合[1-3]。其中，縱向排煙在以往的研究中一直很受歡迎，它的優(yōu)點(diǎn)是可以將隧道運(yùn)營(yíng)通風(fēng)和排煙兼顧，不需要修建單獨(dú)的通風(fēng)管道，省去了通風(fēng)機(jī)房所占位置及投資、實(shí)際運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，初始投資低[4]。但由于煙氣的單向流動(dòng)，煙氣會(huì)不斷卷吸周圍的空氣，使得煙氣量不斷增加，導(dǎo)致排煙方向的能見(jiàn)度降低[5]。呂金金[6]利用小尺寸實(shí)驗(yàn)以及FDS軟件研究了在縱向通風(fēng)情況下出現(xiàn)的煙氣分叉現(xiàn)象，認(rèn)為煙氣分叉主要是縱向風(fēng)的水平縱向力以及煙羽流形成的熱浮升力共同作用的結(jié)果，并總結(jié)了臨界風(fēng)速與火源熱釋放率之間的函數(shù)關(guān)系。張眾杰[7]利用鹽水實(shí)驗(yàn)和FDS軟件模擬的方法研究了縱向排煙和自然通風(fēng)相結(jié)合的排煙方式，認(rèn)為相較于普通的單一的排煙方式，火源上游采取縱向通風(fēng)，火源下游采取自然排煙的排煙方式具有較高的排煙效率的結(jié)論。并通過(guò)FDS軟件對(duì)縱向排煙的風(fēng)速和自然排煙的排煙井尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，為采用該排煙方式的實(shí)際工程的設(shè)計(jì)選取合理的參數(shù)提供了參考。

在以前的研究中，一直假設(shè)火災(zāi)發(fā)生在隧道的縱向中心線，事實(shí)上，單洞雙向隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的位置往往不在縱向中心線上。紀(jì)杰[8]等研究發(fā)現(xiàn)，隨著與火災(zāi)縱向距離的增加，頂棚下的最大煙溫升呈指數(shù)下降。因此，開(kāi)展有關(guān)單洞雙向鐵路隧道火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)及防控方面的研究，對(duì)提高鐵路隧道的消防設(shè)計(jì)水平和火災(zāi)應(yīng)急處置能力有重要意義。

在本文研究中，選擇一段典型的單洞雙線隧道，通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究列車火災(zāi)時(shí)隧道內(nèi)煙氣蔓延規(guī)律；給出隧道內(nèi)煙氣溫度、碳煙密度、能見(jiàn)度等特征參數(shù)的分布情況；研究火災(zāi)在縱向排煙系統(tǒng)條件下，煙氣是否可以得以有效控制。

1 數(shù)值方法

隧道中煙氣的運(yùn)動(dòng)是三維的、不穩(wěn)定的、可壓縮的湍流。因此，我們使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）來(lái)分析本研究鐵路隧道系統(tǒng)中的煙流。具體來(lái)說(shuō)，我們使用了雷諾平均Navier-Stokes（RANS）方程[9]，與大渦模擬（LES）相比[10-12]；RANS 方程不僅滿足所需的計(jì)算精度，而且大大減少了研究的計(jì)算時(shí)間。

1.1 控制方程

為了利用RANS 方程分析本研究的鐵路隧道系統(tǒng)的煙氣流動(dòng)，計(jì)算依賴于以下一般控制方程：

式中：φ為通用變量；S為源相；Γ 為廣義擴(kuò)散系數(shù)；ρ為氣流密度，kg/m3；U為速度，m/s。

還使用了理想氣體方程，其公式如下：

式中：P是壓力，Pa；Rg是氣體常數(shù)，J/kg·K；T是溫度，K；

1.2 數(shù)值模型

在本研究中，數(shù)值方法以正在設(shè)計(jì)施工的中國(guó)濟(jì)濱隧道為模板。這條鐵路隧道分兩段，一段5公里，一段4.2公里。本文將研究區(qū)間隧道列車火災(zāi)在自然和縱向排煙模式下的可行性。

為了支持該鐵路隧道數(shù)值模型的確立，我們首先詳細(xì)說(shuō)明了其幾何形狀。圖1是鐵路隧道的斷面圖。

圖1 鐵路隧道的斷面圖Fig.1 Section view of railway tunnel

區(qū)間隧道采用圓形盾構(gòu)隧道，隧道斷面直徑為7.2m，內(nèi)軌頂面到隧道頂部的距離為7.38m，隧道橫截面積約為100m2。

基于濟(jì)濱隧道的幾何形狀，我們使用STAR-CCM+軟件開(kāi)發(fā)了數(shù)值模型[13]。圖2顯示了所得數(shù)值模型，隧道總長(zhǎng)度為2.3km。在數(shù)值模擬過(guò)程中，使用了中國(guó)鐵路CRH6型列車，如圖3所示，該模型列車采用8節(jié)編組，總長(zhǎng)度為201.4m，車身寬度為3.3m，高度為3.86m。在這項(xiàng)研究中，火源位于第5節(jié)車廂內(nèi)，車門(mén)和窗戶都打開(kāi)，讓高溫?zé)熿F進(jìn)入隧道。發(fā)生火災(zāi)后，列車先保持原速（200km/h）勻速行駛5s，隨后以1.2m/s2的減速度制動(dòng)停車。

圖2 區(qū)間隧道火災(zāi)數(shù)值模型Fig.2 Numerical model of tunnel fire in running tunnel

圖3 列車模型Fig.3 The train model

圖4 是數(shù)值模型的邊界條件和計(jì)算域。其中，壓力出口邊界條件作用于隧道的上游和下游出口處，對(duì)流傳熱的壁面條件應(yīng)用于所有固體表面。此外，數(shù)值計(jì)算時(shí)共設(shè)有3 計(jì)算域，分別是隧道、列車、火源，其中列車和火源是可運(yùn)動(dòng)的，隧道是靜止的。另外，采用重疊動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)列車的運(yùn)行進(jìn)行模擬，各區(qū)域間有重疊，分別是列車與隧道重疊、火源與隧道重疊、火源與列車重疊。各計(jì)算域與重疊區(qū)域如圖5 示。

圖4 隧道區(qū)域Fig.4 Tunnel area

圖5 重疊區(qū)域Fig.5 Overlapping region

確定火源的放熱速率為：

式中：Q為火災(zāi)熱釋放速率，kW；t為時(shí)間，s；α為火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)，kW/s2。

在本研究中，我們穩(wěn)定火源功率設(shè)定為《鐵路隧道防災(zāi)疏散救援工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]（TB10020-2017）中推薦的15MW。列車火災(zāi)發(fā)展為超快速火，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)為0.1878kW/s2。

1.3 數(shù)值網(wǎng)格

為確?；馂?zāi)模擬的準(zhǔn)確性，應(yīng)在火源附近使用較小的網(wǎng)格尺寸。但是，過(guò)小的網(wǎng)格尺寸會(huì)增加網(wǎng)格數(shù)量和后續(xù)計(jì)算時(shí)間。因此最終確定的網(wǎng)格尺寸為0.2m，以平衡精度與計(jì)算時(shí)間。在這項(xiàng)研究中，使用多面體網(wǎng)格，燃燒列車周圍的網(wǎng)格如圖6 所示。整個(gè)數(shù)值模型包括大約1200 萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

圖6 列車附近網(wǎng)格場(chǎng)景Fig.6 Gird around the train

2 結(jié)果分析

2.1 區(qū)間隧道自然排煙下的火災(zāi)場(chǎng)景

列車發(fā)生火災(zāi)后，隧道內(nèi)的碳煙密度如圖7 所示。在火災(zāi)發(fā)生51.3s 時(shí)，車輛停下，開(kāi)啟車門(mén)，人員逃生，同時(shí)熱煙氣逐漸從車廂中蔓延出來(lái)，煙氣在近火源區(qū)域的溫度顯著高于環(huán)境溫度，在浮力的驅(qū)動(dòng)下，熱煙氣主要沿隧道縱向流動(dòng)，可維持較高的煙氣層。從60s-180s 云圖可見(jiàn)，由于列車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生向右的持續(xù)性的活塞風(fēng)效應(yīng)，右側(cè)碳煙密度明顯大于左側(cè)，但是隨著活塞風(fēng)衰減，300s 和360s云圖可見(jiàn)，煙氣向兩端蔓延形式趨于穩(wěn)定，煙氣也產(chǎn)生了明顯的分層，此時(shí)列車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的活塞風(fēng)效應(yīng)已經(jīng)十分微弱，對(duì)煙氣蔓延已經(jīng)基本沒(méi)有影響。

圖7 區(qū)間隧道縱向截面碳煙密度變化Fig.7 Change of soot density in longitudinal section of running tunnel

隧道頂部煙氣溫度分布如圖8 所示。PIARC指出，人員在幾分鐘內(nèi)能夠忍受的輻射熱量極限為2～2.5kW/m2。當(dāng)輻射熱量為2.5kW/m2時(shí)，6m 高、8m 寬的隧道對(duì)應(yīng)煙氣溫度為180℃。由圖可見(jiàn)，在火災(zāi)發(fā)生180s 內(nèi)，由于列車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的向右的活塞風(fēng)效應(yīng)對(duì)煙氣蔓延產(chǎn)生的影響，導(dǎo)致此時(shí)火源右端溫度相比于左側(cè)對(duì)稱位置明顯更高，但是隨著活塞風(fēng)的逐漸衰減，對(duì)后續(xù)煙氣的蔓延已經(jīng)基本沒(méi)有影響，后續(xù)溫度基本呈對(duì)稱分布。此外，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生240s 時(shí)離火源30m 外的隧道頂部煙氣溫度已經(jīng)大于180℃，不滿足熱輻射控制標(biāo)準(zhǔn)，將影響人員的安全疏散。

圖8 逃生路線上的頂棚溫度變化Fig.8 Ceiling temperature change on escape route

逃生通道上人高2m 處溫度變化如圖9 所示。溫度的變化與熱煙氣的分布吻合，在火災(zāi)發(fā)展至60s 時(shí)，列車已停下8.3s，煙氣從車廂內(nèi)涌出，在浮力作用下上浮，同時(shí)列車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的活塞風(fēng)強(qiáng)烈擾亂煙氣層的形成，因而著火車廂右側(cè)存在大量蔓延的煙氣，距火源30m 外人高2m 處的溫度明顯大于60℃，這不符合地面2m 高度處溫度不得超過(guò)60℃的要求[15]，會(huì)對(duì)人員逃生產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。而伴隨著火災(zāi)的進(jìn)一步發(fā)展，活塞風(fēng)也逐漸衰減，除著火車廂附近存在上浮的煙氣，溫度較高，其他位置形成的煙氣層逐漸穩(wěn)定，距火源30m 外溫度已低于60℃，這符合地面2m 高度處的溫度不得超過(guò)60℃的要求。

圖9 逃生圖線上人高2m處溫度變化Fig.9 Temperature change at height 2m on the escape route

逃生通道上的能見(jiàn)度如圖10 所示。由于列車運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的向右的活塞風(fēng)效應(yīng)對(duì)煙氣蔓延產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)，不利于煙氣層的形成，致使著火車廂右端高2m 平面上仍漂浮一定量的煙氣，導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生240s 之后著火車廂附近能見(jiàn)度嚴(yán)重低于10m，左端30m 外可見(jiàn)度滿足規(guī)范要求的10m，而右端則十分接近規(guī)范要求的10m，還是會(huì)人員安全疏散造成一定的影響。

圖10 逃生通道上人高2m 處的能見(jiàn)度Fig.10 Visibility change at height 2m on the escape route

2.2 區(qū)間隧道縱向排煙下的火災(zāi)場(chǎng)景

列車發(fā)生火災(zāi)后，縱向排煙模式下，隧道內(nèi)的碳煙密度如圖11 所示。列車火災(zāi)的發(fā)展采用t2模型，火災(zāi)熱釋放率在火災(zāi)發(fā)展282.6s 時(shí)達(dá)到峰值（15MW）。圖中可見(jiàn)：在火災(zāi)發(fā)展的前120s 內(nèi)，車廂內(nèi)涌出的煙氣在縱向風(fēng)速的強(qiáng)烈干擾下，煙氣被迅速吹散排走；180s 之后，火災(zāi)熱釋放率隨時(shí)間逐漸增大，隧道下游煙氣逐漸積累，煙氣開(kāi)始分層；直至360s，煙氣雖然了明顯的分層，但是由于氣流的強(qiáng)烈擾動(dòng)，煙氣層高度很低，此外，將整節(jié)車廂視為火源，煙氣并未產(chǎn)生明顯回流，采用的縱向排煙風(fēng)速可視為臨界風(fēng)速。

圖11 區(qū)間隧道縱向截面碳煙密度變化Fig.11 Change of soot density in longitudinal section of running tunnel

隧道頂棚溫度分布如圖12 所示?；馂?zāi)發(fā)生360s 內(nèi)，上游隧道保持為無(wú)煙環(huán)境，隧道頂棚溫度維持在正常環(huán)境溫度，遠(yuǎn)小于180℃；火源下游煙氣在氣流的強(qiáng)烈擾動(dòng)下，嚴(yán)重影響了煙氣層的形成，可見(jiàn)，在距離火源30m 外的下游隧道頂部煙氣溫度小于180℃，滿足熱輻射控制標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)影響人員的安全疏散。

圖12 逃生路線上的頂棚溫度變化Fig.12 Ceiling temperature change on escape route

逃生通道上人高2m 處溫度變化如圖13 所示。在火災(zāi)發(fā)展360s 內(nèi)，溫度的變化與熱煙氣的分布吻合。在縱向風(fēng)速對(duì)煙氣的擾動(dòng)下，極大的提升了煙氣的縱向流動(dòng)速度，因此熱量也可以得到有效的排出?？梢?jiàn)上游隧道溫度很好的維持在環(huán)境溫度，下游隧道除了360s 時(shí)距離火源65m 處的人高2m處溫度略高于60℃，其余時(shí)刻溫度均符合地面2m高度處的溫度不得超過(guò)60℃的要求。

圖13 逃生圖線上人高2m處溫度變化Fig.13 Temperature change at height 2m on the escape route

逃生通道上人高2m 處的能見(jiàn)度如圖14 所示。在縱向風(fēng)速?gòu)?qiáng)烈擾動(dòng)下，煙氣層的形成收到了強(qiáng)烈干擾，致使下游煙氣幾乎充滿整個(gè)隧道截面。可見(jiàn)，在火災(zāi)發(fā)生360s 內(nèi)，隧道上游可見(jiàn)度良好；而下游隧道在火災(zāi)發(fā)生240s 之后距火源30m 外已有很長(zhǎng)一段距離能見(jiàn)度不足10m，這將嚴(yán)重影響位于下游的幾節(jié)車廂內(nèi)的人員疏散。

圖14 逃生通道上人高2m 處的能見(jiàn)度Fig.14 Visibility change at height 2m on the escape route

3 結(jié)論

（1）列車減速停車過(guò)程中產(chǎn)生的活塞風(fēng)效應(yīng)，會(huì)起到一定的縱向排煙作用。由于活塞風(fēng)衰減太快，在火災(zāi)發(fā)生360s內(nèi)，距火源30m外頂棚溫度嚴(yán)重超過(guò)180℃，不滿足熱輻射控制標(biāo)準(zhǔn)；距火源30m外人高2m處溫度不能嚴(yán)格滿足低于60℃的要求；距火源30m外人高2m處可見(jiàn)度恰好滿足10m的要求?？傊瑢?huì)嚴(yán)重影響人員疏散。

（2）單洞雙線隧道截面較大，臨界風(fēng)速可達(dá)3.7m/s。當(dāng)縱向排煙風(fēng)速達(dá)到此風(fēng)速時(shí)，在火災(zāi)發(fā)生360s內(nèi)，隧道上游可以保持良好的無(wú)煙環(huán)境，隧道下游火源30m外頂棚溫度不會(huì)超過(guò)180℃，滿足熱輻射控制標(biāo)準(zhǔn)；距火源30m外人高2m處溫度也可滿足低于60℃的要求；但距離火源30m外人高2m處可見(jiàn)度嚴(yán)重低于10m?？傊?，因可見(jiàn)度無(wú)法滿足要求，還是會(huì)對(duì)下游隧道人員疏散產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

（3）與自然排煙模式相比，縱向排煙雖然加快了排煙速度，使隧道內(nèi)的溫度場(chǎng)得到了有效控制，但嚴(yán)重干擾了煙氣層的形成，下游隧道人員逃生環(huán)境依然嚴(yán)峻。

（4）當(dāng)在列車在類似的單洞雙線隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)盡量繼續(xù)行駛至就近的救援站或車站，從而更有效進(jìn)行人員疏散。

（5）本文研究?jī)?nèi)容對(duì)濟(jì)濱隧道單洞雙向大斷面隧道的通風(fēng)排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究有一定的參考價(jià)值，可以為軌道交通領(lǐng)域類似工程的通風(fēng)排煙設(shè)計(jì)提供參考。