夏三縣，王 艷，孟 鑫，張曉偉，胡 璠，夏雁玲

（1. 鄭州地鐵集團有限公司，鄭州 450047；2. 中原工學院能源與環(huán)境學院，鄭州 450007；3. 北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100037；4. 中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

1 研究背景

2 數(shù)值模擬

地鐵隧道排煙系統(tǒng)，是控制列車在隧道內發(fā)生火災時煙氣流動、保證運營安全的重要技術措施。地鐵地下線路在進入地面車輛段時，如果在其出入段線部位發(fā)生火災，通常的排煙系統(tǒng)設計是利用車站事故風機，同時在隧道洞口處設置若干組射流風機輔助排煙。對于長度大于1 km的地鐵出入段線，射流風機的配電線纜需引自鄰近車站或車輛段的變電所，電纜的敷設長度超千米，部分工程中甚至為射流風機配電設置跟隨式變電所，這些都大大地增加了工程初期投資和后期維護成本?！兜罔F設計規(guī)范》管理組《關于非載客運營地下區(qū)間隧道排煙風速標準疑問的函》的回復中指出：“列車載客和非載客區(qū)間隧道的消防設計要求有所不同，為確保乘客安全，載客區(qū)間隧道要求更高，而出入場線、出入段線等非載客區(qū)間隧道列車上僅有司機，有條件采取其他保護措施進行快速疏散，因此設計標準可以有所降低。鑒于規(guī)范中沒有給出具體的針對性標準，請設計單位自行根據工程情況靈活掌握。”因此，降低出入段線防排煙系統(tǒng)投資，有針對性地優(yōu)化出入段線排煙系統(tǒng)的設計，成為地鐵設計中亟待解決的問題。

地鐵列車在隧道內發(fā)生火災的工況一直都是隧道防排煙領域研究的熱點問題[1-4]。Yu等試驗研究了地鐵聯(lián)絡隧道橫向通風系統(tǒng)的煙氣控制效果[5]，Wang 等數(shù)值模擬研究了地鐵地下車站混合通風系統(tǒng)的煙氣控制效果[6]，侯團增試驗測試了火災模式下地鐵區(qū)間隧道的排煙風速[7]，朱祝龍等數(shù)值模擬研究了地鐵長大過海區(qū)間隧道通風排煙方案[8]。通過調研國內外相關文獻可知，多數(shù)研究著眼于地鐵正線隧道的火災規(guī)律，針對地鐵出入段線排煙系統(tǒng)的研究較少；目前地鐵隧道排煙系統(tǒng)的研究主要采用理論分析法、實驗研究法和數(shù)值模擬法。其中，數(shù)值模擬法由于預測準確性高和研究成本低，成為地鐵排煙系統(tǒng)研究最常用的方法。

針對地鐵出入段線排煙系統(tǒng)工程設計時存在的問題，筆者結合實際的地鐵出入段線工程，開展了地鐵出入段線排煙系統(tǒng)不同設計方案的FDS數(shù)值模擬研究，并對各設計方案進行了經濟性分析，優(yōu)選了技術可行、經濟合理的出入段線防排煙系統(tǒng)設計方案。

2.1 工程概況

鄭州地鐵10號線出入段線隧道全長2 503 m，為單洞單線隧道，左右線間距13 m，3處曲線半徑分別為250、400和250 m，全段坡度走勢呈V字形，如圖1所示。同時，經過與行車及信號專業(yè)落實，保證該出入段線運營時只存在一列車。

圖1 出入段線隧道三維數(shù)值模型Figure 1 Schematic of the subway access tunnels

2.2 數(shù)值模型

本研究采用火災動態(tài)模擬軟件FDS，這是由NIST開發(fā)的計算機場模擬軟件。FDS以火災中流體運動為主要模擬對象，采用湍流燃燒模型，研究地鐵火災引起的煙氣和熱傳輸規(guī)律。在FDS中，建立地鐵出入段線隧道等尺寸三維數(shù)值模型(見圖1)。隧道一端與車站連接(含車站對應的4座活塞/事故風井)，每個活塞/事故風道內各設置1臺事故風機。車站僅事故風井參與隧道通風，且車站采用全封閉站臺門系統(tǒng)，活塞/事故風道、風井以外的車站部分不參與數(shù)值模擬計算。車站明挖段隧道斷面尺寸不同于盾構區(qū)間段，已按照實際尺寸進行建模。車站另一側連接一段與10 km地鐵隧道具有相同阻力的高阻力水平隧道，而隧道的另一端設置為OPEN，用于模擬室外大氣環(huán)境。外界大氣環(huán)境溫度為–5℃，外界環(huán)境大氣壓力為101.325 kPa。隧道側壁、頂棚和地板的材料設定為混凝土，其比熱容為1.04 kJ/(kg·K)，密度為2 280 kg/m3，導熱系數(shù)為1.8 W/(m·K)?；鹪礋後尫潘俾试O置為7.5 MW。地鐵列車尺寸為長140 m×寬2.8 m×高3 m，火源尺寸為長1 m×寬1 m×高0.2 m。根據單元格敏感性分析情況，本研究采用0.25 m單元格尺寸進行數(shù)值模擬。

2.3 模擬工況

本研究考慮了5種地鐵出入段線隧道防排煙系統(tǒng)設計方案，如圖2所示。根據設計方案、火源位置不同，共設置10個數(shù)值模擬工況，如表1所示。

圖2 出入段線排煙系統(tǒng)設計方案Figure 2 Five smoke control strategies for subway access tunnels

表1 數(shù)值模擬工況Table 1 Numerical simulation conditions

在數(shù)值模型中，事故風機風量為60 m3/s，風井內空氣溫度采用實測的溫度。射流風機的風量為37.5 m3/s，推力為1 100 N，功率為30 kW。司機發(fā)現(xiàn)火災上報控制中心，控制中心經過判斷后下達指令給車站，執(zhí)行排煙模式，用時設定為60 s；風機從靜止狀態(tài)轉換至排煙工頻狀態(tài)，用時設定為30 s。

2.4 實驗驗證

按照實際熱釋放速率進行火災實驗，可能會破壞地鐵隧道及其設備設施，所以國內外學者通常采用縮尺模型實驗或小熱釋放速率火源火災實驗，以驗證數(shù)值模型及邊界條件的正確性[9-10]。利用經過驗證的數(shù)值模型，通過改變邊界條件，可開展大熱釋放速率火源時地鐵隧道火災煙氣流動規(guī)律的模擬研究。為保證數(shù)值模型的準確性和可靠性，本研究在真實的地鐵隧道內開展了小熱釋放速率火源的熱煙驗證實驗，如圖3所示。

圖3 熱煙實驗的火源裝置Figure 3 Fire-source device in the smoke experiment

將室外實測風溫作為數(shù)值模擬的隧道入口風溫，火源的熱釋放速率設置為23.1 kW(人工火源的實測熱釋放速率)，隧道內縱向風速設置為0.49 m/s(自然通風時的實測風速)。圖4給出了火源下風側0.5、1.5和2.5 m處隧道斷面距地面高度1 m處的預測和實測空氣溫度，預測值與實測值之間的最大溫差小于1.1℃，溫差與空間場最大溫差之比為13%。圖5給出了4臺事故風機時火源下風側0.5 m處隧道斷面預測和實測風速的平均值，預測與實測風速平均值之間的最大偏差為0.17 m/s，誤差率約為10%。溫度驗證和風速驗證的結果表明，數(shù)值模擬的結果準確性較高，可用于分析和研究隧道煙氣控制方法。

3 結果分析

3.1 火源位于V形隧道最低點處的模擬結果

火源位于V形坡度隧道最低點處時，首先模擬了此時5種設計方案的排煙效果和隧道風速情況。由模擬結果可知，這5種設計方案均能夠排除隧道內的火災煙氣。工況1～5火災煙氣流出隧道所需的時間分別為655、631、614、598和566 s。圖6 給出了火源下風側100 m處隧道截面速度云圖，由此可知，數(shù)值模擬工況1～5火源下風層100 m處隧道內的平均速度分別為1.54、1.63、1.78、1.76和1.91 m/s。

圖6 火源下風側100 m處隧道截面速度云圖Figure 6 Velocity contours of tunnel section at a distance of 100 m downstream of the side of the fire source

由模擬結果可知，受隧道斷面尺寸限制、火災上報及確認所需時間的影響，在排煙設備啟動前，煙氣在隧道內存在一定程度的自然蔓延過程；當排煙設備達到工頻狀態(tài)后，煙氣能夠有組織地由洞口排出室外，說明本研究所設置的5種設計方案安全有效。

圖7給出了距離隧道出口30 m處隧道截面速度云圖，數(shù)值模擬工況1～5隧道出口30 m處隧道的平均速度分別為1.47、1.55、1.69、1.67和1.88 m/s。

圖 4 火源下風側實測氣溫與預測氣溫對比Figure 4 Comparisons between the predicted and measured air temperatures at the downstream side of the fire source

圖 5 火源下風側實測氣溫與預測平均風速對比Figure 5 Comparisons between the predicted and measured average ventilation velocity at the downstream side of the fire source

圖7 隧道出口30 m處隧道截面速度云圖Figure 7 Velocity contours of tunnel section at a distance of 30 m from the tunnel’s exit

3.2 火源位于車站側隧道斷面的模擬結果

本研究從出入段線火災時最不利工況的角度出發(fā)，模擬了火源距車站30 m時不同設計方案的排煙效果和隧道風速情況，工況6～10火災煙氣流出隧道所需時間分別為1 833、1 806、1 625、1 612和1 568 s。圖8給出了火源下風側100 m處隧道斷面的速度云圖。工況6～10火源下風層100 m處隧道平均速度分別為1.45、1.57、1.75、1.68和1.89 m/s；射流風機設置在靠近車站處的工況(方案d)，與設置在靠近洞口處的工況(方案b)相比，隧道內的平均風速更高；洞口處設置兩組射流風機的工況(方案c)，與靠近車站處設置一組射流風機的工況(方案d)相比，隧道內的平均風速沒有顯著差異；同時，這3種工況的隧道內平均風速均高于僅設置4臺車站事故風機的工況(方案a)。由上述模擬結果可知，僅開啟4臺TVF的設計方案能夠滿足排除煙氣的要求；若增設射流風機，則風機位于靠近車站處和位于洞口處，對排煙效果的增強作用程度基本相同。

圖8 火源下風側100 m處隧道截面速度云圖Figure 8 Velocity contours of tunnel section at a distance of 100 m downstream of the side of the fire source

圖9給出了隧道內距離出口30 m處隧道斷面的速度云圖。工況6～10距隧道出口30 m處隧道的平均速度分別為1.49、1.61、1.75、1.68和1.9 m/s。

圖9 隧道出口30 m處隧道截面速度云圖Figure 9 Velocity contours of tunnel section at a distance of 30 m from the tunnel exit

火源位于靠近車站的隧道內時，由于上報火情到下達指令需一定的反應時間，在排煙設備啟動前，煙氣存在一定程度的自然蔓延過程。若車站兩側事故風機同時啟動，車站隧道兩側風壓大小基本相同，導致軌行區(qū)內的風速較小。若靠近出入段線側的風機比遠離出入段線側的風機延遲30 s啟動、向隧道中送風，則能夠更好地控制并排除煙氣。圖10給出了以上兩種風機啟動策略所對應的隧道煙氣情況，可以看出事故風機3、4延遲30 s啟動時，車站軌行區(qū)內基本沒有煙氣滯留。

圖10 風機延遲啟動90和120 s時車站隧道內煙氣情況Figure 10 Smoke situation in station tunnel for delayed operational fan onsets equal to 90 and 120 s

3.3 出入段線隧道防排煙設計方案比選

數(shù)值模擬結果表明，出入段線防排煙設計方案a～e(方案編號及設備配置見圖2)均能將火災煙氣排出隧道，防止火災煙氣威脅車站運營安全。方案a采用出入段線所接車站原有的事故風機，無新增設備費用。對5種方案進行經濟性分析，與設計方案a相比，b～e方案的新增設備材料費用分別為1 206萬、1 675萬、36.8萬和1 975萬元，設備費用包括射流風機、配電電纜、隧道斷面拓寬費等。方案a的建設成本最低，經濟性最好；方案e的建設成本最高，經濟性最差。綜合考慮排煙系統(tǒng)建設成本、隧道風速和煙氣控制效果等因素，方案a是經濟最合理、技術可行性較高的防排煙系統(tǒng)設計方案；同時，在土建條件允許的情況下，可以采用設計方案d，車站設置4臺60 m3/s事故風機，出入段線靠近車站側安裝一組37.5 m3/s射流風機，以增強排煙效果，提高安全水平。

4 結語

筆者利用經過實驗驗證的三維等比例FDS模型，根據長2 503 m的地鐵出入段線V形坡度隧道的5種排煙系統(tǒng)設計方案得出了相應的排煙風速和排煙效果，研究了火源在隧道靠近車站側和V形坡隧道最低點這兩個位置時對排煙效果的影響，并對各方案進行了經濟性分析，優(yōu)選了技術可行、經濟合理的出入段線通風排煙系統(tǒng)設計方案。

1) 研究結果表明，該地鐵出入段線作為非載客區(qū)間，僅開啟所連接車站的4臺事故風機(單臺風機風量為60 m3/s)，可以將隧道內的煙氣順利排至室外，防止火災煙氣威脅車站運營安全。此時，隧道內的平均風速約為1.5 m/s。

2) 射流風機設置在靠近洞口處的設計方案，與設置在靠近車站處的設計方案相比，隧道內的平均風速并未顯著增加。綜合考慮設計方案的經濟性與排煙效果，在條件允許的情況下，可以在出入段線隧道靠近車站側設置一組射流風機，用于增強排煙效果，提高運營安全水平。

3) 當火源位置靠近車站時，由于火情上報、控制中心下達指令及風機啟動達工頻狀態(tài)均需一定的時間，車站軌行區(qū)會出現(xiàn)局部煙氣滯留、不易排出的情況，建議靠近出入段線側的兩臺事故風機比其余事故風機和射流風機延遲30 s啟動，以便有效解決軌行區(qū)內煙氣滯留的問題。