地铁过江隧道火灾CFD数值模拟研究

姜 涛

（中铁第四勘察设计院集团有限责任公司，湖北武汉430063）

地铁过江隧道火灾CFD数值模拟研究

姜 涛

（中铁第四勘察设计院集团有限责任公司，湖北武汉430063）

利用CFD技术，以地铁过江隧道为研究对象构建物理模型，结合实际防排烟系统设计方案，对隧道火灾进行数值模拟，得到纵向排烟模式下不同工况的烟气温度场及浓度场，对比分析各种工况下的实际排烟效果，提出火灾紧急状况下人员安全疏散策略，为地铁越江隧道的防灾设计提供可借鉴的依据.①

地铁过江隧道；数值模拟；纵向排烟；烟气温度场；烟气浓度场

地铁由于载客量大、速度快、污染少、安全环保等优势，现已经发展成为现代都市居民出行的首选交通工具［1-3］.截至2014年年底，全国已有22个城市建成地铁95条，运营里程达到2 900公里.由于地铁隧道对外连通的口部少，一旦发生火灾，高温烟气很难自然排除，并会迅速蔓延充满隧道，加之能见度低，不便于人员在狭长的隧道中撤离，也给救援工作带来极大困难，因此高效合理的防排烟系统是地铁隧道的至关重要的组成部分［4-6］.地铁过江隧道由于其狭长、空间封闭、疏散通道少且单一等特点，成为地铁防灾设计的重中之重.结合南京地铁十号线过江隧道的防排烟系统设计方案，模拟各种工况下的实际排烟效果，提出火灾紧急状况下人员安全疏散策略，为狭长地铁越江隧道的防灾设计提供可借鉴的依据.

1 工程概况及防排烟系统

1.1 工程概况该条地铁线路从江北中间风井出发，向东穿越长江后，到达江心洲站.过江隧道长3 500 m，其中1 500 m长坡度为2.8%，800 m长坡度为0.9%，1 200 m长坡度为1%.江心洲站右端风井到江北中间风井间距约为3 600 m.隧道的外径为11.2 m，内径为10.2 m为一管双洞式，顶部设置排烟道（面积约为14 m2），横截面如图1所示.

1.2 防排烟系统简介本设计在江北中间风井东端及江心洲站西端分别设置2组事故风机（每组左右线对应各1台），采用纵向排烟模式，在过江隧道排烟道内分别设置3组电动排烟口（每组左右线对应各1个），分别设置于区间隧道总长1/4、2/4及3/4处，电动排烟口大小为3 m×5 m.这样将过江隧道分成4个区段，每个区段约900 m长，根据行车时间间隔及行车速度，这样可以做到保证一个通风区段只有一辆列车运行.

按照地铁规范要求，区间隧道的排烟流速范围为2～11m/s，依此来确定区间隧道火灾排烟量［7］.本设计选取事故风机（风量：75 m3/s，全压：1 550 Pa）.当隧道内发生火灾时，对应行车线两侧事故风机启动，隧道断面形成2.5 m/s的纵向气流，满足规范要求.

1.3 研究内容根据过江隧道及列车实际情况，建立过江隧道CFD模型.选取长度为1 500 m、坡度为2.8%过江隧道为研究对象，探讨在火车头部发生火灾时防排烟系统的实际效果.

图1 过江区间盾构横断面图

2 构建模型及设置边界条件

2.1 构建模型根据相关土建资料、列车及火源点设置情况，考虑坡度为2.8%，建立CFD数值模型如图2和3所示.

图2 过江隧道整体CFD模型示意图

图3 过江隧道CFD模型局部放大示意图

2.2 基本假设及边界条件

1）在火灾发展初期有两个气层存在，即上部烟气层和下部冷气层，并且各层内气体为理想气体，温度、气流密度、压力等物理参数均匀.在火灾的发展过程中，机械排烟系统排除高温烟气，隧道的冷空气补充至下层冷空气层，假定气体流动为粘性不可压缩湍流流动，烟气层中不存在化学反应；假定下部冷空气层的压力和温度变化不大［8］.

2）假设火源为完全燃烧，燃烧产物为二氧化碳.选取火灾强度为7.5 MW，根据燃烧氧耗原理，可算得产生烟气量［9-10］.

3）在设计工况下，当过江隧道内发生火灾时，两侧事故风机响应，形成2.5 m/s纵向气流，本文中选用2.5 m/s作为排烟流速的输入条件.

4）目前用于室内流场的湍流模型主要有：室内零方程模型、零方程模型、标准双模型及RNG双模型，选取RNG双方程湍流模型计算，考虑辐射换热，选用S2S辐射模型［11-12］.

3 模拟结果及分析

3.1 火灾场景设置火车沿着坡度方向行驶（如图4，即向右行驶），火源点位于火车端部，人员逆着气流方向（即向左）进行疏散.笔者探讨3种工况.

工况1：列车发生火灾时，隧道两端事故风机均失效，即研究自然状况火源点附近区域温度场及火灾烟气蔓延情况；

工况2：列车发生火灾时，隧道两端事故风机立即启动，沿着坡度方向形成2.5 m/s的纵向气流（如图4所示），分析该种排烟模式下的实际排烟效果，研究火源点附近区域的温度场及烟气蔓延情况；

工况3：列车发生火灾时，隧道两端事故风机在发生火灾120 s后启动，沿着坡度方向形成2.5 m/s的纵向气流（如图4所示），分析该种排烟模式下的实际排烟效果，研究火源点附近区域的温度场及烟气蔓延情况.

图4 火灾场景示意图

3.2 模拟结果及分析

3.2.1 工况1通过图5可以看出：T=95 s时，高度为2 m处的温度已经达到了60℃；T=150 s时，60℃高温影响区域进一步向四周扩大，不便于人员的安全疏散.通过图6可以看出：T=60 s时，在高度2 m处烟气体积分数已经达到1.2‰，T=100 s时烟气浓度增加并且有蔓延的趋势，严重影响人员的安全逃生.

图5 工况1温度场分布图

图6 工况1浓度场分布图

3.2.2 工况2发生火灾时风机立即响应，通过图7可以看出：前60 s内60℃高温烟气影响范围仅仅局限在火源点右边附近2 m区域范围内；在T=180s时，高度2 m以下区域的温度基本上保持在45℃以下；而在T=240 s时，55℃的高温影响区域已经到达高度2 m处，影响人员的安全逃生.通过图8可以看出：在前120 s内，高浓度的烟气影响范围仅仅局限在火源点右边5 m区域范围内；在T=180 s，在高度2 m处，烟气体积分数已达到1.5‰.在T=240s，烟气浓度急剧增加，并且影响范围进一步扩大.总体看来，高温烟气主要分布在火源点的右边附近区域，纵向排烟方式效果明显.

图7 工况2温度场分布图

3.2.3 工况3风机启动前，即T=0～120 s，温度场与烟气浓度场与工况1类似.通过图9可以看出：T= 150s时，在纵向气流的作用下，60℃高温烟气影响区域半径为3 m左右.T=180 s时，2 m高度处的温度达到50℃；T=240 s时，60℃高温影响至高度2 m处；T=300 s时，温度继续增加，高温影响范围也进一步扩大.

图8 工况2浓度场分布图

通过图10可以看出，在T=120～180 s，由于纵向气流的作用，火源点左边高浓度烟气扩散减弱；T=240 s时，高浓度烟气基本局限在火源点的右边区域，高度2 m处的烟气浓度达到了2‰；在T=300 s，高度2 m处的烟气浓度达到了2.5‰，浓度增加，并且影响范围扩大，严重影响人员的安全疏散.

图9 工况3温度场分布图/℃

图10 工况3浓度场分布图/（m3/m3）

4 火灾紧急状况下人员安全疏散策略分析

根据上述分析，在设计工况下，采用纵向排烟方式，满足纵向气流为2.5 m/s时，可以基本保证火灾烟气影响区域局限在火源点背风面的一侧，有效阻止火灾烟气的四处蔓延，并且在火源点迎风面一侧为人员提供了安全疏散空间.建议火灾时人员逆着气流方向疏散，这样可以有效保障人员的生命安全.

综合分析3种工况的模拟结果发现，前4 min为疏散的黄金时间，在此时间段内火灾烟气对人员活动影响较不大，建议应该前4 min人员尽量逃离火灾影响区域到达安全地带，即4 min宜为人员安全疏散距离的极限时间.同时应尽量减小事故风机的响应时间，以及时遏制火灾烟气的蔓延扩散.

本文中采用CFD数值模拟技术，建立了南京地铁过江隧道的物理模型，充分考虑到实际隧道防排烟系统的设计，模拟了在隧道列车火灾时不同排烟工况条件下的温度场及烟气浓度场的分布情况.结果表明采用纵向排烟方式，可以基本保证火灾烟气影响区域局限在火源点背风面的一侧，有利于人员的安全疏散.基于模拟结果，进一步提出了火灾紧急状况下人员安全疏散策略，即在前4 min人员尽量逃离火灾影响区域到达安全地带，同时应尽量减小事故风机的响应时间，以及时遏制火灾烟气的蔓延扩散.

［1］Schafer，Andreas，Victor，et al.The future mobility of the world population［J］.Transportation Research Part A:Policy and Practice，2000，34(3):171-205.

［2］王梦恕.我国城市交通的发展方向［J］.铁道工程学报，2003，77(10):43-47.

［3］汪文光.地铁车站火灾通风数值模拟研究［D］.西安:西安交通大学，2008.

［4］陈鼎榕.地铁火灾事故下的安全疏散［J］.地铁与轻轨.2002(2):49-50.

［5］资谊.铁路盾构隧道火灾烟气控制数值模拟研究［J］.铁道标准设计.2013(9):82.

［6］北京市规划委员会.GB 50157-2013.地铁设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013:602.

［7］北京市规划委员会.GB 50157-2013.地铁设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013:268.

［8］那艳玲，黄桂兴，涂光备，等.地铁车站火灾的烟气流动状况研究［J］.暖通空调，2006，36(6):25.

［9］程远平，陈亮，张孟君.火灾过程中火源热释放速率模型及其实验测试方法［J］.火灾科学，2002，11(2):72.

［10］李兆文.地铁站火灾烟气扩散及控制的研究［D］.南京：南京工业大学，2005.

［11］那艳玲.地铁车站通风与火灾的CFD仿真模拟与实验研究［D］.天津：天津大学，2003.

［12］姜涛.武汉某地铁站台环控系统CFD模拟研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.

（责任编辑 赵 燕）

CFD simulation study of fire in a subway tunnel under Yangtze river

JIANG Tao
（China Railway SIYUAN Survey and Design Group Co.，Ltd，Wuhan 430063，China）

We presented the development of the physical model of a subway tunnel under Yangtze River by using CFD technology，and the numerical simulation of the fire in the tunnel by considering the practical smoke control design.The flume temperature field and concentration field with different working conditions under the longitudinal smoke extraction control mode were obtained.The actual effects of smoke extraction under various working conditions were analyzed，and a safety evacuation strategy under fire emergency condition was proposed.The result provided a reference for the disaster prevention design of subway tunnels under Yangtze River.

subway tunnel under Yangtze river；numerical simulation；longitudinal smoke extraction control；flume temperature field；flume concentration field

TP399

A

10.3969/j.issn.1000-2375.2015.05.015

1000-2375（2015）05-0477-07

2015-04-15

姜涛（1984-），男，硕士，工程师，E-mail：jiangtaohust@126.com