浅埋地铁区间隧道火灾自然排烟模拟研究

蔡崇庆

中铁第四勘察设计院集团有限公司

浅埋地铁区间隧道火灾自然排烟模拟研究

蔡崇庆

中铁第四勘察设计院集团有限公司

结合浅埋地铁区间隧道的特点，提出了浅埋地铁区间隧道顶部开孔的自然通风方案。以单洞单线隧道为例，采用FDS对浅埋区间隧道列车火灾时自然通风口的设置间距、尺寸进行模拟分析，根据火灾排烟效果确定自然通风口的设置方案。

浅埋地铁区间隧道 自然通风 火灾排烟 数值模拟

0 引言

目前修建的地铁线路中，有一些区间隧道采用了浅埋设置方式，隧道埋深多在2～10m之间。对于浅埋区间而言，如果采用机械通风，势必会增加系统的运行费用，并且需在车站内设置隧道风机房，增加了相应的土建费用和配电系统费用。由于浅埋地铁区间多位于城市郊区，且隧道顶部设置有绿化带，周边自然环境较好，可以考虑采用自然通风的方式，系统的可靠性得到提高且运行维护费用可大大降低。

清华大学的李亮等人[1]以温度作为人员疏散的安全控制指标采用PHOENICS场模拟软件对单洞双线地铁隧道火灾自然排烟开展了数值模拟计算，研究了通风竖井间距、隧道区间隔墙等因素对自然通风排烟效果的影响。西南交通大学陈鹏云[2]以能见度作为人员疏散的安全控制指标采用FDS对单洞双线地铁隧道火灾自然排烟进行了模拟研究，得出了满足防灾要求的通风竖井开孔条件。但上述文献仅针对单洞双线隧道，只考虑了一种控制指标且在开孔方式上未考虑开孔宽度对火灾排烟的影响，所得结果具有一定局限性，不能推广到单洞单线隧道。相对单洞双线隧道而言，单洞单线隧道空间更加狭小，隧道容烟能力更差，其自然排烟特性也不同，因此本文针对单洞单线明挖区间隧道，通过FDS研究确定自然通风口的设置方案，以满足火灾时的通风要求。

1 物理模型

采用三维火灾数值模拟计算软件FDS对自然通风隧道火灾进行数值模拟。FDS的湍流计算有直接模拟（DNS）和大涡模型（LES）两种数值计算方法，本文选用大涡湍流模型。采用大涡模拟方法进行隧道火灾数值模拟时，需要确定三个常数，分别为Smagorinsky常数Cs、Prandtl数Pr以及Schmidt数Sc，本文分别取此三个常数的值为：0.18、0.2和0.5[3、4]。由于实际隧道区间内部结构较为复杂，为简化计算，对模型作如下简化：

1）区间隧道简化为长方体，区间隧道无坡度与弯曲，顶部开孔无弯曲；

2）列车简化为长方体；

3）忽略自然风的影响；

4）选择一段理想区间隧道，在其上方开设通风竖井，按照最不利工况计算，假设发生火灾后制动停车，且火灾车厢恰位于两通风竖井中间。

模型示意图如图1、图2所示。

图1 通风竖井剖面图

图2 自然通风地铁隧道列车火灾时模型示意图

考虑隧道墙体由混凝土和土壤组成，其中混凝土0.6m厚，土壤3.4m厚。隧道墙体外面土壤温度边界取19.2℃（武汉地区土壤恒温层温度）。隧道壁面与烟气之间的传热量由FDS内部程序根据该处的温差和烟气流速计算得出，壁面温度也由FDS内部计算得出。混凝土内部为导热模型。模拟时采用t2快速火，火灾发展系数为0.04689 kW/s2、火灾强度取7.5MW。环境温度设32为℃，大气压101351.5Pa。

2 火灾时环境控制指标

参考NFPA130[5]、PIARC[6]及《中国消防手册》[7]推荐的判定指标，考虑一定安全系数，火源30m外的隧道段内的人员疏散环境控制指标：人员高度处（疏散平台2m高度处）最高温度<66℃；人员高度处能见度＞10m；人员高度处CO浓度<250 ppm；火源30m外烟气温度<180℃。

3 自然通风区间隧道烟气扩散特性及火灾时主要环境控制指标分析

3.1 烟气扩散特性分析

定义通风竖井间距为D，通风竖井高度为H，通风竖井长度为L，通风竖井宽度为W。如图3所示。定义火源附近30m为火源段，火源30m外为非火源段。以孔高4.8m，孔宽4.4m，孔间距80m，孔长度3.6m为例对隧道内烟气扩散特性进行分析。

图3 区间隧道自然排烟示意图

图4 烟气层厚度

图4给出了该工况下距离火源不同位置不同时刻的烟气层厚度变化曲线。从图中可以看到，不同时刻火源段的烟气层厚度在隧道纵向方向上变化不大，这说明烟气在火源段的扩散过程中对隧道底部冷空气的卷吸量较小。当隧道烟气扩散到孔口（距离火源40m处）附近时，由于孔口的排烟作用，烟气层厚度急剧减小，图中显示，随着火灾的持续，孔口正下方的烟气层厚度逐渐减小，直至接近为0。孔口后方，绕过孔口的烟气继续向前扩散，孔口附近烟气层厚度迅速增大。从图中可以看出，与火源段的烟气层厚度特性不同，非火源段的烟气层厚度经历了先增大后减小的过程，并在距离火源一定距离后的区域迅速减小，直至烟气层厚度为0，这说明，烟气在非火源段的扩散过程中，当烟气刚绕过孔口时，烟气的温度较高，此时烟气对冷空气的卷吸作用占主导地位，造成隧道顶部的烟气在扩散过程中不断卷吸隧道底部的冷空气，导致烟气层厚度在这个区域内逐渐增大；而扩散过程中烟气温度不断降低，当烟气温度降低到一定程度时，隧道来流的冷空气惯性力将在隧道气流运动中占主导地位，造成隧道顶部的烟气不断被来流冷空气带走，导致烟气层厚度在这个区域内逐渐减小；最终在烟气扩散过程中，火灾烟气的浮升力与来流冷空气的惯性力达到平衡，此时烟气无法继续向前扩散，导致此处烟气层厚度急剧减小，而在隧道内烟气无法扩散到的区域，烟气层厚度为0。

3.2 火灾时主要环境控制指标分析

以孔高4.8m，孔宽4.4m，孔间距80m为例，从四个环境控制指标对人员安全疏散的影响做分析研究。图5给出了该开孔方式下不同孔长时隧道顶壁烟气温度纵向分布曲线图。从图中可以看出，火源附近的隧道顶壁烟气温度极高，最高温度接近500℃。各种工况下30m以外的隧道顶壁烟气温度在180℃以下，满足人员的安全疏散要求。图6为孔长3.6m时人员高度处的CO浓度分布规律。30m以外的隧道人员高度处的CO浓度远低于250ppm，满足人员的疏散要求。图7给出了该开孔方式下不同孔长时人员高度处烟气最高温度曲线图。当孔长8m以上时，距火源30m以外人员高度处烟气最高温度不超过66℃，对人员的安全疏散没有影响；当孔长8m以下时，距火源30m以外人员高度处烟气最高温度超过66℃，对人员的安全疏散构成威胁。图8给出了该开孔方式下不同孔长时人员高度处烟气能见度曲线图。当孔长8m以上时，距火源30m以外人员高度处能见度高于10m，对人员的安全疏散没有影响；当孔长8m以下时，距火源30m以外人员高度处能见度低于10m，对人员的安全疏散构成威胁。

图5 隧道顶壁最高烟气温度分布

图6 人员高度处的CO浓度分布规律

图7 人员高度处最高烟气温度分布

图8 人员高度处的能见度分布规律

通过以上分析，可以看出在四种环境控制参数中隧道人员高度处的能见度及温度起控制作用，即当隧道内人员高度处的能见度和温度满足隧道火灾的逃生要求时，其他两个参数均满足要求。经过对本文其他所有计算工况进行分析也证明了四种环境控制参数中隧道人员高度处的能见度及温度起控制作用。因此，本文在以后的分析中选取隧道内人员高度处的能见度与温度作为判断依据，即隧道发生火灾时，隧道内人员高度处的能见度必须大于10m且人员高度处的温度必须小于66℃。

4 自然通风区间隧道火灾时通风竖井最小长度研究

4.1 模拟工况计算

对开孔宽度为2.4m与4.4m，开孔高度为2.4m与4.8m，开孔间距分别为60m，70m，80m，90m，100m的所有组合工况进行模拟分析，以人员高度处最低能见度10m和最高温度66℃为判定指标，分析每种工况下的最短开孔长度。

限于篇幅，本文以孔高4.8m，孔宽4.4m，孔间距80m为例。对最短开孔长度进行分析，其他组合工况分析略。经过大量FDS模拟计算得到孔高为4.8m，孔宽4.4m，孔间距80m情况下不同孔长下人员高度处能见度和温度的值，见图9。通过插值可以得到满足能见度要求的最小孔长为7.2m，满足温度要求的最小孔长为7.7m。因此，最小孔长为7.7m可满足人员安全疏散要求。利用上述方法，可以得到各个工况下的最小开孔长度，见表1～表3。

图9 D=80m、H=4.8m、W=4.4m人员高度处最低能见度、最高温度与孔长曲线图

表1 不同孔间距下的最小开孔长度（孔高4.8m，孔宽2.4m）

表2 不同孔间距下的最小开孔长度（孔高4.8m，孔宽4.4m）

表3 不同孔间距下的最小开孔长度（孔高2.4m，孔宽4.4m）

4.2 不同开孔方式下最小开孔长度对比分析

图10给出了不同开孔方式下最小开孔长度随开孔间距变化曲线。由图中可以看出，在开孔宽度为4.4m时，开孔高度越高，相同开孔间距开孔长度越短。这是因为，开孔高度越高，热压作用越明显，烟囱效应越强烈，排烟效果越好。在开孔高度固定时，开孔宽度越大，所需的开孔长度越短。这是因为，当选择全开孔方式时，自然排烟时阻力变小，排烟效果也要较好。图11给出了不同开孔方式下竖井内边缘间距。通风竖井内边缘间距为相邻自然通风竖井内边缘间距，该间距可视为隧道内有效排烟段。图12表明随着开孔间距的增加，通风竖井内边缘间距先增大再逐渐减小。从图中可以看出，随着孔间距的增加，孔高4.8m、孔宽4.4m时通风竖井内边缘间距先增大再逐渐减小，当开孔间距≤90m时，通风竖井内边缘间距随着开孔间距的增大而增大，增加趋势逐渐趋于缓慢。当开孔间距为100m时，通风竖井内边缘间距比开孔间距为90m时的还要小，这意味着，在开孔间距超过90m时，再增加开孔间距已无意义。因此对于孔高4.8m的全开孔方式，开孔间距不宜超过90m。同样可得：对于孔高2.4m、孔宽4.4m，开孔间距不宜超过80m；对于孔高4.8m、孔宽2.4m，开孔间距不宜超过90m。图12为最小开孔面积随孔间距变化曲线图。三种工况都是随着开孔间距增加，开孔面积增加。且在开孔间距大于80m后，增加趋势较陡。对比W=4.4m、H=4.8m与W=4.4m、H=2.4m两种工况不难发现，任一开孔间距下，开孔高度较小的开孔方式所需开孔面积都比开孔高度较高的开孔方式大。而对比W=4.4m、H=4.8m与W=2.4m、H=4.8m的开孔方式发现，在开孔间距70～80m之间，两种开孔方式存在一个开孔面积相等的开孔间距。说明当开孔间距大于一定程度后，在相同开孔高度前提下，开孔面积的增加对区间隧道人员安全疏散环境的改善作用已不明显。

图10 不同开孔方式下最小开孔长度

图11 竖井内边缘间距随开孔间距变化

4.3 推荐自然通风开孔方式

通过以上分析，不同开孔方式都存在着一个最适宜的最大开孔间距，开孔间距大到一定程度，再增加开孔间距已无实际意义。当开孔宽度为2.4m，开孔高度为4.8m时，开孔间距为60m、70m下的最小开孔率小于5%，低于《地铁设计规范GB 50157-2013》及《地铁设计防火规范》（报批稿）规定的5%[8]，其他工况下开孔率均大于5%。因此本文建议，在实际工程应用中，开孔间距为60m时，开孔长度可取3m，开孔间距为70m时，开孔长度可取3.5m，以满足文献[8]的规定。根据以上分析，推荐不同开孔方式的开孔间距及开孔长度如表4所示。

图12 最小开孔面积随孔间距变化曲线

表4 推荐的不同开孔方式的开孔间距及开孔长度

5 结论

本文采用FDS对t2火、7.5MW火灾强度下的不同开孔条件下地铁隧道自然排烟进行了模拟研究，得到了以下主要结论：

1）高温烟气在隧道中沿火源上下游向两侧洞口扩散，且在高度方向存在温度和能见度分层，火源点两侧最近的通风竖井承担主要的排烟任务，火灾烟气扩散距离较短。

2）四个环境控制参数中，人员高度处能见度及温度其控制作用，即隧道内发生火灾时，为保证隧道内人员安全，火源30m以外区域，人员高度能见度必须大于10m且人员高度处温度必须低于66℃。

3）研究确定了不同开孔方式下通风竖井的最小孔长度及不同开孔方式下的最长开孔间距，孔高4.8m、孔宽4.4m开孔间距不宜超过90m；孔高2.4m、孔宽4.4m开孔间距不宜超过80m；孔高4.8m、孔宽2.4m开孔间距不宜超过90m。并推荐了不同开孔方式的开孔间距及开孔长度。

[1]李亮,李晓峰.地铁隧道火灾自然排烟模式数值模拟研究[J].暖通空调,2005,35(12):6-9

[2]陈鹏云.地铁隧道自然通风火灾试验及模拟计算分析研究[D].成都:西南交通大学,2010

[3]Zhang W,Hamer A,Klassen M,et al.Turbulence statistics in a fire room model by large eddy simulation[J].Fire Safety Journal, 2002,37:721-752

[4]Ran Gao,Angui Li.Fire-induced smoke control via hybrid ventilation in a huge transit terminal subway station[J].Energy and Bui -ldings,2012,45:280-289

[5]NFPA.Standard for Fixed Guide Way Transit and Passenger Rail Systems(NFPA 130)[S].2010

[6]PIARC.Road Tunnels:Vehicle Emissions and Air Demand for Ventilation[S].2004

[7]中华人民共和国公安部消防局.中国消防手册[M].上海:上海科学技术出版社,2007

[8]中华人民共和国住房和城乡建设部.地铁设计规范(GB 50157-2013)[S].北京:中国建筑工业出版社,2014

Sim ula tion Study of Na tura l Sm oke Eva c ua tion Mode for Sha llow Me tro Tunne l Fire

CAI Chong-qing
China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.

The natural ventilation programs have been proposed for shallow metro tunnel in this paper combined with characteristics of this tunnel.The distance and size of natural vents for one-tunnel one-track subway have been studied by FDS software.The natural ventilation programs have been identified through fire smoke evacuation effect.

shallow metro tunnel,natural ventilation,fire smoke evacuation,numerical Simulation

1003-0344（2015）02-049-5

2014-2-10

蔡崇庆（1978～），男，高工；武汉市武昌区和平大道745号中铁第四勘察设计院集团有限公司城地院暖通所（430063）；027-51155146；E-mail:e_cai0636@sina.com