防护门处风速对铁路隧道紧急救援站火灾烟气的影响

蒋 尧 周远龙 胡 炜 谭信荣 毕海权

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031； 2. 西南交通大学， 成都 610031)

随着我国铁路技术的不断发展，特长铁路隧道的数量不断增加，截止2018年底，长度超过20 km的隧道，已经运营9座，在建6座，规划33座[1]。根据TB 10020-2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》，长度20 km及以上的隧道或隧道群应设置紧急救援站，当列车在隧道内发生火灾事故时，优先选择将列车驶出隧道进行疏散救援，当不能驶出隧道时，应停靠在紧急救援站内进行疏散救援。紧急救援站内设置列车火灾防排烟通风系统，控制烟气流动，保证人员安全疏散时间，减少人员伤亡和财产损失[2]。

特长铁路隧道紧急救援站防排烟通风系统可分为纵向通风方式和半横向通风方式。曾满元等人[3]对石太客运专线太行山特长隧道紧急救援站防排烟通风方案进行了研究，丁祥等人[4]对包兰铁路青天寺特长隧道紧急救援站防排烟通风方案进行了研究，均认为采用纵向通风方式时除非火灾发生在车头、车尾位置，总有部分车厢处于烟流之中，影响这些车厢人员的疏散逃生，只有采用半横向通风方式才能彻底解决这个问题，故建议在救援站范围内采用半横向通风方式；秦宁然等人[5-7]对某单洞双线特长隧道紧急救援站采用半横向通风方案时的排烟通风量、排烟口尺寸及间距、横通道内射流风机安装位置等设计参数进行了研究；罗欣宇等人[8]对成兰铁路平安特长隧道(双洞单线)紧急救援站采用半横向通风方案时的射流风机布置方式进行了研究，认为应将射流风机布置在正洞内。

综上可知，虽然关于特长隧道紧急救援站防排烟通风的研究较多，但未见关于防护门处风速对火灾烟气蔓延控制以及人员疏散影响的研究。本文通过分析防护门处不同风速下救援站内烟气蔓延的特征，研究防护门处风速对烟气控制的影响，以期优化紧急救援站防排烟通风方案，为类似工程建设提供参考。

1 紧急救援站概况

某设计速度200 km/h客货共线铁路的特长隧道，全长28.4 km，采用双线分修方案，线间距30 m。为解决隧道内列车火灾事故的疏散救援问题，采用加密横通道的方式，在隧道中部设置紧急救援站1座，平面布置如图1所示。救援站全长550 m，共设置11条横通道，横通道间距50 m，横通道两端各设置1扇防护门，防护门尺寸3.4 m×2.0 m(宽×高)，如图2所示。沿线路方向，在隧道顶部每间隔100 m设置1处排烟竖井，左右线隧道各设置5处，排烟竖井直径为5.0 m，排烟竖井通过纵向连络烟道与排烟斜井相连，如图3所示。

图1 紧急救援站平面图

图2 疏散横通道联络图(cm)

图3 竖井式联络烟道截面图

本紧急救援站采用半横向通风排烟方式，在左、右线隧道两端均安装有1组射流风机，排烟斜井内安装有轴流风机。当着火列车停靠在救援站进行疏散救援时，开启排烟斜井内的轴流风机排烟，同时开启安全隧道内的射流风机向紧急救援站加压送风，使横通道内保持正压，防护门处风速不小于2.0 m/s，防止烟气进入横通道影响人员逃生，如图4所示。

图4 救援站防通风排烟方案示意图

2 救援站火灾烟气蔓延计算模型

2.1 计算模型

以左线隧道发生列车火灾事故停车疏散救援为例，建立救援站火灾烟气蔓延计算模型。为减少计算量，只建立事故隧道、横通道和排烟竖井模型，平面示意如图5所示。计算列车模型采用CRH2型动车组，3车编组，总长85 m。忽略列车受电弓、风挡、转向架等结构。

图5 救援站计算模型平面示意图

2.2 计算工况

(1)火灾规模

本线路为客货混行，参考TB 10020-2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》，计算时火灾热释放速率取20 MW。

(2)火灾车厢位置

根据列车火灾事故预案，当某节车厢内发生火灾并失去控制时，先疏散乘客至相邻车厢，并关闭火灾车厢两端具有一定防护能力的端门，然后将列车行驶至隧道外或紧急救援站进行疏散救援，故研究仅考虑1节车厢着火的情况。

火灾车厢处于救援站内位置不同烟气蔓延情况也不同，为研究防护门处风速对火灾烟气蔓延的影响，需考虑火灾车厢与排烟竖井、横通道相对位置的影响。选取2种位置进行研究(如图6所示)，位置A在3号排烟竖井正下方，5号与6号横通道之间；位置B在3号与4号排烟竖井之间，7号横通道正前方。

图6 火灾车厢位置示意图

(3)防护门风速

选取防护门处风速分别为0.7 m/s、1.2 m/s和2.0 m/s进行研究，计算工况如表1所示。

表1 计算工况汇总表

2.3 烟气控制标准

隧道内发生列车火灾事故时，影响人员疏散逃生的火灾烟气参数主要有接触温度、热辐射量、CO浓度和能见度[9]。

人员在隧道内逃生时不可避免地会接触到烟气，烟气温度过高会灼伤人体，影响人员疏散，美国标准 NFPA 130-2014《Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems》规定：建筑物内发生火灾时，在 6 min的逃生时间内，火源30 m外逃生路径上人员接触到的烟气温度不得高于70 ℃[10]。

热辐射是火灾主要的传热方式之一。研究表明，人在几分钟内能忍受的辐射热量极限为2～2.5 kw/m2。当辐射热量为2.5 kw/m2时，高6 m、宽8 m的隧道内对应最高烟气温度为180 ℃。

烟气的消光作用使火灾现场的能见度下降，将对人员的安全疏散造成严重影响。TB 10020-2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》规定：隧道内特征高度2.0 m处，可见度不小于10 m。

为确保火灾时高速铁路隧道救援站人员的安全疏散，制定救援站火灾烟气控制标准。在着火列车停靠救援站后的6 min内，距火源30 m外的区域：

(1)特征高度2.0 m处，烟气温度不超过70 ℃；

(2)特征高度2.0 m处，烟气能见度不低于10 m；

(3)最高烟气温度不超过180 ℃。

3 防护门风速对最高烟气温度的影响

火灾车厢停靠在位置A时，防护门处不同风速条件下救援站内最高温度计算结果如图7所示。从图7可以看出，当着火车厢位于排烟竖井正下方、两横通道之间时，随着防护门处风速的增加，救援站内最高烟气温度变化不大，火源30 m外区域的最高烟气温度低于180 ℃，满足控制标准。

图7 位置A时最高烟气温度分布图

火灾车厢停靠在位置B时，防护门处不同风速条件下救援站内最高烟气温度计算结果如图8所示。从图8可以看出，当火灾车厢位于两排烟竖井之间、横通道正前方时，随着防护门处风速的增大，最高烟气温度几乎无变化，但火源30 m外部分区域的最高烟气温度超过了180 ℃，不满足控制标准。

图8 位置B时最高烟气温度分布图

对比火灾车厢停靠在位置A和位置B的计算结果，防护门处相同风速条件下，停靠在位置B时救援站内最高烟气温度更高，且火源30 m外部分区域的最高烟气温度高于180 ℃，说明火灾车厢停靠在位置B对控制最高烟气温度更为不利。

4 防护门风速对特征高度处温度的影响

火灾车厢停靠在位置A时，防护门处不同风速条件下疏散站台特征高度2.0 m处的温度计算结果如图9所示。从图9可以看出，当火灾车厢位于排烟竖井正下方、两横通道之间时，防护门处不同风速条件下，人员疏散路径2.0 m高度处的温度均低于70 ℃，满足控制标准[11]。但随着防护门处风速的增大，特征高度2.0 m处的温度逐渐升高，这可能是因为防护门处风速的增大，加大了对高温烟气层的扰动，从而使高温烟气下沉导致的。

图9 位置A时特征高度2 m处温度分布图

火灾车厢停靠在位置B时，防护门处不同风速条件下特征高度2.0 m处的温度计算结果如图10所示。从图10中可以看出，当停靠在两排烟竖井之间、横通道正前方时，防护门处不同风速条件下，人员疏散路径 2.0 m高度处的温度均低于70 ℃，满足控制标准。但随着防护门处风速的增大，特征高度2.0 m处的温度逐渐升高，这可能是因为防护门处风速的增大，加大了对高温烟气层的扰动，从而使高温烟气下沉导致的。

图10 位置B时特征高度2 m处温度分布图

对比火灾车厢停靠在位置A和位置B的计算结果，防护门处风速对人员疏散路径上 2.0 m高度处温度的影响相同。

5 防护门风速对特征高度处能见度的影响

火灾车厢停靠在位置A和位置B时，特征高度2.0 m处的能见度计算结果如图11、图12所示。为便于观察，图中仅示出了能见度0～50 m区域的计算结果。

图11 位置A时特征高度2 m处的能见度图

图12 位置B时特征高度2 m处的能见度分布图

从图11可以看出，火灾车厢停靠在排烟竖井正下方、两横通道之间时，随着防护门风速的增大， 特征高度2.0 m处的能见度逐渐降低；当防护门处风速为2.0 m/s时，特征高度2 m处的能见度小于10 m，不满足控制标准。

从图12可以看出，在火源左侧，随着防护门处风速的增大，特征高度2.0 m处的能见度逐渐降低，当防护门处风速为2.0 m/s时，特征高度2 m处的能见度小于10 m，不满足控制标准；在火源右侧，不同防护门风速下均有部分区域的能见度低于10 m。

对比火灾车厢停靠在位置A和位置B的计算结果，停靠在位置B时，特征高度2.0 m处的能见度更差，说明火灾车厢停靠在位置B时，能见度更难控制。

6 结论

本文通过建立救援站火灾烟气蔓延三维数值仿真模型，研究不同火源位置、防护门处风速条件下的火灾烟气蔓延特性，得出以下主要结论：

(1)双洞单线特长铁路隧道内紧急救援站采用半横向排烟通风方式时，增大防护门处风速对降低隧道顶部最高烟气温度的作用有限，反而加大了对高温烟气的扰动，使得人员疏散路径上特征高度2.0 m处的温度升高，能见度下降。从烟气控制的角度考虑，防护门处风速不是越大越好，建议采用防止烟气进入横通道的临界风速即可。

(2)火灾车厢与排烟竖井、横通道的相对位置不同，烟气控制的难度也不同。火灾车厢位于排烟竖井正下方、两横通道之间对控制烟气蔓延较为有利；火灾车厢位于两排烟竖井之间、横通道正前方对控制烟气蔓延较为不利。建议增加排烟竖井数量，尽量使火灾车厢位于排烟竖井下方。