火灾工况下区间隧道疏散平台的加压送风防烟模式研究

中铁第一勘察设计院集团有限公司 鱼晟睿 邓保顺 郭永桢

西安建筑科技大学 高 然

0 引言

轨道交通工程具有运量大、发车密度高、环境封闭等特点，一旦地铁列车在地下区间隧道发生火灾，人员疏散困难、火灾不易扑灭[1]。地铁隧道通风系统是保障轨道交通工程地下区间正常通风、防灾的重要系统，其系统设计方案一直是重点和难点所在，目前国内轨道交通工程中的隧道通风系统，大多采用纵向通风的系统形式。

当列车在区间隧道发生火灾时，存在3种可能性，即车头火灾、车尾火灾和车中火灾。采用纵向通风的隧道通风系统形式，能够较好地应对车头及车尾火灾(见图1)，在火灾发生时，根据控制中心确定的地下区间乘客疏散方向，自动控制区间两端的事故风机转入火灾工况，实现烟气的控制并保障人员疏散安全[2]。

图1 车头、车尾火灾纵向通风模式示意图

国内外有记录的列车火灾事故，大多为车中火灾，且多为人为因素造成，例如2020年3月纽约地铁火灾、2003年2月韩国大邱地铁火灾等。当列车中部发生火灾时，若车中起火点将疏散路径切断，乘客只能向两端逃生；由于纵向通风控烟路径的单一性，在隧道通风系统启动纵向排烟后，部分乘客不得不顺着排烟的方向疏散，在烟气的包围中寻找联络通道或者单渡线进入对侧区间进行逃生，见图2。因此，传统的纵向排烟模式存在缺陷，顺着排烟方向逃生的乘客不得不面对火灾烟气的消光性、高温性、毒性，极大影响了此部分乘客的疏散安全。

图2 车中火灾纵向通风模式示意图

当列车发生火灾停滞于区间隧道时，人员用于逃生的隧道空间主要是以隧道下部的疏散平台为主，而不是整个隧道空间。因此，若能采取措施，保障疏散平台区域的防烟、清洁效果，结合传统纵向通风方案，就能够保障所有乘客的疏散安全。

本文基于保障区间疏散平台防烟效果这一理念，在忽略土建因素制约的情况下，探究区间隧道防灾气流组织的新模式，通过数值模拟验证，给出区间防排烟方案的优化思路。

1 理论分析及概念提出

为达到疏散平台区域的防烟与清洁效果，采用加压送风系统是最为直接和有效的途径。但在区间隧道内，新增一套就地加压送风系统十分困难，因此考虑利用隧道风机，在区间火灾工况下，送风端隧道风机风量通过风阀调节，分流进入疏散平台加压送风道，通过合理设置加压风口，达到疏散平台的防烟效果，原理图见图3。

图3 利用隧道风机进行疏散平台加压送风系统原理

疏散平台的加压风道接至车站端头的活塞/机械风道中，接口处设置电动调节风阀。火灾工况下，疏散平台加压送风系统的控制理念如下：地铁正常运行时，区间隧道的活塞风阀全开，疏散平台加压风阀关闭，满足列车正常运行时的活塞通风需求；当区间隧道内发生火灾时，隧道风机启动纵向通风模式，送风端的区间隧道机械风阀与疏散平台加压风阀按照预先设定的叶片角度开启，分流一部分风量进入疏散平台的加压送风道内，形成疏散平台的加压送风系统；排烟端的风机、风阀正常开启，排烟端的疏散平台加压风阀保持关闭状态。

具体区间隧道疏散平台处加压送风口设置及单洞单线隧道方案实施示意图见图4，方案具有以下特点：

图4 疏散平台加压送风方案实施示意图

1) 通过上部加压送风口向逃生乘客送风，确保逃生人员的新风需求，减少因烟气侵蚀、氧气不足而造成的窒息危害。

2) 通过下部加压送风口在疏散平台区域形成正压，防止烟气进入疏散平台区域。由于烟气的流速是随机的、脉动的，2个加压送风口的耦合效应还能起到将偶然进入的烟气带出疏散平台的作用。

3) 通过水平挡烟板阻挡烟气的反浮力射流。在具体隧道实施过程中，可利用上层土建风道形成挡烟效应,阻隔烟气，减少因加压送风形成的卷吸扰动，使烟气再次进入疏散平台区域。

2 数值模拟验证

2.1 三维模型及边界条件设置

为验证在车中火灾的情况下，区间疏散平台洁净区的加压送风防烟模式的效果，对一典型地下区间隧道段进行建模研究，具体模型见图5。模型简化为矩形隧道，尺寸为200 m×6 m×5.5 m(长×宽×高)，在隧道模型中设置纵向排烟边界条件及横向排烟的边界条件，以便于比对不同防排烟方案下的实施效果。

图5 区间隧道火灾模型示意图

共模拟了4种工况下的排烟效果，具体边界条件如表1所示。

表1 各种模拟工况下边界条件

系统参数：区间隧道两端各设置2台隧道风机(TVF风机)，共4台，每台风量70 m3/s，风机全压按1 000 Pa，区间隧道总长度按1 km进行建模；疏散平台侧的加压风口在区间隧道内沿列车运行方向每隔1 m设置一组，每组顶部设置200 mm×500 mm的条形送风口，底部设置200 mm×200 mm的条形送风口。

工况1：纵向排烟+疏散平台加压送风工况。开启送风端疏散平台加压送风风阀，系统风机风量按照疏散平台侧加压风道与区间隧道送风量1∶1比例进行分配，即送风端加压送风道内送风量70 m3/s，区间隧道内送风量70 m3/s。排烟端开启2台风机进行排烟，区间隧道内总排烟量为140 m3/s。疏散平台侧，顶部送风道与底部送风道按照7∶3 进行风量分配。按此比例计算，顶部加压风口风速约为0.7 m/s，底部加压风口风速约为0.3 m/s。排烟端关闭加压送风风阀，正常开启区间机械风阀进行排烟。

工况2：纵向排烟工况。关闭送风端、排烟端的平台加压送风风阀，正常开启隧道风机及机械风阀进行纵向排烟，即送风端开启2台风机进行送风，总风量为140 m3/s；排烟端开启2台风机进行排烟，总排烟量为140 m3/s。

工况3：横向排烟工况。排烟口每隔25 m设置一处，每处排烟口按照1 m2设置。根据同系统规模风机风量(4台，每台风量70 m3/s的风机)进行计算，4台风机同时作用于排烟，每个排烟口排烟气流速度为7 m/s，按此进行数值模拟。

工况4：无排烟工况。关闭所有防排烟设施。

上述4种工况中，风机风量保持一致；区间隧道火灾火源强度的设置，按照传统6B编组车型，取7.5 MW进行数值模拟[2]。

2.2 模拟方法及模拟验证

采用Fire Dynamics Simulator软件进行数值模拟。湍流模型采用大涡模拟(LES)；其中常数Cs采用0.18；普朗特数Pr和施密特数Sc分别取0.2和0.5时，燃烧模型是基于混合分数的燃烧模型；辐射传热模型在选取有限体积法(FVM)下引入辐射传热来求解辐射传递方程(RTE)；数值解的收敛性应用了Courant-Friedrich-Lewy(CFL)条件进行判定。

为了验证数值模拟模型的准确性，将沿隧道方向的火灾烟气温度、沿隧道方向的CO体积分数及逐时顶棚烟气温度与文献[3-5]的经典实验数据进行了对比，结果见图6～8。对比发现数值模拟计算的预测值与实验数据吻合较好。

图8 顶棚烟气温度对比(模拟值与文献[5]实验数据)

2.3 模拟结果分析

火灾烟气对人体的危害主要体现在3个方面，分别为消光性、高温性、毒性，其中消光性影响人员的正常疏散，高温性和毒性会直接对人体造成损害[6]。火灾烟气中，主要组成成分为悬浮颗粒、CO及CO2等，其中毒性最大的为CO，因此CO的体积分数指标最能代表烟气形成毒性、高温性及消光性的情况。本文通过数值模拟，分析不同工况下的区间隧道内CO体积分数的数值模拟结果。以火源为0点，取距离火源5 m处剖面图进行分析，具体如图9～12所示。

图9 工况1隧道剖面的CO体积分数等值线图

图10 工况2隧道剖面的CO体积分数等值线图

图11 工况3隧道剖面的CO体积分数等值线图

图12 工况4隧道剖面的CO体积分数等值线图

从图9可以看出，在工况1纵向排烟与疏散平台加压送风的共同作用下，烟气被控制在了隧道中上部。在纵向排烟上游区域，隧道空气保持洁净,在下游区域，隧道下部疏散平台处形成了一个逃生洁净区，CO体积分数低于5×10-6，这是得益于加压送风系统形成的正压效应，保障了乘客在火灾工况下的疏散要求。从图10可以看出：在工况2纵向排烟方案下，在火灾上游区域，隧道空气保持洁净；而在火灾下游区域，烟气随着纵向排烟进行扩散，在人员行走区域出现CO体积分数超标的情况。相比之下，工况1与工况2能够有效控制纵向送风方向的烟气，工况3对烟气的控制效果一般。而工况1相比于工况2，在设置了加压送风系统后，能够在隧道疏散平台这一关键区域形成一个相对洁净的环境，保证乘客的正常疏散。

3 结论

通过理论分析，给出了一种基于火灾工况下区间疏散平台洁净区的加压送风防烟模式，并通过三维建模，模拟了区间隧道列车车中火灾工况下，不同隧道通风方案的烟气控制效果。结论如下：

1) 本文提出的疏散平台加压送风方案，能够有效控制隧道下半部、疏散平台等人员疏散区域的烟气，保障乘客的疏散安全。

2) 当列车在地下区间发生车中火灾时，传统的纵向通风方案无法保障与烟气排出同向的疏散乘客的安全。而采用纵向通风+疏散平台加压送风相结合的系统方案，不但能够保障纵向通风上游的空气洁净，还能够强化疏散平台的烟气控制，保障乘客疏散安全。

3) 国内轨道交通项目中，大多为单洞单线、单洞双线的区间隧道形式，隧道断面紧凑，各类管线繁多，加压送风土建风道的设置方案仍需进一步研究。