铁路盾构隧道火灾烟气控制数值模拟研究

资 谊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

铁路盾构隧道火灾烟气控制数值模拟研究

资 谊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

提出人员危害耐受度、衬砌结构的危害温度、车窗玻璃破碎温度3个烟气流动控制有效性的判据。以狮子洋水下盾构铁路隧道为研究对象，采用FDS4.0对-3%坡度隧道列车头部15 MW火灾时，烟气在1、2、3 m/s和4 m/s等纵向风速下的控制效果进行模拟计算。对比分析不同风速下隧道内火灾烟气的温度、能见度、CO浓度等分布情况。模拟分析表明，在3 m/s的通风速度下火灾烟气流动得到了有效控制。其结果可为狮子洋隧道通风排烟系统设计提供参考。

铁路盾构隧道;火灾烟气控制;数值模拟

1 概述

狮子洋隧道位于广深港客运专线东涌站至虎门站之间，是我国第一条铁路水下盾构隧道。隧道全长10 800 m，为双洞单向设计。盾构隧道外径10.8 m，内径9.8 m，断面净空有效面积约65 m2。隧道通行CRH1型动车，8辆车编组的尺寸为213 m×3.3 m×4.0 m。火灾防灾通风采用纵向通风排烟模式，事故通风风速取3 m/s。车头/车中部火灾时通风方向与行车方向相同，车尾/车中部火灾时通风方向与行车方向相反。隧道内沿横通道侧设有高出道床面0.7 m、宽1.5 m的纵向疏散救援走道。全隧道共设置左右线之间的联络横通道25处，其中盾构段21处(含人行横通道19处、通信基站横通道2处)。火灾时人员逆风经救援走道通过联络横通道进入非事故隧道进行逃生。图1为本隧道纵坡示意，图2为隧道及动车尺寸参数。

图1 隧道纵坡示意

图2 隧道及动车尺寸参数(单位:m)

由于本隧道长大化结构形式及高密度和高速度的行车特点，增大了高速客运列车发生火灾的可能性。一旦列车发生火灾并停在隧道内，若事先没有合理的火灾应急通风设计，易导致人员的伤亡和衬砌结构损坏，并危及隧道的使用安全。为保障隧道运营安全，以列车发生火灾并迫停为例，模拟隧道内烟气的温度、能见度和C0浓度分布情况，并据此评价火灾通风排烟控制效果。

2 烟气流动控制有效性判据

隧道火灾通风排烟系统设计是否合理的判定条件是:火灾烟气控制应满足人员安全疏散的需要，并尽量减小对隧道结构的危害。

2.1 人员危害耐受度

乘客疏散过程中受到火灾中温度、能见度及毒气等危害因子的影响，乘客于火场中对于热、能见度、烟层高度及毒气等危害因子，在工程上性能安全设计的临界值［1-3］可归纳如表1所示。

表1 消防安全设计耐受临界值

2.2 衬砌结构的危害温度

隧道内的火灾往往持续时间较长，长时间的高温作用将影响隧道拱顶结构的承载力产生隧道结构劣化，进而影响整体结构稳定性。研究表明，一般混凝土表面在150～200℃时开始爆裂，盾构式的圆形隧道虽采用等级为高强度混凝土环衬，但若未施以防火处理，在火灾中爆裂的可能性和深度都较高。混凝土发生爆裂后，不仅直接威胁救援与逃生，还会使增强钢筋直接暴露在火灾中，减少承载结构的横截面面积。当环境温度超过500℃时，混凝土结构强度衰减超过一半［4］。

同时，通过研究发现构建隧道的钢筋、混凝土虽然是不燃体，但其耐火性较差。美国国家标准和测试协会(NIST)指出，高强混凝土(HSC)在温度达到380℃时，强度开始下降;在450℃时，抗压强度损失达到40%;当温度达到600℃时，抗压强度损失约为75%。Ali［5］研究表明，钢筋表面的温度超过250℃时，钢筋的强度开始下降。隧道结构防火保护的目的，就是采取一定措施使隧道的钢筋混凝土结构在火灾发生时保持完整性与稳定性。本文取380℃为衬砌结构的危害温度。

2.3 车窗玻璃破碎(失效)温度

CHR1车窗为钢化玻璃。钢化玻璃理论上可以承受200℃的温差，不损坏。夹层玻璃最高可以130℃时不出现气泡。但在200℃时，夹层玻璃内部有可能出现胶片模糊、失效等现象。另外，中空玻璃的密封胶推荐使用的最高温度为90℃。照此，最高可在90℃下，该窗户是没问题的。本文取90℃为玻璃破碎(失效)温度。

3 火灾仿真模型的建立

3.1 模型原理及边界条件

采用FDS对纵向通风排烟效果进行模拟。模拟过程中，假设隧道两端为开口边界条件，隧道内的初始风速为0 m/s，初始温度为20℃。

3.2 几何模型与网格划分

狮子洋隧道横通道间距平均为500 m，CHR1动车组全长约213 m，因此取长600 m的-3%区段进行模拟，计算区域为600 m×9.8 m×8.6 m。数值建模时采用许多小的长方体进行堆砌的方法来模拟实际隧道。同时，为了消除由于长方体堆砌形成的锯齿状对气流的影响，以达到仿真的精确性、可靠性，在输入文件的建模语句中加入“SAWTOOTH=.FALSE./”。

为了减少网格的数量，节约计算时间，采用FDS4.0中的多重网格技术，将模拟的区域按照离火源的远近，沿隧道轴线划分为若干个区域，每个区域采用不同的网格尺寸。火源附近用较精细的网格:隧道宽度方向的网格为0.3 m，高度方向的网格为0.3 m，隧道轴线方向的网格为0.1 m;在离火源较远处采用较粗的网格;共计划分了99.84万个。

3.3 火灾场景与模拟工况

(1)火灾位置

列车在隧道内发生火灾具有不确定性和不可预测性的特点，基于“可信最不利”原则，并考虑坡度对烟气流动可能产生的影响［6］，假定列车在上行隧道行驶时，突然发生火灾，被迫停靠在隧道的-3%坡度区段内。本文设定火灾位于列车头部(以运行方向判别)第二节车厢中央位置附近的车辆底板下方。当采用8辆列车编组时，列车头部着火可表示第一节和第二节车厢发生火灾(图3)。

(2)通风方式

狮子洋隧道在左右两线每洞进、出口明挖段各设置1组可逆转风机，每组风机布置6台(股道左右侧各3台)。通风方式和人员疏散方案应根据列车的位置和火灾的部位采取，当列车前端部发生火灾时，应能背着乘客疏散方向排烟，迎着乘客方向送新风，即应立即启动隧道火灾运行方案—隧道进口端风机启动送风，隧道出口端风机启动排烟。为客观表达纵向通风对火灾烟气流动影响，对1、2、3 m/s和4 m/s四种工况下的烟气控制情况进行模拟分析。

图3 列车端部火灾通风疏散示意(单位:m)

(3)疏散方式

CRH1型动车外壳材质为不锈钢材料，内装车厢底板构造则达相关耐火测试标准，车厢底板可隔离火焰至少45 min，故在车厢玻璃未被烧爆、烟气未侵入车内的情况下，在列车工作人员的指挥下，着火车厢及其前方车厢内人员经车厢内走道快速疏散到着火车厢的后方车厢，然后从列车的上下门逃离列车，沿着救援走道迎着新鲜空气，逃出火灾现场到达横通道。

(4)火灾功率

由于客运列车起火位置(车厢内或车厢外)、旅运设计目的(长途或城际)、以及列车材质不同等，各国对列车火灾规模设计并无统一标准。一般针对列车外部起火燃烧，其火灾规模多设定于10～20 MW。本文设定最大火灾规模为15 MW，失火面积为13.312 m2。因本文重点是研究烟气的流动控制效果，所以火灾发展模式设为稳态定常火源。

4 数值模拟结果分析

4.1 温度纵向分布

-3%坡度工况下不同纵向通风速率下的火灾烟气温度分布情况如图4、图5和图6所示。

图4 拱顶下方烟气温度分布

从图4、图5和图6中可以得到。

图5 救援走道上方2 m处烟气温度分布

图6 360s时隧道内温度分布

(1)火源附近拱顶处烟气温度均随着通风速率的增加下降明显，且沿拱顶向下游流动过程中不断掺混冷空气和受围护结构的冷却而降低。当纵向通风风速为1 m/s时，火源附近拱顶处烟气最高温度仅为325℃，风速为2 m/s时，温度为225℃左右，风速为3 m/s时，温度降到140℃左右，风速为4 m/s时，温度降到124℃左右。这表明:随着风速增大火源附近拱顶处的烟气温度得到了很好的控制，高温烟气对拱顶结构的损害较小。

(2)在不同风速下火源下游车厢车窗玻璃处(救援走道上方2 m高度处)的温度全部处于90℃以下，烟气温度不会造成车窗玻璃破碎(失效)，故烟气不会侵入车厢影响人员疏散。

(3)纵向通风有效抑制了高温烟气向火源上游的蔓延。当纵向通风风速为1 m/s时，烟气逆风流动长度为261 m，风速为2 m/s时，烟气逆风流动长度为81 m，风速为3 m/s时，烟气逆风流动长度仅8 m，当风速达到4 m/s时，完全没有烟气逆流现象发生，火源上游温度保持在常温，可以保障疏散人员免受高温烟气的危害。

4.2 能见度分布

-3%坡度工况下不同通风速率下的救援走道上方2 m高度处烟气能见度沿隧道纵向的分布情况，如图7、图8所示。

图7 救援走道上方2 m处能见度分布

图8 360s时隧道内能见度分布

从火源功率为15 MW，坡度为-3%的各个数值模拟情况可以看出:纵向风速为1 m/s时，火源上游125 m的范围内救援走道上方2 m高处能见度均小于10 m，而下游能见度则全部处于10 m以下，超过人员可忍受范围不利于人员疏散;纵向风速为2 m/s和3 m/s时，火源上游没有受到高温烟气的影响，救援走道上方2 m高处的能见度较高为30 m，利于人员的逆风疏散，而下游救援走道上方2 m高处的能见度则分别在6 m和10 m处波动，不利于人员逃生;在4 m/s的纵向风速下，火源上游能见度保持在30 m，火源下游的烟气被吹散，救援走道上方2 m高处的能见度均大于10 m，可为人员疏散提供一个可忍受的环境条件。

4.3 CO浓度分布

图9所示为-3%坡度工况下不同通风速率下的救援走道上方2 m高处火灾烟气一氧化碳(CO)沿隧道纵向的分布情况。

从图9可以看出:CO的高浓度区域集中在火源周围，且高浓度区域较小。在火源上游，纵向通风大大减少了CO的浓度，当风速大于2 m/s则使上风侧人员免受有毒气体的影响，可为人员提供一个安全的疏散环境。在火源下游，纵向通风加速了烟气向下游蔓延，但也使得烟气浓度减小，并随着纵向通风风速的增大，救援走道上方2 m高处的CO浓度有明显降低的趋势，当风速3 m/s时下游救援走道上方2 m高处的CO浓度均在15×10-6以下，处于人员可以忍受的范围。

图9 救援走道上方2 m处CO浓度分布

综上，通过对1、2、3 m/s和4 m/s四种工况下的烟气控制情况的模拟结果及分析表明:在3 m/s的通风风速下，拱顶处烟气最高温度约140℃，此温度对于隧道衬砌强度不会造成较大破坏，不影响隧道结构安全;火源下游车厢车窗玻璃处(救援走道上方2 m高度处)的温度不超过55℃，此温度不会造成车窗玻璃破碎，不会导致烟气侵入车厢;烟气向火源上游流动长度仅8 m，有效抑制了烟气逆流现象，为人员疏散提供了一个可忍受的环境;火源上游救援走道上方2 m高处能见度为30 m、CO浓度为0，利于人员的逆风疏散。即在3 m/s的通风模式下，火灾烟气流动得到了有效控制，也证明狮子洋隧道采用3 m/s进行通风排烟系统设计的合理性。

5 结论

(1)通过对列车头部车厢底板发生火灾并迫停于隧道-3%坡度区段的多风速模拟，分析了隧道内火灾烟气的温度、能见度和CO浓度分布情况，并据此评价火灾通风排烟控制效果。研究结果表明:采用与车行方向一致的3 m/s应急通风策略，可为乘客提供一个可忍受的疏散环境，且不会造成隧道衬砌结构损伤。因此，狮子洋隧道采用3 m/s的火灾通风模式合理，人员疏散方案正确。

(2)由于列车车厢内外部起火、列车纵向上着火部位和列车迫停位置的不确定性，隧道火灾通风策略应依据乘客疏散方式有效控制烟雾流向以及提供逃生人员新风需要进行设计。

(3)由于列车长度较长，着火后有可能向两端蔓延，为减少损失，着火列车所在隧道的通风以控制火势蔓延和排烟为主，通风速度设计应考虑烟囱效应对火灾烟气流动的影响，从而可以更好的指导工程实践。

［1］ Ir.Evert Worm.，“Human behaviour influencing tunnel safety”，Dutch Ministry of Transport，Public Works and Water Management.Tunnelling Department.Head of Centre for Tunnel Safety.Member of the PIARC C5 Committee.Member of the PIARC C5 working group 3:Human factors of road tunnel safety.

［2］ 73 BSI Standards，Draft British Standard Code of Practice for the Application of Fire Safety Engineering Principles to Fire Safety in Buildings，Panel FSM/-/5 and Technical Committee FSM/24，Fire Safety Engineering，London，UK，1994.

［3］ A.H.Buchanan，Fire Engineering Design Guide，Centre for Advanced Engineering，University of Canterbury，New Zealand，1994.

［4］ Holger de Vries，“Mining for Answers”，University of Wuppertal，Germany， http://firechief. com/mag/firefighting _ mining _answers/.，2002.

［5］ Ali F.A.，Connolly R.，Sullivan PJE.Spalling of high strength concrete at elevated temperatures［J］.Journal of Applied Fire Science，1997，6(1):3-14.

［6］ Riess I，Bettelini M，Brandt R.Smoke extraction in tunnels with considerable slope［C］.4th international conference safety in road and rail tunnels，Madrid，2001:503-512.

Numerical Simulation Study on Fire Smoke Controlling in Railway Shield Tunnel

ZI Yi
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan 430063，China)

Three criterions of fire smoke flow control were proposed here，including the damage tolerance of human，harmful temperature of lining structure，the breaking temparature of window glass.Taking Shiziyang underwater shield tunnel as the research object，a numerical calculation on fire smoke flow control effects was conducted by using FDS4.0，for the fire hazard of 15MW at train head in tunnel with-3%slope repectively with 1，2，3 m/s and 4 m/s longitudinal wind speeds.And then contrast analysis was performed about the fire smoke flow temparature，visibility，CO concentration distribution in the tunnel under different wind speeds.Simulation analysis shows that，the fire smoke flow can be effectively controled on the condition of 3m/s ventilation speed.The results can serve as reference for the design of ventilation and smoke exhaust system in Shiziyang Tunnel.

railway shield tunnel;fire smoke controlling;numerical simulation

U453.5

A

1004-2954(2013)09-0082-04

2013-05-09

铁道部科技研究开发计划项目(2006G007-C)

资 谊(1970—)，男，高级工程师。

book=86,ebook=429