不同通风模式下铁路隧道救援站控烟效果试验研究

陶亮亮，张逸敏，任小川，白 赟，曾艳华

(1.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2.四川省交通勘察设计研究院有限公司， 四川 成都 610017)

救援站是长度大于20 km的长大铁路隧道不可或缺的附属构造物，对挽救人员生命安全起到重要作用。列车着火后必须立即驶入紧急救援站内进行疏散撤离工作，在疏散撤离过程中如何使烟气不侵入横通道则是顺利完成疏散撤离工作的重中之重。目前，国内外学者采用模型试验与数值模拟的方法对火灾时救援站内烟气控制进行了研究。李琦[1]根据概率可靠度理论设计了高速铁路隧道紧急救援站的排烟量确定方法。赵东平等[2]采用通风网络算法，研究了郑万高速铁路隧道口紧急救援站防灾通风参数。秦宁然等[3]基于FDS建立了铁路隧道紧急救援站模型，研究了不同补风量对铁路隧道紧急救援站排烟效果的影响。罗欣宇[4]分析了双洞铁路紧急救援站内温度、烟气分布及各疏散横通道压力、流速分布情况，提出了双洞铁路隧道紧急救援站风机的布置原则。Li等[5]通过1∶48缩尺模型试验研究了热释放率、隧道阻塞和火源位置对救援站横通道烟气控制的影响。Xu等[6]研究了不同通风量对救援站横通道控烟效果的影响。曹正卯等[7]等依托关角隧道对高海拔条件下火灾发展及人员疏散过程进行研究，确定高海拔特长铁路隧道定点救援站合理的救援横通道数量为8～9座。李颖臻等[8]建立了计算联络通道临界风速的模型，并认为救援站联络通道的临界弗劳德数为2.46。Kirkland[9]通过对1996年英法海底隧道火灾的分析，论述了安全隧道对人员疏散和维修加固工作的重要意义。Kim等[10]对韩国Sol-An铁路隧道中长1.3 km的会让站，建立了1∶48的缩尺试验模型，研究救援站的烟气流动行为特性。曾艳华等[11]基于通风网络理论编制了适用于复杂隧道的通风计算程序，并研究了不同工况下铁路隧道风量分布，验证了该通风程序的可行性并认为可进一步在铁路隧道救援站通风设计中使用该通风程序。

尽管目前已有部分关于特长铁路隧道火灾时救援站烟气控制的研究成果，但对于着火列车停靠救援站后不同通风模式下横通道烟气控制的研究尚且较少。随着川藏铁路的开工建设，长大铁路隧道作为线路上的控制节点对整个川藏线能否如期建成起着至关重要的作用。而列车发生火灾停靠隧道救援站时如何顺利进行人员疏散工作又是一个必须认真对待的问题，因此有必要对着火列车停靠救援站后烟流特性与控烟疏散方案进行进一步研究与优化。本文以列车中部着火为例开展着火列车驶向并停于救援站后的控烟试验，研究“横通道分散防烟”和“横通道分散防烟+竖井排烟”两种通风模式下救援站横通道烟气控制效果，所得结果可为类似工程的控烟方案设计提供参考。

1 模型试验

1.1 模型隧道

试验平台为1∶50小尺寸模型隧道，模型隧道与全尺寸原型隧道各物理量之间的换算关系见表1。模型隧道由两条65 m长的隧道和11条长0.5 m、间隔1 m的联络横通道组成。救援站长11 m，救援站前隧道长30 m，救援站后隧道长24 m。将横通道从隧道入口端至出口端依次编为1～11号，如图1所示。隧道主体结构选用透明有机玻璃制作，断面为直径0.16 m的圆形。列车模型尺寸分别为6 m×0.06 m×0.08 m(长×宽×高)。

表1 试验模型相似比汇总

图1 试验平台图示(单位：m)

试验中加入风速传感器，将它们布置在救援站横通道内，用来监测横通道各断面的风流速度变化，其量程为0～2 m/s，风速探头置于隧道正下方35 mm处。在隧道一侧布置11台摄像设备对全隧道的烟气蔓延情况进行记录。为了精确确定烟气蔓延位置变化情况，在主隧道上进行刻度标记，每隔0.5 m做一个小标记，隔1 m做个大标记，如图2所示。

图2 主隧道刻度标记

1.2 试验工况

在未设置避难室的救援站内，火灾时开启送风机由平行导坑向横通道内送风，疏散人员迎着新风沿横通道进入平行导坑，这种方案称为分散防烟方案。为避免烟气进入横通道进而流向平行导坑威胁疏散人员生命安全，应保证横通道口风速达到抑制烟气侵入的临界风速。本文主要研究横通道分散防烟和横通道分散防烟+竖井排烟两种模式下横通道内风流分布及烟气蔓延情况，如图3所示。试验过程中改变的参数为平行导坑两端压入的新风量和竖井的排烟量，不同防烟模式下的详细试验参数见表2和表3。试验时列车模型初始速度取4 m/s，匀速行驶6 s后以-0.5 m/s2的加速度开始减速，历经8 s停于救援站中部，停止60 s后试验结束，全程共计74 s，通过数据采集系统获得全程相应的风速。所有试验都是在列车停靠救援站后竖井排烟随即启动的情况下开展的。

图3 防烟模式示意

表2 分散防烟模式试验工况

表3 分散防烟+竖井排烟模式试验工况

2 试验结果与分析

2.1 横通道分散防烟2.1.1 横通道内烟气控制

不同试验工况下各横通道口流速随停车时间的分布曲线如图4所示，图中横通道流速方向以由平行导坑流向主隧道为正，反之为负。若未加压送风，救援站内所有疏散横通道均有烟气侵入，这会对人员疏散造成严重的安全威胁。因此，在着火列车停于救援站进行疏散救援期间，需要从平行导坑向疏散横通道内加压送风，保证疏散人员迎着进风风流进行撤离，防止高温有毒烟气侵入疏散横通道。送风量主要影响横通道内风流到达稳定阶段的时间，1号横通道内风流速度的滞后性最大，这是因为运动列车产生的活塞风对1号横通道的影响最大。工况1救援站内的活塞风在55 s后才完全消除；工况2～工况5时，救援站内受活塞风影响的时间为7～40 s。工况4(加压送风量为0.014 7 m3/s)时，横通道内的活塞风已经能快速地得到控制，而且11条疏散横通道内流向主隧道的风速在0.18～0.57 m/s之间。

图4 分散防烟模式中不同风量下横通道口风速分布

不同试验工况下各横通道口烟气侵入情况如图5所示，图中纵轴数值0表示烟气已侵入，纵轴数值1表示烟气未侵入。工况1时，救援站内疏散横通道烟气侵入严重，在停车24 s后全部横通道均被烟气侵入。两端压入风量较小时，不能保证全部横通道均未被烟气侵入；工况4中，停车8 s后所有横通道均无烟气侵入；随着压入风量的增加，所有横通道消除烟气侵入所需时间变短，当压入风量为0.019 6 m3/s时(工况5)，停车6 s后，所有疏散横通道已无烟气侵入。但当送风量大于0.0 147 m3/s时，送风量对横通道内烟气控制的影响不是很大，机械通风对消除横通道内活塞风及烟气控制的影响是有限度的，工况4(送风量为0.014 7 m3/s)较为合适。

图5 分散防烟模式中不同送风工况横通道口烟气侵入情况

2.1.2 横通道临界风速对比分析

通过上述烟气侵入横通道情况与对应时刻横通道内风速的分析，可以得到模型试验中阻止烟气侵入横通道的控烟风速。由于火源上游存在较多滞留烟气，在列车停止前，已有部分滞留烟气侵入疏散横通道及安全隧道，侵入横通道的烟气不是烟气蔓延前锋，故对于火源上游横通道，其内无烟气时，仅代表驱走了入侵的滞留烟气，此时的风速也不是抑制烟气前锋侵入横通道的临界风速。因此，需要通过分析火源下游横通道的试验结果来得到模型试验中抑制烟气侵入横通道的临界风速。

以火源下游第一个横通道为研究对象，得到抑制烟气侵入横通道的临界风速，见表4。着火列车停止后，随着停车时间的增加活塞风逐渐衰减，火源上游风速随之减小，而横通道抑制烟气侵入的临界风速逐渐增大。当火源上游风速为0时，临界风速达到最大，约为0.25 m/s。这是由于随着火源上游纵向风速的减小，隧道内烟气温度升高，横通道口热压增加，导致抑制烟气侵入的临界风速增大。

表4 抑制烟气侵入横通道的临界风速

李颖臻等[8]推导了铁路隧道救援站横通道临界风速计算模型，并认为临界弗劳德数Frc可取2.46。本文基于横通道临界风速计算模型，得到了不同加压送风量下横通道抑制烟气侵入的临界风速，见表4。没有机械通风时，试验值与理论计算值的误差最小，这是因为没有机械通风时隧道内的流场分布均匀且变化不大，仪器测量误差小；随着加压送风量的增加，临界风速计算值和试验值都减小；总之，随着加压送风量的增加，临界风速理论计算值和模型试验实测值之间的差距越来越大，最大差值为0.44 m/s。理论计算得到的横通道抑制烟气侵入的临界风速的相对误差在0.02%～27.33%之间，理论计算得到的抑制烟气侵入疏散横通道的临界风速与试验结果较为吻合，理论计算结果较试验结果偏大，但可以保证理论结果应用于实践偏于安全。

2.2 横通道分散防烟+主隧道竖井排烟

当两端送风量大于0.009 8 m3/s时，横通道内风速能迅速达到稳定状态，因此接下来只讨论两端送风量为0.009 8 m3/s时不同竖井排烟量下横通道烟气蔓延情况，如图6所示。

图6 两端加压风量0.0098 m3/s时不同竖井排烟量下横通道烟气蔓延情况

工况8和工况14中，各横通道中风速在列车停止30 s才稳定；工况11中，各横通道中风速在列车停止10 s就已稳定。这是因为当竖井没有机械通风时，活塞风对横通道的内风流的影响时间很长；当竖井排烟风量为0.009 8 m3/s时，尽管活塞风在竖井的作用下很快消失，但排烟风量太大会增加竖井排烟风量和横通道送风量之间的平衡时间；当竖井排烟风量为0.004 9 m3/s时，6号和7号横通道中风速分布与没有竖井时相似，说明此时排烟风量与送风量之间的作用相对均衡，因此各横通道内的风速能迅速达到稳定状态。

工况6～工况14时横通道烟气蔓延情况如图7～图9所示(图中纵轴0和1含义同图5)。由图7～图9可知，平行导坑内没有加压送入新风时，增大竖井排烟量对横通道烟气控制作用不大，单靠竖井排烟很难保证救援站内有一个良好的逃生环境。当竖井排烟量一定时，增大两端送风量有利于疏散横通道烟气的控制，压入风量越大，所有横通道消除烟气侵入所需时间越短。两端压入风量一定时，竖井排烟量并不是越大越好，如图8(b)和图9(b)所示，若竖井排烟量偏大，会使火源上游流速增大，反而导致上游较多的滞留烟气侵入上游横通道，对上游疏散横通道烟气的控制不利。因此，横通道内烟气控制是综合考虑竖井排烟量和平行导坑送风量的结果。但当两端加压送风量为0.009 8 m3/s时，增大竖井排烟量所有横通道均没有烟气侵入，竖井排烟量主要影响保证横通道没有烟气侵入的时间。

图7 竖井排烟量0 m3/s时不同送风量下横通道烟气蔓延情况

图8 竖井排烟量为0.004 9 m3/s时不同送风量下横通道烟气蔓延情况

图9 竖井排烟量为0.009 8 m3/s时不同送风量下横通道烟气蔓延情况

2.3 控烟方案

通过对两种控烟模式下试验结果分析可以发现：若不进行竖井排烟，仅从平行导坑两端向横通道压入新风，为了有效抑制烟气侵入疏散横通道，需要从两端压入较多的新风，当压入新风达0.014 7 m3/s时，耗时8 s才能保证所有横通道内无烟气侵入；而将所有横通道内无烟气侵入的时间缩短至6 s，则需要从两端压入0.019 6 m3/s的新风，在实际情况下实施难度很大。若竖井排烟量为0.004 9 m3/s，从两端压入的风量为0.009 8 m3/s时，耗时5 s可以保证所有横通道内无烟气侵入。由此可见，采用分散防烟+竖井排烟的模式，在满足无烟气侵入疏散横通道的前提下，可以有效减小两端的压入风量，减小高温有毒烟气对火灾隧道的危害。因此，当列车停于救援站进行疏散撤离时，建议采用横通道分散防烟+竖井排烟的控烟策略。

3 结论

(1)对比分析抑制横通道烟气侵入的理论计算结果与临界风速试验结果，临界风速理论值与试验结果具有较好的一致性，两者之间的误差在0.02%～27.33%之间，理论计算结果较试验结果偏大，可以保证理论结果应用于实践偏于安全。

(2)从平行导坑两端向疏散横通道内压入新风，可有效阻止火灾隧道内高温有毒烟气侵入疏散横通道，送风量对消除横通道内活塞风及烟气控制的影响是有限的，送风量为0.014 7 m3/s较为合适。

(3)压入风量一定时，增加竖井排烟有利于疏散横通道的控烟，当排烟流量较大时，会使火源上游流速增大，反而导致上游较多的滞留烟气侵入上游横通道，对上游疏散横通道烟气的控制不利。

(4)采用横通道分散防烟+竖井集中排烟的模式，在满足无烟气侵入疏散横通道的前提下，可以有效减小两端的压入风量。基于试验结果认为：竖井排烟量为0.004 9 m3/s，两端压入的风量为0.009 8 m3/s时能很好地保障横通道的疏散环境。