某单洞双向隧道列车火灾的烟气蔓延特性及防控研究

张晓林 谢永亮 任 浩

（1.西南交通大学机械学院 成都 100191；2.中铁第一勘察设计院集团有限公司 西安 710043）

0 引言

伴随经济的发展，高速铁路成为新时代宠儿。高速铁路作为新兴的运输手段，可以满足人们对交通工具快速便捷高效环保的要求。进入21世纪后，国内高速铁路建设日新月异，呈现井喷之势。随着国内铁路隧道建设向着高海拔、超深地下空间发展，单洞双线隧道以工程造价低、占用地下空间小的优势，在城际地下空间、水下空间、山岭中获得了一定的建设规模。但由于隧道救援通道及安全空间容易受到隧道内轮廓空间的影响，两条线路通常不设置隔墙，隧道内若发生火灾将直接对相邻线路列车造成威胁，人员无法速疏散，增加了火灾条件下的疏散难度，对火灾排烟设计安全性提出了更高的要求。

目前，针对隧道的排烟方式，按驱动力的不同可分为自然排烟和机械排烟；按烟气的流动方向的不同可分为纵向排烟和横向排烟。此外，目前还研究了几种新的通风方式，如吊顶机械排烟和纵向排烟相结合[1-3]。其中，纵向排烟在以往的研究中一直很受欢迎，它的优点是可以将隧道运营通风和排烟兼顾，不需要修建单独的通风管道，省去了通风机房所占位置及投资、实际运营费用，初始投资低[4]。但由于烟气的单向流动，烟气会不断卷吸周围的空气，使得烟气量不断增加，导致排烟方向的能见度降低[5]。吕金金[6]利用小尺寸实验以及FDS软件研究了在纵向通风情况下出现的烟气分叉现象，认为烟气分叉主要是纵向风的水平纵向力以及烟羽流形成的热浮升力共同作用的结果，并总结了临界风速与火源热释放率之间的函数关系。张众杰[7]利用盐水实验和FDS软件模拟的方法研究了纵向排烟和自然通风相结合的排烟方式，认为相较于普通的单一的排烟方式，火源上游采取纵向通风，火源下游采取自然排烟的排烟方式具有较高的排烟效率的结论。并通过FDS软件对纵向排烟的风速和自然排烟的排烟井尺寸进行了优化，为采用该排烟方式的实际工程的设计选取合理的参数提供了参考。

在以前的研究中，一直假设火灾发生在隧道的纵向中心线，事实上，单洞双向隧道内发生火灾的位置往往不在纵向中心线上。纪杰[8]等研究发现，随着与火灾纵向距离的增加，顶棚下的最大烟温升呈指数下降。因此，开展有关单洞双向铁路隧道火灾烟气运动及防控方面的研究，对提高铁路隧道的消防设计水平和火灾应急处置能力有重要意义。

在本文研究中，选择一段典型的单洞双线隧道，通过数值模拟方法，研究列车火灾时隧道内烟气蔓延规律；给出隧道内烟气温度、碳烟密度、能见度等特征参数的分布情况；研究火灾在纵向排烟系统条件下，烟气是否可以得以有效控制。

1 数值方法

隧道中烟气的运动是三维的、不稳定的、可压缩的湍流。因此，我们使用计算流体动力学（CFD）来分析本研究铁路隧道系统中的烟流。具体来说，我们使用了雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程[9]，与大涡模拟（LES）相比[10-12]；RANS 方程不仅满足所需的计算精度，而且大大减少了研究的计算时间。

1.1 控制方程

为了利用RANS 方程分析本研究的铁路隧道系统的烟气流动，计算依赖于以下一般控制方程：

式中：φ为通用变量；S为源相；Γ 为广义扩散系数；ρ为气流密度，kg/m3；U为速度，m/s。

还使用了理想气体方程，其公式如下：

式中：P是压力，Pa；Rg是气体常数，J/kg·K；T是温度，K；

1.2 数值模型

在本研究中，数值方法以正在设计施工的中国济滨隧道为模板。这条铁路隧道分两段，一段5公里，一段4.2公里。本文将研究区间隧道列车火灾在自然和纵向排烟模式下的可行性。

为了支持该铁路隧道数值模型的确立，我们首先详细说明了其几何形状。图1是铁路隧道的断面图。

图1 铁路隧道的断面图Fig.1 Section view of railway tunnel

区间隧道采用圆形盾构隧道，隧道断面直径为7.2m，内轨顶面到隧道顶部的距离为7.38m，隧道横截面积约为100m2。

基于济滨隧道的几何形状，我们使用STAR-CCM+软件开发了数值模型[13]。图2显示了所得数值模型，隧道总长度为2.3km。在数值模拟过程中，使用了中国铁路CRH6型列车，如图3所示，该模型列车采用8节编组，总长度为201.4m，车身宽度为3.3m，高度为3.86m。在这项研究中，火源位于第5节车厢内，车门和窗户都打开，让高温烟雾进入隧道。发生火灾后，列车先保持原速（200km/h）匀速行驶5s，随后以1.2m/s2的减速度制动停车。

图2 区间隧道火灾数值模型Fig.2 Numerical model of tunnel fire in running tunnel

图3 列车模型Fig.3 The train model

图4 是数值模型的边界条件和计算域。其中，压力出口边界条件作用于隧道的上游和下游出口处，对流传热的壁面条件应用于所有固体表面。此外，数值计算时共设有3 计算域，分别是隧道、列车、火源，其中列车和火源是可运动的，隧道是静止的。另外，采用重叠动网格技术对列车的运行进行模拟，各区域间有重叠，分别是列车与隧道重叠、火源与隧道重叠、火源与列车重叠。各计算域与重叠区域如图5 示。

图4 隧道区域Fig.4 Tunnel area

图5 重叠区域Fig.5 Overlapping region

确定火源的放热速率为：

式中：Q为火灾热释放速率，kW；t为时间，s；α为火灾增长系数，kW/s2。

在本研究中，我们稳定火源功率设定为《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》[14]（TB10020-2017）中推荐的15MW。列车火灾发展为超快速火，火灾增长系数为0.1878kW/s2。

1.3 数值网格

为确保火灾模拟的准确性，应在火源附近使用较小的网格尺寸。但是，过小的网格尺寸会增加网格数量和后续计算时间。因此最终确定的网格尺寸为0.2m，以平衡精度与计算时间。在这项研究中，使用多面体网格，燃烧列车周围的网格如图6 所示。整个数值模型包括大约1200 万个网格。

图6 列车附近网格场景Fig.6 Gird around the train

2 结果分析

2.1 区间隧道自然排烟下的火灾场景

列车发生火灾后，隧道内的碳烟密度如图7 所示。在火灾发生51.3s 时，车辆停下，开启车门，人员逃生，同时热烟气逐渐从车厢中蔓延出来，烟气在近火源区域的温度显著高于环境温度，在浮力的驱动下，热烟气主要沿隧道纵向流动，可维持较高的烟气层。从60s-180s 云图可见，由于列车运动产生向右的持续性的活塞风效应，右侧碳烟密度明显大于左侧，但是随着活塞风衰减，300s 和360s云图可见，烟气向两端蔓延形式趋于稳定，烟气也产生了明显的分层，此时列车运动产生的活塞风效应已经十分微弱，对烟气蔓延已经基本没有影响。

图7 区间隧道纵向截面碳烟密度变化Fig.7 Change of soot density in longitudinal section of running tunnel

隧道顶部烟气温度分布如图8 所示。PIARC指出，人员在几分钟内能够忍受的辐射热量极限为2～2.5kW/m2。当辐射热量为2.5kW/m2时，6m 高、8m 宽的隧道对应烟气温度为180℃。由图可见，在火灾发生180s 内，由于列车运动产生的向右的活塞风效应对烟气蔓延产生的影响，导致此时火源右端温度相比于左侧对称位置明显更高，但是随着活塞风的逐渐衰减，对后续烟气的蔓延已经基本没有影响，后续温度基本呈对称分布。此外，当火灾发生240s 时离火源30m 外的隧道顶部烟气温度已经大于180℃，不满足热辐射控制标准，将影响人员的安全疏散。

图8 逃生路线上的顶棚温度变化Fig.8 Ceiling temperature change on escape route

逃生通道上人高2m 处温度变化如图9 所示。温度的变化与热烟气的分布吻合，在火灾发展至60s 时，列车已停下8.3s，烟气从车厢内涌出，在浮力作用下上浮，同时列车运动产生的活塞风强烈扰乱烟气层的形成，因而着火车厢右侧存在大量蔓延的烟气，距火源30m 外人高2m 处的温度明显大于60℃，这不符合地面2m 高度处温度不得超过60℃的要求[15]，会对人员逃生产生严重威胁。而伴随着火灾的进一步发展，活塞风也逐渐衰减，除着火车厢附近存在上浮的烟气，温度较高，其他位置形成的烟气层逐渐稳定，距火源30m 外温度已低于60℃，这符合地面2m 高度处的温度不得超过60℃的要求。

图9 逃生图线上人高2m处温度变化Fig.9 Temperature change at height 2m on the escape route

逃生通道上的能见度如图10 所示。由于列车运动产生的向右的活塞风效应对烟气蔓延产生的气流扰动，不利于烟气层的形成，致使着火车厢右端高2m 平面上仍漂浮一定量的烟气，导致火灾发生240s 之后着火车厢附近能见度严重低于10m，左端30m 外可见度满足规范要求的10m，而右端则十分接近规范要求的10m，还是会人员安全疏散造成一定的影响。

图10 逃生通道上人高2m 处的能见度Fig.10 Visibility change at height 2m on the escape route

2.2 区间隧道纵向排烟下的火灾场景

列车发生火灾后，纵向排烟模式下，隧道内的碳烟密度如图11 所示。列车火灾的发展采用t2模型，火灾热释放率在火灾发展282.6s 时达到峰值（15MW）。图中可见：在火灾发展的前120s 内，车厢内涌出的烟气在纵向风速的强烈干扰下，烟气被迅速吹散排走；180s 之后，火灾热释放率随时间逐渐增大，隧道下游烟气逐渐积累，烟气开始分层；直至360s，烟气虽然了明显的分层，但是由于气流的强烈扰动，烟气层高度很低，此外，将整节车厢视为火源，烟气并未产生明显回流，采用的纵向排烟风速可视为临界风速。

图11 区间隧道纵向截面碳烟密度变化Fig.11 Change of soot density in longitudinal section of running tunnel

隧道顶棚温度分布如图12 所示。火灾发生360s 内，上游隧道保持为无烟环境，隧道顶棚温度维持在正常环境温度，远小于180℃；火源下游烟气在气流的强烈扰动下，严重影响了烟气层的形成，可见，在距离火源30m 外的下游隧道顶部烟气温度小于180℃，满足热辐射控制标准，不会影响人员的安全疏散。

图12 逃生路线上的顶棚温度变化Fig.12 Ceiling temperature change on escape route

逃生通道上人高2m 处温度变化如图13 所示。在火灾发展360s 内，温度的变化与热烟气的分布吻合。在纵向风速对烟气的扰动下，极大的提升了烟气的纵向流动速度，因此热量也可以得到有效的排出。可见上游隧道温度很好的维持在环境温度，下游隧道除了360s 时距离火源65m 处的人高2m处温度略高于60℃，其余时刻温度均符合地面2m高度处的温度不得超过60℃的要求。

图13 逃生图线上人高2m处温度变化Fig.13 Temperature change at height 2m on the escape route

逃生通道上人高2m 处的能见度如图14 所示。在纵向风速强烈扰动下，烟气层的形成收到了强烈干扰，致使下游烟气几乎充满整个隧道截面。可见，在火灾发生360s 内，隧道上游可见度良好；而下游隧道在火灾发生240s 之后距火源30m 外已有很长一段距离能见度不足10m，这将严重影响位于下游的几节车厢内的人员疏散。

图14 逃生通道上人高2m 处的能见度Fig.14 Visibility change at height 2m on the escape route

3 结论

（1）列车减速停车过程中产生的活塞风效应，会起到一定的纵向排烟作用。由于活塞风衰减太快，在火灾发生360s内，距火源30m外顶棚温度严重超过180℃，不满足热辐射控制标准；距火源30m外人高2m处温度不能严格满足低于60℃的要求；距火源30m外人高2m处可见度恰好满足10m的要求。总之，将会严重影响人员疏散。

（2）单洞双线隧道截面较大，临界风速可达3.7m/s。当纵向排烟风速达到此风速时，在火灾发生360s内，隧道上游可以保持良好的无烟环境，隧道下游火源30m外顶棚温度不会超过180℃，满足热辐射控制标准；距火源30m外人高2m处温度也可满足低于60℃的要求；但距离火源30m外人高2m处可见度严重低于10m。总之，因可见度无法满足要求，还是会对下游隧道人员疏散产生严重的影响。

（3）与自然排烟模式相比，纵向排烟虽然加快了排烟速度，使隧道内的温度场得到了有效控制，但严重干扰了烟气层的形成，下游隧道人员逃生环境依然严峻。

（4）当在列车在类似的单洞双线隧道内发生火灾时，应尽量继续行驶至就近的救援站或车站，从而更有效进行人员疏散。

（5）本文研究内容对济滨隧道单洞双向大断面隧道的通风排烟系统设计和研究有一定的参考价值，可以为轨道交通领域类似工程的通风排烟设计提供参考。