夏三县，王 艳，孟 鑫，张晓伟，胡 璠，夏雁玲

（1. 郑州地铁集团有限公司，郑州 450047；2. 中原工学院能源与环境学院，郑州 450007；3. 北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；4. 中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

1 研究背景

2 数值模拟

地铁隧道排烟系统，是控制列车在隧道内发生火灾时烟气流动、保证运营安全的重要技术措施。地铁地下线路在进入地面车辆段时，如果在其出入段线部位发生火灾，通常的排烟系统设计是利用车站事故风机，同时在隧道洞口处设置若干组射流风机辅助排烟。对于长度大于1 km的地铁出入段线，射流风机的配电线缆需引自邻近车站或车辆段的变电所，电缆的敷设长度超千米，部分工程中甚至为射流风机配电设置跟随式变电所，这些都大大地增加了工程初期投资和后期维护成本。《地铁设计规范》管理组《关于非载客运营地下区间隧道排烟风速标准疑问的函》的回复中指出：“列车载客和非载客区间隧道的消防设计要求有所不同，为确保乘客安全，载客区间隧道要求更高，而出入场线、出入段线等非载客区间隧道列车上仅有司机，有条件采取其他保护措施进行快速疏散，因此设计标准可以有所降低。鉴于规范中没有给出具体的针对性标准，请设计单位自行根据工程情况灵活掌握。”因此，降低出入段线防排烟系统投资，有针对性地优化出入段线排烟系统的设计，成为地铁设计中亟待解决的问题。

地铁列车在隧道内发生火灾的工况一直都是隧道防排烟领域研究的热点问题[1-4]。Yu等试验研究了地铁联络隧道横向通风系统的烟气控制效果[5]，Wang 等数值模拟研究了地铁地下车站混合通风系统的烟气控制效果[6]，侯团增试验测试了火灾模式下地铁区间隧道的排烟风速[7]，朱祝龙等数值模拟研究了地铁长大过海区间隧道通风排烟方案[8]。通过调研国内外相关文献可知，多数研究着眼于地铁正线隧道的火灾规律，针对地铁出入段线排烟系统的研究较少；目前地铁隧道排烟系统的研究主要采用理论分析法、实验研究法和数值模拟法。其中，数值模拟法由于预测准确性高和研究成本低，成为地铁排烟系统研究最常用的方法。

针对地铁出入段线排烟系统工程设计时存在的问题，笔者结合实际的地铁出入段线工程，开展了地铁出入段线排烟系统不同设计方案的FDS数值模拟研究，并对各设计方案进行了经济性分析，优选了技术可行、经济合理的出入段线防排烟系统设计方案。

2.1 工程概况

郑州地铁10号线出入段线隧道全长2 503 m，为单洞单线隧道，左右线间距13 m，3处曲线半径分别为250、400和250 m，全段坡度走势呈V字形，如图1所示。同时，经过与行车及信号专业落实，保证该出入段线运营时只存在一列车。

图1 出入段线隧道三维数值模型Figure 1 Schematic of the subway access tunnels

2.2 数值模型

本研究采用火灾动态模拟软件FDS，这是由NIST开发的计算机场模拟软件。FDS以火灾中流体运动为主要模拟对象，采用湍流燃烧模型，研究地铁火灾引起的烟气和热传输规律。在FDS中，建立地铁出入段线隧道等尺寸三维数值模型(见图1)。隧道一端与车站连接(含车站对应的4座活塞/事故风井)，每个活塞/事故风道内各设置1台事故风机。车站仅事故风井参与隧道通风，且车站采用全封闭站台门系统，活塞/事故风道、风井以外的车站部分不参与数值模拟计算。车站明挖段隧道断面尺寸不同于盾构区间段，已按照实际尺寸进行建模。车站另一侧连接一段与10 km地铁隧道具有相同阻力的高阻力水平隧道，而隧道的另一端设置为OPEN，用于模拟室外大气环境。外界大气环境温度为–5℃，外界环境大气压力为101.325 kPa。隧道侧壁、顶棚和地板的材料设定为混凝土，其比热容为1.04 kJ/(kg·K)，密度为2 280 kg/m3，导热系数为1.8 W/(m·K)。火源热释放速率设置为7.5 MW。地铁列车尺寸为长140 m×宽2.8 m×高3 m，火源尺寸为长1 m×宽1 m×高0.2 m。根据单元格敏感性分析情况，本研究采用0.25 m单元格尺寸进行数值模拟。

2.3 模拟工况

本研究考虑了5种地铁出入段线隧道防排烟系统设计方案，如图2所示。根据设计方案、火源位置不同，共设置10个数值模拟工况，如表1所示。

图2 出入段线排烟系统设计方案Figure 2 Five smoke control strategies for subway access tunnels

表1 数值模拟工况Table 1 Numerical simulation conditions

在数值模型中，事故风机风量为60 m3/s，风井内空气温度采用实测的温度。射流风机的风量为37.5 m3/s，推力为1 100 N，功率为30 kW。司机发现火灾上报控制中心，控制中心经过判断后下达指令给车站，执行排烟模式，用时设定为60 s；风机从静止状态转换至排烟工频状态，用时设定为30 s。

2.4 实验验证

按照实际热释放速率进行火灾实验，可能会破坏地铁隧道及其设备设施，所以国内外学者通常采用缩尺模型实验或小热释放速率火源火灾实验，以验证数值模型及边界条件的正确性[9-10]。利用经过验证的数值模型，通过改变边界条件，可开展大热释放速率火源时地铁隧道火灾烟气流动规律的模拟研究。为保证数值模型的准确性和可靠性，本研究在真实的地铁隧道内开展了小热释放速率火源的热烟验证实验，如图3所示。

图3 热烟实验的火源装置Figure 3 Fire-source device in the smoke experiment

将室外实测风温作为数值模拟的隧道入口风温，火源的热释放速率设置为23.1 kW(人工火源的实测热释放速率)，隧道内纵向风速设置为0.49 m/s(自然通风时的实测风速)。图4给出了火源下风侧0.5、1.5和2.5 m处隧道断面距地面高度1 m处的预测和实测空气温度，预测值与实测值之间的最大温差小于1.1℃，温差与空间场最大温差之比为13%。图5给出了4台事故风机时火源下风侧0.5 m处隧道断面预测和实测风速的平均值，预测与实测风速平均值之间的最大偏差为0.17 m/s，误差率约为10%。温度验证和风速验证的结果表明，数值模拟的结果准确性较高，可用于分析和研究隧道烟气控制方法。

3 结果分析

3.1 火源位于V形隧道最低点处的模拟结果

火源位于V形坡度隧道最低点处时，首先模拟了此时5种设计方案的排烟效果和隧道风速情况。由模拟结果可知，这5种设计方案均能够排除隧道内的火灾烟气。工况1～5火灾烟气流出隧道所需的时间分别为655、631、614、598和566 s。图6 给出了火源下风侧100 m处隧道截面速度云图，由此可知，数值模拟工况1～5火源下风层100 m处隧道内的平均速度分别为1.54、1.63、1.78、1.76和1.91 m/s。

图6 火源下风侧100 m处隧道截面速度云图Figure 6 Velocity contours of tunnel section at a distance of 100 m downstream of the side of the fire source

由模拟结果可知，受隧道断面尺寸限制、火灾上报及确认所需时间的影响，在排烟设备启动前，烟气在隧道内存在一定程度的自然蔓延过程；当排烟设备达到工频状态后，烟气能够有组织地由洞口排出室外，说明本研究所设置的5种设计方案安全有效。

图7给出了距离隧道出口30 m处隧道截面速度云图，数值模拟工况1～5隧道出口30 m处隧道的平均速度分别为1.47、1.55、1.69、1.67和1.88 m/s。

图 4 火源下风侧实测气温与预测气温对比Figure 4 Comparisons between the predicted and measured air temperatures at the downstream side of the fire source

图 5 火源下风侧实测气温与预测平均风速对比Figure 5 Comparisons between the predicted and measured average ventilation velocity at the downstream side of the fire source

图7 隧道出口30 m处隧道截面速度云图Figure 7 Velocity contours of tunnel section at a distance of 30 m from the tunnel’s exit

3.2 火源位于车站侧隧道断面的模拟结果

本研究从出入段线火灾时最不利工况的角度出发，模拟了火源距车站30 m时不同设计方案的排烟效果和隧道风速情况，工况6～10火灾烟气流出隧道所需时间分别为1 833、1 806、1 625、1 612和1 568 s。图8给出了火源下风侧100 m处隧道断面的速度云图。工况6～10火源下风层100 m处隧道平均速度分别为1.45、1.57、1.75、1.68和1.89 m/s；射流风机设置在靠近车站处的工况(方案d)，与设置在靠近洞口处的工况(方案b)相比，隧道内的平均风速更高；洞口处设置两组射流风机的工况(方案c)，与靠近车站处设置一组射流风机的工况(方案d)相比，隧道内的平均风速没有显著差异；同时，这3种工况的隧道内平均风速均高于仅设置4台车站事故风机的工况(方案a)。由上述模拟结果可知，仅开启4台TVF的设计方案能够满足排除烟气的要求；若增设射流风机，则风机位于靠近车站处和位于洞口处，对排烟效果的增强作用程度基本相同。

图8 火源下风侧100 m处隧道截面速度云图Figure 8 Velocity contours of tunnel section at a distance of 100 m downstream of the side of the fire source

图9给出了隧道内距离出口30 m处隧道断面的速度云图。工况6～10距隧道出口30 m处隧道的平均速度分别为1.49、1.61、1.75、1.68和1.9 m/s。

图9 隧道出口30 m处隧道截面速度云图Figure 9 Velocity contours of tunnel section at a distance of 30 m from the tunnel exit

火源位于靠近车站的隧道内时，由于上报火情到下达指令需一定的反应时间，在排烟设备启动前，烟气存在一定程度的自然蔓延过程。若车站两侧事故风机同时启动，车站隧道两侧风压大小基本相同，导致轨行区内的风速较小。若靠近出入段线侧的风机比远离出入段线侧的风机延迟30 s启动、向隧道中送风，则能够更好地控制并排除烟气。图10给出了以上两种风机启动策略所对应的隧道烟气情况，可以看出事故风机3、4延迟30 s启动时，车站轨行区内基本没有烟气滞留。

图10 风机延迟启动90和120 s时车站隧道内烟气情况Figure 10 Smoke situation in station tunnel for delayed operational fan onsets equal to 90 and 120 s

3.3 出入段线隧道防排烟设计方案比选

数值模拟结果表明，出入段线防排烟设计方案a～e(方案编号及设备配置见图2)均能将火灾烟气排出隧道，防止火灾烟气威胁车站运营安全。方案a采用出入段线所接车站原有的事故风机，无新增设备费用。对5种方案进行经济性分析，与设计方案a相比，b～e方案的新增设备材料费用分别为1 206万、1 675万、36.8万和1 975万元，设备费用包括射流风机、配电电缆、隧道断面拓宽费等。方案a的建设成本最低，经济性最好；方案e的建设成本最高，经济性最差。综合考虑排烟系统建设成本、隧道风速和烟气控制效果等因素，方案a是经济最合理、技术可行性较高的防排烟系统设计方案；同时，在土建条件允许的情况下，可以采用设计方案d，车站设置4台60 m3/s事故风机，出入段线靠近车站侧安装一组37.5 m3/s射流风机，以增强排烟效果，提高安全水平。

4 结语

笔者利用经过实验验证的三维等比例FDS模型，根据长2 503 m的地铁出入段线V形坡度隧道的5种排烟系统设计方案得出了相应的排烟风速和排烟效果，研究了火源在隧道靠近车站侧和V形坡隧道最低点这两个位置时对排烟效果的影响，并对各方案进行了经济性分析，优选了技术可行、经济合理的出入段线通风排烟系统设计方案。

1) 研究结果表明，该地铁出入段线作为非载客区间，仅开启所连接车站的4台事故风机(单台风机风量为60 m3/s)，可以将隧道内的烟气顺利排至室外，防止火灾烟气威胁车站运营安全。此时，隧道内的平均风速约为1.5 m/s。

2) 射流风机设置在靠近洞口处的设计方案，与设置在靠近车站处的设计方案相比，隧道内的平均风速并未显著增加。综合考虑设计方案的经济性与排烟效果，在条件允许的情况下，可以在出入段线隧道靠近车站侧设置一组射流风机，用于增强排烟效果，提高运营安全水平。

3) 当火源位置靠近车站时，由于火情上报、控制中心下达指令及风机启动达工频状态均需一定的时间，车站轨行区会出现局部烟气滞留、不易排出的情况，建议靠近出入段线侧的两台事故风机比其余事故风机和射流风机延迟30 s启动，以便有效解决轨行区内烟气滞留的问题。