一端开敞的地铁区间隧道烟气流动特性及其烟气控制研究

翁庙成¹，余龙星¹，刘方^{1, 2, 3} ，廖曙江⁴

(1. 重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆，400045；

2. 重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045；

3. 重庆大学 低碳绿色建筑国际联合研究中心，重庆，400045；

4. 重庆市公安消防总队，重庆，401121)

摘要：以重庆某一段349 m长的一端连接地下车站另外一端和室外相通的地铁区间隧道为例，开展全尺寸的火灾实验和数值模拟分析，研究一端开敞的地铁区间隧道烟气流动特性。分析火源在隧道中心位置、不同热释放速率条件下隧道内火灾烟气蔓延速率、隧道内烟气最高温度以及烟气温度在隧道纵向分布的特征，并对比分析利用区间隧道事故风口进行机械排烟和机械送风的烟气控制模式效果，提出描述区间隧道断面形状对烟气流动特性影响的参数。研究结果表明：烟气蔓延速率受纵向风速和车站烟囱效应作用影响，火源上游区域烟气蔓延速率较小，烟气回流距离比两端开敞的公路隧道经验公式计算值小，隧道内烟气最高温度比Kurioka预测模型计算值小，隧道顶部上游的烟气温度纵向分布服从指数衰减规律；将隧道烟气最高温升预测模型应用于形状系数小于1的区间隧道需要进一步修正；区间隧道内靠近地下车站的事故风口, 采用机械排烟或机械送风模式，可以有效排除着火区间隧道内的烟气；事故风口机械通风量及其运行模式的选择需综合考虑隧道地理形式、火源功率、疏散方式等因素。

关键词：安全工程；烟气控制；区间隧道；实体实验；计算机模拟

中图分类号：X951             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)07-2311-09

Study on fire smoke flow and smoke control in underground metro tunnel with one end to outside

WENG Miaocheng¹, YU Longxing¹, LIU Fang^{1, 2, 3}, LIAO Shujiang⁴

(1. Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China;

2. Key Laboratory of The Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment, Ministry of Education, Chongqing 400045, China;

3. National Centre for International Research of Low-carbon and Green Buildings, Chongqing 400045, China;

4. Fire Department of Chongqing Municipal Public Security Bureau, Chongqing 401121, China)

Abstract: Fire smoke flow characteristics in an underground metro tunnel were researched by full-scale experiments and numerical simulation in program FDS (fire dynamic simulation), and the tunnel is 349 m in length with one end connected to an underground metro station and the other end opened to outside in Chongqing, China. Smoke spread velocity, maximal smoke temperature and smoke temperature distribution in the longitudinal direction of the metro tunnel were analyzed on the conditions of different heat release rates with the combustion source in the middle of the tunnel, effects of mechanical smoke exhaust mode and air supply mode through the emergency vent were compared, and the sectional shape factor of a tunnel was introduced. The results show that smoke spread rate is affected by longitudinal air velocity and chimney effect, smoke spread rate is small in the upstream area of combustion source, backflow distance is shorter than calculated by the empirical equations acquired from the tunnel with two open ends, the excess maximal temperature rise in tunnel is lower than that predicted by Kurioka, smoke temperature distribution in the longitudinal direction on the top area of the metro tunnel obeys exponential decay laws, and further correction can be added to Kurioka model when the sectional shape factor of tunnel is less than 1. In case of a fire breakout in the metro tunnel, mechanical smoke exhaust mode or air supply mode through the emergency vent is working, and smoke in the tunnel can be exhausted effectively. Mechanical ventilation volume and mode are related to factors including geography information of the tunnel, fire heat release, evacuation route and etc.

Key words: safety engineering; smoke control; metro tunnel; full-scale experiment; numerical simulation

城市轨道交通系统是一种大运量、快速、准时、安全、舒适的客运交通系统，对促进城市繁荣、实现城市经济和社会可持续发展起到举足轻重的作用。区间隧道火灾预防与救援技术是国际火灾研究领域的前沿课题。一些学者和学术机构开展了全尺寸隧道火灾实验、小尺寸模型实验和数值模拟研究，获得了许多重要成果。1993—1995年，美国在1条废弃了的Memorial^[1]双线公路隧道中进行了隧道火灾试验，研究了不同通风方式下、火灾热释放速率对烟气流动特性的影响。Ingason^[2]在1:10的模型实验中开展了列车热释放速率及其通风、隧道边界材料的影响研究，研究认为热释放速率主要取决于列车荷载和通风条件。Kurioka等^[3]于2002年在5个不同尺寸的隧道上开展了隧道火灾实验研究，得出了隧道拱顶最高温度预测模型。Vauquelin^[4-6]在1:20模型实验中开展了机械排烟口位置和形状以及纵向通风与横向通风方式对烟气流动的影响研究。Atkinson等^[7]采用模型实验研究了隧道坡度对烟气流动的影响。Yoon等^[8]通过隧道模型实验和计算机模拟分析了隧道通风竖井的最优排烟速率。Oka等^[9]采用1/10 的隧道模型实验，提出了计算临界风速的公式。Wu等^[10]从根据隧道模型实验和数值模拟相结合方法引入隧道水力半径修正了临界风速的公式。Tajadura等^[11-12]采用数值模拟分析了隧道坡度、断面不同宽高比对烟气流动的影响。国内的研究者也开展了全尺寸隧道火灾实验、小尺寸模型实验和数值模拟研究^[13-15]。综合起来，目前的研究成果包括隧道火灾火源特性、不同通风方式对燃烧速度、烟气流向及温度分布的影响以及纵向通风临界风速的研究，这为隧道火灾防控理论奠定了基础^[16]。但是，公路隧道不同于铁路和地铁车站及区间隧道，其主要特点是断面大，除特殊地段外，大多数是双车道或三车道，而铁路和地铁车站及区间隧道多数是单道单行线，断面面积往往要小于公路隧道断面面积，断面形式也有别于公路隧道。这就意味着公路隧道的实体实验得到的隧道拱顶附近最高温度的预测模型、烟气蔓延速度等结果是否可以用于指导地铁区间隧道的设计，值得进一步探讨。一般来说，地下铁区间隧道是位于地铁2个区间站点之间的一段地下隧道， 但是，由于重庆地形地貌以山地、丘陵为主，且高低悬殊，因而地铁区间隧道不是完全的地下区间隧道或与室外隔绝的地下铁路。因此，重庆的某些区间隧道其一端与地下车站连接，另外一端与敞开的地面相通，这种非全封闭的隧道其烟气控制系统不能直接按照国内设计规范和美国NFPA设计规范来设计。因此，针对基于重庆山地城市自然环境条件下，无法套用现有规范来设计区间隧道的防排烟系统，研究区间隧道的烟气流动特性以及如何设计其通风排烟方案具有重要的工程应用价值。本文作者以重庆高义口至会展中心段的地下区间隧道为例，通过全尺寸实验和数值模拟探讨一端敞开的区间隧道的烟气流动特性及其防排烟系统设计方案。

1  实体隧道火灾实验

1.1  实验隧道及其测试系统

实验所选择的隧道为重庆高义口至会展中心段的地下隧道，该区间隧道一端和地下车站连接，一端与室外相通。隧道包括长度211.20 m的单洞单向隧道(或单洞双向带中隔墙)和长度137.50 m的单洞双向隧道。火灾烟气实验在单洞单向隧道内进行。区间隧道事故通风口距站台右侧18.00 m，其长×宽为5.00 m×4.00 m。该段隧道高度为5.16 m，最大宽度为4.80 m，坡度为2%，靠近车站端隧道的标高高于另一侧，隧道示意图如图1所示。车站包括站台层和站厅层两层。高义口车站长度为197.00 m，宽度为19.60 m。其中站台层高度为6.25 m，站厅层高度为7.20 m。站台到站厅有2个楼梯，每节楼梯的宽度为0.30 m，高度为0.15 m。楼梯处有长×宽为8.20 m×5.00 m的顶部开口。站厅层两侧有2个横向通道。

采用K型铠装热电偶测量火灾时隧道内空间各点温度，通过温度采集模块将接受到的温度信号传输至数据采集仪，并连接到计算机进行实时监测。实验时，该隧道在建设中，待铺设轨道，尚未安装排烟系统，在自然通风的情况下进行实验。火源设置在其中1个单洞单向隧道的中心位置(K880 m处)，一共布置6个热电偶温度采集模块。火源正上方5.16 m高度处布置1个热电偶。在隧道顶部，火源左右两侧对称布置18个热电偶，分别距离火源5.00，10.00，15.00，20.00，30.00，40.00，50.00，60.00，70.00，80.00和90.00 m。距火源左右对称2.50，7.50和12.50 m处布置6串热电偶，各探头离地面高度分别为1.50，2.50，3.50，4.50和5.16 m。顶部热电偶和热电偶树布置如图2所示。

1.2  实验方案及实验现象

进行了3组实验，采用不同尺寸规格的油盘，通过控制油池的面积和油量来控制火灾功率，火源功率约为0.90，1.35和1.80 MW，如表1所示。测试时的环境温度以及风速见表1。第一组实验中，点火后，在火源左右两侧距离火源10 m，高度为1.50 m处的固定点位置测量风速。在第二组和第三组实验中，取-10.00，0，10.00，60.00，110.00和160.00 m测其风速，点火后，在火源右侧距离火源50.00 m，顶棚处的固定点位置测量风速。在实验时，记录烟气前锋向到达隧道上、下游指定位置的时间，并用摄像机拍摄了整个实验过程。图3所示为实验过程中拍摄的火源附近的烟气流动图片。

在Test1实验时，点火开始之后，火源上方处烟气迅速向隧道两边蔓延，但是未到达隧道上游出口时，由于风力的作用烟气开始回流，此时，隧道上游出口处烟气很少，温度不高。开始几分钟隧道下游靠近车站的出口没有什么烟气，经过3~4 min，烟气迅速蔓延至靠近站台的隧道出口处，经过5~6 min后，烟气迅速从楼梯通道上蔓延致车站，且蔓延速度十分迅速，烟气的浓度也较大，而站台侧与实验隧道平行的另一个隧道的入口几乎没有烟气。在实验过程中观察到，烟气从隧道口冒出后，就朝着站台层高处的人行通道、电梯通道往上流动，在烟气逐渐充满了站厅层上部空间后就开始往下面沉降；大约10 min时，烟气基本上充满整个车站，只剩下站台层的一部分。在Test2和Test3 实验时，蔓延至车站的烟气明显增多。从观察实验现象可以看出：如果站厅和站台层排烟系统失效，在隧道火灾时候，站厅层比站台层更危险。在Test3实验即火源热释放率为1.8 MW时，烟气层流至隧道K965处(即火源上游85 m)后回流，又经过一段时间，由于外界自然风速降低，烟气又蔓延至上游的单洞单线隧道与单洞双线隧道的连接部分，仅有一小部分流至另一单洞单线隧道口，其余部分渐渐回流。3次实验测试过程中，在站台方向，烟气一直都未扩散到对面的隧道以及另外一边站台。

图1  实验区间隧道示意图

Fig. 1  Geometry of experimental tunnel

图2  测量系统热电偶的布置图

Fig. 2  Arrangement of thermocouples in tunnel

表1  全尺寸实验的火源功率设计及环境温度

Table 1  Fire source design and ambient temperature in full scale test

图3  火源附近烟气分布图

Fig. 3  Smoke distributions near fire source in full scale test

2  数值模拟研究

2.1  数值模拟的物理模型

数值模拟模型选取高义口至会展中心段的地下隧道原型，单洞单线隧道模型长度为211.20 m，断面宽度×高度为4.80 m×5.16 m。火源尺寸设为2.00 m×1.00 m位于隧道模型中心位置。在初始时刻，环境温度设为实验测试值。区间隧道与室外相通X=0 m处设为“SUPLLY”，保持纵向自然风速为实验测试速度；隧道出口即长度X=546.00 m处与车站连接。车站包括站台层和站厅层两层。车站的长度为197.00 m，宽度为19.60 m。其中站台层高度为6.25 m，站厅层为7.20 m。站台到站厅有2个楼梯，每节楼梯的宽度为0.30 m，高度为0.15 m，楼梯处有8.20 m×5.00 m的顶部开口，同时站厅层两侧有2个横向通道设为“OPEN”压力与外界大气压相等。所建的车站模型没有考虑其他的排烟口和疏散通道。隧道边界设置为“INERT”，材料选为“CONCRETE”。网格尺寸d=0.1D^*，其中D^*为火源特征直径^[17]。FDS模拟模型的侧视如图4所示。

2.2  模拟方案

设计了9组模拟方案，见表2。其目的为了初步探讨隧道的排烟方案和排烟量对烟气流动的影响。方案Case1~Case3是与3组实体火灾实验相应的，目的是探讨隧道烟气的最高温度及其沿程变化规律。Case4是假设没有外界干扰，在火源功率和实验最大火源功率相同的方案下，未开启排烟风机时烟气流动，方案Case5和Case6则是分别考虑事故风口送风、排风的情况。方案Case7则是同时开启着火隧道和相邻隧道风机送风，方案Case8和Case9的火源功率均是7.5 MW，主要是分析排烟量的影响。

图4  隧道及车站的FDS模型

Fig. 4  Figure for tunnel and station in FDS

表2  隧道烟气流动的数值模拟方案

Table 2  Numerical simulation cases for smoke flow in tunnel

3  结果分析及讨论

3.1  隧道顶部烟气最高温度

隧道顶部热电偶测试的温度分布如图5所示。从图5可以看出：近火源区域隧道上游的顶部温度比下游(距火源距离为负时)的顶部温度高，但是隧道上游顶部的衰减比下游顶部的衰减快，这是因为在火源附近，烟羽流浮升力强，火源上游顶部射流的蔓延方向和隧道的风向相反，导致烟流的能量在隧道顶棚下聚集，从而温度比下游的高；而在离火源较远的地方，烟流温度低浮力效应减低，反向流吸入大量的冷空气从而烟气的温度迅速减低。

Kurioka 的最高温升预测模型为：

           (1)

当＜1.35时，，

当＞1.35时，,

式中：Q^*为无量纲火源热释放速率， ；Fr为Froude数，；为隧道火源最大温升，K；，K；Q为火源热释放速率，W；T_a为环境空气温度，K；为环境空气密度，kg/m³；c_p为空气比定压热容，J/(kg·K)；H_d为火源表面至隧道高度，m；u为纵向风速，m/s；g为重力加速度，m/s²。

图5  实验隧道顶棚温度分布图

Fig. 5  Temperature distributions on top of tunnel

表3  隧道顶部烟气最高温度实验值与理论值对比

Table 3  Comparison of maximal temperature on the top of tunnel between test and Kurioka model

表3所示为隧道顶部烟气最高温度的实验值、模拟值以及理论值的对比。显然，本文实体隧道实验的结果比Kurioka等^[3]预测模型计算值低，而且在火源功率大的情况下，这种误差小。这主要是因为单洞单线隧道相比公路隧道宽度小很多，也就是在同样火源功率和隧道高度的情况下，由于隧道烟羽流卷吸空气量受限，其顶部的温度可能会更低。

隧道高度是影响隧道烟气运动的重要参数之一，但对于相同隧道高度，宽度小的隧道内的烟气卷吸冷空气量比隧道宽度大的少，因此，隧道高度不宜独立作为影响烟气运动的参数。隧道的横截面形状和隧道高度同时影响烟气运动，因此，综合考虑隧道高度和宽度对烟气运动的影响，可以引入隧道形状系数这一技术参数，综合考虑隧道宽度和高度对烟羽发展的影响。引入隧道形状系数为隧道横截面积与高度平方之比，其计算公式如下：

                (2)

式中：A为隧道横截面面积，m²；H为隧道高度，m；为隧道形状系数。

形状系数反映了隧道火灾烟羽流的受限程度。在隧道高度相同的条件下，该值大，则隧道横截面面积大，烟羽受限程度小；反之形状系数小。在隧道高度相同的条件下，隧道横截面面积小，烟羽受限程度大。Kurioka等^[3]最初提出的隧道最高温度预测模型，其缩小比例的实验隧道形状系数在1~3之间，均大于1。目前已有一些研究者在实体隧道火灾证实了该温升预测模型，其实验隧道的形状系数均大于1，而且实验火源功率比本文实验的火源功率大。

本文实验隧道的形状系数为0.795 5，说明Kurioka等^[3]预测温度公式用于形状系数小于1的单洞单向地铁区间隧道的顶部最高温度的计算值偏大，需要进一步修正。

3.2  烟气蔓延速度

3次实验的上、下游烟气前锋与火源距离关系如图6所示。由图6可以看出：随着离火源的水平距离的增加，蔓延速度减低，曲线逐渐变得平坦。这是因为烟气层前锋的温度及其与环境空气之间的温差越来越低，浮力驱动力小，从而导致烟气层前锋的蔓延速度的不断降低。烟气向下游蔓延速度比上游快，同时向上游蔓延存在回流区。这是因为上游室外风速的影响。烟气向下游蔓延速度快，这主要是因为风速的影响以及靠近车站隧道与车站相连接，车站与站厅层相通，具有烟囱效应，使得烟气向下游流动加快。随着火源功率增加，烟气蔓延速度增大。3次实体实验观察的回流距离见表3。

王彦富等^[13]提出的隧道烟气逆流距离的计算公式如下：

             (3)

其中：C为隧道周长，m；k为隧道对流换热系数，一般取22.0~30.6 W/(m²·K)；h为烟气逆流层的厚度，m；m为烟气的质量流量，kg/s。

烟气质量流量计算公式为

             (4)

其中：为对流热量，即火源总热释放速率中对流所占部分，一般取，kW。

烟气逆流层厚度为

              (5)

其中：B为隧道当量直径，m。

表3中实验观察的烟气回流距离比式(3)预测的小。式(3)是适用于隧道两端敞开的，而本文实验隧道一端靠近地下车站，车站与站厅相通，有向上的开口，具有烟囱效应，使得更多烟气流向下游。

3.3  隧道顶部烟气温度沿程变化

隧道火灾烟气温度纵向沿程变化(上游)可按下式计算：

           (6)

其中：为距火源点为x处的烟流温度，K。

图6  烟气蔓延速度图

Fig. 6  Smoke spread speed

图7所示为式(6)计算的隧道顶部沿程温度的变化，其中火源处的最大温升分别取实验值和模拟值，k取26.3 W/(m²·K)。实验测试及模拟的隧道内上游顶部烟气温度沿程变化见图7。从图7可以看出：实验测试及模拟的隧道顶部温度和公式计算的温度分布一致，但距离火源远的位置其温度比公式计算的值偏低，主要是车站的烟囱效应，使得流向上游的烟气减少。总体来说，对于单洞单向隧道，其烟气温度沿程衰减仍然服从指数变化。

图7  隧道顶部烟气温度沿程变化

Fig. 7  Smoke temperatures on top of tunnel along longitudinal direction in upstream area

3.4  烟气温度的竖向分布

实验Test3以及模拟方案Case5和Case6的4个热电偶树测得温度与离地面距离之间关系如图8所示。从图8(a)可以看出：上游断面距地3 m以上的位置的烟气温度比下游距火源距离相同位置的断面烟气温度高，但是上游断面距地3 m以下位置的烟气温度比下游距火源距离相同位置的断面烟气温度低。这主要是因为车站的烟囱效应以及隧道风口的自然风速导致烟气向上游流动速度小于向下游流动速度，烟气向上游流动的烟气量小于向下游流动烟气量，且烟气在上游隧道上部集聚，上游隧道下部烟气浓度比下游隧道下部烟气浓度小。由此可见：尽管自然风速小，但还是对烟气温度的分布造成了很大的影响，人员向上游疏散比向下游疏散更安全。模拟方案Case5和Case6的竖向热电偶温度分布如图8(b)和8(c)所示，如事故风口排烟，区间隧道上游烟气温度降低，有利于人员从隧道开口疏散；在事故风口送风，则减小了区间隧道下游的烟气温度，有利于人员向地铁车站疏散。

图8  烟气温度的竖直分布

Fig. 8  Smoke temperature distribution on vertical direction

3.5  排烟方案对比分析

图9所示为火灾发生900 s时，隧道离地面高度1.5 m处烟气浓度纵向变化曲线。图10所示为6组模拟方案900 s时，隧道及站台烟气分布。从图9(a)可以看出：将Case5和Case6与Case4对比，着火隧道的烟气浓度明显降低，在火灾强度相同的情况下，隧道事故风口排烟，则烟气聚集在隧道下游，其烟气浓度比上游烟气浓度高；而在事故风口送风，烟气沿着隧道向火源的上游流动，并从隧道开口排出，下游烟气浓度比上游低。显然，在事故风口送风或者排烟，这2种方式都能有效排除着火隧道的烟气。

从图9(b)可以看出：将Case8和Case9与Case5对比，隧道上部同一测点处烟气浓度主要由火灾强度决定，火灾强度越大，烟气浓度越高。在排烟量相同情况下，火源功率增大，烟气浓度增大；在火源功率相同情况下，增大排烟量，可以减小烟气的浓度。

Case6和Case7隧道及站台烟气分布如图10所示，对于Case6事故风口送风，排烟方向是通过双线单洞隧道至室外方向，烟气在进入单洞双线隧道之后，回流至相邻的单线单洞区间隧道，从而进入车站。Case7采用在着火隧道和相邻隧道的事故风口同时送风，可以避免烟气回流至相邻隧道和车站，但着火隧道内烟气浓度与采用单隧道送风的烟气浓度相比较差别不大，也就是着火隧道和相邻隧道的事故风口同时送风对于着火隧道烟气浓度的影响并不显著。对于隧道烟气浓度，若人员疏散方向是向车站(下游)，则可以考虑在隧道事故风口排烟；而若人员疏散方向是向隧道出口，则可以采用在事故风口排烟的方式。

图9  隧道离地面高度1.5 m处烟气浓度纵向变化曲线图

Fig. 9  Smoke concentrations on height of 1.5 m in middle of fired tunnel along longitudinal direction

图10  900 s时隧道及站台烟气流动状态图(隧道中心纵向剖面)

Fig. 10  Slice figures of smoke movement in station and tunnel at 900 s (sectional view along tunnel)

因此，由于隧道受到实际地形的限制，隧道的建设形式没有一个标准统一的形式，在设计建设隧道过程中，需要综合考虑隧道形式、火源功率、疏散方式等因素，有针对性的提出通风防排烟设计方案。

4  结论

(1) 建议采用形状系数描述隧道的几何特征对烟气流动的影响；公路隧道顶部烟气最高温度预测模型用于形状系数小于1的单洞单向区间隧道需要进行 修正。

(2) 单洞单向区间隧道顶部烟气温度沿上游呈指数衰减规律。

(3) 一端与室外相通一端与车站相连接的区间隧道，由于车站的烟囱效应，烟气向车站蔓延速度快，而烟流逆流距离短。

(4) 隧道中心部位发生火灾，采用在车站端的事故风口进行机械排烟与机械送风的烟气控制方式可以有效排除着火区间隧道的烟气；需要考虑疏散方式以及隧道形式来设计排烟方案。

(5) 提出了隧道形状系数的概念，并开展了实体隧道实验和模拟研究。介于实验条件限制，只在隧道进行了3次实验，需要针对形状系数小于1的隧道进一步开展实验和模拟研究，完善烟气最高温度的修正。本文仅简要地分析了事故风口送风或排烟方式下的着火区间隧道的排烟效果，在下一步研究中，需要针对火源不同功率和位置、隧道开口风速及风向对隧道烟气流动的影响，深入探讨合理的机械排烟方案。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2013-07-13；修回日期：2013-10-18

基金项目：重庆市科委自然科学基金资助项目(2009BB6193)

通信作者：刘方(1965-)，女，重庆涪陵人，博士，教授，博士生导师，从事建筑防火技术，建筑节能与室内热湿环境研究；电话：13618371808；E-mail: drliufang@126.com