摘  要: 建立自然通风隧道火灾三维数值计算模型，并应用缩尺隧道试验数据对数值模拟进行验证，采用验证过的数值计算方法对自然通风地铁区间隧道的火灾烟气特性和安全控制标准进行三维数值模拟研究。结果表明，数值模拟结果与试验结果吻合较好; 孔口尺寸对隧道顶壁烟气温度、人员高度处的 CO浓度和能见度的影响较大，但对人员高度处的温度几乎没有影响; 在隧道火灾 4 种安全控制标准中，人员高度处的能见度起主要控制作用。

关键词: 自然通风 隧道火灾 烟气特性 控制标准

 

      地铁区间隧道可以采用顶部开孔的方式实现自然通风，列车在隧道内发生火灾时，通风孔在热压的作用下起到通风排烟的作用，在实际工程上需要设计合理的开孔方式以满足事故通风要求，并节约土建费用。

      目前，对自然通风模式下的隧道火灾，国内已经有了一些相关研究。李亮等人^［1］对自然通风地铁隧道火灾进行了安全评估，其评判标准采用人员高度处的温度。毕海权等人^［2］通过三维数值模拟对半敞开式公路隧道火灾进行了分析研究，研究指出，隧道发生火灾时仅有距离火源较近的孔口起到排烟作用。王彦富等人^［3-4］采用全尺寸试验和数值模拟的方法对公路隧道自然通风的火灾情况进行了一系列研究，但该研究主要局限于特定的公路隧道。

      显然，目前的研究缺乏孔口尺寸对隧道内烟气特性影响的论述，而且采用的安全控制标准单一。本文采用三维数值模拟技术，在烟气特性研究的基础上，对自然通风隧道发生火灾时的安全控制标准进行了研究。

 

      隧道火灾采用自然通风排烟模式时，逃生人员需要在火灾热烟气下方紧急向火源两侧方向逃生。现有的《地下铁道设计规范》没有涉及到自然通风情况下的通风排烟要求，因此，有必要借鉴国外相关标准。按照美国固定轨道运输与客车系统标准 NFPA130 和世界道路协会 PIARC 标准的推荐值^［5-6］，依据实际情况并考虑一定的安全余量，对于距离火源30 m 以外的逃生环境，本文采用的隧道火灾控制指标为: ①人员高度的烟气温度不超过 60 ℃; ②隧道顶壁烟气温度不超过150 ℃ ; ③人员高度 CO 浓度不超过 1 000 × 10^{－ 6}; ④人员高度处的能见度不小于 8. 4 m。

 

     数值模拟选用火灾三维模拟软件 FDS5，湍流模型采用大涡模型，燃烧模型采用混合燃烧模型。

     选取标准双线地铁隧道作为研究对象，隧道断面尺寸为 9. 3 m ×4. 8 m，轨距为 5. 0 m。着火列车位于一侧轨线处，列车模型为标准 B 型车，尺寸为 120. 0 m× 2. 8 m × 2. 7 m，列车地板面距隧道底部 1. 38 m。隧道顶部设置通风孔，通风孔宽度为固定值 2. 5 m。隧道断面如图 1 所示。

      本文按照火灾最不利情况进行研究分析，即着火车厢位于两通风孔正中间。为了更符合实际情况，选取火源在列车中部车厢内燃烧，火灾烟气通过门窗进入隧道，进而通过排烟孔口排出隧道外。根据相关研究，选取火灾热释放率为 10 MW^［1］。

      壁面材料为钢筋混凝土层，厚度为 500 mm。钢筋混凝土层的外部是土壤层，为恒温条件，土壤温度取15 ℃ ，环境温度取 25 ℃ 。隧道壁面与烟气之间的传热设置为第三类边界条件。由于隧道发生火灾时采用自然通风模式，因此，隧道端头和通风竖井处均设为开口条件。依据 2. 2 节火源设定的分析，模拟计算中模型在火源处纵向对称，为了节省计算时间在火源处设置对称边界条件。计算模型如图 2 所示。

      为了验证数值模拟模型的正确性，设计了自然通风隧道火灾的模型试验，试验介绍见文献^［7］。本文选取两种典型试验工况对数值计算方法进行验证: 火源热释放率为 10. 2 kW，通风孔口高度 H 为 267 mm，通风孔口长度 L 分别为533 mm 和667 mm。数值模拟计算结果与试验结果的比较如图 3 所示，由图 3 可以看出数值模拟结果与试验结果基本吻合，说明数值模拟模型可以很好地模拟自然通风隧道火灾。

      通过对隧道控制标准的分析，了解到隧道发生火灾时影响人员逃生的因素有顶壁温度、人员高度处的温度、人员高度处的 CO 浓度和人员高度处的能见度，因此本文从这几个方面来分析隧道内的烟气特性。

      本文对孔口间距为120 m 的自然通风隧道火灾进行数值模拟，分析得到了自然通风隧道火灾时的烟气分布特性，如图 4 所示。由于火灾列车发生在两通风孔正中间，因此，靠近火源的孔口与火源间距为 60 m。

 

      从图 4( a) 中可以看出，火源附近的隧道顶壁烟气温度极高，最高温度近 300 ℃。随着烟气沿着隧道纵向扩散，隧道顶壁烟气温度迅速下降; 而后在某个与火源相距较远的区域，烟气温度下降逐渐变得缓慢; 当烟气扩散到孔口处时( 距火源 60 m) ，大部分烟气由孔口处排出，导致顶壁烟气温度下降变快; 部分烟气绕过排烟孔口继续向前扩散，最终烟气的浮升力与进入隧道的新鲜空气的惯性力相等，烟气停止向前扩散，隧道顶壁烟气温度达到环境温度。

      从图 4( b) 与图 4( c) 中可以看出，火源附近隧道人员高度处的烟气温度分布与 CO 浓度分布不稳定，这是因为隧道内车辆车厢底部起火时，烟气从各个窗口排出，造成人员高度处烟气分布不均。随着烟气沿着隧道纵向扩散，隧道人员高度处的温度和 CO 浓度将变得稳定，并逐渐下降，直至降低到环境值。

      从图 4( d) 中可以看出，火源附近烟气从列车窗户排出，导致人员高度处烟气浓度很大，能见度较低; 随后热烟气上升并向前扩散，人员高度处逐渐没有烟气，烟气能见度迅速增大; 随着热烟气继续向前扩散，热烟气卷吸隧道内的新鲜空气，高温烟气被周围空气冷却，烟气层将下降到人员高度处，导致人员高度处的能见度逐渐下降; 烟气到达孔口处时( 距火源 60 m) ，大部分烟气从孔口排出，人员高度处的烟气浓度降低，能见度将随着烟气的排出而升高; 其余烟气绕过孔口继续向前扩散，且烟气继续沉降，导致人员高度处的烟气浓度升高，能见度降低; 最终，烟气浮升力与进入隧道的新鲜空气的惯性力相等，烟气不再向前扩散，人员高度处的能见度迅速上升到隧道正常工况下的能见度。

      图 4 显示，在隧道 30 m 以外的区域，顶壁烟气温度、人员高度处温度和人员高度处 CO 浓度均低于人员逃生安全控制标准，但人员高度处的能见度在某些区域低于安全标准要求的 8. 4 m。这说明自然通风单洞双线地铁隧道火灾时，在人员逃生安全标准中，人员高度处的能见度起主要控制作用。

      孔口长度 L 的增大会导致隧道排烟量的增多，从而对隧道内的烟气分布特性产生影响。本文在隧道间距 120 m、高度 4 m 的情况下，分析了不同孔口长度对隧道火源 30 m 以外烟气分布特性的影响，如图 5所示。

      由图 5( a) 可以看出，通风孔口长度对火源所在的隧道段的顶壁烟气温度基本没有影响，然而孔口后方区域隧道段顶壁烟气温度随通风孔长度的增大而减小。由图 5( b) 可以看出，通风孔口长度对整个隧道中人员高度处的温度分布基本没有影响。由图 5( c) 和图 5( d) 可以看出，人员高度处的 CO 浓度随通风孔长度的增大而减小，但能见度随通风孔长度的增大而增大。

      孔口高度 H 增大会导致孔口烟囱效应增强，导致孔口的排烟量增多，火源附近隧道段的烟气流速增大，从而对隧道内的烟气特性产生影响。本文在隧道间距120 m、孔口长度 8. 4 m 的情况下，分析了不同孔口高度对隧道火源30 m 以外烟气特性的影响，如图6 所示。

      由图 6( a) 可以看出，烟气流速的增大会导致火源所在的隧道段的顶壁烟气温度随通风孔高度的增大而增大，然而孔口排烟量的增大会导致孔口后方区域隧道段顶壁烟气温度随通风孔长度的增大而减小。由图6( b) 、图 6( c) 和图 6( d) 可以看出，通风孔口高度对人员高度处的温度、CO 浓度和能见度的分布影响与孔口长度对三者的影响基本一致，其原因都是孔口排烟量的增加。

 

      为了详细分析自然通风隧道火灾时的人员逃生安全控制因素，本文对隧道火灾时的 4 种控制参数进行了无量纲化，并在不同孔口间距和孔口尺寸下对各无量纲参数进行了分析比较。

      控制参数的无量纲量定义为

     

     

      式中: T_c、Th、CO、VI 分别为顶部烟气温度、人员高度处温度、人员高度处 CO 浓度和人员高度处的能见度，下标 max 代表最大值，min 代表最小值，上标* 代表无量纲量。

      显然，在同样条件下，距离火源 30 m 以外的任何无量纲量大于 1 时，隧道内环境都无法满足人员逃生要求，而且无量纲量大的环境控制参数起决定作用。

      本文对通风孔间距 S 为 60 m，120 m 和 180 m 时的不同孔口长度情况下，距离火源30 m 以外的隧道区间环境控制参数的无量纲量进行了分析，结果如图 7所示。

      由图 7 可以看出，距离火源 30 m 以外的区域，任意通风孔间距和长度下，顶壁烟气温度、人员高度的烟气温度和人员高度的 CO 浓度这 3 个参数的无量纲量均小于 1，而能见度的无量纲量随着孔口长度的减小将会大于 1。因此，自然通风隧道火灾的 4 种控制参数中隧道人员高度处的能见度起控制作用。

 

      本文采用 FDS5 对顶部开孔地铁双线区间隧道的烟气特性和烟气控制标准进行了分析研究，可得到如下结论:

      1) 通风孔长度和高度的增加会引起孔口排烟量增大，进而对区间隧道的烟气特性产生影响，导致区间隧道的 CO 浓度降低、能见度增大和孔口后方隧道段顶壁烟气温度降低，但排烟量的增大对区间隧道人员高度处的温度基本没有影响;

      2) 通风孔长度的增加对火源所在隧道段的顶壁温度几乎没有影响，但通风孔高度的增加会引起孔口前方隧道段的烟气流速增大，导致该区段顶壁烟气温度略有下降;

      3) 在隧道火灾的 4 个环境控制参数中，顶部开孔自然通风地铁双线隧道发生火灾时，人员高度处的能见度起主要控制作用。

 

［1］李亮，李晓峰． 地铁隧道火灾自然排烟模式数值模拟研究［J］． 暖通空调，2005，35( 12) : 6-9．

［2］BI Haiquan，LEI Bo，ZHANG Weihua． Fire smoke flow characteristics in urban road tunnel on natural ventilation mode［C］/ /5th International Symposium on Safety Science and Technology． Changsha，PEOPLES R CHINA． OCT，2006: 24-27．

［3］王彦富，蒋军成． 半敞开式隧道火灾试验研究与数值模拟［J］． 工程热物理学报，2009，30( 5) : 866-868．

［4］WANG Yanfu，JIANG Juncheng，ZHU Dezhi． Full-scale experiment research and theoretical study for fires in tunnels with roof openings［J］． Fire Safety Journal，2009( 44) : 339-348．

［5］NFPA130-2007 Standard for Fixed Guideway Transit and Passenger Rail Systems ［S］． Quincy，MA，USA: National Fire Protection Association，2007．

［6］PIARC． Fire and smoke control in road tunnels［C］/ /PIARC Committee on Road Tunnels． Cedex， France: World Road Association ( PIARC) ，1999．

［7］YUAN Zhongyuan，LEI Bo． Experimental study of tunnel fire with natural ventilation［J］． Journal of Hunan University ( Natural Sciences) ，2009，36( 5) : 23-25．