不同通風(fēng)模式下鐵路隧道救援站控?zé)熜Ч囼?yàn)研究

陶亮亮，張逸敏，任小川，白 赟，曾艷華

(1.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610017)

救援站是長(zhǎng)度大于20 km的長(zhǎng)大鐵路隧道不可或缺的附屬構(gòu)造物，對(duì)挽救人員生命安全起到重要作用。列車著火后必須立即駛?cè)刖o急救援站內(nèi)進(jìn)行疏散撤離工作，在疏散撤離過程中如何使煙氣不侵入橫通道則是順利完成疏散撤離工作的重中之重。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法對(duì)火災(zāi)時(shí)救援站內(nèi)煙氣控制進(jìn)行了研究。李琦[1]根據(jù)概率可靠度理論設(shè)計(jì)了高速鐵路隧道緊急救援站的排煙量確定方法。趙東平等[2]采用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)算法，研究了鄭萬高速鐵路隧道口緊急救援站防災(zāi)通風(fēng)參數(shù)。秦寧然等[3]基于FDS建立了鐵路隧道緊急救援站模型，研究了不同補(bǔ)風(fēng)量對(duì)鐵路隧道緊急救援站排煙效果的影響。羅欣宇[4]分析了雙洞鐵路緊急救援站內(nèi)溫度、煙氣分布及各疏散橫通道壓力、流速分布情況，提出了雙洞鐵路隧道緊急救援站風(fēng)機(jī)的布置原則。Li等[5]通過1∶48縮尺模型試驗(yàn)研究了熱釋放率、隧道阻塞和火源位置對(duì)救援站橫通道煙氣控制的影響。Xu等[6]研究了不同通風(fēng)量對(duì)救援站橫通道控?zé)熜Ч挠绊?。曹正卯等[7]等依托關(guān)角隧道對(duì)高海拔條件下火災(zāi)發(fā)展及人員疏散過程進(jìn)行研究，確定高海拔特長(zhǎng)鐵路隧道定點(diǎn)救援站合理的救援橫通道數(shù)量為8～9座。李穎臻等[8]建立了計(jì)算聯(lián)絡(luò)通道臨界風(fēng)速的模型，并認(rèn)為救援站聯(lián)絡(luò)通道的臨界弗勞德數(shù)為2.46。Kirkland[9]通過對(duì)1996年英法海底隧道火災(zāi)的分析，論述了安全隧道對(duì)人員疏散和維修加固工作的重要意義。Kim等[10]對(duì)韓國(guó)Sol-An鐵路隧道中長(zhǎng)1.3 km的會(huì)讓站，建立了1∶48的縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究救援站的煙氣流?dòng)行為特性。曾艷華等[11]基于通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)理論編制了適用于復(fù)雜隧道的通風(fēng)計(jì)算程序，并研究了不同工況下鐵路隧道風(fēng)量分布，驗(yàn)證了該通風(fēng)程序的可行性并認(rèn)為可進(jìn)一步在鐵路隧道救援站通風(fēng)設(shè)計(jì)中使用該通風(fēng)程序。

盡管目前已有部分關(guān)于特長(zhǎng)鐵路隧道火災(zāi)時(shí)救援站煙氣控制的研究成果，但對(duì)于著火列車?？烤仍竞蟛煌L(fēng)模式下橫通道煙氣控制的研究尚且較少。隨著川藏鐵路的開工建設(shè)，長(zhǎng)大鐵路隧道作為線路上的控制節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)川藏線能否如期建成起著至關(guān)重要的作用。而列車發(fā)生火災(zāi)?？克淼谰仍緯r(shí)如何順利進(jìn)行人員疏散工作又是一個(gè)必須認(rèn)真對(duì)待的問題，因此有必要對(duì)著火列車停靠救援站后煙流特性與控?zé)熓枭⒎桨高M(jìn)行進(jìn)一步研究與優(yōu)化。本文以列車中部著火為例開展著火列車駛向并停于救援站后的控?zé)熢囼?yàn)，研究“橫通道分散防煙”和“橫通道分散防煙+豎井排煙”兩種通風(fēng)模式下救援站橫通道煙氣控制效果，所得結(jié)果可為類似工程的控?zé)煼桨冈O(shè)計(jì)提供參考。

1 模型試驗(yàn)

1.1 模型隧道

試驗(yàn)平臺(tái)為1∶50小尺寸模型隧道，模型隧道與全尺寸原型隧道各物理量之間的換算關(guān)系見表1。模型隧道由兩條65 m長(zhǎng)的隧道和11條長(zhǎng)0.5 m、間隔1 m的聯(lián)絡(luò)橫通道組成。救援站長(zhǎng)11 m，救援站前隧道長(zhǎng)30 m，救援站后隧道長(zhǎng)24 m。將橫通道從隧道入口端至出口端依次編為1～11號(hào)，如圖1所示。隧道主體結(jié)構(gòu)選用透明有機(jī)玻璃制作，斷面為直徑0.16 m的圓形。列車模型尺寸分別為6 m×0.06 m×0.08 m(長(zhǎng)×寬×高)。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨票葏R總

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)圖示(單位：m)

試驗(yàn)中加入風(fēng)速傳感器，將它們布置在救援站橫通道內(nèi)，用來監(jiān)測(cè)橫通道各斷面的風(fēng)流速度變化，其量程為0～2 m/s，風(fēng)速探頭置于隧道正下方35 mm處。在隧道一側(cè)布置11臺(tái)攝像設(shè)備對(duì)全隧道的煙氣蔓延情況進(jìn)行記錄。為了精確確定煙氣蔓延位置變化情況，在主隧道上進(jìn)行刻度標(biāo)記，每隔0.5 m做一個(gè)小標(biāo)記，隔1 m做個(gè)大標(biāo)記，如圖2所示。

圖2 主隧道刻度標(biāo)記

1.2 試驗(yàn)工況

在未設(shè)置避難室的救援站內(nèi)，火災(zāi)時(shí)開啟送風(fēng)機(jī)由平行導(dǎo)坑向橫通道內(nèi)送風(fēng)，疏散人員迎著新風(fēng)沿橫通道進(jìn)入平行導(dǎo)坑，這種方案稱為分散防煙方案。為避免煙氣進(jìn)入橫通道進(jìn)而流向平行導(dǎo)坑威脅疏散人員生命安全，應(yīng)保證橫通道口風(fēng)速達(dá)到抑制煙氣侵入的臨界風(fēng)速。本文主要研究橫通道分散防煙和橫通道分散防煙+豎井排煙兩種模式下橫通道內(nèi)風(fēng)流分布及煙氣蔓延情況，如圖3所示。試驗(yàn)過程中改變的參數(shù)為平行導(dǎo)坑兩端壓入的新風(fēng)量和豎井的排煙量，不同防煙模式下的詳細(xì)試驗(yàn)參數(shù)見表2和表3。試驗(yàn)時(shí)列車模型初始速度取4 m/s，勻速行駛6 s后以-0.5 m/s2的加速度開始減速，歷經(jīng)8 s停于救援站中部，停止60 s后試驗(yàn)結(jié)束，全程共計(jì)74 s，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得全程相應(yīng)的風(fēng)速。所有試驗(yàn)都是在列車?？烤仍竞筘Q井排煙隨即啟動(dòng)的情況下開展的。

圖3 防煙模式示意

表2 分散防煙模式試驗(yàn)工況

表3 分散防煙+豎井排煙模式試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 橫通道分散防煙2.1.1 橫通道內(nèi)煙氣控制

不同試驗(yàn)工況下各橫通道口流速隨停車時(shí)間的分布曲線如圖4所示，圖中橫通道流速方向以由平行導(dǎo)坑流向主隧道為正，反之為負(fù)。若未加壓送風(fēng)，救援站內(nèi)所有疏散橫通道均有煙氣侵入，這會(huì)對(duì)人員疏散造成嚴(yán)重的安全威脅。因此，在著火列車停于救援站進(jìn)行疏散救援期間，需要從平行導(dǎo)坑向疏散橫通道內(nèi)加壓送風(fēng)，保證疏散人員迎著進(jìn)風(fēng)風(fēng)流進(jìn)行撤離，防止高溫有毒煙氣侵入疏散橫通道。送風(fēng)量主要影響橫通道內(nèi)風(fēng)流到達(dá)穩(wěn)定階段的時(shí)間，1號(hào)橫通道內(nèi)風(fēng)流速度的滯后性最大，這是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)列車產(chǎn)生的活塞風(fēng)對(duì)1號(hào)橫通道的影響最大。工況1救援站內(nèi)的活塞風(fēng)在55 s后才完全消除；工況2～工況5時(shí)，救援站內(nèi)受活塞風(fēng)影響的時(shí)間為7～40 s。工況4(加壓送風(fēng)量為0.014 7 m3/s)時(shí)，橫通道內(nèi)的活塞風(fēng)已經(jīng)能快速地得到控制，而且11條疏散橫通道內(nèi)流向主隧道的風(fēng)速在0.18～0.57 m/s之間。

圖4 分散防煙模式中不同風(fēng)量下橫通道口風(fēng)速分布

不同試驗(yàn)工況下各橫通道口煙氣侵入情況如圖5所示，圖中縱軸數(shù)值0表示煙氣已侵入，縱軸數(shù)值1表示煙氣未侵入。工況1時(shí)，救援站內(nèi)疏散橫通道煙氣侵入嚴(yán)重，在停車24 s后全部橫通道均被煙氣侵入。兩端壓入風(fēng)量較小時(shí)，不能保證全部橫通道均未被煙氣侵入；工況4中，停車8 s后所有橫通道均無煙氣侵入；隨著壓入風(fēng)量的增加，所有橫通道消除煙氣侵入所需時(shí)間變短，當(dāng)壓入風(fēng)量為0.019 6 m3/s時(shí)(工況5)，停車6 s后，所有疏散橫通道已無煙氣侵入。但當(dāng)送風(fēng)量大于0.0 147 m3/s時(shí)，送風(fēng)量對(duì)橫通道內(nèi)煙氣控制的影響不是很大，機(jī)械通風(fēng)對(duì)消除橫通道內(nèi)活塞風(fēng)及煙氣控制的影響是有限度的，工況4(送風(fēng)量為0.014 7 m3/s)較為合適。

圖5 分散防煙模式中不同送風(fēng)工況橫通道口煙氣侵入情況

2.1.2 橫通道臨界風(fēng)速對(duì)比分析

通過上述煙氣侵入橫通道情況與對(duì)應(yīng)時(shí)刻橫通道內(nèi)風(fēng)速的分析，可以得到模型試驗(yàn)中阻止煙氣侵入橫通道的控?zé)燂L(fēng)速。由于火源上游存在較多滯留煙氣，在列車停止前，已有部分滯留煙氣侵入疏散橫通道及安全隧道，侵入橫通道的煙氣不是煙氣蔓延前鋒，故對(duì)于火源上游橫通道，其內(nèi)無煙氣時(shí)，僅代表驅(qū)走了入侵的滯留煙氣，此時(shí)的風(fēng)速也不是抑制煙氣前鋒侵入橫通道的臨界風(fēng)速。因此，需要通過分析火源下游橫通道的試驗(yàn)結(jié)果來得到模型試驗(yàn)中抑制煙氣侵入橫通道的臨界風(fēng)速。

以火源下游第一個(gè)橫通道為研究對(duì)象，得到抑制煙氣侵入橫通道的臨界風(fēng)速，見表4。著火列車停止后，隨著停車時(shí)間的增加活塞風(fēng)逐漸衰減，火源上游風(fēng)速隨之減小，而橫通道抑制煙氣侵入的臨界風(fēng)速逐漸增大。當(dāng)火源上游風(fēng)速為0時(shí)，臨界風(fēng)速達(dá)到最大，約為0.25 m/s。這是由于隨著火源上游縱向風(fēng)速的減小，隧道內(nèi)煙氣溫度升高，橫通道口熱壓增加，導(dǎo)致抑制煙氣侵入的臨界風(fēng)速增大。

表4 抑制煙氣侵入橫通道的臨界風(fēng)速

李穎臻等[8]推導(dǎo)了鐵路隧道救援站橫通道臨界風(fēng)速計(jì)算模型，并認(rèn)為臨界弗勞德數(shù)Frc可取2.46。本文基于橫通道臨界風(fēng)速計(jì)算模型，得到了不同加壓送風(fēng)量下橫通道抑制煙氣侵入的臨界風(fēng)速，見表4。沒有機(jī)械通風(fēng)時(shí)，試驗(yàn)值與理論計(jì)算值的誤差最小，這是因?yàn)闆]有機(jī)械通風(fēng)時(shí)隧道內(nèi)的流場(chǎng)分布均勻且變化不大，儀器測(cè)量誤差?。浑S著加壓送風(fēng)量的增加，臨界風(fēng)速計(jì)算值和試驗(yàn)值都減??；總之，隨著加壓送風(fēng)量的增加，臨界風(fēng)速理論計(jì)算值和模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值之間的差距越來越大，最大差值為0.44 m/s。理論計(jì)算得到的橫通道抑制煙氣侵入的臨界風(fēng)速的相對(duì)誤差在0.02%～27.33%之間，理論計(jì)算得到的抑制煙氣侵入疏散橫通道的臨界風(fēng)速與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，理論計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏大，但可以保證理論結(jié)果應(yīng)用于實(shí)踐偏于安全。

2.2 橫通道分散防煙+主隧道豎井排煙

當(dāng)兩端送風(fēng)量大于0.009 8 m3/s時(shí)，橫通道內(nèi)風(fēng)速能迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此接下來只討論兩端送風(fēng)量為0.009 8 m3/s時(shí)不同豎井排煙量下橫通道煙氣蔓延情況，如圖6所示。

圖6 兩端加壓風(fēng)量0.0098 m3/s時(shí)不同豎井排煙量下橫通道煙氣蔓延情況

工況8和工況14中，各橫通道中風(fēng)速在列車停止30 s才穩(wěn)定；工況11中，各橫通道中風(fēng)速在列車停止10 s就已穩(wěn)定。這是因?yàn)楫?dāng)豎井沒有機(jī)械通風(fēng)時(shí)，活塞風(fēng)對(duì)橫通道的內(nèi)風(fēng)流的影響時(shí)間很長(zhǎng)；當(dāng)豎井排煙風(fēng)量為0.009 8 m3/s時(shí)，盡管活塞風(fēng)在豎井的作用下很快消失，但排煙風(fēng)量太大會(huì)增加豎井排煙風(fēng)量和橫通道送風(fēng)量之間的平衡時(shí)間；當(dāng)豎井排煙風(fēng)量為0.004 9 m3/s時(shí)，6號(hào)和7號(hào)橫通道中風(fēng)速分布與沒有豎井時(shí)相似，說明此時(shí)排煙風(fēng)量與送風(fēng)量之間的作用相對(duì)均衡，因此各橫通道內(nèi)的風(fēng)速能迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

工況6～工況14時(shí)橫通道煙氣蔓延情況如圖7～圖9所示(圖中縱軸0和1含義同圖5)。由圖7～圖9可知，平行導(dǎo)坑內(nèi)沒有加壓送入新風(fēng)時(shí)，增大豎井排煙量對(duì)橫通道煙氣控制作用不大，單靠豎井排煙很難保證救援站內(nèi)有一個(gè)良好的逃生環(huán)境。當(dāng)豎井排煙量一定時(shí)，增大兩端送風(fēng)量有利于疏散橫通道煙氣的控制，壓入風(fēng)量越大，所有橫通道消除煙氣侵入所需時(shí)間越短。兩端壓入風(fēng)量一定時(shí)，豎井排煙量并不是越大越好，如圖8(b)和圖9(b)所示，若豎井排煙量偏大，會(huì)使火源上游流速增大，反而導(dǎo)致上游較多的滯留煙氣侵入上游橫通道，對(duì)上游疏散橫通道煙氣的控制不利。因此，橫通道內(nèi)煙氣控制是綜合考慮豎井排煙量和平行導(dǎo)坑送風(fēng)量的結(jié)果。但當(dāng)兩端加壓送風(fēng)量為0.009 8 m3/s時(shí)，增大豎井排煙量所有橫通道均沒有煙氣侵入，豎井排煙量主要影響保證橫通道沒有煙氣侵入的時(shí)間。

圖7 豎井排煙量0 m3/s時(shí)不同送風(fēng)量下橫通道煙氣蔓延情況

圖8 豎井排煙量為0.004 9 m3/s時(shí)不同送風(fēng)量下橫通道煙氣蔓延情況

圖9 豎井排煙量為0.009 8 m3/s時(shí)不同送風(fēng)量下橫通道煙氣蔓延情況

2.3 控?zé)煼桨?/h3>

通過對(duì)兩種控?zé)熌Ｊ较略囼?yàn)結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)：若不進(jìn)行豎井排煙，僅從平行導(dǎo)坑兩端向橫通道壓入新風(fēng)，為了有效抑制煙氣侵入疏散橫通道，需要從兩端壓入較多的新風(fēng)，當(dāng)壓入新風(fēng)達(dá)0.014 7 m3/s時(shí)，耗時(shí)8 s才能保證所有橫通道內(nèi)無煙氣侵入；而將所有橫通道內(nèi)無煙氣侵入的時(shí)間縮短至6 s，則需要從兩端壓入0.019 6 m3/s的新風(fēng)，在實(shí)際情況下實(shí)施難度很大。若豎井排煙量為0.004 9 m3/s，從兩端壓入的風(fēng)量為0.009 8 m3/s時(shí)，耗時(shí)5 s可以保證所有橫通道內(nèi)無煙氣侵入。由此可見，采用分散防煙+豎井排煙的模式，在滿足無煙氣侵入疏散橫通道的前提下，可以有效減小兩端的壓入風(fēng)量，減小高溫有毒煙氣對(duì)火災(zāi)隧道的危害。因此，當(dāng)列車停于救援站進(jìn)行疏散撤離時(shí)，建議采用橫通道分散防煙+豎井排煙的控?zé)煵呗浴?/p>

3 結(jié)論

(1)對(duì)比分析抑制橫通道煙氣侵入的理論計(jì)算結(jié)果與臨界風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果，臨界風(fēng)速理論值與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，兩者之間的誤差在0.02%～27.33%之間，理論計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏大，可以保證理論結(jié)果應(yīng)用于實(shí)踐偏于安全。

(2)從平行導(dǎo)坑兩端向疏散橫通道內(nèi)壓入新風(fēng)，可有效阻止火災(zāi)隧道內(nèi)高溫有毒煙氣侵入疏散橫通道，送風(fēng)量對(duì)消除橫通道內(nèi)活塞風(fēng)及煙氣控制的影響是有限的，送風(fēng)量為0.014 7 m3/s較為合適。

(3)壓入風(fēng)量一定時(shí)，增加豎井排煙有利于疏散橫通道的控?zé)?，?dāng)排煙流量較大時(shí)，會(huì)使火源上游流速增大，反而導(dǎo)致上游較多的滯留煙氣侵入上游橫通道，對(duì)上游疏散橫通道煙氣的控制不利。

(4)采用橫通道分散防煙+豎井集中排煙的模式，在滿足無煙氣侵入疏散橫通道的前提下，可以有效減小兩端的壓入風(fēng)量?；谠囼?yàn)結(jié)果認(rèn)為：豎井排煙量為0.004 9 m3/s，兩端壓入的風(fēng)量為0.009 8 m3/s時(shí)能很好地保障橫通道的疏散環(huán)境。