特長V形隧道火災數值模擬研究

王 濤

(四川省機場集團有限公司，四川成都 610000)

隨著西部大開發的持續發展，我國高速鐵路迅速發展，西部山區隧道的數量和長度也不斷提升，因此使隧道火災風險和火災后果的嚴重性不斷增大。國內外隧道火災事件屢見不鮮，1999年法國的勃朗峰隧道發生嚴重火災，造成23人受傷，5人死亡；2011年甘肅七道梁隧道發生火災，造成1人受傷，4人死亡。由于隧道所處環境復雜，內部空間狹長、相對封閉、與外界連通口較小，火災發生時有毒煙氣迅速蔓延擴散難以排出，人員疏散和消防撲救都將十分困難，往往會造成極具破壞性和危險性的后果[3]。盡管長大隧道內發生火災的頻率很小，但其造成的影響及損害是巨大的。為了更好的預防隧道火災的發生以及火災發生后的人員疏散，有必要對隧道的通風系統進行更加深入的研究。

國內針對隧道火災的防災救援開展了一系列的研究[1-6]，但所涉及的隧道都以單坡和“人”字坡為主，渭河隧道是V形坡特長隧道，而國內對V形坡特長隧道火災的煙氣分布特性和溫度分布的研究較少，本文以渭河隧道為研究背景，運用CFD的Fluent軟件對隧道發生火災時的煙氣分布特性和溫度分布情況進行研究，分析了臨界風速下隧道火災及煙氣的蔓延規律，并得到了不同火災情況下最恰當的救援方案，為隧道火災通風設計提供一定的理論指導。

1 工程概況

渭河隧道全長10 016 m，隧道內縱坡分別為-4 ‰/1490 m，25 ‰/2550 m，15 ‰/1264，-8 ‰/2005 m，-23 ‰/2707 m,隧道內縱坡呈“V”字型，隧道最小埋深36 m，最大埋深350 m[7]。豎井位于隧道最低點附近，深56.78 m，凈空尺寸14.2 m×8.0 m，豎井通過橫通道與正洞連接，出口平導位于線路左側，與左線線路中線間距40 m，連接橫通道與正線的夾角為60 °，運營期間作為截排水和通風通道，平導總長1995 m。

2 模型建立

本文以渭河隧道為研究對象，建立火災數值模擬仿真模型，為了模擬結果更加真實，按照1∶1建立模型(圖1)。該隧道長10 016 m，隧道半徑6.41 m，隧道高8.68 m。建立模型時以隧道入口平面為xy平面，豎向為y方向，向上為正，沿隧道縱向為z方向，隧道出口方向為正。豎井位于v形坡的谷底處，平導位于線路左側，與左線線路中線間距40 m，連接橫通道與正線的夾角為60 °，長1 995 m。

在豎井底部布置軸流風機，確保豎井的送風速度不小于0.75 m/s，并在豎井橫通道中布置直徑為1.5 m的風管；在隧道入口布置射流風機，確保隧道入口處風速不小于1.5 m/s。

3 風流組織

隧道是一種場地狹長、相對封閉、與外界連通口較小的地下狹小空間，發生火災時，著火列車停在隧道內，列車周圍溫度迅速升高，火勢迅速蔓延，著火范圍不斷擴大，列車燃燒生成的有毒煙氣也將迅速蔓延擴散，使隧道內煙氣彌漫、能見度低、可視性差，救援設備和救援人員難以接近著火點，人員疏散困難?；馂某掷m時間長、消防撲救困難，隧道結構也將受到破壞，造成重大經濟損失。因此，隧道設計中必須考慮防災通風的具體措施。

對于鐵路長大隧道防災通風的設計，一般需要綜合考慮隧道運營通風方案，并通過多種計算模型對隧道內的空氣流動和煙氣流動進行計算機動態模擬，以檢驗通風方案的效能，為合理設計隧道運營通風及防排煙提供理論依據。

當列車在隧道中失火，因失去動力不能繼續運行或列車火災規模過大，不得不在隧道內停車時，旅客逃生是首要的，此時隧道內應進行隧道機械通風，保證人的生命安全，旅客的逃生原則是“逆風而行”。根據失火列車在隧道內所處的位置，采取不同的送風、排煙模式和旅客逃生方案。

4 火災工況模擬

當火災發生在豎井與隧道出口間(即火災發生點1、Z=4 860m處)，距離隧道洞口較遠且無法駛出洞外時，則應該在隧道內進行人員的疏散和救援。隧道內射流風機由正常運營通風轉為防災應急通風，射流風機進行送風增壓防止煙霧反向蔓延，并將煙氣通過平導和隧道出口排出洞外，豎井底部的軸流風機進行供氧增壓，使避難空間處保持空氣流通并防止煙氣反向蔓延，在隧道豎井底部布置軸流風機，設定豎井的送風速度為0.75 m/s，隧道入口端布置射流風機，設定隧道入口風速為1.5 m/s，隧道通風示意圖見圖2。

(a)火災點1

(b)火災點2

4.1 求解模型參數設置

(1)運用熱量源項來模擬火災的燃燒和放熱，隧道內列車火災的熱釋放率參照德國城際特快的試驗結果，將列車火災熱釋放率設為20 MW[8]。

(2)受火災高溫的影響，隧道內空氣密度分布不均勻，因此使用Rosseland熱輻射模型，設定空氣介質的散射系數為0.01，吸收系數為0.1[9]。

(3)假設燃燒為充分燃燒，且產物為CO2，根據氧耗原理可得貨車火源在單位時間內單位體積生成的CO2煙氣質量為6.17×10-3kg[10]，且認為煙氣流動具有各向同性。

(4)由于涉及熱量交換和氣體組分的流動擴散，計算時激活能量方程Energy Equation和組分輸運模型，為充分模擬溫度場中氣體隨時間的流動和分布特性，將氣體設定為非定常流動，重力加速度取9.81 m/s2，隧道內溫度為27 ℃(300 K)，依此對模型進行求解。

4.2 邊界條件

根據建立的計算模型，結合隧道實際情況，設置的邊界條件如下：

(1)隧道入口和豎井入口設為速度入口，方向與入口斷面垂直。

(2)隧道出口和平導出口設為自由出口，方向與入口斷面垂直。

(3)隧道壁面設為固體壁面單元，材料為混凝土，傳熱系數為0.58 W/m2·K。

(4)豎井入口的風速為0.75 m/s；豎井橫通道內的風管兩端分別設為速度入口和速度出口，其值為23.48 m/s。

(5)根據相關公式計算得出質量源項其值為6.17×10-3kg/(m3·s)，熱量源項其值為59 260 W/m3 [10]。

4.3 模擬結果及分析

為分析縱向通風對V形坡隧道內煙氣擴散的影響，對渭河V形坡特長隧道火災進行數值模擬計算，縱向風速取1.5 m/s，豎井風速取0.75 m/s。通過分析計算，在整個擴散過程中，隧道內煙氣濃度逐漸增大，并在風流作用下逐漸向洞口蔓延，1 200 s時擴散至隧道與平導的交接處，2 200 s時風流達到穩定，局部最高煙氣濃度達到1.1 %。

在分析過程中選取火源處截面、隧道出口處截面、平導出口處截面和Z=4500m處截面進行分析，其中Z=4500m處于上風區的避難空間，該截面可以反映避難空間的空氣質量和溫度，為人員疏散路線的選擇提供依據。

由圖3可知，在1.5 m/s的縱向通風狀態下，隧道火災上風段基本沒有煙氣分布；下風段的煙氣在擴散過程中，在風流作用下煙氣與空氣充分混合，整個斷面內煙氣濃度極差很小，二氧化碳濃度基本保持在0.75 %左右，火源附近的二氧化碳濃度最大，達到了1.1 %。從而說明煙氣在隧道內隨整個斷面穩定擴散，當擴散至隧道口時(圖3(c)),煙氣又逐漸呈現分層狀態，這是由于在該斷面已接近煙氣羽流的前鋒，熱煙氣沿隧道頂面向外擴散，還沒有與新鮮空氣充分接觸，因此出現了較為明顯的分層現象，說明縱向通風作用有利于煙氣的流動擴散。

圖3 隧道煙氣濃度分布狀況(t=2200s)

圖4可以看出，隧道內各斷面的空氣流速比較合理，上風區沒有出現煙氣回流。由于火源(圖4(a))距豎井送風口距離較近，因此風速較大，有利于防止煙氣的反向蔓延，也有利于煙氣和送入的新鮮空氣進行對流換熱，使火源處溫度降低。避難空間處(即Z=4500 m處)風速約為5 m/s，大于臨界風速，使煙氣不會蔓延至避難空間，為避難人員提供了安全的疏散環境。通過隧道出口(圖4(c))和平導出口(圖4(d))的風速，可以發現火災下風區的風速逐漸趨于穩定，使火災產生的煙氣穩定的向洞口擴散，且煙氣的整體擴散速度大于2 m/s，滿足鐵路隧道通風設計規范要求的2～6 m/s的煙氣流速。

圖4 隧道風速分布狀況(t=2200s)

發生火災時，人員通過避難空間疏散出洞外，因此應保證避難空間內有足夠的新鮮空氣，且避難空間的新鮮空氣送風量應滿足《鐵路隧道防災救援疏散工程設計規范》，通過豎井可以從隧道外引入清潔的新鮮空氣，且新鮮空氣送風量滿足相關規范要求。

由圖5可知，由于隧道內穩定的風流，使隧道上風區處于常溫(27 ℃左右)，整個隧道幾乎沒有出現煙氣反向蔓延的情況，避難空間處也沒有煙氣出現。而下風區的煙氣和溫度在蔓延過程中，不斷與送入的新鮮空氣混合并與隧道壁進行對流換熱，導致溫度和煙氣濃度逐漸降低。由于火源(圖5(a))距離豎井的通風口較近，風速較大，因此溫度沒有太高，火源處的最高溫度為142 ℃，說明縱向通風降低了隧道內的溫度，在一定程度上對人員疏散和隧道結構起到了保護作用，隨著通風的進行，隧道下風區的溫度逐漸穩定，維持在100 ℃左右。

5 結論

(1)隧道的下風區域屬于安全疏散的危險地帶，此區域溫度較高，煙氣聚集濃度較大，同時能見度較低，因此在疏散時應組織人員迅速向火源上風區域疏散。

(2)縱向通風作用下，火焰中心向下移動，隧道內溫度和煙氣濃度明顯降低，說明縱向通風能有效減小高溫對隧道結構造成的破壞，并使煙氣不發生回流，能較好的抑制煙氣溫度和有害氣體濃度。

圖5 隧道溫度分布狀況(t=2200s)

(3)發生火災時，火源產生的高溫有毒煙氣在縱向強制氣流作用下未發生回流，隧道司乘人員可逆向隧道氣流方向逃生，本文所討論的通風方案可滿足火災情況下人員逃生要求。

(4)豎井臨界風速為0.75 m/s，根據風機功率及相關規范計算出在豎井底部應布置兩臺DTF-15-6P型號的軸流風機風機。隧道入口臨界風速為1.5 m/s，根據風機功率及相關規范計算出在隧道入口端應布置6臺SDS90K-4P-22型號的射流風機，人員疏散和通風方案如圖2所示。