高海拔铁路隧道紧急救援站排烟结构尺寸参数及排烟效果

Smoke Exhaust Structure Size Parameters and Smoke Exhaust Effect of Emergency Rescue Station in High-Altitude Railway Tunnel

摘要

为明确高海拔铁路隧道紧急救援站排烟结构合理的尺寸参数，以某高海拔铁路特长隧道为工程依托，数值模拟并分析救援站联络排烟道数量、直径以及平行排烟道尺寸对排烟效率、站内温度和能见度的影响。结果表明：总体上距火源越近，排烟效率、拱顶及疏散站台温度越高，且火源前端能见度显著高于后端，但不同排烟结构参数下的具体分布规律差异显著；随着联络排烟道数量增加，救援站排烟效率略有增加，救援站后端拱顶温度显著降低，部分联络排烟道会出现烟气倒流，救援站疏散站台特征高度能见度低于10 m的范围显著增加；随着联络排烟道直径增加，救援站排烟效率及救援站两端拱顶温度均降低，救援站能见度显著下降；平行排烟道尺寸对救援站排烟效率及站内温度分布影响较小，但随着尺寸增加，救援站疏散站台特征高度能见度低于10 m的范围呈“先增后减”的变化趋势，紧急救援站内联络排烟道数量设置不宜过多，推荐联络排烟道直径为3 m，平行排烟道断面宽度为5 m。

Abstract

In order to clarify the reasonable size parameters of the smoke exhaust structure of the emergency rescue station in high-altitude railway tunnel, the effects of the number and diameter of connecting smoke exhaust duct, and size of parallel smoke exhaust duct on smoke exhaust efficiency, station temperature, and visibility in rescue station was numerically simulated and analyzed based on the extra-long tunnel project of a high-altitude railway. The results show that, overall, the closer to the fire source, the higher the smoke exhaust efficiency, the temperature of vault and evacuation platform, and the visibility at the front end of the fire source is significantly higher than that at the back end. However, there are significant differences in the specific distribution patterns under different smoke exhaust structure parameters. With the increase of the number of connecting smoke exhaust ducts, the smoke exhaust efficiency of the rescue station slightly increases, the vault temperature at the back end of the rescue station significantly decreases, some connecting smoke exhaust ducts may appear smoke backflow, and the range of visibility below 10 m at the characteristic height of the evacuation platform in the rescue station increases significantly. As the diameter of the connecting smoke exhaust duct increases, the smoke exhaust efficiency of the rescue station and the vault temperature at both ends of the rescue station both decrease, and the visibility of the rescue station decreases significantly. The size of parallel smoke exhaust duct has little effect on the smoke exhaust efficiency and temperature distribution in the rescue station, but as its size increases, the range of visibility below 10 m at the characteristic height of evacuation platform in the rescue station shows a change trend of “increasing first and then decreasing”. The number of connecting smoke exhaust ducts in the emergency rescue station should not be too much. It is recommended that the diameter of connecting smoke exhaust duct be 3 m, and the cross-sectional width of parallel smoke exhaust duct be 5 m.

Graphical abstract

关键词

高海拔隧道 / 火灾 / 紧急救援站 / 排烟结构

Key words

High-altitude tunnel / Fire / Emergency rescue station / Smoke exhaust structure

随着我国铁路网规划和修建工作的落实，我国的高海拔特长铁路隧道逐步增多。隧道长度和海拔的增加，不仅带来了施工技术难题，也对紧急救援站防灾通风技术提出了更高的要求。

目前，国内外针对特长铁路隧道内紧急救援站防灾通风技术已开展了大量研究。陈绍华^［1］针对秦岭马白山隧道，划分不同功能区域，提出了新型救援站结构。王若晨等^［2］依托成兰铁路云屯堡隧道，比较技术和经济，确定加大线间距方案为最优方案。徐湃等^［3］通过数值模拟分析不同疏散站台及横通道条件下人员安全疏散时间，确定了大纵坡齿轨紧急救援站的最优结构参数。李春荟等^［4］通过分析起火位置，坡度和风速对烟气蔓延的影响，对隔离区范围提出建议。李琦等^［5］通过燃烧模型实验，对比火灾规模，主隧道和斜井风速等因素对主隧道温度和斜井烟流长度的影响，确定了斜井的临界风速。王明年等^［6］探明了上下坡方向隔离区的最小长度，并提出适用于高海拔隧道的救援模式。于丽等^［7］提出了紧急救援站人员疏散理论计算式。陶亮亮等^［8-9］确定了保证人员疏散所需的竖井排烟量与两端送风量，并分析了火源位置对救援站拱顶温度分布影响。李国良等^［10］通过分析关角隧道火灾温度与烟气分布，提出了适合关角隧道的救援站型式与供风方案。曹正卯等^［11］依托关角隧道，比较不同情况人员疏散时间，得出了高海拔救援站的横通道数量。王峰等^［12-13］研究了自然风对横通道内风流分布以及风速的影响。曾艳华等^［14］提出着火列车未停靠救援站时可提前开启轴流风机。袁溢等^［15］推荐选择“修改限界高站台”与“高站台加翻板”的铁路隧道紧急救援站站台设计方案。陈昕等^［16］分析隧道纵坡、列车制动性能、列车动力损失等对紧急救援站间距影响，提出不同救援站间距的使用条件。王勇^［17］等提出适用于隧道口紧急救援站的防烟通风方案。王煦霖^［18］通过研究两单隧道互为救援时的防灾通风系统，发现辅助坑道供风的方案更具有及时性。Zhou等^［19］利用数值模拟方法，分析不同阻塞比下，不同火源及防护门设置的横通道临界风速。Tao等^［20］通过缩尺模型试验，对比不同火源及横通道设置下紧急救援站内温度及烟气分布，进一步改善通风方案。Lin等^［21-22］对比不同隧道坡度、阻塞率下半横向隧道通风排烟效果，发现倾斜隧道的排烟效率高于水平隧道。从以上研究可以看出，目前大部分研究主要集中于平原地区隧道紧急救援站的疏散技术及火灾烟气的扩散，关于高海拔隧道紧急救援站排烟结构及其参数的研究还较为缺乏。

本文采用三维数值计算方法，分析联络排烟道数量、直径以及平行排烟道尺寸等因素对高海拔地区特长隧道紧急救援站排烟效率、站内温度和能见度的影响。研究成果可为类似工程提供参考。

1 紧急救援站及计算模型

1.1　紧急救援站概况

以某高海拔铁路合修隧道工程为依托。该隧道为单洞双线隧道，长24.7 km，隧道入口海拔3 423 m，出口海拔3 055 m。紧急救援站位于隧道中部，其长度及横通道布置间距均按照典型布置形式，在两侧设置横通道及平行导洞。救援站采用拱顶排烟模式，在隧道顶部设7处间距60～80 m的竖井式联络排烟道，与顶部平行排烟道相接，并通过斜井与外界大气相通。救援站主隧道和平导的断面尺寸（宽×高）分别为12.8 m×8.5 m和5.0 m×6.0 m。联络排烟道为内径5.0 m圆形断面；平行排烟道全长460 m，距左线线路中线25 m，正洞轨面上方约23 m，断面尺寸（宽×高）为5.0 m×6.0 m。假设着火列车停靠在救援站左线中部，救援站及列车位置示意图如图1所示。图中：D₁为联络排烟道直径；D₂为平行排烟道断面宽度；H₂为平行排烟道断面高度。

1.2　计算模型及网格

为探究高海拔地区“低压”环境下紧急救援站的排烟效果，构建包括紧急救援站、横通道、联络排烟道、平行排烟道和排烟斜井的计算模型，如图2所示。模型全长600 m，平行排烟道位于隧道正上方，排烟斜井位于平行排烟道中部。设置列车火源位于隧道左线中部，火灾规模为15 MW^［23］；排烟斜井口为“EXHAUST”边界，救援站出入口以及横通道入口边界条件为“OPEN”；大气压强按照海拔4 000 m取62.191 kPa；综合考虑排烟量理论计算值与救援站排烟需求，斜井排烟量取210 m³ · s^{-1［24-25］}。

网格尺寸影响计算精度与效率，网格越小，计算越精确、计算时间越长。由于火源附近区域的温度变化梯度较大，对火源附近上游和下游30 m区域网格加密一倍。表1给出了5种网格划分情况，按照表1中的网格尺寸分别进行计算分析，得到不同尺寸下的计算精度对比如图3所示。图中：水平距离以火源到救援站前端为负，反之为正；竖向距离以拱顶方向为正，取隧道底部为0。由图3可知加密区网格为0.25 m时，模拟结果已与0.20 m基本一致。综合考虑计算精度与效率，故选取0.25 m作为模型网格尺寸。

2 结果与分析

2.1　联络排烟道数量的影响

为分析联络排烟道数量对紧急救援站排烟效果的影响，在依托工程基础上，设置排烟道数量分别为3，5，7和9条，各联络排烟道直径D₁和平行排烟道断面宽度D₂均为5 m，对比联络排烟道数量不同时的排烟效率、温度和能见度。

2.1.1　排烟效率

图4给出了联络排烟道数量不同时的救援站排烟效率。由图4可知：排烟效率随着联络排烟道数量的增加而微有增加；联络排烟道为3条时，总排烟效率最低，约为70%，而联络排烟道为9条时，总排烟效率约为77%。

图5给出了联络排烟道数量不同时的联络排烟道排烟效率。图中：排烟效率取负值表示发生烟气倒流。由图5可知：联络排烟道距火源越近，排烟效率就越高；效率最高的是距火源最近且位于火源前端的排烟道，排烟效率均接近50%；部分位于火源前端的联络排烟道排烟效率为0，意味着这些排烟道并未有效排烟；随着联络排烟道数量增加，位于救援站后端的联络排烟道排烟效率显著下降，部分为负值，意味着这些排烟道发生了烟气倒流进入隧道现象；当联络排烟道数量为3条时，位于火源后端最远处的联络排烟道排烟效率为14%，当数量增加到9条时效率却降低至-20%。

图6给出了联络排烟道数量不同时救援站内的烟气分布。图中：黄色部分表示救援站轮廓；黑色部分表示烟气分布情况。由图6可知：烟气始终主要分布在救援站后端及其相应的平行排烟道和联络排烟道内，救援站前端无明显烟气分布；烟气分布佐证了图5得到的“位于救援站前端的部分联络排烟道未有效排烟，排烟效率为0”这一结论。

2.1.2　救援站内温度分布

1）救援站拱顶温度

图7给出了联络排烟道数量不同时的紧急救援站拱顶温度计算结果。由图7可知：拱顶最高温度均出现在火源附近处，为500 ℃；随着联络排烟道数量增加，火源后端拱顶温度显著下降；拱顶温度沿着救援站两端迅速下降，但火源附近40 m内的拱顶温度均超过180 ℃。参照文献［26］选取这一温度作为临界判据，这意味着不同联络排烟道数量下，在火源附近40 m内开展人员疏散时均会存在安全隐患。

2）救援站疏散站台温度

图8分别给出了联络排烟道数量不同时的救援站疏散站台处温度计算结果。由图8可知：联络排烟道数量对救援站两侧疏散站台温度分布无明显影响；火源附近温度均最高，并沿救援站纵向方向显著下降；左侧疏散站台最高温度接近40 ℃，显著大于右侧疏散站台最高温度；疏散站台温度均低于60 ℃，该温度满足TB 10020—2017《铁路隧道防灾疏散救援工程设计规范》中对特征高度（距地面2 m）的温度要求^［23］。

2.1.3　救援站内能见度

图9分别给出了联络排烟道数量不同时的救援站两侧疏散站台能见度计算结果。由图9可知：火源前端能见度均显著高于后端，后端部分区域能见度低于10 m，不满足规范TB 10020—2017中相关要求；但联络排烟道数量对救援站能见度存在显著影响。

表2进一步给出了不同情况下救援站疏散站台能见度低于10 m的具体范围。由表2可知：随着联络排烟道数量增加，救援站疏散站台能见度低于10 m的范围显著增加；当联络排烟道数量为3条时，左右两侧疏散站台能见度小于10 m的范围分别为75和85 m，当联络排烟道数量为9条时，不满足规范要求的范围反而增至2倍以上，增加人员疏散的难度与风险。

2.1.4　小结

联络排烟道的排烟效率、温度及能见度的分布特征主要与火源位置有关，距火源越近，联络排烟道排烟效率、拱顶及疏散站台能见度越高，火源前端能见度明显高于后端，但随着联络排烟道数量的改变，排烟效率、温度及能见度在具体分布上存在显著差异。基于这一结论，以联络排烟道直径与平行排烟道尺寸2个参数为重点，分析参数变化带来的排烟效果分布差异。

2.2　联络排烟道直径的影响

为探究联络排烟道直径D₁对紧急救援站排烟效果的影响，在模型中设置联络排烟道数量为7条，平行排烟道断面宽度D₂为5 m，重点对联络排烟道直径D₁分别取3，4，5，6和7 m的5种情况进行分析。

2.2.1　排烟效率

图10给出了联络排烟道直径不同时的救援站排烟效率与联络排烟道直径的变化关系。由图10可知：排烟效率随着联络排烟道直径的增加而呈现降低的趋势；当联络排烟道直径为3 m时，总排烟效率最高，约为95%，当联络排烟道直径为7 m时，总排烟效率约为57%。

图11给出了联络排烟道直径不同时的联络排烟道排烟效率。由图11可知：随着联络排烟道直径的增加，位于火源附近的排烟效率明显增加，但位于后端的排烟效率却显著下降；当联络排烟道直径为3和6 m时，位于火源附近的联络排烟道最大排烟效率分别为33%和58%，而此时位于后端的最小排烟效率分别为4%和-34%，这说明联络排烟道直径的增加会加剧位于后端联络排烟道的烟气倒流现象。

图12给出了联络排烟道直径不同时的救援站内烟气分布。由图12可知：联络排烟道直径越小，救援站内烟气扩散的范围越大。

2.2.2　救援站内温度分布

1）救援站拱顶温度

图13给出了联络排烟道直径不同时的救援站拱顶温度计算结果。由图13可知：随着联络排烟道直径增加，火源两端拱顶温度呈现下降趋势。

2）救援站疏散站台温度

图14分别给出了联络排烟道直径不同时的救援站疏散站台温度计算结果。由图14可知：联络排烟道直径对救援站两侧疏散站台温度分布影响较小；疏散站台温度均低于60 ℃，满足TB 10020—2017规范要求。

2.2.3　救援站内能见度

图15分别给出了联络排烟道直径不同时的救援站疏散站台处能见度计算结果。由图15可知：不同联络排烟道直径下，救援站能见度存在显著差异。

表3进一步给出了不同情况下救援站疏散站台能见度低于10 m的具体范围。由表3可知：随着联络排烟道直径增加，救援站疏散站台能见度低于10 m的范围显著增加；当排联络排烟道直径由3增加至7 m时，左右两侧疏散站台能见度低于10 m的范围分别增加了120和225 m。

2.3　平行排烟道尺寸的影响

为探究平行排烟道尺寸对紧急救援站排烟效果的影响，在模型中设置联络排烟道数量为7条，直径D₁为5 m，重点对平行排烟道断面宽度D₂分别取3，4，5，6和7 m的5种情况进行分析，此时各排烟道的具体尺寸设置见表4。

2.3.1　排烟效率

图16给出了平行排烟道尺寸不同时的救援站排烟效率与平行排烟道尺寸的变化关系。由图16可知：排烟效率受平行排烟道尺寸变化的影响较小；当排烟道断面宽度由3 m增加至7 m时，总排烟效率仅增加3%。图17给出了平行排烟道尺寸不同时联络排烟道排烟效率。由图17可知：平行排烟道尺寸对联络排烟道的排烟效率分布无显著影响。

2.3.2　救援站内温度分布

1）救援站拱顶温度

图18给出平行排烟道尺寸不同时的救援站拱顶温度计算结果。由图18可知：拱顶温度变化特征均一致，火源附近最高且仅在中间3条联络排烟道附近产生明显变化。

2）救援站疏散站台温度

图19给出了平行排烟道尺寸不同时的救援站疏散站台温度计算结果。由图19可知：不同平行排烟道尺寸下，救援站疏散站台温度分布无明显差异；疏散站台特征温度均低于60 ℃，满足TB 10020—2017规范要求。

2.3.3　救援站内能见度

图20分别给出了平行排烟道尺寸不同时救援站疏散站台处能见度计算结果。由图20可知：平行排烟道尺寸会显著影响救援站能见度分布。

表5进一步给出了不同情况下救援站疏散站台能见度低于10 m的具体范围。由表5可知：随着平行排烟道尺寸增加，疏散站台能见度低于10 m的范围呈现“先减小后增大”的变化趋势；当平行排烟道断面宽度为5 m时，疏散站台能见度低于10 m的范围最小，较断面宽度为3和7 m时分别减小了55和65 m。

3 结论

（1）紧急救援站联络排烟道排烟效率，温度及能见度分布的基本特征一致，距火源越近，排烟效率、拱顶及疏散站台温度越高，火源前端能见度显著高于后端；但不同排烟结构参数仍会造成排烟效率，温度及能见度具体分布的显著差异。

（2）随着联络排烟道数量的增加，救援站排烟效率明显增加，且火源后端拱顶温度显著下降，但会导致位于救援站后端的部分联络排烟道出现烟气倒流现象，疏散站台特征高度处能见度低于10 m的范围显著增加。联络排烟道数量为9条时总排烟效率为77%，较数量为3条提高了10%，两侧疏散站台能见度不满足规范要求的范围分别为180和205 m，是3条时的2倍以上。

（3）随着联络排烟道直径的增加，火源两端拱顶温度呈现下降趋势，但救援站排烟效率也降低，并且加剧救援站后端联络排烟道烟气倒流现象，疏散站台特征高度处能见度低于10 m的范围显著增加。联络排烟道直径为7 m时，总排烟效率约为57%，较直径为3 m时降低了40%，但能见度不满足规范要求的范围由3 m时的45 m增加至270 m。

（4）随着平行排烟道断面宽度的增加，排烟效率与温度分布无明显变化，但疏散站台特征高度处能见度低于10 m的范围先增大后减小。当排烟道断面宽度由3 m增加至7 m时，救援站排烟效率仅增加3%，但当排烟道断面宽度为5 m时，能见度不满足规范要求的范围最小，较3和7 m分别减小了55和65 m。

（5）建议高海拔地区在建设双线合修特长铁路隧道紧急救援站时，站内联络排烟道数量设置不宜过多，推荐联络排烟道直径为3 m，平行排烟道断面宽度为5 m。

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[44] Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China. GB 51251—2017 Technical Standard for Smoke Management Systems in Buildings ［S］. Beijing： China Planning Press， 2017. in Chinese ）

[45] 罗欣宇.双洞铁路隧道紧急救援站半横向通风排烟技术研究［D］.成都：西南交通大学，2016.

[46] LUO Xinyu. Study on Semi-Transverse Ventilation Technology of Double-Hole Railway Tunnel Rescue Station ［D］. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2016. in Chinese

[47] PIARC Committee on Road Tunnels. Fire and Smoke Control in Road Tunnels ［R］. Paris： PIARC Committee on Road Tunnels， 2005.

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52078429)

四川省科技计划项目(2020YFS0290)

中铁二院科技研究计划课题(KDNQ202060)