地铁隧道由于其独特的狭长结构，一旦发生火灾，产生的热量容易迅速积聚，导致隧道内局部温度高，并造成衬砌结构失效和坍塌的风险。同时，火灾发生会产生大量烟雾，烟雾中的有毒气体会导致窒息和能见度降低，这是烟雾致命的因素之一。

传统的地铁隧道没有独立的排烟隧道，大多数地铁区间隧道由车站的隧道风机控制通风排烟。区间隧道发生火灾时，起火位置与排烟口的距离可达数百米，烟气扩散会受到通风系统运行效果的影响。最近，某城市2号线国际机场站——航站楼站区间隧道考虑了集中排烟的影响。该实用工程在地铁隧道正上方设置了一个独立的排烟隧道，由三个排烟口连接，用于地铁隧道的通风排烟。对该类结构隧道的烟气温度分布和烟气蔓延行为进行研究，可为此类结构区间隧道火灾防、排烟措施的优化提供技术参考和数据支撑。

研究方法

通过在实际带有独立通风隧道的地铁区间隧道开展全尺寸火灾实验，对隧道横向水平断面温度和纵向竖直断面温度展开分析与讨论。利用火灾动力学模拟软件（Fire Dynamics Simulator，FDS）进行数值模拟，对同时开启地铁隧道进风、排烟隧道抽风情况下的烟气温度分布和烟气蔓延行为进行研究，分析隧道纵断面温度和速度流场结构，计算与火源热释放速率（HRR）和排风量相关的临界弗洛德数（Fr）和排烟口排烟效率。

成果简介

隧道内设置进风可抑制烟气逆流，但同时会造成下游烟气失稳，排烟口无法完全排出高温烟气。存在一个临界排风量，能够完全排出火灾产生的所有烟气，临界值与HRR大小相关。通过排烟口排出烟气中CO的质量流率与燃烧产生的下游总的烟气CO质量流率比值计算了排烟口的排烟效率。在不同排风量及HRR的情况下，排烟效率先增大后保持不变；当排风量达到一定值时，下游排烟口能够完全排出燃烧产生的所有高温烟气。得到了排烟效率与无量纲HRR以及无量纲风速的经验公式，关系式为分段函数，见图2。研究结果可为相应结构区间隧道火灾排烟系统的设计优化提供参考。

图文导读

实验基于实际双线圆弧形地铁隧道展开，隧道分为左右2条线路，隧道直径为5.5 m，每条线路在相同位置设有3个大小相同的排烟口，同时在2条隧道中间正上方设有１条通风隧道，通风隧道中间设置隔板，可使通风隧道单独为某一条线路通风排烟，如图1。

图1 实验区域及隧道横截面（单位：m）

在不同排风量及HRR的情况下，排烟效率先增大后保持不变，相关性呈分段函数关系，如图2。

图2 排烟效率与无量纲HRR以及无量纲风速的相关性

作者简介

钟茂华，博士，研究员，博士生导师。

胡鹏，博士研究生。

陈俊沣，博士研究生。

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文章信息

钟茂华,胡鹏,陈俊沣等.顶部多点竖向排烟下地铁隧道烟气控制研究[J].清华大学学报(自然科学版),2023,63(5):754-764. DOI:10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.26.055.

期刊介绍

《清华大学学报（自然科学版）》创刊于1915年，已有百年历史，是中国最早同时以大学校名和“学报”冠名的期刊。《清华大学学报（自然科学版）》现由清华大学出版社出版，月刊。作为名副其实的“老字号”期刊，众多学术权威的力作与莘莘学子的处女作在其上交相辉映，使之成为清华大学自强不息、厚德载物的科学精神的见证。

《清华大学学报（自然科学版）》被多家国际性文献检索机构如Ei、CA、MR、РЖ、INSPEC、Zbl等及国内多家全国性文献检索机构如中文核心期刊要目总览、CSCD、CNKI 等收录。1999、2003年荣获第一、二届国家期刊奖，2005年荣获第三届国家期刊奖提名奖，2010、2013年荣获第二、三届中国出版政府奖期刊奖提名奖，2009年被评为“新中国60年有影响力的期刊”，2013、2015、2017年荣获全国百强科技期刊。