鐵路隧道內(nèi)列車發(fā)生火災(zāi)時(shí)通風(fēng)臨界時(shí)間的確定

姜學(xué)鵬，張 鵬，郭 輝

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.武漢科技大學(xué) 湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430081；3.武漢科技大學(xué) 消防安全技術(shù)研究所，湖北 武漢 430081；4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 建筑與城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063)

當(dāng)鐵路列車因火災(zāi)停留在隧道內(nèi)時(shí)，在火災(zāi)發(fā)展初期煙氣為自由蔓延狀態(tài)，此時(shí)乘客將從車廂下車疏散至疏散平臺(tái)，然后再往避難設(shè)施(或者洞外)方向疏散；但當(dāng)煙氣層沉降到清晰層高度時(shí)，則必須開始通風(fēng)排煙(當(dāng)火源位于列車中部時(shí)，通常往運(yùn)營(yíng)方向通風(fēng))，以減小煙氣對(duì)人員疏散的影響，保障人員安全疏散。因此，滿足隧道內(nèi)人員安全疏散要求下的最早通風(fēng)開始時(shí)間(即通風(fēng)臨界時(shí)間)則成為一個(gè)亟待明確的問(wèn)題。

針對(duì)鐵路隧道火災(zāi)通風(fēng)排煙問(wèn)題，Blanchard等[1]通過(guò)1∶3的縮尺寸隧道模型試驗(yàn)，研究了縱向風(fēng)速對(duì)熱釋放速率、煙氣流動(dòng)和能量守恒的影響；姜學(xué)鵬等[2]開展模型試驗(yàn)研究，建立鐵路隧道火災(zāi)煙氣逆流距離的計(jì)算模型，得到了考慮列車阻塞比的臨界風(fēng)速計(jì)算公式；李琦等[3]通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究鐵路隧道列車火災(zāi)，得出了列車?yán)^續(xù)運(yùn)行及停車時(shí)人員疏散時(shí)間及速度。上述研究中均設(shè)定風(fēng)機(jī)始終處于運(yùn)行狀態(tài)，未考慮風(fēng)機(jī)開啟時(shí)間對(duì)人員疏散的影響，也并未對(duì)其通風(fēng)臨界時(shí)間進(jìn)行探究。

本文以某單洞雙線鐵路盾構(gòu)隧道為研究對(duì)象，采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模型(Fire Dynamics Simulator，F(xiàn)DS)軟件模擬隧道列車火災(zāi)場(chǎng)景，并采用Togawa經(jīng)驗(yàn)公式[4]計(jì)算人員疏散所需時(shí)間，結(jié)合煙氣蔓延和人員疏散過(guò)程，分析人員疏散的安全性，最終確定通風(fēng)臨界時(shí)間。

1 火災(zāi)數(shù)值模型和人員疏散策略

1.1 火災(zāi)數(shù)值模型

1)建模參數(shù)及數(shù)值模型

雙線鐵路盾構(gòu)隧道的長(zhǎng)×寬×高為700 m×12 m×8.8 m，安全通道的長(zhǎng)×寬×高為700 m×4 m×2.2 m。疏散平臺(tái)位于2條行車線中間，在疏散平臺(tái)上每間隔80 m開設(shè)1個(gè)長(zhǎng)×高為6 m×0.8 m的疏散口，共設(shè)置8個(gè)，疏散平臺(tái)兩側(cè)設(shè)有供救援人員使用的救援通道。列車為CRH1型的16節(jié)車廂編組，車廂的長(zhǎng)×寬×高為428 m×3.2 m×3.6 m。由此建立的火災(zāi)數(shù)值模型如圖1所示。

火源功率分別取5，10，15和20 MW，其增長(zhǎng)速率均取0.046 9 kW·s-2)[5]?；鹪撮L(zhǎng)×寬×高為4 m×3.2 m×0.4 m，將其設(shè)置在第8節(jié)與第9節(jié)車廂連接處的底部、行車線的中點(diǎn)、疏散平臺(tái)地面上方0.4m的高度處。隧道壁面設(shè)為“CONCRETE”混凝土表面，列車車體為“STEEL”鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)。主隧道一端設(shè)為速度邊界“VENT”，設(shè)置不同的速度以模擬不同的通風(fēng)風(fēng)速，另一端及安全通道的兩端均設(shè)為與外界相通的開口邊界“OPEN”。隧道內(nèi)空氣及各固體表面的初始溫度為20 ℃，大氣壓為101.325 kPa的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖1 火災(zāi)數(shù)值模型(單位：m)

2)網(wǎng)格分析

NIST實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格尺寸d≤0.1D*(D*為火災(zāi)特征直徑，m)時(shí)，F(xiàn)DS模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合[6]。D*的計(jì)算公式[7]為

(1)

式中：Q為火源功率，kW；ρ∞為環(huán)境空氣密度，取1.204 kg·m-3；Cp為環(huán)境空氣比熱，取1.005 kJ·(kg·K)-1；T∞為環(huán)境空氣溫度，取293 K；g為重力加速度，取9.81 m·s-2。

當(dāng)Q=5，10，15，20 MW時(shí)，由式(1)計(jì)算得到的D*相差不大，為節(jié)省模擬計(jì)算資源，4種火源功率下的網(wǎng)格尺寸均選取20 MW下確定的最佳網(wǎng)格尺寸。為了獲得最佳網(wǎng)格尺寸，取表1中4組不同的網(wǎng)格尺寸，其中不同區(qū)域網(wǎng)格所在位置如圖2所示，分別模擬得到隧道頂板處溫度的分布規(guī)律，如圖3所示。

表1 網(wǎng)格尺寸劃分

圖2 不同區(qū)域網(wǎng)格所在位置(只顯示2個(gè)疏散口)

圖3 隧道頂板處溫度分布

由圖3可知：隨著網(wǎng)格尺寸減小，模擬結(jié)果的差異性逐漸縮小，網(wǎng)格尺寸Ⅱ與Ⅰ的模擬結(jié)果基本一致。綜合考慮模擬結(jié)果的精度和模擬所用時(shí)間，選取網(wǎng)格尺寸Ⅱ作為最佳網(wǎng)格尺寸，即火源區(qū)域的網(wǎng)格為0.3 m×0.2 m×0.2 m，疏散口區(qū)域的網(wǎng)格為0.3 m×0.4 m×0.4 m，其他區(qū)域的網(wǎng)格為0.6 m×0.4m ×0.4 m。

1.2 乘客人數(shù)及人員疏散策略

考慮列車16輛編組，設(shè)定每節(jié)車廂人數(shù)均為定員100人，則乘客人數(shù)為1 600人。

對(duì)應(yīng)4種火源功率取4種火災(zāi)場(chǎng)景。火災(zāi)發(fā)生時(shí)，靠近疏散平臺(tái)一側(cè)的列車車廂門全部開啟，乘客由單側(cè)車廂門下至疏散平臺(tái)，再隨機(jī)疏散至就近的疏散口，疏散策略如圖4所示。

圖4 疏散策略示意圖(單位: m)

2 所需安全疏散時(shí)間

1)所需安全疏散時(shí)間的計(jì)算公式

所需安全疏散時(shí)間tRSET是指自火災(zāi)發(fā)生到所有人員疏散至安全區(qū)域所需的時(shí)間，一般由察覺(jué)時(shí)間tc、預(yù)動(dòng)時(shí)間tp和行動(dòng)時(shí)間ta構(gòu)成。其中察覺(jué)時(shí)間tc是指自火災(zāi)發(fā)生到火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)所需的時(shí)間，考慮到鐵路隧道內(nèi)的感溫探測(cè)系統(tǒng)較為靈敏，且列車內(nèi)人員密集可以及時(shí)進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警，可設(shè)置察覺(jué)時(shí)間tc=0 s；預(yù)動(dòng)時(shí)間tp是指人員接到火災(zāi)警報(bào)后到開始疏散前的一段時(shí)間，客運(yùn)列車均有廣播系統(tǒng)使人員易于識(shí)別火災(zāi)報(bào)警并快速作出反應(yīng)，可設(shè)置預(yù)動(dòng)時(shí)間tp=30 s；行動(dòng)時(shí)間ta是指人員開始疏散至疏散結(jié)束的時(shí)間，可采用Togawa經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到；則有

tRSET=tc+tp+ta

(1)

其中，

(2)

式中：L為疏散人員離出口的最遠(yuǎn)距離，m；N為待疏散人員數(shù)量，人；C為疏散出口的疏散能力，人·(s·m)-1，當(dāng)人員通過(guò)疏散通道時(shí)，一般取值1.5[8]；B為疏散出口的有效寬度，m；n為疏散出口的數(shù)量，個(gè)；ρ為待疏散人員所在處的人員密度，人·m-2。

2)所需安全疏散時(shí)間的計(jì)算過(guò)程

由于火源設(shè)置在列車正中間位置，則火源上、下游的人員數(shù)量及疏散策略均相同，故以火源下游人員疏散為例給出。將人員從列車上通過(guò)單側(cè)車廂門疏散至疏散平臺(tái)定為疏散過(guò)程1，由疏散平臺(tái)下樓梯至安全通道定為疏散過(guò)程2(已包含人員通過(guò)安全通道的時(shí)間)，分別對(duì)這2個(gè)疏散過(guò)程計(jì)算行動(dòng)時(shí)間。

疏散過(guò)程1：由車廂的有效面積及所載的乘客數(shù)量可知車廂內(nèi)人員密度ρ=1.34人·m-2，每節(jié)車廂乘客數(shù)量N=100人，車廂門的寬度B=1.1 m，車廂共有2個(gè)車門，即n=2，人員離車廂門最遠(yuǎn)距離L=9.275 m，各節(jié)車廂疏散情況相同，由式(2)可得人員撤離列車的時(shí)間ta0，即

疏散過(guò)程2：由人員就近疏散可知，第9節(jié)到第11節(jié)車廂的人員下至疏散平臺(tái)后再由5#疏散口疏散，則N=300人，L=40.25 m；第12節(jié)到第14節(jié)車廂的人員下至疏散平臺(tái)后再由6#疏散口疏散，則N=300人，L=45.75 m；第15節(jié)和第16節(jié)車廂的人員下至疏散平臺(tái)后再由7#疏散口疏散，則N=200人，L=51.5 m。由疏散平臺(tái)的有效面積及疏散人數(shù)可知疏散平臺(tái)上人員密度ρ=1.56人·m-2。由式(2)可得人員通過(guò)5#，6#，7#疏散口的時(shí)間ta5，ta6，ta7分別為

則有

ta=ta0+tamm=5,6,7

(3)

依據(jù)人員疏散策略和式(3)計(jì)算ta的值，將tc=0 s，tp=30 s和ta的值代入式(1)可得火源上、下游處(距離-350～350 m，其中火源下游處的距離為正，火源上游處的距離為負(fù))的所需安全疏散時(shí)間tRSET，如圖5所示。

圖5 2個(gè)疏散過(guò)程合計(jì)的所需安全疏散時(shí)間tRSET

由疏散過(guò)程1的ta0=40 s可知，自疏散開始起40 s時(shí)人員可以全部撤離列車。由圖5可知：由于隧道結(jié)構(gòu)以及列車車廂和車廂門的對(duì)稱性，tRSET曲線以火源為中心呈對(duì)稱分布，在火源上游(2#，3#，4#疏散口)和火源下游(5#，6#，7#疏散口)處tRSET較大，這是因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生后，列車內(nèi)人員需經(jīng)過(guò)疏散口至安全通道，使得疏散口處出現(xiàn)擁堵，后續(xù)人員需排隊(duì)等待；其中經(jīng)由3#和6#疏散口所需安全疏散時(shí)間最長(zhǎng)，tRSET=0+30+40+301=371 s；正對(duì)火源處以及2#和7#疏散口之外的區(qū)域，所需安全疏散時(shí)間均為tRSET=30 s(行動(dòng)時(shí)間為0 s)，即人員疏散不經(jīng)由這些區(qū)域。

3 通風(fēng)臨界時(shí)間

采用FDS軟件，基于上文建立的火災(zāi)數(shù)值模型，針對(duì)不同火源功率和不同縱向通風(fēng)風(fēng)速組成的不同工況，模擬不同通風(fēng)開始時(shí)間的煙氣蔓延狀態(tài)，分析不同工況下人員疏散安全性，進(jìn)而得出通風(fēng)臨界時(shí)間。

3.1 模擬工況及模擬參數(shù)

火源功率Q=20 MW時(shí)，根據(jù)Wu & Bakar臨界風(fēng)速公式[9]計(jì)算得到臨界風(fēng)速vt=3.55 m·s-1，共設(shè)計(jì)8組工況，詳見(jiàn)表2，其中工況A1—A4用于反映火源功率的變化，工況B1—B4用于反映縱向通風(fēng)風(fēng)速的變化。

表2 模擬工況

由第2節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知，列車內(nèi)人員全部疏散至安全區(qū)域需要的時(shí)間為371 s，則通風(fēng)開始時(shí)間應(yīng)早于371 s，若等人員全部疏散完畢后再開啟風(fēng)機(jī)通風(fēng)，則研究縱向通風(fēng)對(duì)人員疏散的影響就無(wú)意義，因此，通風(fēng)開始時(shí)間分別取0，60，120，180，240，300，360 s(間隔時(shí)間取60 s)。模擬時(shí)長(zhǎng)取1 200 s。

3.2 安全疏散判定條件

將疏散平臺(tái)上方2 m設(shè)定為特征高度。以特征高度2 m高度處的溫度不超過(guò)100 ℃、能見(jiàn)度不小于10 m、CO濃度不大于500 ppm[10]作為人員安全疏散的判定標(biāo)準(zhǔn)。若疏散平臺(tái)某位置處的溫度、能見(jiàn)度和CO濃度同時(shí)滿足對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為該處人員疏散是安全的，由此可得到自火災(zāi)開始到對(duì)人員安全構(gòu)成危險(xiǎn)所用的時(shí)間，該時(shí)間即為可用安全疏散時(shí)間tASET。隧道發(fā)生火災(zāi)后，若人員能夠在火災(zāi)危險(xiǎn)來(lái)臨之前全部疏散到安全區(qū)域，就可認(rèn)為該隧道的設(shè)計(jì)對(duì)人員疏散是安全的。因此安全疏散的判定條件為：可用安全疏散時(shí)間大于所需安全疏散時(shí)間，即tASET>tRSEU。

3.3 人員疏散安全性分析

以工況A1和工況B1為例，模擬不同通風(fēng)開始時(shí)間時(shí)的可用安全疏散時(shí)間tASET，并與所需安全疏散時(shí)間tRSET比較，如圖6所示。

圖6 不同通風(fēng)時(shí)間下的安全疏散情況

由圖6可知：對(duì)于工況A1，通風(fēng)開始時(shí)間為0～120 s時(shí)，在火源至6#疏散口之間部分區(qū)域有tASET≤tRSET，即不滿足安全疏散判定條件，說(shuō)明人員疏散不是安全的；對(duì)于工況B1，通風(fēng)開始時(shí)間為0～120 s時(shí)，在火源至6#疏散口之間部分區(qū)域有tASET≤tRSET，即不滿足安全疏散判定條件，說(shuō)明人員疏散不是安全的，而在360 s時(shí)開始通風(fēng)(通風(fēng)過(guò)晚)，在4#疏散口至火源之間部分區(qū)域有tASET≤tRSET，即不滿足安全疏散判定條件，人員疏散亦不安全。由此得出：通風(fēng)開始時(shí)間過(guò)早，人員疏散并不安全，這是因?yàn)橥L(fēng)會(huì)擾亂煙氣分層，太早通風(fēng)使煙氣更快沉降縮短危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)間，導(dǎo)致tASET≤tRSET的情況發(fā)生；但通風(fēng)開始時(shí)間過(guò)晚，煙氣已在隧道內(nèi)部分區(qū)域大量聚集，未能由通風(fēng)有效抑制煙氣沉降對(duì)人員安全的危害，仍會(huì)出現(xiàn)tASET≤tRSET的情況。因此，只有在一定的時(shí)間開始通風(fēng)，人員才能夠安全的疏散。

3.4 通風(fēng)臨界時(shí)間確定

根據(jù)上述的模擬可得出各工況下的人員安全疏散情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各工況下人員安全疏散結(jié)果

根據(jù)表3可將8種工況下人員安全疏散結(jié)果分成3類。第1類：對(duì)于工況A1，A2，A3和B4，不晚于180 s時(shí)開始通風(fēng)人員就可安全疏散。第2類：對(duì)于工況B1，B2和B3，在180～300 s間開始通風(fēng)人員就可安全疏散。第3類：對(duì)于工況A4，在180～300 s間開始通風(fēng)人員就可安全疏散。設(shè)ts為保證人員安全疏散的通風(fēng)開始時(shí)間，則可將3類疏散結(jié)果列為公式，即

(4)

由式(4)可知，保證人員安全疏散的通風(fēng)開始時(shí)間ts的最小值為180 s，由此可得通風(fēng)臨界時(shí)間為180 s。

4 結(jié) 論

(1)隧道縱向通風(fēng)排煙下，早于180 s時(shí)開始通風(fēng)，疏散平臺(tái)各處人員疏散均不安全；180～240 s時(shí)開始通風(fēng)，疏散平臺(tái)各處人員疏散安全；晚于240 s時(shí)開始通風(fēng)，疏散平臺(tái)部分位置處人員疏散不安全。

(2)不同火源功率Q、不同縱向通風(fēng)風(fēng)速vt下人員安全疏散結(jié)果：5≤Q≤15(vt=3.55)或vt=4.00(Q=20)時(shí)，不晚于180 s時(shí)開始通風(fēng)人員即可安全疏散；Q=20(vt=3.55)時(shí)，180～240 s時(shí)開始通風(fēng)人員才能安全疏散；1.00≤vt≤3.00(Q=20)時(shí)，180～300 s時(shí)開始通風(fēng)，人員才能安全疏散。最終得到鐵路隧道列車火災(zāi)通風(fēng)臨界時(shí)間為180 s。