地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣流動特性對人員疏散影響的數(shù)值模擬

丁厚成，朱慶松，郭雙林，胡瑩瑩

(安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

隨著我國經(jīng)濟的增長，城市化進程不斷加快，城市人口和私人轎車數(shù)量也在飛速增加，導(dǎo)致城市道路愈加阻塞，傳統(tǒng)的地上交通無法滿足擁有數(shù)百萬乃至上千萬人口城市的交通需求，地下交通成為緩解城市交通的新型渠道，受到國內(nèi)各城市的青睞[1]。然而，地鐵一旦發(fā)生事故，極易造成群死群傷的特大災(zāi)害，因而在享受地鐵帶來的便利的同時，應(yīng)當(dāng)注重地鐵的安全問題[2]。

在地鐵的安全問題中，火災(zāi)是發(fā)生次數(shù)最多、造成損害最大的地鐵災(zāi)害事故，其發(fā)生量占地下軌道交通總事故的50%，其中電氣原因造成的地鐵火災(zāi)發(fā)生概率最大[3]。根據(jù)火災(zāi)在地鐵中發(fā)生的位置可將地鐵災(zāi)害事故分為兩類：①地鐵站臺火災(zāi)；②地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)。而相對于具有完善消防措施和人員疏散條件的地鐵車站，當(dāng)列車失火阻塞于區(qū)間隧道時，具有更大的安全隱患[4]。

目前，國內(nèi)外對地鐵火災(zāi)的研究主要集中在地鐵站臺火災(zāi)及人員疏散方面，涉及地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)及人員疏散的研究并不多，大多是對于公路隧道火災(zāi)的研究[5]。如席亞軍等[6]通過PyroSim建立了地鐵車廂火災(zāi)模型，并在設(shè)定工況下對模型的熱釋放速率、CO濃度、溫度等進行了分析，研究地鐵車廂內(nèi)火災(zāi)蔓延的規(guī)律及對人員疏散的影響；朱常琳等[7]通過FDS建立了同一列車在不同隧道高度中形成不同阻塞比的模型，研究了不同阻塞比對地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)半橫向排煙方式排煙效果的影響；田鑫[8]以地鐵車站火災(zāi)疏散為研究對象，結(jié)合人群疏散演練試驗，利用Pathfinder疏散軟件對地鐵列車和地鐵車站的人員疏散進行了模擬對比研究，得出站臺疏散優(yōu)于隧道疏散的結(jié)論[8]。

上述研究均是針對某一具體特定的區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣流動規(guī)律的研究，或者是針對某一具體地鐵車站和隧道進行人員疏散的研究，鑒于此，本文將基于PyroSim軟件，研究B型地鐵列車兩側(cè)車門同時打開和只有一側(cè)車門開啟兩種情況下，地鐵區(qū)間隧道內(nèi)疏散平臺處火災(zāi)煙氣流動對人員疏散的影響。

1 物理模型的建立

根據(jù)國內(nèi)地鐵隧道的情況，本次模擬選取寬度為5.4 m、高為5.5 m的矩形隧道，區(qū)間隧道為單洞單線[9]，每隔500 m設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，地鐵列車行車方向左側(cè)設(shè)置距道床面高度為1.15～1.35 m的疏散平臺，疏散平臺高度低于地鐵列車地板面0.10～0.15 m，疏散平臺寬度設(shè)置為800 mm，其上部空間保持距離疏散平臺不小于2 m[10]。

地鐵車輛分為A、B、C、L幾種類型，而我國大部分城市地鐵為A、B兩種類型，其中B型的使用更加廣泛，因而選取B型地鐵列車作為研究對象。B型列車每節(jié)長度為19.52 m，車輛寬度為2.8 m，高度為3.8 m，地鐵軌道面到列車地板面的高度為1.1 m，坐客載荷為40人/節(jié)，定員載荷為240人/輛，車門寬度為1 300 mm、高度為1 860 mm，每節(jié)車廂有4對車門，列車一共6節(jié)車廂，列車總長120 m[11]。

本次模擬計算時，對地鐵列車進行了簡化處理，忽略次要外部構(gòu)件以及內(nèi)部設(shè)施結(jié)構(gòu)，建立的地鐵區(qū)間隧道模型以及地鐵列車，見圖1。

圖1 地鐵區(qū)間隧道內(nèi)列車示意圖Fig.1 Schematic diagram of a train in subway interval tunnel

2 地鐵火災(zāi)煙氣流動的數(shù)值模型

2.1 基本方程組

火災(zāi)煙氣流動過程的模擬計算所涉及的流動問題通常為湍流流動，而對湍流行為的模擬，通常有三種數(shù)值模擬方法：①直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation，DNS)；②雷諾平均數(shù)值模擬(Reynolds-averaged navier-stokes simulation，RANS)；③大渦數(shù)值模擬(large eddy simulation，LES)[12]。FDS數(shù)值模擬軟件采用大渦數(shù)值模擬(LES)，并根據(jù)質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒，建立包括連續(xù)性方程、動量方程、能量方程以及組分方程在內(nèi)的基本方程組，這些方程是進行火災(zāi)煙氣流動過程模擬的基礎(chǔ)，其控制方程[13]如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

理想氣體狀態(tài)方程：

(4)

2.2 FDS模擬方案

2.2.1 火源條件的設(shè)定

火災(zāi)增長模型有兩種類型：①穩(wěn)態(tài)燃燒，其火源的熱釋放速率為定值，不隨時間發(fā)生改變；②非穩(wěn)態(tài)燃燒，可將火災(zāi)分為三個階段，即初期的增長階段、中期的穩(wěn)定燃燒階段以及末期的衰減階段。其中，第二種非穩(wěn)態(tài)燃燒火災(zāi)增長模型比較符合地鐵火災(zāi)的實際情況，因而依據(jù)Ingason H的火災(zāi)熱釋放理論[14]，增長階段采用平方增長模型，穩(wěn)定燃燒階段保持恒定，衰減階段采用指數(shù)模型，對地鐵火災(zāi)進行數(shù)值模擬，其熱釋放速率的數(shù)學(xué)模型見表1。

表1 熱釋放速率數(shù)學(xué)模型

注：表中t為燃燒時間(s)；tmax為從開始燃燒至達到最大熱釋放速率的時間(s)；td為達到最大熱釋放速率后所能維持的時間(s)；Qmax為燃燒過程中的最大熱釋放速率(kW)；HRR為火源的熱釋放速率(kW)；a為火災(zāi)增長系數(shù)(kW/s2)，本次研究選取最不利火災(zāi)工況，火災(zāi)類型選取超快速火，火災(zāi)增長系數(shù)a值為0.187 8 kW/s2。

隨著地鐵列車大量運用阻燃或者不燃材料，地鐵列車的火災(zāi)熱釋放率均控制在10 MW以內(nèi)，因此對地鐵火災(zāi)進行數(shù)值模擬時將火源的功率設(shè)置為5 MW、7.5 MW、10 MW，本文將火災(zāi)熱釋放速率設(shè)置為7.5 MW[15]。

2.2.2 邊界條件和初始條件的設(shè)定

地鐵隧道內(nèi)部的壁面以及頂棚可用鋼筋混凝土進行襯砌，取隧道內(nèi)部溫度為20℃，壓力為一個大氣壓(即p=101.325 kPa)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，隧道一側(cè)設(shè)置為速度邊界條件，使地鐵隧道產(chǎn)生一個縱向通風(fēng)速度，隧道的另一側(cè)設(shè)置為壓力出口邊界條件，即出口壓力與外界環(huán)境大氣壓力相等[16]。

2.2.3 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分得越精密，模擬結(jié)果就越精確，但會增加計算機模擬的時間和存儲空間。根據(jù)FDS軟件的用戶指南[13]，可通過火源特征直徑來確定火源附近處的網(wǎng)格大小，其計算公式為

(5)

式中：D*為火源特征直徑(m)；Q為火災(zāi)總熱釋放速率(kW)；ρ0為隧道內(nèi)環(huán)境空氣密度(kg/m3)；Cp為空氣定壓比熱[J/(kg·K)]；T0為隧道內(nèi)環(huán)境空氣溫度(K)；g為重力加速度，取值為9.8 m/s2。

當(dāng)計算網(wǎng)格尺寸為0.06D*～0.25D*，認(rèn)為能夠保證模擬計算的精確性。本文設(shè)置的火源功率為7.5 MW，得出火源特征直徑為2.14 m。為了兼顧計算機硬件配置和模擬精度的要求，在火源附近處對網(wǎng)格進行加密，加密后網(wǎng)格尺寸為0.135 0 m×0.135 0 m×0.137 5 m，其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.270 0 m×0.270 0 m×0.275 0 m。

2.2.4 火災(zāi)模擬工況的設(shè)定

列車為B型鋁合金地鐵列車，車廂地板為橡膠地板，側(cè)墻材料為鋁合金，端墻和頂板為鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，客室內(nèi)座椅為玻璃鋼材質(zhì)并位于車廂內(nèi)左右兩側(cè)縱向排列，燈具位于頂板上并采用PC燈罩[17]?；鹪窗l(fā)生在列車中部，在中間貫通道地板上，面積大小為1 m2，功率為7.5 MW，為快速火，引火源為汽油。

根據(jù)《地鐵設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51298—2018)[10]規(guī)定，載客運營地下區(qū)間內(nèi)應(yīng)設(shè)置縱向疏散平臺，當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)時，可利用端門下至道床面，并開啟客室側(cè)門進行縱向疏散。地下區(qū)間隧道的排煙宜采用縱向通風(fēng)方式，且斷面風(fēng)速在2～11 m/s之間，通風(fēng)方向與人員疏散方向相反。根據(jù)規(guī)范綜合考慮，本次模擬由于列車中部起火，采取通風(fēng)方向與列車行駛方向相反，人員疏散方向與列車行進方向相同，開啟區(qū)間隧道上游風(fēng)機，進行縱向通風(fēng)，斷面風(fēng)速為2.5 m/s[18]。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，50 s后開啟前進方向一端司機室端門，進行人員疏散，60 s后上游風(fēng)機開啟，設(shè)計了兩種側(cè)門開啟方式(即火災(zāi)模擬工況)：①30 s后靠近縱向疏散平臺一側(cè)的客室車門全部打開，另一側(cè)客室車門不開啟；②30 s后兩側(cè)客室車門全部打開，但人員通過靠近縱向疏散平臺的車門進行側(cè)向疏散。在疏散平臺處合理設(shè)置對應(yīng)傳感器和slice面，用于監(jiān)控火災(zāi)發(fā)生后的能見度、溫度和CO濃度的變化情況。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 一側(cè)車門開啟時對地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣流動特性及人員疏散的影響

3.1.1 能見度分析

火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣具有遮光性，煙氣濃度越大，就越會影響正常的人員疏散。根據(jù)NFPA130[19]的規(guī)定，煙氣的能見度應(yīng)一直保持在一定的遮光水平之下，能夠在10 m之外分辨得清門和墻，因而選取能見度的下限值為10 m。

分別截取一側(cè)車門開啟時60 s、90 s、150 s、200 s和300 s時刻的能見度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖2。這些云圖的位置位于人眼特征高度處Z=1.60 m。

圖2 一側(cè)車門開啟時區(qū)間隧道內(nèi)能見度云圖Fig.2 Simulated cloud map of visibility of interval tunnel when the door on one side is opened注：圖中橫坐標(biāo)X軸以地鐵列車中間貫通道為原點，人員疏散方向為正方向；①、②、③、④、⑤、⑥分別代表六節(jié)車廂所在的位置；以下同。

由圖2可以看出：在排煙風(fēng)機沒有啟動的前60s，由于火源從中間貫通道發(fā)生，煙氣向兩邊車廂擴散，使第三、第四節(jié)車廂能見度下降，但能見度依然在10m以上，未對人員疏散造成危險；隨著排煙風(fēng)機的啟動，在90s后煙氣開始向下游彌漫，上游煙氣得到控制，此時列車前三節(jié)車廂能見度維持在30m以上，由于風(fēng)機風(fēng)流的關(guān)系，煙氣在后三節(jié)車廂擴散，第四節(jié)車廂能見度相較而言更低;在150s時，第三節(jié)車廂能見度也開始不斷下降，分析原因是由于火源功率的增大，在火災(zāi)動力的驅(qū)動下，煙氣重新蔓延到第三節(jié)車廂，造成第三節(jié)車廂能見度重新下降；在200s和300s時，能見度云圖沒有發(fā)生太大的變化，這是由于火源功率在200s后維持了穩(wěn)定，煙氣能見度在火災(zāi)動力和風(fēng)機風(fēng)流的影響下，開始穩(wěn)定下來，此時第三節(jié)車廂能見度維持在20m以上，前兩節(jié)車廂能見度未受影響，仍在30m以上，后三節(jié)車廂的能見度處于較低水平，尤其第四節(jié)車廂的能見度受煙氣的影響最嚴(yán)重。因此，有必要對第四車車廂疏散平臺處的能見度進行定量分析。

第四節(jié)車廂的煙氣傳感器位置見圖3。通過煙氣傳感器記錄的一側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處能見度隨時間的變化規(guī)律，見圖4。

圖3 第四節(jié)車廂煙氣傳感器位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the position of smoke sensors in the fourth carriage注：V4-1、V4-2、V4-3、V4-4分別表示第四節(jié)車廂4個車門對應(yīng)的縱向疏散平臺處上方人眼特征高度位置的煙氣傳感器，用于記錄能見度的變化情況；T4-1、T4-2、T4-3分別表示第四節(jié)車廂4個車門之間位于疏散平臺處上方人眼特征高度位置的熱電偶傳感器，用于記錄溫度的變化情況；C4-1、C4-2、C4-3、C4-4分別表示第四節(jié)車廂4個車門對應(yīng)的疏散平臺處上方人眼特征高度位置的CO傳感器，用于記錄CO濃度的變化情況。

圖4 一側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處能見度 隨時間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of visibility on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由圖4可見，第四節(jié)車廂第二個車門對應(yīng)的疏散平臺處人眼特征高度位置的能見度在100s后達到10m以下，200s之后開始升高到10m以上；而第三、第四車門對應(yīng)的疏散平臺處人眼特征高度位置的能見度在200s后始終處于10m以下。

3.1.2 溫度分析

當(dāng)?shù)罔F區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時，煙氣帶來的高溫會灼傷人體皮膚，并對人的心智造成影響甚至威脅生命安全。根據(jù)NFPA130[19]的規(guī)定，在人吸入超過60℃被水蒸氣飽和的空氣時就會對呼吸道造成熱灼傷，因此選取溫度上限為60℃。

分別截取一側(cè)車門開啟時60s、90s、150s、200s和300s時刻的溫度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖5。

圖5 一側(cè)車門開啟時區(qū)間隧道內(nèi)溫度云圖Fig.5 Cloud map of temperature of the interval tunnel when the door on one side is opened

由圖5可見，隨著火勢的發(fā)展，第四、第五節(jié)車廂附近處的溫度不斷升高，在200s后逐漸穩(wěn)定，而前三節(jié)車廂附近處的溫度在安全水平之下。因此，有必要對第四節(jié)車廂疏散平臺處的溫度變化進行定量分析。

通過熱電偶傳感器記錄的一側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處溫度隨時間的變化規(guī)律，見圖6。

圖6 一側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處溫度隨 時間的變化規(guī)律Fig.6 Variation of temperature on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由圖6可見，在100s后靠近第四節(jié)車廂疏散平臺處的溫度開始超過安全溫度60℃，并在200s后達到穩(wěn)定，其中第一個車門與第二個車門之間的疏散平臺處的溫度基本維持在60℃到75℃之間，第二個車門與第三個車門之間疏散平臺處的溫度在100℃到150℃之間波動，第三個車門與第四個車門之間疏散平臺處的溫度在100℃左右。

3.1.3CO濃度分析

由于煙氣具有一定的毒性，會對人體產(chǎn)生危害。根據(jù)NFPA130[19]規(guī)定，在最初的15min內(nèi)，CO濃度應(yīng)控制在800ppm(1ppm=1×10-6)或者更低。一般認(rèn)為CO濃度超過250ppm，將會對人體產(chǎn)生危害，因此可以將CO濃度上限設(shè)置為250ppm。由于煙氣集中在后三節(jié)車廂所在的區(qū)間隧道內(nèi)，其中第四節(jié)車廂處的能見度較低，可以推斷出該節(jié)車廂內(nèi)煙氣濃度較大，其CO的濃度也最高，因而有必要對第四節(jié)車廂疏散平臺處的CO濃度變化進行定量分析。

通過CO傳感器記錄的一側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處CO濃度隨時間的變化規(guī)律，見圖7。

圖7 一側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處CO濃度 隨時間的變化規(guī)律Fig.7 Variation of CO concentration on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the door on one side is opened

由圖7可見，在100s后，第四節(jié)車廂第二個車門對應(yīng)的疏散平臺處CO濃度偶爾會大于250ppm，但是200s后穩(wěn)定在50ppm；在200s后，第三個車門對應(yīng)的疏散平臺處CO濃度常常會大于250ppm。

3.2 兩側(cè)車門開啟時對地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)煙氣流動特性及人員疏散的影響

3.2.1 能見度分析

分別截取兩側(cè)車門開啟時60s、90s、150s、200s和300s時刻的能見度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖8。

圖8 兩側(cè)車門開啟時區(qū)間隧道內(nèi)能見度云圖Fig.8 Cloud map of visibility of the interval tunnel when the doors on both sides are opened

由圖8得見，當(dāng)兩側(cè)車門開啟時，煙氣能見度隨時間的變化過程與同一側(cè)車門開啟時基本相同，且列車左右兩側(cè)能見度基本呈現(xiàn)出對稱分布，而只有一側(cè)車門開啟時，列車左右兩側(cè)能見度分布不對稱，這是因為煙氣只能從靠近疏散平臺處一側(cè)車門擴散出來，造成疏散平臺一側(cè)煙氣濃度大，能見度低。

通過煙氣傳感器記錄的兩側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處能見度隨時間的變化規(guī)律，見圖9。

圖9 兩側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處能見度隨 時間的變化規(guī)律Fig.9 Variation of visibility on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由圖9可見，第四節(jié)車廂第三和第四個車門對應(yīng)的疏散平臺處人眼特征高度位置的能見度在將近200s后達到10m以下，而第一個車門與第二車門對應(yīng)的疏散平臺處相應(yīng)位置的能見度始終在10m以上。對比圖4和圖9可見，兩側(cè)車門開啟時能見度維持在10m以上的時間比一側(cè)車門開啟時多了100s，更加有利于人員的安全疏散。

3.2.2 溫度分析

分別截取兩側(cè)車門開啟時60s、90s、150s、200s和300s時刻的溫度云圖，從下往上依次按照時間順序進行排列，見圖10。

圖10 兩側(cè)車門開啟時區(qū)間隧道內(nèi)溫度云圖Fig.10 Cloud map of temperature of the interval tunnel when the doors on both sides are opened

由圖10可見，兩側(cè)車門開啟時，溫度隨時間的變化過程同一側(cè)車門開啟時基本相似，且列車兩側(cè)的溫度分布呈現(xiàn)對稱性，而只有一側(cè)車門開啟的溫度云圖不具有對稱性，靠近疏散平臺處溫度較高，因為煙氣只能從一側(cè)車門涌出，造成溫度的升高。

通過熱電偶傳感器記錄的兩側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處溫度隨時間的變化規(guī)律，見圖11。

圖11 兩側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處溫度 隨時間的變化規(guī)律Fig.11 Variation of temperature on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由圖11可見，3個分布在第四節(jié)車廂4個車門之間疏散平臺處的熱電偶在將近150s后記錄的溫度數(shù)據(jù)開始大于60℃，并在200s后穩(wěn)定下來，其中第一個車門與第二個車門之間的疏散平臺處溫度穩(wěn)定在120℃到150℃之間，第二個車門與第三個車門之間的疏散平臺處溫度穩(wěn)定在100℃左右，第三個車門與第四個車門之間的疏散平臺處溫度穩(wěn)定在80℃左右。對比圖6和圖11可見，兩側(cè)車門開啟時疏散平臺處的溫度達到60℃的時間比一側(cè)車門開啟時相對晚了50s，將有利于人員的安全疏散與逃生。

3.2.3CO濃度分析

通過CO傳感器記錄的兩側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處CO濃度隨時間的變化規(guī)律，見圖12。

圖12 兩側(cè)車門開啟時第四節(jié)車廂疏散平臺處CO濃度 隨時間的變化規(guī)律Fig.12 Variation of CO concentration on the fourth carriage’s evacuation platform with time when the doors on both sides are opened

由圖12可見，兩側(cè)車門開啟時，第四節(jié)車廂疏散平臺處的CO濃度基本低于250ppm，不影響人員的安全疏散。對比圖7和圖12可見，兩側(cè)車門開啟時疏散平臺處的CO濃度比一側(cè)車門開啟時更低，將有利于人員的安全疏散。

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)?shù)罔F列車中部發(fā)生火災(zāi)，若只開啟靠近疏散平臺一側(cè)的車門時，前三節(jié)車廂疏散平臺處較為安全，而第四節(jié)車廂疏散平臺處最先達到危險狀態(tài)，其中在100s后能見度降低到10m以下，溫度上升到60℃以上，CO濃度常常會大于250ppm。

(2) 當(dāng)?shù)罔F列車中部發(fā)生火災(zāi)，若兩側(cè)車門全部打開時，能見度和溫度在列車兩側(cè)呈現(xiàn)對稱性分布，前三節(jié)車廂疏散平臺處由于排煙風(fēng)機的作用，疏散環(huán)境依然安全，第四節(jié)車廂疏散平臺處仍然是最先處于危險狀態(tài)，其中能見度在200s后降低到10m以下，溫度在150s后上升到60℃以上，CO濃度基本低于250ppm。

(3) 當(dāng)?shù)罔F列車發(fā)生火災(zāi)時，及時打開靠近疏散平臺一側(cè)的車門對于人員逃生十分重要，而另一側(cè)車門關(guān)閉可以防止人員因擁擠導(dǎo)致的跌落等危險狀況。但相對于一側(cè)車門開啟，兩側(cè)車門開啟更有利于人員的安全疏散，同時也爭取了疏散時間。因此，在火災(zāi)發(fā)生時，在不考慮人員從疏散平臺處一側(cè)車門跌落的情況下，兩側(cè)車門都開啟將對人員逃生更加有利。