地鐵區(qū)間列車中部火災(zāi)人員疏散受煙氣影響分析

張穎 張彪 侯佳麗

摘 要：為了研究地鐵區(qū)間隧道內(nèi)列車中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員疏散受煙氣的影響，以 A 型車為例，運(yùn)用 FDS 軟件模擬火災(zāi)煙氣對(duì)乘客疏散的影響。研究結(jié)果表明，列車內(nèi)部火災(zāi)煙氣對(duì)人員的主要危害指標(biāo)為溫度，疏散平臺(tái)處火災(zāi)煙氣對(duì)人員的主要危害指標(biāo)為可見(jiàn)度。

關(guān)鍵詞：地鐵;列車中部火災(zāi);人員疏散;煙氣;可見(jiàn)度;氧含量

中圖分類號(hào)：U231.96

0 引言

GB/T 33668-2017《地鐵安全疏散規(guī)范》將行駛方向上的列車首末節(jié)之間的車輛起火定義為列車中部火災(zāi)。列車中部火災(zāi)的提出是區(qū)間人員疏散工作的細(xì)化，有利于保障疏散乘客的安全。但傳統(tǒng)的通風(fēng)排煙模式無(wú)法滿足列車中部火災(zāi)時(shí)在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行疏散的要求。列車中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，車內(nèi)乘客被著火點(diǎn)分為車頭側(cè)和車尾側(cè)2部分疏散人群，疏散人員向遠(yuǎn)離火源的車頭和車尾

2個(gè)方向進(jìn)行疏散。此時(shí)在任何一側(cè)進(jìn)行排煙，都會(huì)造成該側(cè)乘客疏散不利。為了研究此火災(zāi)場(chǎng)景下火災(zāi)煙氣對(duì)人員疏散的影響，用火災(zāi)模擬軟件FDS（ Fire Dynamics Simulator）模擬無(wú)通風(fēng)排煙模式下火災(zāi)煙氣對(duì)乘客疏散的影響。

1 模型建立

1.1 列車模型

列車模型選用A型車，6節(jié)編組，車輛編號(hào)由左至右分別為1～6號(hào)，其中，1號(hào)、6號(hào)車為單司機(jī)室車輛，車廂長(zhǎng)23.6m，寬3m，高3.8m，車內(nèi)能夠站立人的有效長(zhǎng)度為21.88 m，有效寬度為2.75m，有效高度2.1m。2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)車為無(wú)司機(jī)室車輛，車廂長(zhǎng)22m，寬3 m，高3.8 m，內(nèi)部能夠站立人的有效長(zhǎng)度為21.03m，有效寬度為2.75 m，有效高度2.1 m。每節(jié)列車5對(duì)車門，車門尺寸為1.3 m×1.8 m（寬×高）。每節(jié)車輛載員座席56人，定員310人。列車模型如圖1所示。

1.2 區(qū)間隧道模型

我國(guó)車站間距在城市中心區(qū)和居民稠密地區(qū)宜為1km，因此本文區(qū)間隧道的模型長(zhǎng)度選用1km。隧道為單線盾構(gòu)圓形隧道， 斷面直徑5.5m ，疏散平臺(tái)寬度為700mm。隧道模型如圖2所示。

2 模擬參數(shù)

FDS是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）開(kāi)發(fā)的一種通用火災(zāi)模擬軟件，其通過(guò)數(shù)值方法求解Navier-Stokes方程來(lái)分析燃燒過(guò)程中煙氣和熱傳導(dǎo)的過(guò)程。

2.1 火源設(shè)定

火源設(shè)置于列車中部3號(hào)車廂與4號(hào)車廂的連接處，火源尺寸為1m×1m×1m（長(zhǎng)×寬×高），火源類型為t 2火，火源熱釋放速率與時(shí)間的關(guān)系為Qf = αt 2，其中火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α為0.04689，火災(zāi)發(fā)展等級(jí)為快速火，火源最大熱釋放速率為Qmax = 10MW 。

2.2 危險(xiǎn)性判定

根據(jù)國(guó)內(nèi)外火災(zāi)事故、火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，煙氣是威脅人員安全的主要因素。當(dāng)煙氣層某些參數(shù)增大到一定值時(shí)，便會(huì)對(duì)人員構(gòu)成危害。本文選取煙氣中能對(duì)人員健康造成直接危害的溫度和毒性作為安全評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)煙氣層降到人眼特征高度以下，煙氣溫度高于110℃時(shí)，高溫?zé)煔鈱?huì)通過(guò)直接燒傷或吸入熱煙氣對(duì)人員造成傷害。考慮到列車內(nèi)部空間封閉以及疏散平臺(tái)處疏散環(huán)境復(fù)雜，本文增加車廂內(nèi)氧含量指標(biāo)和可見(jiàn)度指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2.3 疏散時(shí)間

從火災(zāi)發(fā)生到乘客開(kāi)始疏散的時(shí)間T1決定了乘客在疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散時(shí)火勢(shì)的大小、煙氣的多少、環(huán)境溫度的高低以及有毒氣體的濃度等，T1越大則疏散平臺(tái)開(kāi)始疏散時(shí)煙氣對(duì)于乘客的危險(xiǎn)性越大。從火災(zāi)發(fā)生到乘客開(kāi)始疏散的時(shí)間T1可分為火災(zāi)發(fā)生到列車被迫停車和車門開(kāi)啟2個(gè)階段。根據(jù)GB 50157-2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》，地鐵列車的旅行速度不宜低于35km/h，對(duì)于1km長(zhǎng)的隧道需要103s的運(yùn)行時(shí)間。考慮正常運(yùn)營(yíng)時(shí)列車的開(kāi)門時(shí)間不大于19s，則T1≤103s+19s≤122s。本文選取T1的最大值122 s作為疏散時(shí)間進(jìn)行模擬。

2.4 疏散方式

目前國(guó)內(nèi)區(qū)間隧道乘客疏散的方式有以下3種。

（1）我國(guó)早期建設(shè)的地鐵發(fā)生事故后，由于列車車廂間不貫通，乘客通過(guò)乘客門下車至第三軌電絕緣保護(hù)罩上，乘客扶著列車或隧道壁步行至最近車站。典型代表為北京早期地鐵。

（2）通過(guò)列車端頭門下車后步行到最近車站。此種疏散方法的列車車廂之間全部貫通，列車發(fā)生事故?？吭趨^(qū)間后，乘客通過(guò)列車端頭門下車至軌道，步行至最近車站。典型代表為香港地鐵。

（3）通過(guò)側(cè)向疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散。在地鐵區(qū)間內(nèi)設(shè)置側(cè)向疏散平臺(tái)，列車發(fā)生事故?？吭趨^(qū)間后，乘客通過(guò)乘客門下車至與列車地板同一高度的疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散。

本文采用應(yīng)急疏散平臺(tái)的方式進(jìn)行疏散，人員數(shù)量按每節(jié)車輛超員310人計(jì)算，共1860人。有關(guān)學(xué)者通過(guò)對(duì)地鐵車站行人的攝像觀測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出了地鐵出行的人員比例及疏散速度，見(jiàn)表2。

3 模擬計(jì)算分析

3.1 列車車廂內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)乘客影響分析

列車車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，火源附近的溫度和一氧化碳濃度逐漸升高，氧含量逐漸降低。通過(guò)FDS對(duì)車廂內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬，得到列車車廂內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)范圍隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可以看出，列車車廂內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，火源位置處3種危險(xiǎn)指標(biāo)達(dá)到危險(xiǎn)值的時(shí)間分別為62.7s（溫度指標(biāo)）、165s（毒性指標(biāo)）和179s（氧含量指標(biāo)）。隨著火勢(shì)的發(fā)展和煙氣的蔓延，火災(zāi)的危險(xiǎn)范圍逐級(jí)擴(kuò)大，其中溫度指標(biāo)的蔓延速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于毒性指標(biāo)和氧含量指標(biāo)。在T1 = 122s時(shí)間內(nèi)，僅有溫度指標(biāo)達(dá)到了危險(xiǎn)值，其危險(xiǎn)范圍半徑為3m，對(duì)車廂內(nèi)乘客的危害較小。由此可知，列車在區(qū)間發(fā)生火災(zāi)后，可以繼續(xù)行駛到相鄰車站進(jìn)行疏散，此時(shí)車內(nèi)乘客應(yīng)遠(yuǎn)離著火區(qū)域。

3.2 疏散平臺(tái)處火災(zāi)危險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)人員疏散影響分析

火災(zāi)發(fā)生122s后列車被迫停車并開(kāi)啟車門進(jìn)行疏散，車內(nèi)乘客通過(guò)疏散平臺(tái)側(cè)的車門進(jìn)行疏散。其中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)車廂內(nèi)的乘客和4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)車廂內(nèi)乘客分別向遠(yuǎn)離火源的2個(gè)不同方向進(jìn)行疏散。通過(guò)FDS對(duì)疏散平臺(tái)范圍內(nèi)的火災(zāi)環(huán)境進(jìn)行模擬，得出火災(zāi)煙氣對(duì)乘客疏散的影響，見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，3種危險(xiǎn)指標(biāo)首先在距離火源最近的一個(gè)車門處到達(dá)人體耐受極限，時(shí)間分別為452s（毒性指標(biāo)）、126s（溫度指標(biāo)）、164s（可見(jiàn)度指標(biāo)）。其中毒性指標(biāo)到達(dá)人體耐受極限的時(shí)間最晚，影響范圍約為18.5m，對(duì)人員疏散無(wú)影響;在距火源30m范圍內(nèi)溫度指標(biāo)到達(dá)人體耐受極限的時(shí)間稍晚于乘客離開(kāi)該區(qū)域的時(shí)間，對(duì)人員疏散有潛在威脅;在20m范圍內(nèi)可見(jiàn)度指標(biāo)指標(biāo)對(duì)人員疏散無(wú)影響，在20m到350m范圍內(nèi)可見(jiàn)度對(duì)人員疏散影響較大，在350m之后可見(jiàn)度指標(biāo)對(duì)人員疏散無(wú)影響。

4 結(jié)論及建議

（1）地鐵列車中部發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在火源最大熱釋放速率為10MW情況下，列車?yán)^續(xù)行駛122s（含開(kāi)門時(shí)間19s）后被迫停靠在區(qū)間疏散乘客。列車內(nèi)部火災(zāi)煙氣對(duì)人員的主要危害為溫度指標(biāo)，疏散平臺(tái)處火災(zāi)煙氣對(duì)人員的主要危害為可見(jiàn)度指標(biāo)。

（2）地鐵列車發(fā)生火災(zāi)后，列車車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣對(duì)乘客的危害指標(biāo)主要為溫度，其危害范圍隨時(shí)間逐漸增加。因此，列車在區(qū)間發(fā)生火災(zāi)后，在未失去動(dòng)力的情況下，應(yīng)快速行駛到相鄰車站組織疏散，此時(shí)車內(nèi)乘客應(yīng)遠(yuǎn)離著火區(qū)域。

（3）通過(guò)疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散時(shí)的開(kāi)始階段溫度指標(biāo)對(duì)人員疏散有潛在威脅，時(shí)間T1越長(zhǎng)，車廂內(nèi)火災(zāi)煙氣溫度越高，列車開(kāi)門后疏散平臺(tái)處溫度指標(biāo)的影響范圍越大。

（4）通過(guò)疏散平臺(tái)進(jìn)行疏散，可見(jiàn)度指標(biāo)不會(huì)直接對(duì)疏散人員的身體構(gòu)成危害，但會(huì)影響人員的疏散速度，增大人員疏散難度。因此，應(yīng)在疏散平臺(tái)的外邊緣設(shè)置警示燈具，以降低可見(jiàn)度對(duì)人員疏散的影響。

（5）被迫停靠在區(qū)間的列車中部火災(zāi)，火災(zāi)煙氣未對(duì)疏散人員的身體構(gòu)成直接危害。因此，縱向通風(fēng)排煙可待某一疏散方向的人員全部疏散至安全區(qū)域后啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間可根據(jù)圖4中的疏散時(shí)間曲線確定。

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收稿日期 2019-06-19

責(zé)任編輯 朱開(kāi)明